幾種橋梁模數式伸縮裝置邊梁型鋼的受力分析

王　勇　杜　鑌　唐　志

(1.貴州高速公路集團有限公司　貴陽　550001;　2.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司　貴陽　550081;

3.山地交通災害防治技術國家地方聯合工程實驗室　貴陽　550081)

幾種橋梁模數式伸縮裝置邊梁型鋼的受力分析

王勇1杜鑌2,3唐志2，3

(1.貴州高速公路集團有限公司貴陽550001;2.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司貴陽550081;

3.山地交通災害防治技術國家地方聯合工程實驗室貴陽550081)

摘要模數式伸縮裝置是橋梁最常用的配套產品，該類裝置的異型鋼邊梁斷裂破壞是使用中常見的病害之一。文中采用ANSYS程序對該類伸縮裝置常用的 C，F，Z，E 4種異型鋼邊梁進行了建模計算。結果表明，4種異形鋼邊梁中，E形受力性能最好，F形受力性能較差，建議在邊梁選型時優先采用E形鋼截面的邊梁，避免采用F形鋼截面。

關鍵詞模數式伸縮裝置邊梁型鋼受力分析

模數式伸縮裝置是橋梁最常用的配套產品，在山區高速公路橋梁中得到了廣泛應用，主要有單縫式和用于大位移的多縫式2種。從該類伸縮裝置的主體結構使用狀況來看，無論是單縫式還是多縫式伸縮裝置，異型鋼邊梁及中梁斷裂破壞是長見的病害之一，見圖1。目前常用的模數式型鋼伸縮裝置主要有馬格巴、毛勒、萬寶、布朗，以及國產的GQF型等，這類產品的設計理論和工作原理是基本相同的。這類伸縮裝置中梁一般均采用 I 形鋼梁，但其異型鋼邊梁卻有多種結構形式，常用的邊梁形式主要有C，F，Z，及E形4種異型鋼梁截面。從邊梁的損壞、斷裂來看，這幾種類型的型鋼邊梁其破壞程度不同，總體來說，E形鋼的破壞程度較輕，破壞較少。顯然，這類伸縮裝置的邊梁損壞除與施工及養護等存在不足外，與伸縮裝置本體結構受力也存在著一定關系。為了解C，F，Z及E形4種異型鋼梁截面在伸縮裝置中的受力狀態，同時為邊梁的選型提供依據，以更好地提高伸縮裝置的工作性能，筆者采用有限元程序ANSYS分別建立了這4種不同類型邊梁的實體模型，對其受力狀態進行了數值模擬分析，有關結論供參考。

圖1模數式伸縮裝置邊梁斷裂破壞

1有限元模型的建立

結合目前常用的橋梁寬度、車道及車輪布置特點，結構受力分析采用高速公路單幅橋面寬度12 m建模，研究針對C，F，Z及E形4種異型鋼梁截面分別建立了型鋼的2D模型和3D整體受力模型。結合到邊梁的受力特點，采用2D模型能較好地模擬在規范規定的荷載下各型鋼截面應力大小及應力分布情況。單元類型采用了二次減縮積分單元CPS8R，計算模型中，考慮到截面變化導致的集中應力影響，采用加密了網格的密度，使用了二次單元使用結構化網格的劃分方法進行單元劃分，建立的2D模型，見圖2。計算模型假設異型鋼邊梁在車輛載荷作用下處于彈性受力階段，在材料特性的選擇上僅考慮了其彈性工作階段，設置材料彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。建模時結構的邊界條件及荷載選擇如下。

(1) 邊界條件的確定。模數式伸縮裝置的邊梁與橋梁上部結構主梁的連接方式是在邊梁下緣焊接連接鋼板，之后在連接鋼板上焊接錨固環，施工時在橋梁上部結構主梁預留槽口內將錨固環與預埋鋼筋連接并橫穿橫橋向的連接鋼筋。因此在理想施工狀態下，可以將計算模型的邊界條件簡化為邊梁下緣與主梁為面接觸并為固結狀態。

(2) 計算荷載的確定,根據文獻[1]有關規定，采用規定的標準車輛疲勞荷載加載，取豎向均布載荷作用192.58 kN，水平荷載作用為64.19 kN。

圖2　C，F，Z，E 4種型鋼2D模型

2計算結果及分析

圖3為C、F、Z及E形4種異型鋼梁在疲勞荷載作用下應力云圖，表1為相應的異型鋼邊梁對應的最大應力值表。

圖3　4種異型鋼邊梁的van Mises應力云圖

表1　4種異型鋼邊梁在荷載作用下的應力值　MPa

由圖3及表1可見，在疲勞荷載作用下，C，F，Z，E 4種型鋼van Mises應力中最大的為F形，其值為225.1 MPa，最小的為E形，其值為172.8 MPa，C形鋼最大應力在C內側與下座結合處位置，F形鋼最大應力在上腹板內側位置，Z形鋼最大應力在上腹板內側位置，E形鋼最大應力在下腹板內側上端位置，最大應力均出現在各型鋼截面最薄弱位置。目前，常用模數式伸縮裝置采用的材料主要為Q345(16 MN)，顯然，其抗彎強度允許值(310 MPa)均大于4種異型鋼邊梁的計算值，說明型鋼的靜力強度儲備能滿足伸縮裝置的受力要求。

橋梁伸縮裝置長期處于動荷載的作用下，根據橋梁的設計通行和實際使用狀況，其循環變化次數遠大于50 000次，一般情況下，建成通車后1年就會達到甚至超過 2×106次，參考規范[2]第6.2.3條表6.2.3.2，其容許應力幅見表2。根據疲勞構件和連接分類，邊梁可歸為“1”類，其疲勞容許應力為176 MPa。顯然，從疲勞應力幅值來看，E形鋼邊梁應力基本滿足疲勞構件的強度的要求，C，Z形鋼截面形式邊梁應力有少許的超標，而F形鋼邊梁的受力遠大于了疲勞應力的控制容許應力幅。也就是說，在考慮疲勞受力后，F形截面邊梁的強度不能滿足疲勞要求。

表2循環次數n為2×106次的容許應力幅

MPa

注：“構件和連接類別”指鋼結構的形式和連接形式，具體見文獻[2]第6.2.3條有關條文。

3結論

通過對C，F，Z，及E形4種常用模數式伸縮裝置異型鋼邊梁的疲勞荷載作用下數值分析，得到以下結論。

(1) 目前，常用模數式伸縮裝置采用的材料主要為Q345(16 MN)，其抗彎強度允許值(310 MPa)均大于4種異型鋼邊梁的計算值，說明型鋼的靜力強度儲備能滿足伸縮裝置的受力要求。

(2) 在疲勞荷載作用下，F形鋼邊梁應力大幅超標，C，Z形鋼邊梁截面形式應力有少許的超標，僅E形鋼邊梁基本滿足疲勞構件的強度要求。

(3) 從結構受力上看，模數式伸縮裝置邊梁中，E形鋼邊梁受力性能較好，F形鋼邊梁受力性能較差，從結構構造上看，E形鋼邊梁底緣寬度70 mm，而F形鋼邊梁底緣只有其腹板厚度16 mm，考慮到施工稍有誤差情況時，F形鋼邊梁底部難以與混凝土主梁有效結合，因此，模數式伸縮裝置的邊梁應優先選擇E形鋼截面形式，避免采用F形鋼。

收稿日期：2015-05-28

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.006