模数式伸缩装置中梁及锚固系统力学行为分析

聂龙飞

（山西省交通新技术发展有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

伸缩装置对于公路桥梁的自由收缩起着至关重要的作用，进而影响桥梁运营安全及使用寿命。近年来，我国公路桥梁建设发展迅猛，一大批特大型桥梁的建成标志着我国基建事业迈入新阶段的同时，也对桥梁伸缩装置的安全性及耐久性提出了更高的要求[1]。钢型伸缩装置的舒适性及密封隔水性能较差，板式橡胶伸缩装置对于大位移量要求的满足能力不足，而模数式伸缩装置能够根据使用要求增加密封橡胶和中梁钢数量，工程适应能力强，力学性能、使用性能优异，在公路桥梁工程中受到普遍应用。

从对近年来桥梁伸缩装置的调查来看，在未到达设计年限时就发生损坏现象的伸缩装置占较大比例。而伸缩装置的提前破坏，对桥梁的正常运营造成影响，同时会大大增加桥梁的养护成本。而国内不少桥梁设计方、施工方、管理方对桥梁伸缩装置的认识不足，在伸缩装置的设计、选择、养护等方面都不够重视[2]。我国对于桥梁伸缩装置的选型与设计，只在《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》《公路桥涵设计通用规范》中对一般要求、宽度、伸缩量进行了规定，对于锚固系统、主梁支撑等仅做了原则性的规定，指导实际工程的效果较差。

目前，国内公路桥梁项目中出现了一种对模数式伸缩装置中梁型钢、锚固系统做出改进的伸缩装置，为了进一步了解和验证此种装置的力学性能是否满足要求，是否可在更大范围内推广应用，本文开展了相关研究。

1 本文所研究模数式伸缩装置的尺寸与形式

根据相关文献[2]，传统的模数式伸缩装置容易在使用年限到达之前就发生变形、型钢脱落、锚固区混凝土破坏、断裂等破坏，严重影响桥梁结构安全。日前，在贵州某高速桥梁工程项目中，创新采用了一种改进型的模数式伸缩装置，项目改变既有的80型王字钢为90型，并对锚固系统进行了改进，具体如下：

a）将中梁型钢由传统常用的整体轧制80公分王字钢改为整体轧制的90公分，并结合实际受力适当增大刚度，具体如图1所示。

图1 90型王字中梁钢尺寸

b）在边梁型钢方面，对于需要埋置较深的模数式伸缩装置，选用结构受力良好的E截面钢作为边梁；对于埋置较浅的，采用C型截面钢梁，并根据应力分析适当提高刚度。

c）在边梁锚固系统方面，首先改进了锚固环和锚固连接钢板等连接件，取消锚固环，同时增大锚固连接钢板，在钢板上打孔，直径20 mm，用于横向圆钢筋穿过，将边梁与锚固连接钢板焊接，制成成品；接下来将两根横向圆钢设置在固定钢板上；然后设置可调式的活动钢板在圆钢上，并保证能够顺利滑动，以便施工时能将槽口预埋钢筋与可调钢板准确焊接，进而增加预埋钢筋、边梁型钢、锚固件间连接的可靠性。

图2 锚固系统

2 王字型中梁钢力学分析

2.1 有限元模型的建立

为了了解此种模数伸缩装置的力学性能，建立了中梁异型钢模型，通过ABAQUS有限元技术分析其力学性能。根据目前国内常用的荷载布置、桥梁宽度，在建立有限元实体模型的过程中，以双缝伸缩装置为例，采用图1所示的90型王字钢中梁，建立了间距支撑为2.0 m、1.8 m、1.5 m、1.2 m的有限元模型。假定型钢弹性模量为210 GPa，泊松比0.3，在荷载作用下王字钢处于力学弹性状态。

2.1.1 计算荷载

根据《公路桥梁伸缩装置设计指南》的有关规定，水平与竖向疲劳荷载分别取为42.19kN、192.58kN，三车道荷载加载，荷载分布如图3所示。

图3 模数式伸缩装置的荷载分布情况

2.1.2 边界条件

王字钢下部以2.0 m、1.8 m、1.5 m、1.2 m的固定间隔分布支撑横梁，假定在理想状态下，王字钢底部与横梁顶部间为绑结约束、面接触。

2.2 数值计算结果及分析

表1 三车道双向荷载加载下王字钢的力学参数

根据相关文献统计[2]，在桥梁通车运营后，模数式伸缩装置将在一年内承受2×106次动荷载，按照《钢结构设计规范》中的相关规定，模数式伸缩装置中的中梁型钢的容许应力幅为176 MPa。根据表1可知，此种改进型伸缩装置内，王字钢中梁除了在支撑间隔为2.0 m时应力有所超出外（超出5%），在支撑间隔1.8 m、1.5 m、1.2 m时应力都能满足规范要求，这一结果与其他文献中研究的普通王字钢中梁相比[1]，最大正应力降低近20%。同时普通中梁王字钢往往在1.8 m支撑间距下最大正应力已接近或略超过容许应力幅，从这一点看，这种改进型的90型王字钢中梁更具力学性能优势。将弯曲最大位移值与《公路桥梁伸缩装置设计指南》中的相关规定进行对比，认为该王字钢中梁的挠度满足规范要求，同时将位移量与有关文献[1]中所做的传统王字型中梁钢位移相比，发现改进型中梁的横向位移比传统型有明显的改善。

3 锚固系统的力学分析

3.1 有限元模型的建立

选用E型钢为边梁，以E型钢长度方向1 m内的混凝土和钢构件为对象，建立1 m×1 m×0.58 m的混凝土计算模型。根据改进版模数伸缩装置对边梁锚固系统的处置措施，不设锚固环，将边梁底部与锚固连接钢板焊接。在钢板内预留孔洞并设置横向钢筋，可调式的活动钢板可在圆钢上顺利滑动。以20 cm的间隔布置预埋钢筋，钢筋直径16 mm，锚固长度为40 cm。假定混凝土与钢构件的弹性模量分别为 34.5 GPa、210 GPa，泊松比分别为 0.2、0.3，荷载加载下构件处于力学弹性阶段。

3.1.1 计算荷载

根据《公路桥梁伸缩装置设计指南》的有关规定，水平与竖向疲劳荷载分别取为 42.19 kN、192.58 kN。

3.1.2 边界条件

将锚固连接钢板与边梁底部的接触简化为面接触绑结状态，假定预埋钢筋与活动钢板完整焊接，形成整体。

3.2 数值计算结果及分析

表2 伸缩装置锚固区混凝土及钢构件应力

图4 锚固区混凝土Mises应力云图

图5 锚固系统钢构件Mises应力云图

表2展示了改进型伸缩装置的锚固区混凝土、锚固系统钢构件应力与传统模数式伸缩装置的应力比较，其中传统模数式伸缩装置的应力值参考了相关文献[1]中的数据。图4、图5表现了锚固区混凝土、钢构件的Mises应力云图。目前国内公路桥梁伸缩装置锚固区多采用C50混凝土，其设计抗拉强度达到1.83 MPa，因此该模数式伸缩装置锚固区的混凝土应力满足要求。而通过表2对比也可以看出，改进后的伸缩装置的混凝土应力相比传统模数式伸缩装置的应力减少近25%，力学性能较好[1]。

边梁的锚固可靠性是模数式伸缩装置耐久性的重要保障，传统的模数式伸缩装置的锚固需要将横向钢筋、预埋钢筋、锚固环套扣，受产品设计与施工质量影响，预埋钢筋与锚固钢筋极易发生错位，导致预埋钢筋与锚固环难以同时被横向钢筋穿过，因此传统的模数式伸缩装置的锚固效果不佳，在长时期的动荷载作用下，耐久性与安全性问题突出[3]。而文章中所研究的改进型的模数式伸缩装置，则避免了传统锚固形式的固有弊端，同时其锚固区混凝土应力、锚固系统钢构件的应力安全储备更充足，在相同荷载条件下，其耐久性与安全性相比传统的模数式伸缩装置更优异。

4 结语

随着公众对桥梁安全、耐久问题的日益关注，桥梁伸缩装置作为桥梁重要结构组成，其技术创新与性能提升受到各方的广泛关注。以目前在国内出现的一种改进了中梁钢尺寸与边梁锚固方式的模数式伸缩装置为研究对象，利用ABAQUS有限元技术，建立了此种模数伸缩装置的锚固系统及中梁模型，进而计算分析其力学性能，主要结论如下：

a）此种改进型伸缩装置内，王字钢中梁在支撑间隔1.8 m、1.5 m、1.2 m时应力都能满足规范要求，与普通王字钢中梁相比，最大正应力明显降低。

b）该模数式伸缩装置中王字钢中梁的挠度满足规范要求，其横向位移相比传统王字型中梁钢有明显的改善。

c）该模数式伸缩装置锚固区的混凝土应力满足要求，且相比传统模数式伸缩装置其应力安全储备更为充足。

通过文章对此种改进型模数式伸缩装置的中梁王字钢及锚固系统的有限元建模与计算分析，认为其相比传统型模数式伸缩装置拥有更好的力学性能，对于改善模数式伸缩装置的耐久性与安全性具有较好的效果，工程实践中可结合项目实际情况开展应用。