基于冲击荷载的板梁桥铰缝作用机制与破坏特征分析.pdf

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1、增刊(总第188期)2016年10月中国，盛工朽CHINAMUNICIPALENGINEERINGS1fSeriaINo．188)Oct．2016DOI：IO．39694．issn．1004-4655．2016．S1．007基于冲击荷载的板梁桥铰缝作用机制与破坏特征分析董晓勇(上海浦江桥隧运营管理有限公司，上海200023)摘要：梁式桥中板梁使用广泛，但铰缝开裂问题很难解决。为改进铰缝设计和维修工作，基于FWD冲击荷载，利用有限元数值分析方法研究影响铰缝性能的3个重要因素：铰缝与桥面板接触面黏结状况、铰缝几何形状完整性以及混凝土调平层

2、开裂状况。在此基础上分析板梁桥铰缝作用机制与破坏特征，最后通过铰缝的维修实践进行验证。关键词：板梁；铰缝；冲击荷载；有限元方法中图分类号：U448．212文献标志码：A文章编号：1004—4655(2016)S1—0025-04板梁由于自重轻、施工方便、工厂可大批集中预制等优点，在各国的中小桥梁中得到广泛应用⋯。本文采用落锤式弯沉仪(FWD)所施加的典型冲击荷载，对影响铰缝性能的几个重要因素进行有限元数值分析，研究板梁铰缝在冲击荷载作用下的机制以及破坏特征，结合实际铰缝维修工程进行验证。1冲击荷载桥梁结构在运营期间主要是移动车辆荷载，

3、车辆振动与桥梁振动相互影响产生耦合振动，使桥梁承受冲击荷载。在冲击荷载作用下，桥梁结构受力形式发生变化，若对冲击荷载作用不加重视，将影响桥梁结构的长期健康使用。另外，对于桥梁结构不同部位，车辆荷载作用下的冲击荷载也不一致【2l。FWD检测车机动灵活，可以在桥面不同地点进行检测试验。同时，落锤产生的冲击荷载能很好模拟上述耦合振动对桥面产生的冲击作用。利用丹麦CarlBro公司PRl2100型FWD检测车(见图1)产生冲击荷载，对板梁铰缝的作用机制以及破坏特征进行研究。该检测车落锤荷载为50kN，荷载板半径为15cm。实际FWD所施加荷载

4、时程曲线如图2a)所示【3】，为便于计算，简化为荷载峰值0．714MPa，作用时间为30ms，加载半径为O．15m收稿日期：2016—08—22作者简介：董晓勇(1976一)，男，高级工程师，工学硕士，主要从事市政工程。的半周期正弦函数圆形均布荷载，仿真时施加动荷载时程曲线见图2b)，对应的数据见表1。图1PRl2100型FWD弯沉车8(7(“5(三4(《3(冬2(1(时间／msa)实测荷载时程曲线时J、甘j／n·、b)加载时程曲线图2FWD荷载时程曲线和仿真动荷载时程曲线25中国彳放譬靠董晓勇：基于冲击荷载的板梁桥铰缝作用机制与破坏

5、特征分析2016年增刊表1仿真动荷载半周期变化值时间l23456789101l12131415／ms荷载瓜Pa矗927460．7105l印22229036043049B5606156606937142铰缝作用机制与破坏特征分析2．1建模1)按照实际桥梁的设计图纸，在Abaqus／CAE中设计构件，组装成两桥面板、一铰缝的模型，每个桥面板底有4个橡胶支座，铺装层为8cm钢筋水泥混凝土层+6cm沥青混合料层，装配图见图3。图3模型装配图2)按照表2给各构件赋材料属性。表2构件材料属性表部件材料模型模型参数弹性模量：4500MPa泊松比：0

6、．35沥青混合料层线弹性模型密度：2450k咖3钢筋水泥混凝土层110cm宽桥面板当量复合模型弹性模量当量值：60GPat”泊松比：o．2密度：2500kg／m3100cm窄桥面板密度：2400kg／m3混凝土塑性弹性模量：26480MPa泊松比：0．167铰缝膨胀角：15损伤模型偏心率：0．1tb0／fcO：．1．16K：0．6667黏性参数：0弹性模量：329MPa泊松比：0．3橡胶支座线弹性模型密度：2000k#m3值得注意的是，铰缝是本次研究重点，赋值时，对铰缝运用能真实反映水泥混凝土性能的塑性损伤模型，其他构件均采用线弹性模

7、型。3)按照第二部分“冲击荷载”所介绍的方法对实际冲击荷载进行简化，加载位置为跨中，距铰缝20cm位置处(见图4)。模型在橡胶支座底部设置完全约束，模型四周设置位移约束。：跨ri，厂——弓弘■_图4加载示意图(cm)2．2铰缝与桥面板接触面黏结因素分析桥面系最理想情况是各部件几何形状完好，构件接触面完全连续。但实际上，由于施工水平限制等因素，往往达不到理想状态，常常通过设置联结26钢筋等加强粘结。以下研究中，用罚摩擦公式描述接触面的黏结状况【4】。设置沥青混合料层和水泥混凝土层、水泥混凝土层和桥面板、桥面板和橡胶支座绑定作为接触条件，

8、桥面板和铰缝的接触面切向采用罚摩擦公式，∥值从0到无穷大，法向为“硬接触”，划分网格。典型的应力云图见图5。图5黏结情况影晌分析应力五图计算动载作用下弯沉响应。通过设置路径，获取沥青面层在不同位置的弯沉值(本文一共提取8