模數式伸縮裝置中梁及錨固系統力學行為分析

聶龍飛

（山西省交通新技術發展有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

伸縮裝置對于公路橋梁的自由收縮起著至關重要的作用，進而影響橋梁運營安全及使用壽命。近年來，我國公路橋梁建設發展迅猛，一大批特大型橋梁的建成標志著我國基建事業邁入新階段的同時，也對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于大位移量要求的滿足能力不足，而模數式伸縮裝置能夠根據使用要求增加密封橡膠和中梁鋼數量，工程適應能力強，力學性能、使用性能優異，在公路橋梁工程中受到普遍應用。

從對近年來橋梁伸縮裝置的調查來看，在未到達設計年限時就發生損壞現象的伸縮裝置占較大比例。而伸縮裝置的提前破壞，對橋梁的正常運營造成影響，同時會大大增加橋梁的養護成本。而國內不少橋梁設計方、施工方、管理方對橋梁伸縮裝置的認識不足，在伸縮裝置的設計、選擇、養護等方面都不夠重視[2]。我國對于橋梁伸縮裝置的選型與設計，只在《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》《公路橋涵設計通用規范》中對一般要求、寬度、伸縮量進行了規定，對于錨固系統、主梁支撐等僅做了原則性的規定，指導實際工程的效果較差。

目前，國內公路橋梁項目中出現了一種對模數式伸縮裝置中梁型鋼、錨固系統做出改進的伸縮裝置，為了進一步了解和驗證此種裝置的力學性能是否滿足要求，是否可在更大范圍內推廣應用，本文開展了相關研究。

1 本文所研究模數式伸縮裝置的尺寸與形式

根據相關文獻[2]，傳統的模數式伸縮裝置容易在使用年限到達之前就發生變形、型鋼脫落、錨固區混凝土破壞、斷裂等破壞，嚴重影響橋梁結構安全。日前，在貴州某高速橋梁工程項目中，創新采用了一種改進型的模數式伸縮裝置，項目改變既有的80型王字鋼為90型，并對錨固系統進行了改進，具體如下：

a）將中梁型鋼由傳統常用的整體軋制80公分王字鋼改為整體軋制的90公分，并結合實際受力適當增大剛度，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，對于需要埋置較深的模數式伸縮裝置，選用結構受力良好的E截面鋼作為邊梁；對于埋置較淺的，采用C型截面鋼梁，并根據應力分析適當提高剛度。

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

圖2 錨固系統

2 王字型中梁鋼力學分析

2.1 有限元模型的建立

為了了解此種模數伸縮裝置的力學性能，建立了中梁異型鋼模型，通過ABAQUS有限元技術分析其力學性能。根據目前國內常用的荷載布置、橋梁寬度，在建立有限元實體模型的過程中，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彈性狀態。

2.1.1 計算荷載

根據《公路橋梁伸縮裝置設計指南》的有關規定，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，假定在理想狀態下，王字鋼底部與橫梁頂部間為綁結約束、面接觸。

2.2 數值計算結果及分析

表1 三車道雙向荷載加載下王字鋼的力學參數

根據相關文獻統計[2]，在橋梁通車運營后，模數式伸縮裝置將在一年內承受2×106次動荷載，按照《鋼結構設計規范》中的相關規定，模數式伸縮裝置中的中梁型鋼的容許應力幅為176 MPa。根據表1可知，此種改進型伸縮裝置內，王字鋼中梁除了在支撐間隔為2.0 m時應力有所超出外（超出5%），在支撐間隔1.8 m、1.5 m、1.2 m時應力都能滿足規范要求，這一結果與其他文獻中研究的普通王字鋼中梁相比[1]，最大正應力降低近20%。同時普通中梁王字鋼往往在1.8 m支撐間距下最大正應力已接近或略超過容許應力幅，從這一點看，這種改進型的90型王字鋼中梁更具力學性能優勢。將彎曲最大位移值與《公路橋梁伸縮裝置設計指南》中的相關規定進行對比，認為該王字鋼中梁的撓度滿足規范要求，同時將位移量與有關文獻[1]中所做的傳統王字型中梁鋼位移相比，發現改進型中梁的橫向位移比傳統型有明顯的改善。

3 錨固系統的力學分析

3.1 有限元模型的建立

選用E型鋼為邊梁，以E型鋼長度方向1 m內的混凝土和鋼構件為對象，建立1 m×1 m×0.58 m的混凝土計算模型。根據改進版模數伸縮裝置對邊梁錨固系統的處置措施，不設錨固環，將邊梁底部與錨固連接鋼板焊接。在鋼板內預留孔洞并設置橫向鋼筋，可調式的活動鋼板可在圓鋼上順利滑動。以20 cm的間隔布置預埋鋼筋，鋼筋直徑16 mm，錨固長度為40 cm。假定混凝土與鋼構件的彈性模量分別為 34.5 GPa、210 GPa，泊松比分別為 0.2、0.3，荷載加載下構件處于力學彈性階段。

3.1.1 計算荷載

根據《公路橋梁伸縮裝置設計指南》的有關規定，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化為面接觸綁結狀態，假定預埋鋼筋與活動鋼板完整焊接，形成整體。

3.2 數值計算結果及分析

表2 伸縮裝置錨固區混凝土及鋼構件應力

圖4 錨固區混凝土Mises應力云圖

圖5 錨固系統鋼構件Mises應力云圖

表2展示了改進型伸縮裝置的錨固區混凝土、錨固系統鋼構件應力與傳統模數式伸縮裝置的應力比較，其中傳統模數式伸縮裝置的應力值參考了相關文獻[1]中的數據。圖4、圖5表現了錨固區混凝土、鋼構件的Mises應力云圖。目前國內公路橋梁伸縮裝置錨固區多采用C50混凝土，其設計抗拉強度達到1.83 MPa，因此該模數式伸縮裝置錨固區的混凝土應力滿足要求。而通過表2對比也可以看出，改進后的伸縮裝置的混凝土應力相比傳統模數式伸縮裝置的應力減少近25%，力學性能較好[1]。

邊梁的錨固可靠性是模數式伸縮裝置耐久性的重要保障，傳統的模數式伸縮裝置的錨固需要將橫向鋼筋、預埋鋼筋、錨固環套扣，受產品設計與施工質量影響，預埋鋼筋與錨固鋼筋極易發生錯位，導致預埋鋼筋與錨固環難以同時被橫向鋼筋穿過，因此傳統的模數式伸縮裝置的錨固效果不佳，在長時期的動荷載作用下，耐久性與安全性問題突出[3]。而文章中所研究的改進型的模數式伸縮裝置，則避免了傳統錨固形式的固有弊端，同時其錨固區混凝土應力、錨固系統鋼構件的應力安全儲備更充足，在相同荷載條件下，其耐久性與安全性相比傳統的模數式伸縮裝置更優異。

4 結語

隨著公眾對橋梁安全、耐久問題的日益關注，橋梁伸縮裝置作為橋梁重要結構組成，其技術創新與性能提升受到各方的廣泛關注。以目前在國內出現的一種改進了中梁鋼尺寸與邊梁錨固方式的模數式伸縮裝置為研究對象，利用ABAQUS有限元技術，建立了此種模數伸縮裝置的錨固系統及中梁模型，進而計算分析其力學性能，主要結論如下：

a）此種改進型伸縮裝置內，王字鋼中梁在支撐間隔1.8 m、1.5 m、1.2 m時應力都能滿足規范要求，與普通王字鋼中梁相比，最大正應力明顯降低。

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

c）該模數式伸縮裝置錨固區的混凝土應力滿足要求，且相比傳統模數式伸縮裝置其應力安全儲備更為充足。

通過文章對此種改進型模數式伸縮裝置的中梁王字鋼及錨固系統的有限元建模與計算分析，認為其相比傳統型模數式伸縮裝置擁有更好的力學性能，對于改善模數式伸縮裝置的耐久性與安全性具有較好的效果，工程實踐中可結合項目實際情況開展應用。