T梁伸缩缝槽口构造设计对混凝土拉应力的影响

唐志 蓝先林 徐向东

摘要：为研究连续T梁伸缩缝构造设计对混凝土拉应力的影响，文章基于Ansys平台建立了T梁上部结构实体单元有限元模型，探究了不同伸缩缝类型和不同汽车荷载分项系数对混凝土抗拉能力的影响，并从伸缩缝槽口构造措施方面研究了混凝土最大拉应力能需比的变化情况。研究表明：最不利荷载工况下T梁80型伸缩缝处的拉应力达3. 83 MPa，远大于C50混凝土容许拉应力，而1 60型伸缩缝在减小混凝土的拉应力方面要优于80型伸缩缝;为进一步提高伸缩缝槽口处混凝土抗拉能力，槽口处混凝土应该采取加厚渐变处理。

关键词：T型梁;伸缩缝;槽口;混凝土拉应力;构造设计

中图分类号：U448. 21+2文献标识码：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst.2019. 12. 025

文章编号：1673 - 4874（2019）12 - 0090 - 05

0引言

贵州山区地形起伏较大，高速公路采用最广泛的桥梁形式是多跨连续T梁。伸缩缝是桥梁结构的薄弱位置，在车辆荷载的反复冲击作用下容易发生槽口混凝土及伸缩装置的破坏。目前设计T梁通用图160型伸缩缝处设置了槽口，在伸缩缝处位置做了加强处理;而对于80型伸缩缝通常不做槽口，伸缩缝处也未做加强处理。《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60 - 2015）已经将汽车荷载分项系数（采用车辆荷载计算时）由老规范中的1.4提高到1.8，因此，有必要对T梁80型及160型伸缩缝构造受力情况进行分析，并研究通过优化伸缩缝处梁体构造设计来改善其受力性能。

关于桥梁结构中伸缩缝的研究，国内外学者们做了大量相关工作。王建波[1]依据实际工程经验，探究了模数式伸缩缝和梳齿板式伸缩缝在设计、制造、安装和后期维护等四个方面的差异性，最后结合不同公路桥梁提出了伸缩缝的选型方案。张煜敏[2]等研究了不同超越概率地震作用下设有伸缩缝装置和阻尼器装置的桥梁结构地震响应分布规律，认为桥梁结构设置阻尼伸缩装置可以减少梁体碰撞，提高结构抗震能力。盛亚鸣[3]基于Recurdyn软件，利用实验和数值模拟对比研究了梳齿板伸缩缝在车轮荷载作用下的变形、荷载以及振动噪声。刘玉华[4]介绍了一种新型无振动无缝伸缩装置，这种装置施工方便、强度高、变形小，由小型工字钢组成。董浩[5]等分析了高速公路伸缩缝常见的病害机理，基于此机理提出了加强日常养护的高精准养护方法和养护管理措施。闫光飞[6]基于LS- DYNA软件，建立了两跨简支梁及伸缩缝有限元模型，探究了不同车速、不同车轴荷载和不同跳车情况下伸缩装置的位移、受力和疲劳应力变化规律。邹毓颖[7]等基于RBM160型桥梁伸缩缝，提出了该类伸缩缝在车辆冲击荷载下的应力计算方法，以此来分析桥梁伸缩缝在循环疲劳荷载作用下的破坏机理。Coelho等[8]统计分析了某地区桥梁伸缩缝的实测变形数据，利用数值模拟方法探究了伸缩缝变形的影响机理及主要原因。Ding等[9]探究了伸缩缝在竖向车辆荷载作用下的冲击变形，并从数据上给出了详细说明。陈宝春[10]等采用无缝伸缩缝装置对某桥梁结构伸缩缝进行了改造研究，认为该伸缩装置可降低行车噪音，提高行车平顺性，同时也可满足桥梁结构变形要求。上述研究仅从伸缩缝常见病害和破坏机理方面对伸缩缝进行了主要研究，并未考虑开槽后不同伸缩缝装置和开槽构造对周边混凝土应力的影响。

基于上述研究，本文以贵州山区某高速公路多跨连续T梁桥为例，探究开槽后不同伸缩缝装置和开槽构造对周边混凝土拉应力的影响。基于大型通用有限元软件Ansys建立T梁上部结构实体单元模型，同时结合新旧规范探究了汽车荷载分项系数对混凝土拉应力的影响程度，为同类桥梁伸缩缝的构造设计与选型提供技术参考。

主梁采用T型钢筋混凝土梁，C50混凝土。横向采用横隔板连接，横向单幅由5片T梁组成。主梁标准横断面如图2所示。

1.2 有限元模型

本文仅研究不同伸缩缝对主梁混凝土应力应变的影响，故此处仅考虑上部结构的影响，并基于Ansys建立上部结构T梁的实体单元模型，利用Solid45单元模拟混凝土。为简化计算，截取其中1跨连续梁建立有限元模型，其有限元模型如图3所示。

2 伸缩缝构造及工况设置

2.1 伸缩缝构造

为满足桥面变形的要求，通常在两梁端之间、梁端与桥台之间或桥梁的铰接位置上设置伸缩缝。要求伸缩缝在平行、垂直于桥梁轴线的两个方向上，均能自由伸缩，牢固可靠，车辆驶过时应平顺、无突跳与噪声，能防止雨水和垃圾泥土渗入阻塞，安装、检查、养护、消除污物都应简易方便。在设置伸缩缝处，栏杆与桥面铺装都要断开。本文探究两种伸缩缝装置，即80型伸缩缝和160型伸缩缝对多跨连续梁混凝土拉应力的影响程度。80型伸缩缝主要用于桥台处，160型伸缩缝主要用于中间伸缩缝处，两者区别在于伸缩量的大小不同。两种伸缩缝装置的构造分别见图4、图5。

2.2 工况设置

据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60 - 2015）[11]可知，車辆荷载后轴重力标准值为2x 140 kN，此处为简化计算，将该荷载由两个单轴承载，且均分至半幅桥梁结构上，车辆荷载标准值为70 kN。对于T梁而言，车辆荷载冲击系数取0.3。在进行荷载组合时，按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60 - 2015）规定汽车荷载的分项系数为1.8（采用车辆荷载计算），而对于旧规范中汽车荷载的分项系数为1.4（采用车辆荷载计算）。本文据此针对两种分项系数和两种伸缩缝装置设置4种计算工况，如表2所示。

3 结果分析

伸缩缝放置于相邻两T梁形成的槽口处，其相对位置如图6所示。

3.1 应力云图分析

由于主梁具有对称性，下面仅给出T梁在四个计算工况下槽口端部A点的应力变化云图（见图7），以此从整体上定性分析各伸缩缝对混凝土拉应力的影响。

据图7整体分析可知，第3和第4片主梁更容易产生混凝土拉应力破坏，而在其他片主梁处混凝土基本上处于受压状态。这是因为第3和第4片主梁位于中间位置，在荷载作用下分布的弯矩较大。对比图7（a）和图7（c）、图7（b）和图7（d）可知，80型伸缩缝产生的拉应力要大于160型伸缩缝，故建议采用160型伸缩缝。

3.2 定量分析

由于混凝土抗压不抗拉，故此处仅给出混凝土在加自重和不加自重情况下的最大拉应力和拉应变结果，如表3所示。表中能需比为C50极限拉应力与考虑自重后的最大拉应力之比。

从表3能需比一列分析可知，80型伸缩缝处构造会导致混凝土最大拉应力超过C50混凝土的极限拉应力，而160伸缩缝不会产生上述不利现象，这与上述3.1节分析结果一致。

4 伸缩缝槽口特殊点应力分析

上述3.1节和3.2节从伸缩缝槽口端部分析混凝土应力关系，下面从垂直于伸缩缝延伸方向的特殊点来分析混凝土应力关系。

4.1 应力云图分析

限于篇幅，此处仅给出槽口混凝土不加渐变处理的C点和B点的应力云图，如图8所示。

4.2 定量分析

据下页表4分析可知：

（1）加渐变处理后，可以提高能需比，即可以提高混凝土抗拉强度。

（2）不论加渐变还是不加渐变，B点（开始突变）处最大拉应力小于C点（突变结束）处的混凝土最大拉应力。

（3）工况3下的能需比要小于工况4下的能需比，这是因为工况3下汽车荷载分项系数（1.8）要大于工况4下汽车荷载分项系数（1.4）。

综合上述分析可知，为提高混凝土抗拉能力和安全起见，应该对槽口采用加渐变处理，在渐变结束处，可以采用二次渐变的形式来降低此部位的混凝土拉应力。

5 结语

本文基于Ansys平台，探究了连续T梁伸缩缝类型对槽口混凝土拉应力的影响，主要得出以下结论：

（1）对于由多片T梁构成的连续梁，横截面上混凝土最大拉应力一般发生在中间跨T梁附近，此部位需要加强混凝土抗拉设计。

（2）相比80型伸缩缝，160型伸缩缝可以减小混凝土最大拉应力，在规范规定荷载作用下槽口端部位置的应力能需比达到1. 548。

（3）为提高槽口混凝土抗拉能力和安全起见，应该对槽口采用加渐变处理，在渐变结束处，可以采用二次渐变的形式来降低此部位的混凝土拉应力。

参考文献

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[11]JTJ D60 - 2015，公路桥涵设计通用规范[s].

作者简介：唐志（1984-），硕士，高级工程师，从事桥梁设计与研究工作。