一种桥梁伸缩缝材料在车辆荷载作用下的力学性能分析
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２．２ 树脂砂浆固化体力学性能参数 （１）弹性模量：Ｅ＝４．５ＧＰａ （２）泊松比：μ＝０．２５ （３）线膨胀系数：α＝０．００００２５ （４）抗压强度设计值：ｆｃｄ＝７０ＭＰａ （５）抗拉强度设计值：ｆｔｄ＝２．５ＭＰａ 以上设计参数来源于沈阳思桥建筑工程技术有
限公司的 ＳＳＦ－３００绿色环保伸缩缝系统。 ２．３ 荷载参数及取值
桥梁伸缩缝是为了满足桥梁梁体纵向变形的需 要，使车辆能够平顺的通过桥面，在桥面伸缩缝处设 置的一种伸缩装置。伸缩装置按照结构分为：模数 式伸缩装置、梳齿板式伸缩装置、无缝式伸缩装置。 其中模数式伸缩装置和梳齿板式伸缩装置均由异型 钢和橡胶材料组成，在此将此两类伸缩装置统称为 钢制伸缩装置，钢制伸缩装置为我国目前应用最为 广泛的伸缩装置。伸缩装置主要承受车辆荷载的反 复作用，并且在车辆冲击荷载的作用下会引发冲击 振动、伸缩装置和桥面的破坏以及噪声等负面影响。 由于伸缩装置长期暴露于大气之中且使用环境非常 恶劣，是桥梁结构中非常容易遭受破坏而又难于修 复的构件，因而伸缩装置的选用及其工作性能关系 到桥梁结构的安全性和稳定性。 １．２ 钢制伸缩装置耐久性问题
桥梁伸缩缝处在车辆荷载作用下，承受通过轮 胎传递的竖向压力和水平力。受力图示如图 ３。其 中：Ｐ１为考虑车辆冲击作用的轴载竖向力；Ｔ１为车 辆正常行驶工况的滚动摩擦力；Ｔ２为车辆加减速工 况的水平力 （附 着 力 ）；Ｔ３为 车 辆 制 动 工 况 的 制 动 力。
图 ３ 桥梁伸缩缝处受力图示（单位：ｍｍ）
按《公路桥涵设计通用规范》（ＪＴＧＤ６０－２０１５） 规定的车辆荷载主要技术指标，选取后轴重力标准 值为 １４０ｋＮ。
（１）竖向力 Ｐ１取值：
由于桥梁伸缩缝处桥面不平整，需考虑车辆通 过时产生的 冲 击 作 用，根 据 《公 路 桥 涵 设 计 通 用 规 范》（ＪＴＧＤ６０－２０１５）规定，冲击系数根据结构基频 计算所得，而 结 构 基 频 与 桥 梁 的 结 构 形 式、计 算 跨 径、结构材料特性等诸多因素有关，在此仅按规范规 定的最不利情况选取冲击系数 μ＝０．４５。则作用在 桥梁伸缩缝处的汽车单轴最大荷载为 １４０×１．４５＝ ２０３ｋＮ，汽车单组轮的最大荷载为 ２０３／２＝１０１．５ｋＮ。
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北 方 交 通 ２０１９年 第 ７期
文章编号：１６７３－６０５２（２０１９）０７－００４０－０４ ＤＯＩ：１０．１５９９６／ｊ．ｃｎｋｉ．ｂｆｊｔ．２０１９．０７．０１０
一种桥梁伸缩缝材料在车辆荷载 作用下的力学性能分析
孙伟兵
（中交远洲交通科技集团有限公司 沈阳市 １１００００）
２０１９年 第 ７期 孙伟兵：一种桥梁伸缩缝材料在车辆荷载作用下的力学性能分析
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图 ２ 桥梁伸缩缝修复典型断面图
压，待养护结束后灌注专用密封剂。 以后浇筑源自文库树脂砂浆固化体为研究对象，对其
在车辆荷载作用下的力学性能进行分析。 ２ 桥梁伸缩缝处静荷载力学分析 ２．１ 静荷载作用下力学图示
经大量桥梁病害调查发现，钢制伸缩装置主要 存在以下病害：
（１）型钢断裂及锚固混凝土的开裂、破碎； （２）橡胶 条 的 老 化、脱 落，伸 缩 量 过 大，橡 胶 条 被拉裂或挤出； （３）伸缩 装 置 安 装 标 高 与 两 侧 路 面 有 差 异，引 起伸缩缝处跳车； （４）伸缩装置本身变形或锚固筋脱落等造成早
期损坏。 １．３ 树脂砂浆修复系统简介
受桥梁伸缩缝构造以及伸缩装置自身机构组成 （如图 １）限制，伸缩装置一旦发生上述病害将难以 修复，通常情况下需要整条更换，而更换作业不仅施 工技术复杂，对 上 部 结 构 梁 体 有 扰 动，而 且 工 期 较 长，需要封闭交通作业。非常不利于日常养护和日 常交通组织。
摘 要：通过对桥梁伸缩缝处树脂砂浆固化体在车辆荷载作用下的仿真数值模拟，对各种工况下材料的力学 响应进行分析，进而论证该种材料在车辆荷载作用下力学性能，结果表明，力学性能满足要求。 关键词：桥梁伸缩缝；树脂砂浆；有限元；力学性能
中图分类号：Ｕ４４３．３１ 文献标识码：Ｂ
１ 概述 １．１ 桥梁伸缩缝技术背景
考虑到我国运输车辆的特性及实际运输工况， 在进行工程设计与分析时车辆超载的情况必须予以 考虑，统一按超载 １０％考虑，故汽车单轮组的最大 荷载为 Ｐ１＝１０１．５×１．１＝１１１．６５ｋＮ。
（２）车辆正常行驶时的滚动摩擦力 Ｔ１取值： 车辆以 ５０ｋｍ／ｈ行驶在一般的沥青或混凝土路 面上，轮胎与界面之间的滚动阻力系数为 ｆ＝０．０１８ －０．０２，故汽车单轮组的最大滚动摩擦力 Ｔ１＝Ｐ１× ｆ＝１１１．６５×０．０２＝２．２３３ｋＮ。 （３）车辆加速驱动或减速时水平力 Ｔ２取值： 车辆在加速驱动或减速时，作用在路面上的水 平力（附着力）为 Ｔ２＝Ｐ１×Φ，Φ为汽车轮胎与路面 的附着系数，附着系数与路面的类型、干湿和粗糙状 态有关，一般为 ０．４～０．７。故汽车单轮组的最大附 着力 Ｔ２＝１１１．６５×０．７＝７８．１５５ｋＮ。 （４）车辆制动力 Ｔ３取值： 车辆荷载后轴重力产生的制动力按后轴重力 （不计 冲 击 力）的 ３０％ 考 虑，着 力 点 位 于 距 桥 面 １２ｍ处，故 汽 车 单 轮 组 的 制 动 力 为 Ｔ３＝０．５× １４０×１．１×０．３＝２３．１ｋＮ，作 用 于 桥 面 的 弯 矩 为 Ｍ３＝２３１×１．２＝２７．７２ｋＮ．ｍ。 ２．４ 轮胎荷载 有关轮胎接地面积、荷载分布等参数的选取直 接采用参考文献［４］中的相关研究结论所得。在进 行力学计算时将轮胎的作用面积假设为矩形，又因 为轮胎花纹的存在，在研究中，按最不利的轮胎超压 又超载的工况下，轮胎与路面的接触面积情况如图 ４所示。轮胎的标定尺寸如图 ５所示。 ３ 有限元模型的建立及力学分析 ３．１ 分析工况 选取双车 道 模 型 进 行 分 析，按 《公 路 桥 涵 设 计 通用规范》（ＪＴＧ Ｄ６０－２０１５）规定布置车辆荷载。 为确定最不利工况下树脂砂浆固化体的力学响
图 １ 钢制伸缩装置典型断面图
针对上述伸缩装置的使用现状，目前国内的某 些机构提出 一 种 采 用 树 脂 砂 浆 （或 混 凝 土 ）的 材 料 用于桥梁伸缩装置修复和替换。该桥梁伸缩缝修复 系统由树脂混合料和专用密封剂组成，树脂混合料 由专用树脂和高强度矿质集料组成。专用密封剂是 一种单组分、无溶剂、高耐久、高伸缩率、环保型的密 封剂，如图 ２。施工工艺：首先应在待替换或加固的 锚固区切出设计尺寸的槽口，槽口表面要求干燥、整 洁，然后在预留槽口处浇注树脂混合料，经振捣、碾
限公司的 ＳＳＦ－３００绿色环保伸缩缝系统。 ２．３ 荷载参数及取值
桥梁伸缩缝是为了满足桥梁梁体纵向变形的需 要，使车辆能够平顺的通过桥面，在桥面伸缩缝处设 置的一种伸缩装置。伸缩装置按照结构分为：模数 式伸缩装置、梳齿板式伸缩装置、无缝式伸缩装置。 其中模数式伸缩装置和梳齿板式伸缩装置均由异型 钢和橡胶材料组成，在此将此两类伸缩装置统称为 钢制伸缩装置，钢制伸缩装置为我国目前应用最为 广泛的伸缩装置。伸缩装置主要承受车辆荷载的反 复作用，并且在车辆冲击荷载的作用下会引发冲击 振动、伸缩装置和桥面的破坏以及噪声等负面影响。 由于伸缩装置长期暴露于大气之中且使用环境非常 恶劣，是桥梁结构中非常容易遭受破坏而又难于修 复的构件，因而伸缩装置的选用及其工作性能关系 到桥梁结构的安全性和稳定性。 １．２ 钢制伸缩装置耐久性问题
桥梁伸缩缝处在车辆荷载作用下，承受通过轮 胎传递的竖向压力和水平力。受力图示如图 ３。其 中：Ｐ１为考虑车辆冲击作用的轴载竖向力；Ｔ１为车 辆正常行驶工况的滚动摩擦力；Ｔ２为车辆加减速工 况的水平力 （附 着 力 ）；Ｔ３为 车 辆 制 动 工 况 的 制 动 力。
图 ３ 桥梁伸缩缝处受力图示（单位：ｍｍ）
按《公路桥涵设计通用规范》（ＪＴＧＤ６０－２０１５） 规定的车辆荷载主要技术指标，选取后轴重力标准 值为 １４０ｋＮ。
（１）竖向力 Ｐ１取值：
由于桥梁伸缩缝处桥面不平整，需考虑车辆通 过时产生的 冲 击 作 用，根 据 《公 路 桥 涵 设 计 通 用 规 范》（ＪＴＧＤ６０－２０１５）规定，冲击系数根据结构基频 计算所得，而 结 构 基 频 与 桥 梁 的 结 构 形 式、计 算 跨 径、结构材料特性等诸多因素有关，在此仅按规范规 定的最不利情况选取冲击系数 μ＝０．４５。则作用在 桥梁伸缩缝处的汽车单轴最大荷载为 １４０×１．４５＝ ２０３ｋＮ，汽车单组轮的最大荷载为 ２０３／２＝１０１．５ｋＮ。
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北 方 交 通 ２０１９年 第 ７期
文章编号：１６７３－６０５２（２０１９）０７－００４０－０４ ＤＯＩ：１０．１５９９６／ｊ．ｃｎｋｉ．ｂｆｊｔ．２０１９．０７．０１０
一种桥梁伸缩缝材料在车辆荷载 作用下的力学性能分析
孙伟兵
（中交远洲交通科技集团有限公司 沈阳市 １１００００）
２０１９年 第 ７期 孙伟兵：一种桥梁伸缩缝材料在车辆荷载作用下的力学性能分析
— ４１—
图 ２ 桥梁伸缩缝修复典型断面图
压，待养护结束后灌注专用密封剂。 以后浇筑源自文库树脂砂浆固化体为研究对象，对其
在车辆荷载作用下的力学性能进行分析。 ２ 桥梁伸缩缝处静荷载力学分析 ２．１ 静荷载作用下力学图示
经大量桥梁病害调查发现，钢制伸缩装置主要 存在以下病害：
（１）型钢断裂及锚固混凝土的开裂、破碎； （２）橡胶 条 的 老 化、脱 落，伸 缩 量 过 大，橡 胶 条 被拉裂或挤出； （３）伸缩 装 置 安 装 标 高 与 两 侧 路 面 有 差 异，引 起伸缩缝处跳车； （４）伸缩装置本身变形或锚固筋脱落等造成早
期损坏。 １．３ 树脂砂浆修复系统简介
受桥梁伸缩缝构造以及伸缩装置自身机构组成 （如图 １）限制，伸缩装置一旦发生上述病害将难以 修复，通常情况下需要整条更换，而更换作业不仅施 工技术复杂，对 上 部 结 构 梁 体 有 扰 动，而 且 工 期 较 长，需要封闭交通作业。非常不利于日常养护和日 常交通组织。
摘 要：通过对桥梁伸缩缝处树脂砂浆固化体在车辆荷载作用下的仿真数值模拟，对各种工况下材料的力学 响应进行分析，进而论证该种材料在车辆荷载作用下力学性能，结果表明，力学性能满足要求。 关键词：桥梁伸缩缝；树脂砂浆；有限元；力学性能
中图分类号：Ｕ４４３．３１ 文献标识码：Ｂ
１ 概述 １．１ 桥梁伸缩缝技术背景
考虑到我国运输车辆的特性及实际运输工况， 在进行工程设计与分析时车辆超载的情况必须予以 考虑，统一按超载 １０％考虑，故汽车单轮组的最大 荷载为 Ｐ１＝１０１．５×１．１＝１１１．６５ｋＮ。
（２）车辆正常行驶时的滚动摩擦力 Ｔ１取值： 车辆以 ５０ｋｍ／ｈ行驶在一般的沥青或混凝土路 面上，轮胎与界面之间的滚动阻力系数为 ｆ＝０．０１８ －０．０２，故汽车单轮组的最大滚动摩擦力 Ｔ１＝Ｐ１× ｆ＝１１１．６５×０．０２＝２．２３３ｋＮ。 （３）车辆加速驱动或减速时水平力 Ｔ２取值： 车辆在加速驱动或减速时，作用在路面上的水 平力（附着力）为 Ｔ２＝Ｐ１×Φ，Φ为汽车轮胎与路面 的附着系数，附着系数与路面的类型、干湿和粗糙状 态有关，一般为 ０．４～０．７。故汽车单轮组的最大附 着力 Ｔ２＝１１１．６５×０．７＝７８．１５５ｋＮ。 （４）车辆制动力 Ｔ３取值： 车辆荷载后轴重力产生的制动力按后轴重力 （不计 冲 击 力）的 ３０％ 考 虑，着 力 点 位 于 距 桥 面 １２ｍ处，故 汽 车 单 轮 组 的 制 动 力 为 Ｔ３＝０．５× １４０×１．１×０．３＝２３．１ｋＮ，作 用 于 桥 面 的 弯 矩 为 Ｍ３＝２３１×１．２＝２７．７２ｋＮ．ｍ。 ２．４ 轮胎荷载 有关轮胎接地面积、荷载分布等参数的选取直 接采用参考文献［４］中的相关研究结论所得。在进 行力学计算时将轮胎的作用面积假设为矩形，又因 为轮胎花纹的存在，在研究中，按最不利的轮胎超压 又超载的工况下，轮胎与路面的接触面积情况如图 ４所示。轮胎的标定尺寸如图 ５所示。 ３ 有限元模型的建立及力学分析 ３．１ 分析工况 选取双车 道 模 型 进 行 分 析，按 《公 路 桥 涵 设 计 通用规范》（ＪＴＧ Ｄ６０－２０１５）规定布置车辆荷载。 为确定最不利工况下树脂砂浆固化体的力学响
图 １ 钢制伸缩装置典型断面图
针对上述伸缩装置的使用现状，目前国内的某 些机构提出 一 种 采 用 树 脂 砂 浆 （或 混 凝 土 ）的 材 料 用于桥梁伸缩装置修复和替换。该桥梁伸缩缝修复 系统由树脂混合料和专用密封剂组成，树脂混合料 由专用树脂和高强度矿质集料组成。专用密封剂是 一种单组分、无溶剂、高耐久、高伸缩率、环保型的密 封剂，如图 ２。施工工艺：首先应在待替换或加固的 锚固区切出设计尺寸的槽口，槽口表面要求干燥、整 洁，然后在预留槽口处浇注树脂混合料，经振捣、碾