行车荷载下桥梁伸缩缝破坏机理分析★

李 伟 姚 林 解传凯 孔繁盛 兰 宇,

(1.山东省高速路桥养护有限公司，山东 济南 250031； 2.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

1 概述

伸缩缝装置为桥梁的附属设施，通常设置在两梁端之间、梁端与桥台之间或桥梁的铰接位置，为满足桥面变形的要求，但其施工质量往往被相关工程技术人员所忽视。目前，许多的公路桥梁都产生了伸缩缝病害，伸缩缝装置成为了桥梁结构中易损和频繁需修复的部位。在这过程中，会明显增加桥梁的维护成本，还会影响交通。因此，亟需对桥梁伸缩缝病害问题进行重点关注。分析桥梁伸缩缝病害类型及在行车荷载下的破坏机理是解决此类问题的重要基础。综上，本文通过查阅文献与现场调研，总结了目前桥梁伸缩病害原因，并通过ABAQUS有限元模拟，分析了在行车荷载作用下桥梁伸缩缝的破坏机理，相关研究为桥梁伸缩缝病害的处置提供了相关参考依据，对于提升桥梁伸缩缝的工程质量与服役寿命具有重要意义。

2 桥梁伸缩缝病害产生原因

在公路桥梁结构中，公路桥梁伸缩装置直接承受着行车荷载的反复作用。在我国交通迅速发展下，交通量激增，部分车辆为超载车辆和重型车辆。伸缩缝在承受行车荷载的冲击作用下，可能会出现混凝土裂缝，导致伸缩缝破坏。特别在伸缩缝承受着行车荷载下，伸缩缝设计、施工、养护各方面工作不善，会加快伸缩缝使用寿命的缩减。

因此在桥梁伸缩缝实际使用中，对于病害产生的原因不同，结合建模分析行车荷载下桥梁伸缩缝的情况，更好地全面处理桥梁伸缩缝病害。桥梁伸缩缝病害产生原因有设计方面、施工方面、养护方面[2,3]。

2.1 设计方面

高速公路桥梁伸缩缝病害与伸缩缝本身设计是有联系的。

桥梁伸缩装置设计方面的原因有：

1)桥梁伸缩装置结构的设计不足。在桥梁伸缩缝装置设计中，没有考虑桥面钢筋混凝土与桥梁面板的同步伸缩。这会导致桥梁在通车使用后，沥青混凝土外表会出现不规则开裂、桥面拱起等问题[3]。

2)伸缩缝装置设计刚度不足。当伸缩缝装置强度不足时，伸缩装置工作时会产生相应的隐患[5]。

2.2 施工方面

在施工相关人员对伸缩缝进行施工时，会因为各种原因而在具体操作上没有按照相应规范，导致伸缩装置安装程序不合理，其工艺标准不符合规定，影响伸缩装置正常工作。

桥梁伸缩装置施工方面的原因有：

1)预留钢筋被压坏。预留的锚固钢筋被运料车压坏，致伸缩缝钢筋与预留的锚固钢筋的连接性变差[3，5]。

2)混凝土的整体强度不足及浇筑工作不善。由于混凝土的整体强度不足，在混凝土浇筑后，整体刚度无法满足实际使用。当混凝土浇筑工作不够密实时，混凝土内部就会出现空洞和蜂窝等情况，导致路面缺乏足够的承载力[2]。

3)伸缩缝预留量没有根据实际施工环境进行调节。桥梁的伸缩缝装置伸缩量一般会预留设计值的50%。在现场施工时，相关技术人员需按照实际施工环境及施工需求，调整伸缩装置伸缩量的预留值，否则会致其伸缩量不足，伸缩缝装置挤死，锚固混凝土受到挤压而破坏，甚至背墙断裂[3]。

2.3 养护方面

当伸缩装置出现养护方面的问题时，也会导致病害的出现。

桥梁伸缩装置养护方面的原因有：

1)内部杂物清理不及时。

当没有及时清理进入伸缩装置的砂土及杂物，桥梁伸缩装置原设计的伸缩量得不到保证，导致主梁无法自由伸展，桥台背墙处受到各梁间的推力作用，会发生断裂情况[2]。

2)零部件维修养护不及时。

当伸缩装置零部件没有及时维修养护时，装置零部件会出现生锈、破损等问题，影响伸缩装置的刚度和强度[3]。

3)养护工作不善。

当养护工作流于表面，未能定时检查维护时，会导致桥梁伸缩病害发生[3]。

4)养护措施的影响。

在对伸缩装置进行养护时，为了保障交通的运行，通常采取半幅施工半幅通车的交通管制，当车辆荷载通过时所产生的振动频率，会影响混凝土凝结固化，导致混凝土抗拉强度下降。

3 行车荷载下桥梁伸缩缝破坏机理

3.1 模型设置

关于行车荷载下桥梁伸缩缝破坏机理分析中，采用ABAQUS有限元建模，对此进行模拟分析。

首先在伸缩缝分析中采用如下假设：

材料为均匀，各向同性，应力与应变成正比，相关性能参数不考虑温度影响[4]。

通过ABAQUS建立的模型如图1所示。模型左边部分，L型部分上的矩形部分为伸缩缝过渡区，高220 mm，长320 mm。左边整体部分，高320 mm，长500 mm。伸缩缝长80 mm。由于模型呈轴对称，即右边部分尺寸与左边部分尺寸呈对称。材料属性为C50混凝土，考虑了混凝土塑性损伤。

该模型取一车轮宽度，宽度为200 mm。在车轮从左至右通过路面，设置10个参考点，如图1a)所示。这10个参考点分别与对应的面耦合，并设置荷载，模拟车轮经过对伸缩缝的相关影响，如图1b)所示。

经查阅JTG D60—2015公路桥涵设计通用规范等资料，计算得到伸缩缝顶部所受的静力荷载，如表1所示。

因不考虑车辆在伸缩缝处制动，水平静载荷主要为车辆所产生的摩擦力，车辆在平直公路上行驶时所受到的阻力为车重的0.03倍。

表1 伸缩缝顶部静力荷载

由于RP-3,RP-8为伸缩缝过渡区交界处，RP-5,RP-6为伸缩缝交界处，可能产生跳车现象，所以这四个参考点所承受的竖向荷载设置为车辆最大竖向荷载101.5 kN，其他参考点所承受的竖向荷载皆为车辆荷载标准值70 kN。全部参考点都设置向右的水平静荷载2.1 kN。

通过建立以上模型，设置荷载，模拟伸缩装置实际使用情况，并对此进行分析。

3.2 模型分析

该模型模拟车辆车速为100 km/h。所以在设置分析步的时候，根据模型尺寸，设置相应的时间，模拟100 km/h下车辆的通过情况。

在进行内力分析时，截取RP-2参考点到RP-9参考点这部分模型进行分析，模拟车辆在进入过渡区前至离开过渡区后，路面的相应的位移及应力变化。相关参考点的模拟结果如图2所示。

在对此模型进行模拟时，可发现相关参考点的应力位移曲线相似。在荷载结束施加之后，材料会随时间进行弹性恢复，但若位移或应力超过材料所承载的极限，造成不可恢复的损伤，或者其位移形变已经影响实际车辆使用，造成车辆使用安全上的隐患时，需要修补结构。

观察参考点位移及应力变化图，对比峰值发现，位于过渡区伸缩缝两端的RP-5参考点、RP-6参考点峰值较大；在过渡区边界处的RP-3参考点和RP-8参考点相比RP-2参考点和RP-9参考点位移及应力值较大。这说明该四处是伸缩装置设计施工应该注意的四个位置及在实际使用中容易产生损伤的部位；RP-5参考点、RP-6参考点位移及应力值较于RP-3参考点、RP-8参考点位移及应力值，是比较大的。在伸缩缝实际使用中，对于RP-5参考点、RP-6参考点相应的部位同样需要注意。

在模拟中，行车荷载下伸缩缝相关参考点应力最大值为0.938 MPa，位移最大值0.63 mm，小于规范容许值，皆满足实际工程使用要求。从以上分析可知，在桥梁伸缩装置实际工程设计应用维修中，应着重考虑分析RP-3参考点、RP-5参考点、RP-6参考点、RP-8参考点这四个位置处的受力变形。若结构及材料在这四个位置可以满足实际工程使用要求，便可保证桥梁伸缩装置的正常使用。

4 结论

1)现阶段，我国已经进入建设公路桥梁的高潮。许多公路桥梁都产生了伸缩缝病害，这不仅影响公路桥梁实际使用，还危害公路桥梁中的行驶车辆的安全。

2)桥梁伸缩缝病害类型有施工导致的病害、设计导致的病害、养护导致的病害。

3)观察相关参考点模拟结果，对比峰值发现，位于伸缩缝两端的参考点RP-5参考点和RP-6参考点的应力值最大，皆为0.938 MPa，而过渡区边界处的RP-3参考点、RP-8参考点峰值较大，RP-3参考点的应力值为0.812 MPa，RP-8参考点应力值为0.827 MPa，该四个参考点应力值皆小于规范容许值；位于伸缩缝两端的参考点RP-5参考点和RP-6参考点的位移值最大，皆为0.63 mm，而过渡区边界处的RP-3参考点和RP-8参考点峰值较大，皆为0.29 mm，该四个参考点模拟的应力值和位移值皆满足实际工程使用要求。由于位于伸缩缝两端的参考点RP-5参考点、RP-6参考点和过渡区边界处的RP-3参考点、RP-8参考点，这四点的应力峰值和位移峰值皆较大，因此该四处是伸缩装置设计施工应注意的位置及在实际使用中容易产生损伤的部位。

4)在相关参考点模拟结果中，位于伸缩缝两端的参考点RP-5参考点和RP-6参考点的应力值为最大，皆为0.938 MPa。同时该两参考点的位移值也最大，皆为0.63 mm。在模拟中考虑行车荷载为车辆荷载后轴重力标准值，而在实际情况有行车荷载的反复作用及车辆超载的情况，因此伸缩缝金属装置与过渡区混凝土以相应的混凝土等级的规范受压容许值设计，同时按照设计值对桥梁进行限重。