伸缩缝槽口混凝土受力特性及其构造优化研究

张剑锋 周昌群 唐 志 徐向东 周 平

(1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081； 2.贵州高速公路集团有限公司 贵阳 550001)

桥梁伸缩缝是桥梁构造中易受损坏的构件之一[1]。桥梁伸缩缝可满足桥梁结构混凝土温度变化、收缩徐变、车辆荷载反复作用等引起的缩短、伸长[2]，但因使用环境、施工、设计、养护等因素，在桥梁各部件中，桥梁伸缩缝属于最薄弱的[3]。桥梁伸缩缝的作用主要是调节桥梁上部结构在车辆荷载、温度变化等因素下的位移和联结[4]。对于桥梁伸缩装置受力性能，学者进行了大量研究，张忠等[5]基于ABAQUS有限元软件，对大位移公路桥梁伸缩缝的动力定位耦合数值模拟进行了研究，探究支承刚度与伸缩缝位移量之间的关系；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。刘朵等[7]对异型钢单缝式和模数式伸缩缝开展研究，针对其病害情况划分损伤等级，并提出相应的养护对策；贺志勇等[8]针对模数式伸缩缝中梁钢焊接点的疲劳损伤及模数式伸缩缝的疲劳寿命开展了研究分析。上述研究多集中在伸缩缝的疲劳寿命分析，并针对桥梁伸缩缝的病害进行分析归类，提出相应的对策，未有文献开展伸缩缝锚固区混凝土的受力特性分析，且对于伸缩缝槽口的构造优化研究更为罕见。因此，本文在上述研究的基础上，进行伸缩缝锚固区混凝土的受力特性分析和槽口构造优化研究，采用ABAQUS有限元软件建立伸缩缝实体模型，探究伸缩缝不同锚固类型和不同锚固深度对伸缩缝槽口混凝土受力性能的影响规律，根据混凝土的受力特性，提出槽口的构造优化尺寸。

1 伸缩缝锚固类型

本文主要对边梁型式为E型截面的伸缩缝开展研究分析，边梁的锚固方式主要有以下4种类型，其结构示意见图1。

图1 E型截面伸缩缝的边梁锚固方式(单位：cm)

4种锚固方式构造及适用条件如下。

1) I类。在E型钢下缘上侧焊接钢板，锚固钢筋一端与钢板焊接，另一端与型钢底部焊接，伸缩缝埋入梁体的深度最小。

2) II类。在E型钢下方焊接钢板，锚固钢筋一端与型钢下缘上侧进行焊接，另一端与钢板焊接，伸缩缝埋入梁体的深度稍大于I类。

3) III类。E型钢下方焊接钢板，锚固钢筋一端与钢板上侧进行焊接，另一端与钢板下侧焊接，锚固环水平钢筋平行设置，伸缩缝埋入梁体的深度稍大于II类。

4) IV类。在E型钢下方焊接钢板，锚固钢筋一端与钢板上侧进行焊接，另一端与钢板下侧焊接，锚固环筋呈三角形设置，伸缩缝埋入梁体的深度最大。

2 伸缩缝混凝土受力特性分析

2.1 有限元模型

为对比分析I～IV类锚固方式下锚固区混凝土在汽车荷载作用下的受力性能，基于ABAQUS有限元建立4种锚固方式下伸缩缝与锚固区混凝土的实体有限元模型，根据研究需要，建模时考虑到模数式伸缩装置的锚固构造及车轮布置特点，取1个车轮影响范围内的伸缩装置型钢建模计算，锚固钢筋的间距为20 cm，钢筋直径取16 mm，分析不同荷载工况作用下桥梁伸缩缝锚固区混凝土的受力状态。伸缩缝边梁型钢、下缘下侧的焊接钢板、锚固环筋和纵向钢筋建为一体模型，混凝土模型为长方体，其尺寸为0.7 m×0.6 m×1.5 m。

模型边界条件。型钢伸缩缝内嵌于混凝土中，沿伸缩缝长度方向对混凝土左右两侧施加对称约束(U3=UR1=UR2=0)，对混凝土的下表面施加固定约束(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)。伸缩缝的材料参数见表1。

表1 伸缩缝的材料参数

根据《公路桥梁伸缩装置设计指南》[9]中疲劳荷载的有关规定进行汽车荷载布置。有限元模型见图2。限于篇幅，本文仅给出II类伸缩缝E型截面边梁锚固模型及混凝土模型。车辆荷载指标见表2。

图2 伸缩缝边梁及混凝土模型

表2 车辆荷载主要技术指标

2.2 分析结果

对4种类型伸缩缝在汽车荷载作用下锚固区混凝土受力情况计算分析，计算结果见图3。限于篇幅，仅给出汽车荷载作用下，II类伸缩缝锚固区混凝土的主拉应力和主压应力云图，见图4。

图3 伸缩缝槽口混凝土应力最大值

图4 II类伸缩缝槽口混凝土应力云图(单位：MPa)

由图3可知，4种类型伸缩缝锚固区混凝土最大拉应力值和最大压应力值均比较接近，设计时可选用其中的一种锚固方式。伸缩缝锚固区混凝土受力以拉应力为主，对伸缩缝过渡区混凝土应采用抗拉强度较高的混凝土材料。

由图4可知，伸缩缝锚固区混凝土拉应力主要集中于伸缩缝后方的锚固区混凝土，拉应力最大位置一般发生在伸缩缝锚固钢筋与伸缩缝焊接处的混凝土处。伸缩缝钢梁受水平荷载作用会向锚固区混凝土扩展一定范围，形成一个椭圆形的拉应力区域，伸缩缝过渡区混凝土受力主要集中于这一区域。

3 伸缩缝槽口构造对混凝土受力影响

除槽口构造对槽口混凝土的受力有较大影响外，行车速度、车辆超重，以及型钢疲劳因素等也会对伸缩缝槽口混凝土的受力产生影响，本文主要研究槽口构造对槽口混凝土受力情况的影响，探讨伸缩缝槽口开槽尺寸对锚固区混凝土的受力影响。

3.1 锚固深度对槽口混凝土的受力影响

为分析伸缩缝锚固深度对槽口混凝土的受力性能影响，本文以E型钢边梁伸缩装置II类锚固方式为研究对象，研究伸缩缝埋入深度值为8，10.8，13.6，15.8，18.6 cm时对槽口混凝土受力状况的影响，同时对伸缩缝槽口的合理尺寸进行分析。伸缩缝不同埋置深度的示意图见图5。

图5 不同埋置深度的伸缩缝

根据《公路桥梁伸缩装置设计指南》中疲劳荷载的有关规定，取双向力疲劳荷载[9-10]，荷载取边梁型钢受到单个均布轮载的作用，车辆荷载后轴的轮重施加在2根边梁上，荷载取值见表3。

表3 汽车轴重产生的疲劳荷载 kN

采用ABAQUS有限元软件建立三维有限元模型对伸缩缝埋置于不同深度，对汽车荷载产生的疲劳荷载作用下伸缩装置边梁锚固区混凝土受力状况进行计算分析。计算结果见图6。

图6 不同锚固深度下锚固区混凝土的应力变化图

由图6可知，随着伸缩缝埋入槽口深度的增加，锚固区混凝土应力值均呈减小的趋势，主要是由于伸缩缝埋入槽口深度增加，使锚固区混凝土传递到各方向的应力越均匀，锚固区混凝土整体受力性能得到改善。

对伸缩缝过渡段的混凝土及槽口进行优化改进可有效改善伸缩缝锚固区混凝土的受力性能，提高伸缩缝的使用性能。

限于篇幅，本文仅给出伸缩缝不同埋入深度下锚固区混凝土的主拉应力云图，见图7。

图7 伸缩缝不同埋入深度下锚固区混凝土主拉应力云图(单位：MPa)

由图7可知，随着伸缩缝埋置深度的增加，锚固区混凝土拉应力最大值也随着沿深度方向下移。当伸缩缝埋置深度为8 cm及10.8 cm时，锚固区混凝土表面出现较大拉应力；当伸缩缝埋置深度大于13.6 cm时，锚固区表面混凝土几乎未出现拉应力，说明随着伸缩缝埋置深度的增加，锚固区混凝土的受力性能得到较好的改善。

由图7可见，锚固区混凝土的受力性能随伸缩缝埋置深度变化均呈现出相同变化规律，即锚固区混凝土的应力均随着伸缩缝埋置深度的增加呈现减小趋势。因此，可考虑增加伸缩缝在槽口混凝土中的埋置深度来改善伸缩缝受力性能。

3.2 开槽尺寸对槽口混凝土的受力影响

由于预制T梁桥构造限制，槽口尺寸深度大于40 cm、宽度大于50 cm时不但影响主梁预应力的布置，还要求伸缩缝处翼缘板厚度增加很大，构造设计欠合理。因此，本文对槽口深度为10，14，18，30，40 cm及槽口宽度为20，30，35，40，50 cm的拉应力分别进行了统计分析，计算结果见图8、图9。

图8 槽口混凝土沿深度方向的拉应力

由图8a)可见，开槽深度对锚固区混凝土拉应力有一定影响。随着伸缩缝埋入深度的增加，其对锚固区混凝土拉应力的影响越来越小，当达到一定深度时，混凝土拉应力增加不明显，应力值逐渐趋于稳定。

图8b)结果表明，不同类型伸缩缝沿深度方向对锚固区混凝土拉应力表现出相同的分布规律，即不同类型伸缩锚固区混凝土的拉应力沿槽口深度方向呈现先减小后增大的趋势，混凝土拉应力在槽口深度30 cm处均达到最小值。

图9 槽口混凝土沿宽度方向的拉应力

由图9a)可知，开槽深度沿宽度方向对锚固区混凝土拉应力的影响非常显著，随着与伸缩缝边梁距离的增加，混凝土的拉应力越来越小，基本呈直线下降趋势。当槽口处与伸缩缝边梁距离达到30 cm时，锚固区混凝土的拉应力值为0.2～0.5 MPa；当槽口处与伸缩缝边梁距离达到40 cm时，锚固区混凝土拉应力值为0.15～0.3 MPa；当槽口处与伸缩缝边梁距离达到50 cm时，锚固区混凝土拉应力值为0.05～0.18 MPa。

由图9b)可见，不同类型伸缩缝沿宽度方向对锚固区混凝土拉应力表现出相同的分布规律，即不同类型的伸缩缝锚固区混凝土的拉应力沿槽口宽度方向呈直线减小。当槽口处与伸缩缝边梁距离达到30 cm时，锚固区混凝土拉应力值为0.2～0.5 MPa；当槽口处与伸缩缝边梁距离达到40 cm时，锚固区混凝土拉应力值为0.15～0.3 MPa；当槽口处与伸缩缝边梁距离达到50 cm时，锚固区混凝土拉应力值为0.05～0.18 MPa。由上述计算结果可知，当开槽深度在20～40 cm时，槽口处混凝土拉应力处于较小状态，开槽深度在30 cm时，混凝土拉应力值达到最小。

槽口处与伸缩缝边梁距离达到50 cm时，槽口混凝土的拉应力值达到较小值，由于T梁的构造限制，并根据拉应力计算结果，本文建议槽口宽度方向构造尺寸取40～50 cm。

在预制梁体伸缩缝处设置槽口时，应将槽口尺寸界限设置在应力较小的位置，以降低新旧混凝土连接处发生病害概率，结合预制梁构造尺寸及预应力筋布置要求等因素，根据上述计算结果，本文建议伸缩缝槽口深度设计尺寸宜取20～40 cm，一般在满足伸缩缝安装要求的条件下建议取30 cm；伸缩缝槽口宽度设计尺寸宜取为40～50 cm，在预制梁构造满足设计要求的前提下宜取大值。

4 结语

本文基于ABAQUS有限元，建立了伸缩缝及槽口混凝土的有限元模型，对伸缩缝槽口混凝土的受力特性进行了研究分析，并根据锚固区混凝土的拉应力变化规律，对伸缩缝槽口构造进行优化研究，根据研究成果得出以下结论。

1) 伸缩缝锚固区混凝土主要以受拉为主，对伸缩缝过渡区混凝土应采用抗拉强度较高的混凝土材料。

2) 随着伸缩缝埋入伸缩缝槽口深度的增加，锚固区混凝土应力值均呈减小的趋势，当伸缩缝埋深由8 cm增加到18.6 cm时，混凝土拉应力减小30.54%，压应力减小45.85%，可通过增加单缝式伸缩缝在槽口混凝土中的埋置深度来改善伸缩缝受力性能。

3) 根据伸缩缝在不同埋置深度下，锚固区混凝土沿槽口深度和宽度方向的拉应力变化规律，为使槽口混凝土的受力性能更加良好，建议伸缩缝槽口尺寸在深度方向取20～40 cm，伸缩缝槽口宽度设计尺寸取值取40～50 cm。