大跨橋梁彈性伸縮裝置服役性能研究

摘要 為探究運營期大跨斜拉橋模數式伸縮縫服役性能，該文提出了伸縮裝置滑動支承磨損深度計算模型以及伸縮裝置滑動支承磨損使用壽命的評估方法。以一座大跨斜拉橋為例，對隨機車流－風聯合作用下斜拉橋彈性伸縮裝置磨損壽命及年更換次數進行評估。該文建立的模數式伸縮裝置滑動支承磨損壽命評估方法可為同類型伸縮裝置機構的磨損壽命評估提供參考借鑒。

關鍵詞 橋梁工程；彈性伸縮裝置；磨損評估；失效概率；性能評估

中圖分類號 U441.3 文獻標識碼 B 文章編號 2096-8949（2025）01-0100-03

0 引言

在橋梁正常運營過程中，伸縮縫隨橋梁的縱向振動而均勻伸縮，以滿足橋梁的縱向變形需求。隨著服役年限的增加，伸縮縫會逐步老化并出現損傷。伸縮縫的損壞可能由各種原因造成，如交通荷載過大、極端天氣、安裝和維護不當等[1]。據統計，歐洲國家橋梁維護總成本的8%～20%是用于伸縮縫維護[2]，在葡萄牙的一些公路上，這一比例高達25%[3]。

為明晰運營期內大位移伸縮裝置結構的服役狀態，首先，該文以模數式伸縮裝置為研究對象，建立了精細化有限元模型并進行了驗證；其次，提出基于Archard磨損理論滑動支承的磨損深度計算模型，并以失效概率為分析指標建立了伸縮裝置滑動支承磨損評估的分析方

法；最后，在前文提出的評估方法基礎上，對風荷載、車輛荷載以及風車聯合工況下伸縮縫滑動支承磨損狀態進行評估，得到伸縮縫服役年限預測值，從而實現對伸縮裝置服役狀態的評估。

1 模數式伸縮裝置

伸縮裝置作為連接主、引橋的附屬結構（如圖1），主要用于由于調節風荷載、車輛荷載、溫度等外部荷載引起的橋梁縱向變形[3，4]。模數式彈性伸縮裝置主要通過設置于各中梁間的位移控制彈簧、摩擦裝置、限位裝置來均勻地控制各個中梁的伸縮。

2 模數式伸縮縫有限元模型的建立及驗證

DSC1760模數式大位移伸縮縫，最大位移量為

1 760 mm，共設置21根中梁、2根邊梁、10根支承梁。中梁被可滑動地置于公用支承梁上，中梁間設置位移控制彈簧，各個中梁通過這些位移控制彈簧來均勻地控制各個中梁的伸縮。

2.1 伸縮縫主要元件模擬

該文重點研究模數式伸縮縫的縱向伸縮特性，因此在建立伸縮縫數值模型過程中，對主要元件，如中梁、邊梁、支承梁、蹄形蹬架等采用梁單元進行精細化模擬，滑動支承、壓緊支承采用線性彈簧單元模擬，控制彈簧采用非線性彈簧單元模擬，而對于次要元件，如密封橡膠帶、剛性錨固、支承箱等則不予考慮。

2.2 接觸摩擦模擬

支承與支承梁之間的接觸摩擦行為對伸縮縫的縱向伸縮性能影響明顯。采用接觸單元與目標單元以點—面接觸的方式模擬支承梁與支承之間的摩擦，將滑動支承、壓緊支承與支承梁分別設置成兩對接觸對，其中支承梁為目標面，滑動支承和壓緊支承為接觸面。

2.3 伸縮縫動力分析

對于伸縮縫而言，小幅高頻的位移會造成滑動支承磨損，降低各中梁位移的均勻性。因此，需要對伸縮縫進行動力分析，得到各個中梁的位移時程與速度時程。由圖2可知，Z20、Z17、Z14中梁的滑移距離與滑移速度都呈現相同的趨勢，其中Z20中梁的滑移距離最長，滑移速度最快，而Z14中梁的滑移距離最短，滑移速度最慢。

3 滑動支承磨損深度計算模型

伸縮裝置中的中邊梁通過滑動支承PTFE板與支承梁接觸，滑動支承PTFE板與支承梁不銹鋼材料接觸時發生摩擦并造成磨損。根據研究，在高應力、低溫度、高滑動速度的情況下，材料的磨損率會大大增加[5，6]。

根據Archard[7]理論模型，彈性伸縮裝置PTFE板的磨損計算公式為：

（1）

式中：dV——磨損體積（μm3）；dF——接觸表面的法向壓力（N）；dL——接觸表面的相對滑移距離（m）；H——材料硬度；k——黏著磨損系數。

根據Campbell和Kong[5]提出的計算模型，該計算模型將磨損量h與p、v聯系起來：

（2）

式中：h——磨損厚度（μm）；k——磨損系數；p——接觸壓力（Pa）；v——滑動速度（m/s）；t——負載時間（s）。

Ala與Stanton等[6]根據聚四氟乙烯板磨損試驗結果，確定了磨損率與pv之間的關系。在pv值較小時，聚四氟乙烯板處于輕度磨損狀態（低k值），在pv達到限值之后，磨損狀態會發生突變，磨損系數迅速增大，變為嚴重磨損狀態（高k值）。

（3）

伸縮縫在運營一定時間后，滑動支承聚四氟乙烯板總磨損深度為：

（4）

4 基于失效概率的滑動支承磨損狀態評估

4.1 風荷載與隨機車流荷載模擬

采用諧波合成法對全橋進行三維風場模擬。基于WIM系統采集的交通流數據與車輛數據，建立對應不同車流量情況下的密度－車速模型，模擬車流的四種狀態，分別為稀疏流、一般流、密集流和擁堵流（如圖3）。

梁端縱向位移累計值

由圖3可知，在稀疏流工況下，隨著風速的增加，

1 min內的累計位移值也不斷增長；在一般流工況下，風速15 m/s時的1 min內累計位移值小于風速10 m/s時，這是由于脈動風速具有一定的隨機性，從而導致對橋梁造成的升力或阻力具有不確定性；在密集流工況下，隨著風速的增加，1 min內的累計位移值也不斷增長。綜上所述，在風—車復雜外部荷載作用下，位移累計值變化呈現一定規律，其值基本隨平均風速與車流密度的增大而增大。

4.2 車輛過橋應力

由Archard磨損理論可知，滑動支承磨損狀態與兩個面之間的接觸應力關系密切。取10 s作為時間間隔，應力、滑動速度取10 s內的均值。滑動支承接觸面應力均值主要由以下兩部分組成：（1）滑動支承預壓應力p1，為定值；（2）車輛過橋產生的應力p2。

4.3 磨損失效概率

在伸縮縫運營過程中，滑動支承聚四氟乙烯滑板磨損深度不斷加大，其反映了伸縮縫在運營期間的工作狀態。當磨損深度超過允許范圍時，滑動面不能滿足正常滑動的要求，導致伸縮縫失效。基于已建立的Archard磨損模型，任意服役年限t的磨損失效概率Pf可表示為：

（5）

式中：hmax（μm）、Pf——在設計使用壽命期限內滑動支承磨損深度限值及超越限值的失效概率。

5 隨機車流－風聯合作用下斜拉橋彈性伸縮裝置磨損壽命評估

5.1 磨損深度樣本數據及分布

以中（邊）梁與6#支承梁間滑動支承Z23為例，采用蒙特卡洛抽樣方法，得到了風速10 m/s工況下360個滑動支承10 s內磨損量模擬值。樣本均值為0.588×10-3 μm，

模擬均值為0.591×10-3 μm，兩者數值十分接近。圖4所示是荷載作用下樣本數據與模擬數據的累加概率分布對比，兩者的結果十分接近，滑動支承聚四氟乙烯滑板的磨損厚度基本符合伽馬分布，蒙特卡洛抽樣方法也能夠保證抽樣的準確性。

5.2 風—車聯合工況下磨損壽命評估

不同車流密度及風荷載聯合作用下對應0.05顯著性水平下6#支承梁滑動支承的服役年限及年更換次數建議值見圖5，在風速為5 m/s與稀疏流、一般流、密集流及擁堵流工況聯合工況下，Z23滑動支承服役年限分別為18.1年、10.5年、3.2年和4.5年。滑動支承磨損情況隨車流密度和風速的增大而減小，且距離主橋側越近服役年限越短。綜上所述，車流密度、風速對滑動支承聚四氟乙烯滑板磨損情況影響明顯，進而影響滑動支承服役年限。

6 結論

該文根據DSC1760模數式伸縮縫不同元件的性能特點，建立有限元模型，并且對伸縮縫進行了縱向靜力分析與動力分析，基于Archard磨損理論建立了伸縮裝置支承磨損深度計算模型，對運營期內斜拉橋伸縮縫服役性能進行評估，基于失效概率評估方法預測了滑動支承服役年限，為橋梁運維提供了參考。

參考文獻

[1]Chang L M， Lee Y J. Evaluation of performance of bridge deck expansion joints[J]. Journal of Performance of Constructed， 2002（3）：3-9.

[2]Dexter R J， Mutziger M J， Osberg C B. Performance testing for modular bridge joint systems[R]. Washington D.C.： Transportation Research Board， 2002.

[3]Lima J M， Brito J D. Inspection survey of 150 expansion joints in road bridges[J]. Engineering Structures， 2009（5）： 1077-1084.

[4]GUO T， LIU J，ZHANG Y F，et al.Displacement monitoring and analysis of expansion joints of long-span steel bridges with viscous dampers[J].Journal of Bridge Engineering， 2015， 20：11.

[5]Campbell T I， Kong W L. TFE sliding surfaces in bridge bearings[R]. Ontario： Transportation Association of Canada （TAC）， 1987.

[6]Stanton J F， Roeder C W， Campbell T I. High-load multirotational bridge bearings. Appendix C： Friction and wear of PTFE sliding surfaces[R]. Washington， DC： National Academies Press， 1999.

[7]Archard J F. Contact and rubbing of flat surfaces[J]. Journal of Applied Physics， 1953（8）：981-988.

收稿日期：2024-08-12

作者簡介：鄧林峰（1980—），男，工學碩士，高級工程師，研究方向：橋梁工程。