模數(shù)式伸縮裝置中梁及錨固系統(tǒng)力學(xué)行為分析

聶龍飛

（山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

伸縮裝置對(duì)于公路橋梁的自由收縮起著至關(guān)重要的作用，進(jìn)而影響橋梁運(yùn)營(yíng)安全及使用壽命。近年來(lái)，我國(guó)公路橋梁建設(shè)發(fā)展迅猛，一大批特大型橋梁的建成標(biāo)志著我國(guó)基建事業(yè)邁入新階段的同時(shí)，也對(duì)橋梁伸縮裝置的安全性及耐久性提出了更高的要求[1]。鋼型伸縮裝置的舒適性及密封隔水性能較差，板式橡膠伸縮裝置對(duì)于大位移量要求的滿足能力不足，而模數(shù)式伸縮裝置能夠根據(jù)使用要求增加密封橡膠和中梁鋼數(shù)量，工程適應(yīng)能力強(qiáng)，力學(xué)性能、使用性能優(yōu)異，在公路橋梁工程中受到普遍應(yīng)用。

從對(duì)近年來(lái)橋梁伸縮裝置的調(diào)查來(lái)看，在未到達(dá)設(shè)計(jì)年限時(shí)就發(fā)生損壞現(xiàn)象的伸縮裝置占較大比例。而伸縮裝置的提前破壞，對(duì)橋梁的正常運(yùn)營(yíng)造成影響，同時(shí)會(huì)大大增加橋梁的養(yǎng)護(hù)成本。而國(guó)內(nèi)不少橋梁設(shè)計(jì)方、施工方、管理方對(duì)橋梁伸縮裝置的認(rèn)識(shí)不足，在伸縮裝置的設(shè)計(jì)、選擇、養(yǎng)護(hù)等方面都不夠重視[2]。我國(guó)對(duì)于橋梁伸縮裝置的選型與設(shè)計(jì)，只在《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中對(duì)一般要求、寬度、伸縮量進(jìn)行了規(guī)定，對(duì)于錨固系統(tǒng)、主梁支撐等僅做了原則性的規(guī)定，指導(dǎo)實(shí)際工程的效果較差。

目前，國(guó)內(nèi)公路橋梁項(xiàng)目中出現(xiàn)了一種對(duì)模數(shù)式伸縮裝置中梁型鋼、錨固系統(tǒng)做出改進(jìn)的伸縮裝置，為了進(jìn)一步了解和驗(yàn)證此種裝置的力學(xué)性能是否滿足要求，是否可在更大范圍內(nèi)推廣應(yīng)用，本文開(kāi)展了相關(guān)研究。

1 本文所研究模數(shù)式伸縮裝置的尺寸與形式

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[2]，傳統(tǒng)的模數(shù)式伸縮裝置容易在使用年限到達(dá)之前就發(fā)生變形、型鋼脫落、錨固區(qū)混凝土破壞、斷裂等破壞，嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)安全。日前，在貴州某高速橋梁工程項(xiàng)目中，創(chuàng)新采用了一種改進(jìn)型的模數(shù)式伸縮裝置，項(xiàng)目改變既有的80型王字鋼為90型，并對(duì)錨固系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，具體如下：

a）將中梁型鋼由傳統(tǒng)常用的整體軋制80公分王字鋼改為整體軋制的90公分，并結(jié)合實(shí)際受力適當(dāng)增大剛度，具體如圖1所示。

圖1 90型王字中梁鋼尺寸

b）在邊梁型鋼方面，對(duì)于需要埋置較深的模數(shù)式伸縮裝置，選用結(jié)構(gòu)受力良好的E截面鋼作為邊梁；對(duì)于埋置較淺的，采用C型截面鋼梁，并根據(jù)應(yīng)力分析適當(dāng)提高剛度。

c）在邊梁錨固系統(tǒng)方面，首先改進(jìn)了錨固環(huán)和錨固連接鋼板等連接件，取消錨固環(huán)，同時(shí)增大錨固連接鋼板，在鋼板上打孔，直徑20 mm，用于橫向圓鋼筋穿過(guò)，將邊梁與錨固連接鋼板焊接，制成成品；接下來(lái)將兩根橫向圓鋼設(shè)置在固定鋼板上；然后設(shè)置可調(diào)式的活動(dòng)鋼板在圓鋼上，并保證能夠順利滑動(dòng)，以便施工時(shí)能將槽口預(yù)埋鋼筋與可調(diào)鋼板準(zhǔn)確焊接，進(jìn)而增加預(yù)埋鋼筋、邊梁型鋼、錨固件間連接的可靠性。

圖2 錨固系統(tǒng)

2 王字型中梁鋼力學(xué)分析

2.1 有限元模型的建立

為了了解此種模數(shù)伸縮裝置的力學(xué)性能，建立了中梁異型鋼模型，通過(guò)ABAQUS有限元技術(shù)分析其力學(xué)性能。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)常用的荷載布置、橋梁寬度，在建立有限元實(shí)體模型的過(guò)程中，以雙縫伸縮裝置為例，采用圖1所示的90型王字鋼中梁，建立了間距支撐為2.0 m、1.8 m、1.5 m、1.2 m的有限元模型。假定型鋼彈性模量為210 GPa，泊松比0.3，在荷載作用下王字鋼處于力學(xué)彈性狀態(tài)。

2.1.1 計(jì)算荷載

根據(jù)《公路橋梁伸縮裝置設(shè)計(jì)指南》的有關(guān)規(guī)定，水平與豎向疲勞荷載分別取為42.19kN、192.58kN，三車道荷載加載，荷載分布如圖3所示。

圖3 模數(shù)式伸縮裝置的荷載分布情況

2.1.2 邊界條件

王字鋼下部以2.0 m、1.8 m、1.5 m、1.2 m的固定間隔分布支撐橫梁，假定在理想狀態(tài)下，王字鋼底部與橫梁頂部間為綁結(jié)約束、面接觸。

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

表1 三車道雙向荷載加載下王字鋼的力學(xué)參數(shù)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)[2]，在橋梁通車運(yùn)營(yíng)后，模數(shù)式伸縮裝置將在一年內(nèi)承受2×106次動(dòng)荷載，按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，模數(shù)式伸縮裝置中的中梁型鋼的容許應(yīng)力幅為176 MPa。根據(jù)表1可知，此種改進(jìn)型伸縮裝置內(nèi)，王字鋼中梁除了在支撐間隔為2.0 m時(shí)應(yīng)力有所超出外（超出5%），在支撐間隔1.8 m、1.5 m、1.2 m時(shí)應(yīng)力都能滿足規(guī)范要求，這一結(jié)果與其他文獻(xiàn)中研究的普通王字鋼中梁相比[1]，最大正應(yīng)力降低近20%。同時(shí)普通中梁王字鋼往往在1.8 m支撐間距下最大正應(yīng)力已接近或略超過(guò)容許應(yīng)力幅，從這一點(diǎn)看，這種改進(jìn)型的90型王字鋼中梁更具力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)。將彎曲最大位移值與《公路橋梁伸縮裝置設(shè)計(jì)指南》中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為該王字鋼中梁的撓度滿足規(guī)范要求，同時(shí)將位移量與有關(guān)文獻(xiàn)[1]中所做的傳統(tǒng)王字型中梁鋼位移相比，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)型中梁的橫向位移比傳統(tǒng)型有明顯的改善。

3 錨固系統(tǒng)的力學(xué)分析

3.1 有限元模型的建立

選用E型鋼為邊梁，以E型鋼長(zhǎng)度方向1 m內(nèi)的混凝土和鋼構(gòu)件為對(duì)象，建立1 m×1 m×0.58 m的混凝土計(jì)算模型。根據(jù)改進(jìn)版模數(shù)伸縮裝置對(duì)邊梁錨固系統(tǒng)的處置措施，不設(shè)錨固環(huán)，將邊梁底部與錨固連接鋼板焊接。在鋼板內(nèi)預(yù)留孔洞并設(shè)置橫向鋼筋，可調(diào)式的活動(dòng)鋼板可在圓鋼上順利滑動(dòng)。以20 cm的間隔布置預(yù)埋鋼筋，鋼筋直徑16 mm，錨固長(zhǎng)度為40 cm。假定混凝土與鋼構(gòu)件的彈性模量分別為 34.5 GPa、210 GPa，泊松比分別為 0.2、0.3，荷載加載下構(gòu)件處于力學(xué)彈性階段。

3.1.1 計(jì)算荷載

根據(jù)《公路橋梁伸縮裝置設(shè)計(jì)指南》的有關(guān)規(guī)定，水平與豎向疲勞荷載分別取為 42.19 kN、192.58 kN。

3.1.2 邊界條件

將錨固連接鋼板與邊梁底部的接觸簡(jiǎn)化為面接觸綁結(jié)狀態(tài)，假定預(yù)埋鋼筋與活動(dòng)鋼板完整焊接，形成整體。

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

表2 伸縮裝置錨固區(qū)混凝土及鋼構(gòu)件應(yīng)力

圖4 錨固區(qū)混凝土Mises應(yīng)力云圖

圖5 錨固系統(tǒng)鋼構(gòu)件Mises應(yīng)力云圖

表2展示了改進(jìn)型伸縮裝置的錨固區(qū)混凝土、錨固系統(tǒng)鋼構(gòu)件應(yīng)力與傳統(tǒng)模數(shù)式伸縮裝置的應(yīng)力比較，其中傳統(tǒng)模數(shù)式伸縮裝置的應(yīng)力值參考了相關(guān)文獻(xiàn)[1]中的數(shù)據(jù)。圖4、圖5表現(xiàn)了錨固區(qū)混凝土、鋼構(gòu)件的Mises應(yīng)力云圖。目前國(guó)內(nèi)公路橋梁伸縮裝置錨固區(qū)多采用C50混凝土，其設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度達(dá)到1.83 MPa，因此該模數(shù)式伸縮裝置錨固區(qū)的混凝土應(yīng)力滿足要求。而通過(guò)表2對(duì)比也可以看出，改進(jìn)后的伸縮裝置的混凝土應(yīng)力相比傳統(tǒng)模數(shù)式伸縮裝置的應(yīng)力減少近25%，力學(xué)性能較好[1]。

邊梁的錨固可靠性是模數(shù)式伸縮裝置耐久性的重要保障，傳統(tǒng)的模數(shù)式伸縮裝置的錨固需要將橫向鋼筋、預(yù)埋鋼筋、錨固環(huán)套扣，受產(chǎn)品設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量影響，預(yù)埋鋼筋與錨固鋼筋極易發(fā)生錯(cuò)位，導(dǎo)致預(yù)埋鋼筋與錨固環(huán)難以同時(shí)被橫向鋼筋穿過(guò)，因此傳統(tǒng)的模數(shù)式伸縮裝置的錨固效果不佳，在長(zhǎng)時(shí)期的動(dòng)荷載作用下，耐久性與安全性問(wèn)題突出[3]。而文章中所研究的改進(jìn)型的模數(shù)式伸縮裝置，則避免了傳統(tǒng)錨固形式的固有弊端，同時(shí)其錨固區(qū)混凝土應(yīng)力、錨固系統(tǒng)鋼構(gòu)件的應(yīng)力安全儲(chǔ)備更充足，在相同荷載條件下，其耐久性與安全性相比傳統(tǒng)的模數(shù)式伸縮裝置更優(yōu)異。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著公眾對(duì)橋梁安全、耐久問(wèn)題的日益關(guān)注，橋梁伸縮裝置作為橋梁重要結(jié)構(gòu)組成，其技術(shù)創(chuàng)新與性能提升受到各方的廣泛關(guān)注。以目前在國(guó)內(nèi)出現(xiàn)的一種改進(jìn)了中梁鋼尺寸與邊梁錨固方式的模數(shù)式伸縮裝置為研究對(duì)象，利用ABAQUS有限元技術(shù)，建立了此種模數(shù)伸縮裝置的錨固系統(tǒng)及中梁模型，進(jìn)而計(jì)算分析其力學(xué)性能，主要結(jié)論如下：

a）此種改進(jìn)型伸縮裝置內(nèi)，王字鋼中梁在支撐間隔1.8 m、1.5 m、1.2 m時(shí)應(yīng)力都能滿足規(guī)范要求，與普通王字鋼中梁相比，最大正應(yīng)力明顯降低。

b）該模數(shù)式伸縮裝置中王字鋼中梁的撓度滿足規(guī)范要求，其橫向位移相比傳統(tǒng)王字型中梁鋼有明顯的改善。

c）該模數(shù)式伸縮裝置錨固區(qū)的混凝土應(yīng)力滿足要求，且相比傳統(tǒng)模數(shù)式伸縮裝置其應(yīng)力安全儲(chǔ)備更為充足。

通過(guò)文章對(duì)此種改進(jìn)型模數(shù)式伸縮裝置的中梁王字鋼及錨固系統(tǒng)的有限元建模與計(jì)算分析，認(rèn)為其相比傳統(tǒng)型模數(shù)式伸縮裝置擁有更好的力學(xué)性能，對(duì)于改善模數(shù)式伸縮裝置的耐久性與安全性具有較好的效果，工程實(shí)踐中可結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況開(kāi)展應(yīng)用。