桥梁伸缩缝锚固区混凝土界面力学性能分析

郑万山， 李双龙， 高文军

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067； 2.重庆交通大学， 重庆 400074)

随着我国经济与交通事业的飞速发展，桥梁规模越来越大、车流量与重载车辆也大幅增加，使得桥梁伸缩缝的长期使用寿命面临新的挑战，对其工作性能、使用技术标准等提出了更高要求[1]。桥梁伸缩缝一般设置在桥台与梁端、相邻桥跨间，是桥梁结构的必要组成部分，其主要功能是确保主梁在自然温度变化、车辆反复荷载、混凝土收缩徐变，甚至在大纵坡、弯桥、斜桥下能够满足纵横向自由伸缩变位[2-3]，且梁端能自由转动变形的要求。

伸缩缝锚固区混凝土是伸缩缝结构的重要部位，也是最早发生损坏的部分，锚固区混凝土性能的好坏对伸缩缝使用状况、服务寿命等有着极其重要的影响，其与行车安全、舒适性有着直接的联系[4]。通过调研可知，锚固区与沥青铺装层界面混凝土开裂、裂缝发展扩大、破损、剥落是锚固区最早、最常见的病害，车辆经过锚固区时，车轮荷载压力通过锚固系统将力传递给锚固区混凝土，混凝土出现压缩变形，车轮驶过后，有一个释放应力的过程，使得界面拉应力增大，这会加剧锚固区混凝土的开裂与破坏，锚固区混凝土的损坏又会加剧伸缩装置的破坏，严重影响伸缩缝整体使用性能与服务寿命[5-6]。

本文选择当前国内使用最广泛的单缝式型钢伸缩装置，采用有限元软件进行数值模拟，建立伸缩缝及锚固区有限元模型，主要探究沥青铺装层弹性模量、锚固区宽度与厚度、车轮超载与水平力系数对界面力学性能的影响，着重分析界面处的应力与变形情况，为伸缩缝锚固区材料选择、结构尺寸形状提供一定的理论优化建议，以供今后锚固区设计、施工参考。

1 有限元模型建立

1.1 计算荷载与作用位置

采用《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)[7]中公路Ⅰ级车辆荷载进行模拟分析，公路Ⅰ级车辆荷载标准550 kN，最大轴重140 kN，考虑车辆荷载最大冲击系数μ= 0.45，后轴压力为140 kN×1.45=203 kN。标准车辆后轴由4个车轮组成，单轮压力为203 kN/4=50.75 kN，单轮着地面积取0.2 m×0.25 m的矩形，则单轮接触应力为1.015 MPa。后轴加载平面如图1所示。

单位：mm

车轮荷载作用位置考虑4种工况：1) 车轮作用于沥青铺装层，轮迹线前边缘与界面线重合；2) 车轮作用于两者相交处，车轮中心刚好与界面线重合；3) 车轮作用于锚固区混凝土上，轮迹线后边缘与界面线重合；4) 车轮中心刚好作用于锚固区混凝土中心。具体作用位置如图2所示。

图2 荷载作用位置

1.2 几何模型

本文重点旨在研究沥青铺装层与锚固区界面的应力与变形，为优化计算，提升运算效率，对单缝式型钢伸缩装置进行一定的简化，不考虑锚固区钢筋对界面应力的影响，依据伸缩缝及锚固区具体尺寸画出其结构断面示意图，以型钢边缘为坐标原点，X轴为桥梁纵向，Y轴为梁体厚度方向，Z轴为桥梁横向，模型宽度为3 m，如图3所示。

单位：mm

1.3 材料特性

力学性能分析主要采用线弹性模拟，取20 ℃试验测得弹性模量E与泊松比μ的标准值，各材料特性参数如表1所示。

表1 材料参数

为研究沥青铺装材料弹性模量及锚固区混凝土强度等级变化对锚固区与沥青铺装两者界面力学性能的影响，取沥青铺装层材料弹性模量为400 MPa～2 000 MPa。

1.4 边界条件

边界条件分为不同材料结构界面间的接触条件与有限元模型表面的位移边界条件。

1) 单元类型与界面接触条件

混凝土采用有限元Solid65实体单元模拟，沥青铺装层、型钢采用Solid185单元模拟，材料之间的相互接触关系采用接触单元与目标单元，即Conta174与Targe170模拟。接触面为绑定接触，无摩擦，且初始接触无间隙。Solid185为无中间节点的8节点结构实体单元，可模拟混凝土结构拉裂、压碎、收缩、徐变等，主要用于三维实体结构的模拟；Conta174与Targe170为模拟面面接触的接触与目标单元，可表征两者的滑移、接触等，主要用于3D结构的接触分析，也可模拟热耦合接触。

2) 位移边界条件

基于伸缩缝常设位置，本模型简化情况如下：在竖向位移设置为0，即Y轴方向为简支约束；在顺桥向背面固定，即X轴方向全约束。桥面施加水平与竖向的车轮压力，位移边界条件如图4所示。

图4 边界约束条件

1.5 基本假设

1) 材料都为线弹性，符合相关规范标准，力与变形连续、均匀，为各向同性。

2) 对锚固区与沥青铺装、型钢进行一定简化，假设两两都是非光滑紧密连接，接触界面无孔隙，界面采用接触单元替代机械粘结，并设置为绑定接触，应力、变形在界面处均匀、连续传递。

3) 忽略结构自重、梁端面板负弯矩、振动对有限元计算的影响。

2 伸缩缝锚固区界面受力影响因素分析

2.1 加载位置对界面受力影响

考虑前文设置的4种加载位置，选取锚固区C50，主梁C40混凝土，沥青弹性模量1 400 MPa，型钢206 GPa，有限元计算得出界面处最大应力与变形值，结果如表2所示。由于混凝土主要因受拉引起破坏，因此界面最大拉应力作为主要判定指标。

由表2可见，位置1的界面拉应力与剪应力值最大，取位置1作为最不利加载位置，其界面拉应力、剪应力与位移作为控制指标[8-9]，X方向位移表示正向。

2.2 不同铺装层弹性模量对界面受力影响

保持车辆公路Ⅰ级加载与其他结构材料参数不变，桥面铺装层沥青弹性模型分别取400 MPa、800 MPa、1 200 MPa、1 600 MPa、2 000 MPa[10]，通过有限元计算锚固区界面应力与变形值，结果如表3所示。

表3 不同弹性模量下界面计算结果

由表3可见，随沥青铺装层弹性模量的增加，界面拉应力、剪应力、位移呈减小趋势，从400 MPa到2 000 MPa，拉应力降低了56.4%，剪应力减少了31.2%，两者都表现出线性相关变化，主要指标拉应力相关系数为-1.375×10-4。结果分析表明，在其他材料特性不变的情况下，沥青铺装层弹性模量越大，界面应力值越小，位移变形越小，铺装层弹性模量的增大对降低沥青与锚固区混凝土界面拉应力值效果非常好。因此，为减小界面应力，特别是拉应力，延缓混凝土界面脱粘、开裂，应选择弹性模量大的改性沥青铺装材料，利于界面受力。

2.3 伸缩缝锚固区宽度对界面受力影响

为考察伸缩缝锚固区宽度变化对界面受力的影响，在车辆加载与其他材料参数不变的情况下，沥青铺装弹性模量取1 400 MPa，锚固区宽度分别取30 cm、35 cm、45 cm、50 cm，计算界面应力与变形值，结果如表4所示。

表4 不同锚固区宽度下界面计算结果

由表4可见，随锚固区宽度的增加，界面应力与位移变化非常小，拉应力趋于250 kPa，剪应力趋于592 kPa，位移逐渐减小，应力与位移指标难以判定锚固区具体适用宽度，应结合规范与施工标准，一般采用锚固区宽度约为45 cm，该宽度便于工人操作施工，若宽度太小，锚固不牢固，混凝土易开裂，宽度太大，不仅会降低支承能力，还会提高整体锚固与修复混凝土的造价。因此，应依据实际工程概况、规范标准及工程经验，选择适宜的锚固区宽度。

2.4 伸缩缝锚固区厚度对界面受力影响

为研究伸缩缝锚固区厚度变化下对界面受力的影响，在车辆加载方式、车轮压力大小与其他材料参数不变的情况下，沥青铺装弹性模量取1 400 MPa，锚固区厚度分别取180 mm、200 mm、220 mm、240 mm[11-12]，通过有限元计算其应力与变形值，结果如表5所示。

表5 不同锚固区厚度下界面计算结果

从表5可知，随着锚固区厚度的增大，界面拉应力与剪应力逐渐增大，拉应力增加了8%，剪应力增加了5%，但增加的幅度总体非常小，位移逐渐减小。由于厚度变化对界面影响较小，可根据规范与施工经验对锚固区厚度做出合理选择。

2.5 车辆超载对界面受力影响

为研究车辆超载对界面受力影响，沥青弹性模量取1 400 MPa，其他材料特性不变，汽车加载不考虑水平力影响，从车轮初始压力0.58 MPa逐渐加力，设置超载10%、30%、50%、70%几种工况[13-14]，计算界面应力与变形值，结果如表6所示。

表6 不同加载压力下界面计算结果

由表6可见，界面拉应力、剪应力、位移都随着车轮压力增加成线性增长趋势，超载70%后，拉应力增大了60%，剪应力增大了69.49%，位移增大了71.88%。从应力与变形结果看，超载对界面受力影响非常显著，表明车辆超载对伸缩缝及锚固区整体受力非常不利，应严禁车辆超载，特别是重载车辆。

2.6 水平力对界面受力影响

在保持车轮加载方式、车轮压力、材料特性参数等不变的情况下，铺装层沥青弹性模量取1 400 MPa，考虑车辆水平力的影响，通过水平力系数来表示，分别取0、0.1、0.25、0.5来表示静止、匀速、缓慢制动、紧急刹车等[15]，计算结果如表7所示。

表7 不同水平力下界面计算结果

由表7可知，界面拉应力、剪应力随着水平力增大呈线性增加趋势，水平力系数0.5相较于0时，拉应力增大了980%，增大了近10倍，剪应力增加了5.08%，位移呈增大趋势。这一结果表明，水平力对界面拉应力影响非常大，水平力较大时，界面拉应力剧烈增长，对锚固区混凝土受力相当不利，界面拉应力太大，超过混凝土抗拉强度，可能导致混凝土开裂破坏，在车辆反复冲击荷载作用下，裂缝进一步扩展，加剧了破损，说明车辆紧急刹车、制动下易造成界面脱粘、开裂破损。因此，车辆在通过伸缩缝时，应匀速、平顺行驶，这样既能避免紧急制动，加剧锚固区混凝土破坏，也能保证行车安全。

3 结束语

在确定模型计算加载、荷载位置、材料特性、边界条件与基本假设后，通过有限元软件建立伸缩缝及锚固区有限元模型，选取界面拉应力、剪应力、位移为主要控制指标，研究了铺装层沥青弹性模量、锚固区混凝土宽度、厚度、车辆超载及水平力对界面受力与变形的影响，并得出如下结论：

1) 当车轮作用于沥青铺装层时，轮迹线前边缘与界面线重合是最不利加载位置，该位置拉应力与剪应力值最大，表明该处伸缩缝界面锚固区的受力最不利。

2) 增大沥青铺装层弹性模量能降低界面应力与位移变形。据此，宜选择弹性模量较大、刚度大的沥青材料，能较好地减小界面应力与变形，减缓界面开裂破坏。

3) 锚固区宽度与厚度变化对界面应力影响较小，位移随宽度、厚度增加有所减小，但总体减小幅度小。锚固区宽度、厚度的选择可根据规范与施工经验，不宜过大或过小，主要以锚固区牢固、施工操作方便为依据。

4) 车辆超载对伸缩缝锚固区界面应力与变形影响大，表明超载对伸缩缝整体受力非常不利。据此，要严禁车辆超载，特别对重载车辆要严格把控。

5) 水平力系数越大对界面受力越不利，界面拉应力随水平力系数增大呈现指数型增长，表明水平力过大可能致使界面应力超过抗拉极限而开裂，加剧界面脱粘、裂缝发展等。据此，车辆应尽量匀速、平顺行驶，避免紧急制动。