新型多向變位橋梁伸縮裝置技術分析與數值模擬

連俊峰， 熊 亮， 周小伍， 謝玉萌， 劉婉玥

(1.安徽省交通控股集團有限公司， 安徽 合肥 230088； 2.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司， 安徽 合肥 230088)

0 引言

目前，大量已修建高速公路上的大型橋梁運用了模數式伸縮裝置。需要維護或維修的模數式伸縮裝置也越來越多。在養護過程中，建設單位發現了一些模數式伸縮裝置迫切需要改進的問題，如：模數式伸縮裝置型鋼脫落、變形甚至斷裂等病害；模數式伸縮裝置施工難度大，更換困難，需要整幅封閉交通，在重載較多的情況下，因剛度大，存在容易損壞等問題[1]，同時已出現損壞的模數式伸縮裝置對行車造成了很大的安全隱患。因此針對模數式伸縮裝置在運營和養護過程中存在病害和威脅行車安全等問題，有必要開發一種新型伸縮裝置。

張濤[2]等研究了新型聚氨酯彈性混凝土無縫式伸縮裝置。艾長發[3]等開展了新型填充式橋梁伸縮裝置改性瀝青混合料路用性能試驗工作。何家張[4]開展了新型加勁橡膠條伸縮裝置的應用與研究。劉紅玲[5]研究了鋼彈體新型伸縮裝置的構造特點及功能優勢，并指出了鋼彈體伸縮裝置在施工和應用中需注意的問題。石雯[6]為解決大橋伸縮裝置存在的局部應力偏大等問題，通過對既有伸縮裝置的傳力機理研究，提出了改進方案，進行結構優化。

針對模數式伸縮裝置存在的施工難度大等問題，本文開發了一種新型多向變位橋梁梳齒伸縮裝置，提出了該類伸縮裝置的施工工藝及技術，并建立了有限無數值模型。本文的研究結果能夠有利于掌握新型多向變位梳齒伸縮裝置的結構性能和施工技術，為今后大規模推廣該伸縮裝置提供技術與經濟方面的支撐。

1 新型多向變位梳齒伸縮裝置設計

1.1 伸縮裝置材料

本文設計了一種新型多向變位橋梁梳齒伸縮裝置。該伸縮裝置主要由高分子聚合物材料、鋼板、錨釘和防水密封件(錨固膠)等部件組成。高分子聚合物材料由環氧、聚氨酯和聚硫等化合物組成，采用環氧、聚氨酯和聚硫三元共聚技術，且在樹脂和固化劑兩個方面采用雙重增韌、增彈改性合成技術，獲得了高溫和常溫固化體系下的專用高彈、高韌、高強改性聚合物樹脂合金材料。通過合理選擇原材料種類并采用專有高分子合成技術，可以大幅度改變材料形態及其性能，從而得到從柔軟到堅硬的最終的高分子聚合物材料。

1.2 伸縮裝置結構

該伸縮裝置為復合結構。該復合結構分為兩層，其中：以高分子聚合物材料為表層，以鋼板為墊層，如圖1。高分子聚合物表層厚度為40～60mm，鋼板墊層厚度為10 mm。

1.3 伸縮裝置錨固體系

新型多向變位梳齒板伸縮裝置，包括跨縫梳齒板和固定梳齒板，梳齒為交錯嵌插布置。梳齒相鄰的垂直側面均設置鑲嵌咬合的榫卯連接結構，以及主導氣槽和輔導氣槽。該榫卯連接結構包括梳齒垂直側面下端的凹槽，以及梳齒端部垂直側面的凸塊，凹槽與凸塊相匹配；每個梳齒的垂直側面下端的凹槽有一對安裝凹槽，可以將互相對應的梳齒的凸塊放入梳齒垂直側面下端的凹槽中。

錨固原理如圖1所示：先用錨固螺栓固定A板錨固端，A板梳齒一端由B板通過鑲嵌咬合構造固定，B板的兩端再由螺栓錨固，從而實現了伸縮裝置A板和B板同時錨固。A板能夠沿橋梁縱向上自由伸縮。

圖1 多向變位梳齒伸縮裝置實景圖和縱、平面圖

2 新型多向變位梳齒伸縮裝置的特點及施工流程

2.1 材料技術特點

多向變位梳齒伸縮裝置采用了高韌性高分子聚合物材料，形成特有的伸縮結構裝置，并且以柔性連接方式，錨固安裝在橋梁伸縮裝置部位上，可以適應橋梁在溫度變化、基礎不均勻沉降及行車制動力等因素引起的和梳齒板之間的滑動位移，借助柔性錨固連接系統，吸收變形和消除應力集中[7]。

2.2 錨固體系特點

多向變位伸縮裝置采用具有抗疲勞性能的彈性聚合物材料以及柔性錨固連接系統。由車輛產生的沖擊力和振動力被彈性聚合物材料及柔性錨固連接系統充分吸收后，再傳遞至橋梁或橋臺，這樣可有效保護伸縮裝置周圍的結構不被破壞，降低錨固螺栓的疲勞應力，故所有部件的壽命將大大延長。

2.3 結構特點

多向變位伸縮裝置采用了榫卯結構設計，可以有效解決公路橋梁伸縮裝置的梳齒沒有約束限位問題：即現有技術裝置中的各個梳齒均為懸臂梁的自由端狀態，梳齒獨立受力變形，互相之間沒有上下垂直方向限位約束支撐，也不能互相傳遞變位荷載力，梳齒很容易形成懸空受力狀態。長期使用中，容易發生裝置疲勞斷裂，導致嚴重行車安全事故。

多向變位梳齒板伸縮裝置的表面，設計有斜向花紋溝槽，可快速排水并具有防滑功能。這種排水防滑的表面處理技術，經驗證在極端環境下，仍保持有效的摩擦力并持久耐用，可有效避免車輛經過伸縮裝置時打滑發生安全事故[8]。

2.4 總體施工流程

伸縮裝置施工流程：施工準備、封閉部分交通→放樣定位→原伸縮裝置拆除→槽口基底找平→鉆孔、定位→植入錨固螺栓→安裝引水槽板→安裝多向變位伸縮裝置→清理現場、開放交通。

3 新型多向變位伸縮裝置有限元數值模擬

3.1 有限元模型建立

高分子聚合物材料根據需要可以調整材料配方獲得相應的性質，高分子聚合物彈性模量可調范圍為700～1 200 MPa，本次有限元計算中采用1 000 MPa，泊松比取0.3。本文通過實驗室試驗獲得高分子聚合物材料應力-位移曲線(見圖2)，由試驗可知：伸縮裝置主要材料高分子聚合物的抗拉強度為28.43 MPa，屈服應力約為21 MPa，可取彈性極限19 MPa為屈服應力控制值。

圖2 高分子聚合物材料應力-位移曲線圖Figure 2 Stress-strain curve of high polymer materials

本文采用MIDAS FEA對伸縮裝置建立有限元模型[9]，見圖3。高分子聚合物材料和鋼板均采用實體單元模擬，伸縮裝置有限元模型長700 mm，寬1 000 mm，網格劃分的最小尺寸為20 mm。在螺栓處采用固定約束，齒板端部采用豎向支撐，與梁體接觸的部分采用曲面彈簧模擬僅受壓彈性連接。

圖3 新型多向變位伸縮裝置有限元模型Figure 3 Finite element model of a new type of multidirectional displacement expansion device

3.2 荷載工況

根據《公路橋梁伸縮裝置設計指南》(JTQX-2011-12-1)和《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)中的規定，取以下兩種荷載計算工況：

荷載工況一：汽車輪載作用在跨縫板中間，1.0恒載+1.0豎向汽車荷載(汽車荷載計入沖擊系數1.45)。

荷載工況二：汽車輪載作用在跨縫板中間，1.0恒載+1.0豎向和水平向雙向汽車荷載。

3.3 計算結果

在荷載工況一作用下，高分子聚合物材料應力最大位置與荷載作用位置基本一致。高分子聚合物材料最大應力為3.3 MPa，發生在齒端位置處(見圖4、圖5)，主要由于齒端不均衡受壓產生，導致此處應力較大，但仍滿足不大于19 MPa屈服強度的要求。底部鋼板最大應力為43.1 MPa，發生在鋼板跨中，螺栓孔處應力在8.8 MPa左右，滿足鋼材的抗拉強度要求(見圖6)。伸縮裝置最大豎向位移為0.12 mm(見圖7)，根據《公路橋梁伸縮裝置通用技術條件》(JT/T 327-2016)A.3.3中規定豎向撓度驗算時，應采用不計沖擊力的汽車荷載頻遇值，頻遇值系數取1.0。A.3.4中豎向撓度不應大于計算跨徑的1/600，本次計算跨徑為240mm，撓度容許值為0.4 mm，滿足規范要求。

圖4 齒板端部最大應力圖Figure 4 Maximum stress at the end of toothed plate

圖5 跨縫板最大應力圖Figure 5 Maximum stress of cross seam plate

圖6 鋼板最大應力圖Figure 6 Maximum stress of steel plate

圖7 整體最大豎向位移圖Figure7 Overall Maximum vertical displacement

在荷載工況二作用下，高分子聚合物材料最大應力為3.1 MPa，同樣發生在齒端位置處。鋼板的應力最大為28.6 MPa，發生在鋼板跨中，螺栓孔處應力在11.6 MPa左右，滿足鋼材的抗拉強度要求。最大豎向位移為0.08 mm，滿足撓度容許值為0.4 mm的規范要求。

因此在荷載工況一和工況二作用下，伸縮裝置的強度和剛度能夠滿足設計規范要求。

4 多向變位梳齒伸縮裝置與模數式伸縮裝置技術和經濟性對比分析

4.1 技術對比分析

新型多向變位梳齒型伸縮裝置與模數式伸縮裝置相比具有較大的優勢，其主要體現如下：

① 新型伸縮裝置安裝時混凝土破除量極小，且結構簡單、安裝方便，便于運輸模塊化生產和安裝，能顯著降低施工工期，提高了公路養護的時效性。

② 新型伸縮裝置材料采用高韌性聚合物材料，形成特有的伸縮結構裝置，并且以柔性連接方式，錨固安裝在橋梁伸縮裝置部位上[10]。一方面減少了由于車輛瞬時荷載產生的應力集中對于錨固螺栓、橋梁承臺的結構破壞；另一方面順利實現減震、減噪。經現場試驗測試，汽車通過多向變位梳齒伸縮裝置的噪音平均值比模數式伸縮裝置低2～3 dB，有效改善了伸縮裝置產生的汽車噪音對公路沿線居民帶來的困擾。

4.2 封閉交通方面的對比分析

模數式伸縮裝置通常在更換時，需要整段吊裝，整段焊接，還必須澆筑和養護混凝土，因此，必須長時間的封閉高速公路一側道路的整幅交通。通行車輛只能長時間的通過交通分流和疏導方式，行駛至對向車道，給交通安全帶來了很大的隱患。

新型多向變位梳齒型伸縮裝置1～8 m為一段，也可在工廠中切割成任意長度。在更換時，只需封閉高速公路一側道路的一個車道即可完成整個施工過程，待此車道快速完工后，可交替完成另一個車道，無需封閉整幅封閉交通，可在不中斷交通和無需分流車輛的情況下實現快速安裝及更換，施工工期短，可保證車輛正常運行，具有顯著的社會效益。

4.3 材料性能對比分析

與模數式伸縮裝置完全不同，新型多向變位梳齒伸縮裝置為彈性高分子聚合物材料，可承擔梳齒板的自身扭轉及彎曲變形，而其彈性聚合物材料可在-60 ℃～70 ℃仍然保持彈性變形，即借助材料本身的特性而能自行有效地調節，以適應多維方向的位移和轉角要求[11]，大大減少瞬時沖擊荷載造成橋梁支撐面結構的破壞。高韌性聚合物材料，具有很好的耐老化性能，可以解決全鋼模數式伸縮裝置由于板塊或錨固螺栓應力集中產生破壞的問題，并可抵抗車輛排放尾氣或廢液所造成的腐蝕。

4.4 經濟性對比分析

為反映多向變位梳齒伸縮裝置工程造價，本文統計分析了多向變位梳齒伸縮裝置工、料、機消耗量，并調研了同等型號的模數式伸縮裝置更換情況，同時調查了某省省會城市涉及多向變位梳齒伸縮裝置和模數式伸縮裝置的主要材料價格，并利用同望專業造價軟件，并考慮了營改增的影響[12]，計算了多向變位梳齒伸縮裝置與模數式伸縮裝置各自每米包含工、料、機、企業管理費、利潤在內的綜合單價，并對兩者的經濟性進行了對比分析。

a.多向變位梳齒伸縮裝置更換工期需9 d，而模數式伸縮裝置更換工期需要20 d。原因在于：①模數式伸縮裝置由鋼板制造而成，重量大，現場工人無法直接搬運，需要叉車等機械配合施工，施工難度大。而多向變位梳齒伸縮裝置主要為高分子聚合物材料，質量輕，現場工人可直接搬運安裝，無需叉車等工程機械配合施工，施工簡便，施工速度快；②模數式伸縮裝置需要現場澆筑混凝土，而混凝土又需要花費養生等大量時間。多向變位梳齒伸縮裝置采用錨釘和緊固膠固定，無需現場澆筑混凝土，施工工期短。

b.多向變位梳齒伸縮裝置材料輕，施工簡便，一座橋梁的伸縮裝置更換工作僅需5人便可完成，比模數式伸縮裝置更換需要的人數少近60%左右。

c.模數式伸縮裝置安裝時，由于存在自身重量大、材料需要切割和現澆混凝土等情況，需要混凝土攪拌車、液壓叉車、電焊機、鋼筋彎曲機等大量工程機械參與施工，機械臺班消耗量大，工程費用高。多向變位梳齒伸縮裝置無需上述工程機械參與施工，工程費用低。

d.更換多向變位梳齒伸縮裝置每1 m綜合單位為9 000元，更換模數式240伸縮裝置每1 m綜合單位為16 000元，兩者差率為78%。

5 結論

a.本文開發了一種新型多向變位梳齒伸縮裝置，并分析了該伸縮裝置的結構和技術特點，提出了新型多向變位梳齒伸縮裝置施工工藝流程，并首次在國內外就技術、材料性能特點、經濟性等方面對此伸縮裝置與傳統的模數式伸縮裝置進行了對比分析。

b.多向變位梳齒伸縮裝置因自身材料和特有的伸縮結構，可以適應橋梁在溫度變化及行車制動力等因素引起的與梳齒板之間的滑動位移。

c.根據有限元模型計算可知，多向變位梳齒伸縮裝置的強度和剛度能夠滿足設計規范要求。

d.多向變位梳齒伸縮裝置具有較好的減震、減噪效果，汽車通過時的噪音較小，結構輕便和施工難度小，同時工程造價較低，避免了較大封閉交通的問題，應用前景廣闊。