行车荷载作用下HDC弧形对插式桥梁伸缩缝动力响应分析

摘 要：【目的】研究HDC弧形对插式桥梁伸缩缝在车辆荷载作用下的受力状态。【方法】采用ABAQUS有限元软件建立HDC弧形对插式桥梁伸缩缝三维数值模型，对比分析不同荷载作用下伸缩装置竖向位移、弯拉应力以及锚固区混凝土弯拉应力等力学响应。【结果】竖向静力荷载对HDC弧形对插式桥梁伸缩装置和锚固区混凝土的力学响应影响要大于双向静力载荷对HDC弧形对插式桥梁伸缩装置和锚固区混凝土的力学响应影响，且两种车辆荷载作用下HDC弧形对插式桥梁伸缩装置和锚固区混凝土均未出现破坏。【结论】不对HDC弧形对插式桥梁伸缩装置进行焊接或减少焊接，不影响HDC弧形对插式桥梁伸缩缝的正常使用。

关键词：桥梁工程；伸缩缝；数值分析；力学响应

中图分类号：U443.5" " "文献标志码：A" " "文章编号：1003-5168（2024）10-0064-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.10.013

Dynamic Response Analysis of HDC Arc Plug-in Bridge Expansion Joint Under Traffic Load

TAN Zonglin1 LONG Chenjie1 LIU Qiang2 ZHANG Hongzhi2 WEI Keke2

（1.Guangxi Nantian Expressway Co.， Ltd.， Nanning 530000， China;

2.Henan Provincial Communications Planning amp; Design Institute Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study the stress state of HDC arc on the expansion joint of a plug-in bridge under vehicle load. [Methods] The 3D numerical model of HDC arc splice bridge expansion joint was established by ABAQUS finite element software，and the mechanical response such as vertical displacement，flexural and tensile stress of expansion device and flexural and tensile stress of concrete in anchorage area were compared and analyzed under different loads.[Findings] The effect of vertical static load on the mechanical response of HDC arc on the plug-in bridge expansion device and the concrete in the anchorage area is greater than that of bidirectional static load on the mechanical response of HDC arc on the plug-in bridge expansion device and the concrete in the anchorage area，and the HDC arc does not damage the plug-in bridge expansion device and the concrete in the anchorage area under the two types of vehicle loads. [Conclusions] The normal operation of HDC arc bridge expansion joint is not affected by not welding HDC arc bridge expansion device or reducing welding.

Keywords： bridge engineering; expansion joint; numerical analysis; mechanical response

0 引言

我国交通事业发展迅猛，高速公路的交通量急速增长，重载车辆也日益增多，传统模数式和梳齿板式桥梁伸缩缝从设计原理及结构上已难以满足功能要求，常出现不同程度的病害。HDC弧形对插式桥梁伸缩装置是一种新兴的桥梁伸缩装置，相较于传统的伸缩装置，具有以下优点：①静音、平顺，弧形对插式结构可为车轮提供连续支撑，平顺静音，空间网状结构，选用超疏水UHPC作为填充料，可有效避免伸缩缝的水损坏；②坚固、耐久；③双重防水，防水防尘板和止水带相结合的模式，使防水效果更佳；④多向变位，悬臂结构，各向同性，满足梁端纵向、横向及扭转等多向变位的需求；⑤养护便利，单元化设计，使后期使用成本明显降低，当伸缩缝需要维护时，只需对损坏的单元进行拆除更换，运营成本低。

目前，针对桥梁伸缩缝进行受力分析主要采用试验、数值分析或两者结合的方法。Zuada Coelho等［1］对桥梁伸缩缝进行了不同类型的疲劳荷载试验；邹毓颖等［2］采用ANSYS有限元软件建立了模数式伸缩缝结构模型，对160型伸缩装置及相邻结构进行了影响因子和动力学分析；刘丹等［3］建立了伸缩装置及锚固区结构有限元模型，模拟锚固区的破坏情况，研究其破坏机理。综合国内外研究现状可知，大多数研究集中在传统伸缩缝受力及损伤机理方面，而对新兴HDC弧形对插式桥梁伸缩缝的研究较少，伸缩装置在车辆荷载作用下的受力状态及与锚固区混凝土的相互作用尚不明确。为此，本研究采用数值模拟的方法，利用ABAQUS有限软件建立HDC弧形对插式桥梁伸缩缝三维模型，对比分析不同荷载位置作用下伸缩装置竖向位移、弯拉应力，以及锚固区混凝土拉应力等力学性能，以期为HDC弧形对插式桥梁伸缩缝的改良和施工提供技术支持。

1 HDC弧形对插式桥梁伸缩缝路面数值模型

1.1 建立HDC弧形对插式桥梁伸缩装置三维模型

依据HDC弧形对插式桥梁伸缩装置实体模型，采用ABAQUS有限元软件建立HDC弧形对插式桥梁伸缩装置数值分析模型，如图1所示。每个伸缩缝装置长度为50 cm，安装时可以严格按照伸缩缝与路拱形状进行分段拟合。

1.2 建立HDC弧形对插式桥梁伸缩缝路面三维模型

利用两对HDC弧形对插式桥梁伸缩装置建立三维伸缩缝路面模型，模型长2 m、宽1 m，如图2所示。三维伸缩缝路面模型不同部位所需的计算精度不同，网格划分的尺寸也不相同［4］。HDC弧形对插式桥梁伸缩装置及锚固区域采用0.01 m×0.01 m×0.01 m的网格密度划分，其他区域采用不等间距划分，从模型两端依次向伸缩缝锚固区域加密，如图3所示。模型各部位材料参数和所采用的网格单元类型见表1。

1.3 荷载的选择

依据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）规定，汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成。桥梁结构的整体计算采用车道荷载，桥梁结构局部加载的计算采用车辆荷载，车道荷载和车辆荷载不能叠加，本模型计算为桥梁局部荷载的施加，故采用车辆荷载。车辆荷载主要技术指标见表2。为简化计算，本研究选择车辆荷载后轴重力标准值为竖向计算荷载，并选取一侧轮胎的荷载值，即140 kN。

依据《公路桥梁伸缩缝装置设计指南》（JTQX—2011-12-1）规定，伸缩缝设计荷载分为两种设计类型，即静力荷载和疲劳荷载。本研究选择静力荷载加载模式，并分为以下两种形式。

1.3.1 竖向静力载荷。不考虑车辆在伸缩缝处制动时产生的制动力，取车辆后轴重力标准值140 kN为计算荷载，并计入冲击系数μ＝0.45，竖向静力荷载为140 kN与（1+μ）的乘积为竖向静荷载，即203 kN。

1.3.2 双向静力载荷。考虑车辆在伸缩缝处制动时产生的制动力，根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）的规定，制动力为后轴重力的30%，即后轴轮胎的制动力为42 kN。

1.4 荷载的位置

加载面积为车辆后轴车轮着地宽度与长度的乘积，即200 mm×600 mm。车轮通过伸缩缝系统（包括一部分路面）时，车轮与伸缩缝系统接触面积越小，伸缩缝受力越大［5］，故加载位置取伸缩缝跨中位置，仅施加单侧轮胎荷载值，如图4所示。

2 数值模拟结果

2.1 不考虑车辆水平制动力

在伸缩缝跨中位置施加竖向静荷载，单侧轮胎的最大轮压载荷为101.5 kN，接地压强为5.6 MPa。提取HDC弧形对插式桥梁伸缩装置最大挠度、最大弯拉应力及锚固区混凝土最大弯拉应力、压应力分布如图5至图8所示。

由图5、图6可知，车辆荷载冲击作用下HDC弧形对插式桥梁伸缩装置最大挠度为1.2 mm、最大弯拉应力为38.2 MPa。另外，HDC弧形对插式桥梁伸缩装置的技术指标可参考《公路桥梁伸缩缝装置通用技术条件》（JTT 327—2016）对梳齿板式伸缩装置的要求，即伸缩缝装置竖向最大变形量不大于1.5 mm。

由图7、图8得知，锚固区混凝土所受的最大弯拉应力和最大压应力分别是4.6 MPa和5.9 MPa，小于自身的抗弯拉强度和抗压强度。

综上所述并结合表1可知，HDC弧形对插式桥梁伸缩装置和锚固区混凝土在车辆荷载冲击作用下均未达到极限状态。

2.2 考虑车辆水平制动力

在伸缩缝跨中位置施加双向静力载荷，单侧轮胎的最大轮压载荷为70 kN，接地压强为3.8 MPa，水平制动压强为1.15 MPa。提取HDC弧形对插式桥梁伸缩装置最大挠度、最大弯拉应力及锚固区混凝土最大弯拉应力、压应力分布如图9至图12所示。

由图9、图10可知，车辆荷载冲击作用下HDC弧形对插式桥梁伸缩装置最大挠度为0.89 mm，小于《公路桥梁伸缩缝装置通用技术条件》（JTT 327—2016）对梳齿板式伸缩装置竖向最大变形量的要求。HDC弧形对插式桥梁伸缩装置最大弯拉应力为28.5 MPa，小于自身的弯拉强度。

由图11、图12可知，锚固区混凝土所受的最大弯拉应力和最大压应力分别是3.5 MPa和0.41 MPa，小于锚固区混凝土自身的抗弯拉强度和抗压强度。

综上所述，在两种车辆荷载作用下锚固区混凝土和伸缩装置均未出现破坏，表明锚固区混凝土未配筋及不对伸缩缝装置进行焊接不影响伸缩缝的正常使用。

3 结论

①竖向静力荷载对HDC弧形对插式桥梁伸缩装置和锚固区混凝土的力学响应影响大于双向静力载荷对HDC弧形对插式桥梁伸缩装置和锚固区混凝土的力学响应影响。

②HDC弧形对插式桥梁伸缩装置和锚固区混凝土在竖向静力载荷和双向静力载荷作用下均未出现破坏。

③不对HDC弧形对插式桥梁伸缩装置进行焊接或减少焊接，不影响HDC弧形对插式桥梁伸缩缝正常使用功能。

参考文献：

［1］ZUADA COELHO B，VERVUURT A H J M ， PEELEN W H A，et al.Dynamics of modular expansion joints：The Martinus Nijhoff Bridge［J］.Engineering Structures，2013，48（Mar.）：144-154.

［2］邹毓颖，吕俊平，丁勇，等.模数式桥梁伸缩缝动力强度计算与影响因素分析［J］.宁波大学学报（理工版），2019，32（1）：72-79.

［3］刘丹，吴文清.某高速公路桥梁拓宽后伸缩缝锚固区混凝土破坏原因分析［J］.现代交通技术，2008（1）：41-43.

［4］宋国瑞，王笑风，杨博，等.水泥混凝土桥面铺装层间抗剪性能研究［J］.安徽工业大学学报（自然科学版），2021，38（4）：431-436.

［5］盛亚鸣，王少华，张露.基于Ansys的桥梁伸缩装置瞬态动力学分析［J］.起重运输机械，2018（9）：97-101.