几种桥梁模数式伸缩装置边梁型钢的受力分析

王　勇　杜　镔　唐　志

(1.贵州高速公路集团有限公司　贵阳　550001;　2.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳　550081;

3.山地交通灾害防治技术国家地方联合工程实验室　贵阳　550081)

几种桥梁模数式伸缩装置边梁型钢的受力分析

王勇1杜镔2,3唐志2，3

(1.贵州高速公路集团有限公司贵阳550001;2.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550081;

3.山地交通灾害防治技术国家地方联合工程实验室贵阳550081)

摘要模数式伸缩装置是桥梁最常用的配套产品，该类装置的异型钢边梁断裂破坏是使用中常见的病害之一。文中采用ANSYS程序对该类伸缩装置常用的 C，F，Z，E 4种异型钢边梁进行了建模计算。结果表明，4种异形钢边梁中，E形受力性能最好，F形受力性能较差，建议在边梁选型时优先采用E形钢截面的边梁，避免采用F形钢截面。

关键词模数式伸缩装置边梁型钢受力分析

模数式伸缩装置是桥梁最常用的配套产品，在山区高速公路桥梁中得到了广泛应用，主要有单缝式和用于大位移的多缝式2种。从该类伸缩装置的主体结构使用状况来看，无论是单缝式还是多缝式伸缩装置，异型钢边梁及中梁断裂破坏是长见的病害之一，见图1。目前常用的模数式型钢伸缩装置主要有马格巴、毛勒、万宝、布朗，以及国产的GQF型等，这类产品的设计理论和工作原理是基本相同的。这类伸缩装置中梁一般均采用 I 形钢梁，但其异型钢边梁却有多种结构形式，常用的边梁形式主要有C，F，Z，及E形4种异型钢梁截面。从边梁的损坏、断裂来看，这几种类型的型钢边梁其破坏程度不同，总体来说，E形钢的破坏程度较轻，破坏较少。显然，这类伸缩装置的边梁损坏除与施工及养护等存在不足外，与伸缩装置本体结构受力也存在着一定关系。为了解C，F，Z及E形4种异型钢梁截面在伸缩装置中的受力状态，同时为边梁的选型提供依据，以更好地提高伸缩装置的工作性能，笔者采用有限元程序ANSYS分别建立了这4种不同类型边梁的实体模型，对其受力状态进行了数值模拟分析，有关结论供参考。

图1模数式伸缩装置边梁断裂破坏

1有限元模型的建立

结合目前常用的桥梁宽度、车道及车轮布置特点，结构受力分析采用高速公路单幅桥面宽度12 m建模，研究针对C，F，Z及E形4种异型钢梁截面分别建立了型钢的2D模型和3D整体受力模型。结合到边梁的受力特点，采用2D模型能较好地模拟在规范规定的荷载下各型钢截面应力大小及应力分布情况。单元类型采用了二次减缩积分单元CPS8R，计算模型中，考虑到截面变化导致的集中应力影响，采用加密了网格的密度，使用了二次单元使用结构化网格的划分方法进行单元划分，建立的2D模型，见图2。计算模型假设异型钢边梁在车辆载荷作用下处于弹性受力阶段，在材料特性的选择上仅考虑了其弹性工作阶段，设置材料弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3。建模时结构的边界条件及荷载选择如下。

(1) 边界条件的确定。模数式伸缩装置的边梁与桥梁上部结构主梁的连接方式是在边梁下缘焊接连接钢板，之后在连接钢板上焊接锚固环，施工时在桥梁上部结构主梁预留槽口内将锚固环与预埋钢筋连接并横穿横桥向的连接钢筋。因此在理想施工状态下，可以将计算模型的边界条件简化为边梁下缘与主梁为面接触并为固结状态。

(2) 计算荷载的确定,根据文献[1]有关规定，采用规定的标准车辆疲劳荷载加载，取竖向均布载荷作用192.58 kN，水平荷载作用为64.19 kN。

图2　C，F，Z，E 4种型钢2D模型

2计算结果及分析

图3为C、F、Z及E形4种异型钢梁在疲劳荷载作用下应力云图，表1为相应的异型钢边梁对应的最大应力值表。

图3　4种异型钢边梁的van Mises应力云图

表1　4种异型钢边梁在荷载作用下的应力值　MPa

由图3及表1可见，在疲劳荷载作用下，C，F，Z，E 4种型钢van Mises应力中最大的为F形，其值为225.1 MPa，最小的为E形，其值为172.8 MPa，C形钢最大应力在C内侧与下座结合处位置，F形钢最大应力在上腹板内侧位置，Z形钢最大应力在上腹板内侧位置，E形钢最大应力在下腹板内侧上端位置，最大应力均出现在各型钢截面最薄弱位置。目前，常用模数式伸缩装置采用的材料主要为Q345(16 MN)，显然，其抗弯强度允许值(310 MPa)均大于4种异型钢边梁的计算值，说明型钢的静力强度储备能满足伸缩装置的受力要求。

桥梁伸缩装置长期处于动荷载的作用下，根据桥梁的设计通行和实际使用状况，其循环变化次数远大于50 000次，一般情况下，建成通车后1年就会达到甚至超过 2×106次，参考规范[2]第6.2.3条表6.2.3.2，其容许应力幅见表2。根据疲劳构件和连接分类，边梁可归为“1”类，其疲劳容许应力为176 MPa。显然，从疲劳应力幅值来看，E形钢边梁应力基本满足疲劳构件的强度的要求，C，Z形钢截面形式边梁应力有少许的超标，而F形钢边梁的受力远大于了疲劳应力的控制容许应力幅。也就是说，在考虑疲劳受力后，F形截面边梁的强度不能满足疲劳要求。

表2循环次数n为2×106次的容许应力幅

MPa

注：“构件和连接类别”指钢结构的形式和连接形式，具体见文献[2]第6.2.3条有关条文。

3结论

通过对C，F，Z，及E形4种常用模数式伸缩装置异型钢边梁的疲劳荷载作用下数值分析，得到以下结论。

(1) 目前，常用模数式伸缩装置采用的材料主要为Q345(16 MN)，其抗弯强度允许值(310 MPa)均大于4种异型钢边梁的计算值，说明型钢的静力强度储备能满足伸缩装置的受力要求。

(2) 在疲劳荷载作用下，F形钢边梁应力大幅超标，C，Z形钢边梁截面形式应力有少许的超标，仅E形钢边梁基本满足疲劳构件的强度要求。

(3) 从结构受力上看，模数式伸缩装置边梁中，E形钢边梁受力性能较好，F形钢边梁受力性能较差，从结构构造上看，E形钢边梁底缘宽度70 mm，而F形钢边梁底缘只有其腹板厚度16 mm，考虑到施工稍有误差情况时，F形钢边梁底部难以与混凝土主梁有效结合，因此，模数式伸缩装置的边梁应优先选择E形钢截面形式，避免采用F形钢。

收稿日期：2015-05-28

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.006