静载作用下大位移桥梁伸缩装置的应力分析

摘要：随着我国公路交通量和重载车辆的增多，公路桥梁伸缩装置在车辆荷载的反复作用下破损失效而引起的行车不舒适、桥梁结构损伤等问题也就相继暴露

了出来。建立大位移伸缩装置的三维有限元模型并施加符合实际工作状况的载

荷与位移边界条件进行分析。

关键词：桥梁伸缩装置，三维有限元模型，静载

Abstract:In recent years,with the inerease of traffie volume in our country， the failure of high way bridge expansion device under repeating traffie load lead to driving uncomfortably and the damage of bridges structure. Make the three- dimensionalfiniteelement model about Plate rubber expansion device.

Key words: bridge expansion deviee，three dimension finite element model，Static load

一、引言：近几年来随着我国公路、市政建设的迅速发展，在大江大河上修建的大跨径桥梁越来越多，所使用的大位移量伸缩装置也越来越多，其中，桥梁模数式伸缩装置最为常见，本课题研究即为数模式伸缩装置。所谓大位移量伸缩装置一般指伸缩量大于400mm以上或有较大横向伸缩量、或有大转角的伸缩装置，其设计难度大、材料和技术要求严格、控制系统要求灵敏、总装精度要求高，对大跨度桥梁的运营质量影响很大[1]。大位移量模数式伸缩装置由于其伸缩变形能力大、密封防潮性能优良，越来越引起世界的广泛关注并被工程界所接受。大位移量模数式伸缩装置在使用过程中要经历数百万次的车轮疲劳循环荷载的作用，因此疲劳性能就成为评价大位移模数式伸缩装置的一个最重要的力学性能指标。

二．大位移模数式伸缩缝的部件组成

1.用16号工字钢作为分离式钢梁

采用冶标(YB163一63)、国标(GB706一65)，取材方便，根据荷载对工字梁的强度与刚度作验算，(按L=1.5m双跨连续梁计算)16号工字梁具有足够的水平与竖向抗弯刚度。

2.活动横梁

采用厚度为14mm的钢板电焊而成，断面尺寸应根据计算确定，其长度为设计的活动量加上结构必需的尺寸，加工时须消除焊接应力，并保证尺寸的精度。

4.横梁承箱

横梁承箱也是用钢板电焊而成，其功能是确保活动横梁的伸缩空间，并利用它把伸缩缝埋入己预留的梁体或台身中。它的周边带有锚固系统。为检修方便、上盖板是活动的，可以打开。上盖板还设有橡胶滚辊压轮，以控制活动横梁适应结构变形。

5.聚氨酯压缩控制弹簧

由聚氨脂泡沫制成，具有抗拉强度高、冲击弹性好以及良好的纵向和横向变形性能，其压缩变形可高达80%，并能长期保持其弹，同时还对冲击力起缓冲和降低噪音的作用。弹簧安置在邢钢梁中梁之间，是根据水平力来进行特殊设计的。安装时弹簧压缩，它对型钢梁产生一个水平压力，以便均匀地控制水平位移的距离，达到等距离分配。弹簧固定在弹簧座上，并以穿心杆相连，组成一个抗倾的机体[2]。

三．NDI聚氨脂的试验性能及其数据分析

对NDI聚氨脂进行取样后，随后对样品的冲击弹性、密度、拉伸强度、拉伸伸长率、残余压缩变形（24h，70℃，压缩25mm）[3]各项性能进行相关试验，来样NDI性能如表1所示：

表1

项目 单位 检验标准 试验结果

冲击弹性 % DIN53515 67

密度 Kg/m³ DIN53420 470

拉伸强度 MPa DIN53571 4.0

拉伸伸长率 % DIN53571 310

残余压缩变形

（24h，70℃，压缩25mm）

%

DIN53572

5

针对NDI试验性能的试验结果，我们可以做出分析，NDI聚氨脂这种材料有非常好的弹性性能，它和别的弹性体不同之处在于它有其他各种弹性材料无法比较的动态弹性性能，尤其是它的冲击弹性性能，结合试验结果和检验标准对比来说，NDI聚氨脂的具有良好的冲击弹性性能，其实验结果也符合大位移伸缩装置的材料要求。

四． NDI聚氨脂的静载试验

对试件进行静载试验，试验结果如表2所示：

说明：静载试验的卸载后变形量，是经过三次加载后卸载的变形。

从NDI聚氨脂的静载试验结果可以看出，取样试件在2KN、4KN、6KN的荷载以及在20℃、0℃、-10℃、-20℃不同温度下[4]，静载试验后试件的变形量很均匀，变形小，正是因为聚氨脂有超强的弹性体性能，所以卸载后残余变形才很小，这足以说明聚氨脂应用在大位移量伸缩装置中，有效地控制了中梁与中梁、中梁与边梁之间协调的变形，使得大位移伸缩装置能够稳定的适应桥体的横向变形和竖向变形。

五．邢钢梁静力荷载的有限元分析

应用大型通用有限元程序ANSYS，建立模数式伸缩装置中梁及边梁在不同工作状态下的有限元模型，这其中主要进行的是对邢钢梁的受力分析。其中所受荷载为竖向力203KN。

 竖向力静力荷载

荷载和约束施加方式如图：

注：图4-2图示是对大位移伸缩装置单根中梁进行建模及网格划分，同时对此梁施加符合实际工况的边界条件。

受力云图如图：

 双向力静力荷载

 荷载和约束施加方式（竖向力荷载值为140KN，制动力为42KN）：

受力云图如图：

从所受荷载受力云图可以看出，在单根中梁受车辆荷载后轴竖向力静力荷载和不仅受竖向力并且受制动力的工况下，受力比较均匀，变形较小，应用在大位移模数式伸缩装置当中，同其他构件共同工作，能够有效的控制梁间变形[5]- [8]。

六．结论

通过计算机仿真分析结果与试验结果的对比分析,可以得出以下几点结论:

(1)采用ANSYS软件,可以很好的模拟大位移量模数式伸缩缝的实际受力情况,计算机仿真结果与试验结果吻合较好。

(2)在设计荷载竖向力203 KPa作用下,NDI聚氨脂压缩控制弹簧的变形能力比较富裕。

(3)在伸缩缝正常的变形范围内,邢钢梁在竖向力作用下变形微小，所以大位移模数式伸缩装置所能承受荷载足以满足设计荷载。[9]- [11]

七．参考文献

[1] 大变形量模数式桥梁伸缩装置高荣强翁思

[2] 我国部分桥梁大位移量伸缩装置初步调查赵衡平公路交通技术2006

[3] 李扬海，程潮阳，鲍卫刚，郑学珍.公路桥梁伸缩装置.北京：人民交通出版社，1999.

[4] 蒋国强，宁晓薇，董宏斌.板式橡胶伸缩装置破坏的原因及预防.黑龙江交通科技，2003（5）：12~13

[5] 郑士暄.伸缩装置病害分析及处置浅议.公路，2001（4）：43~45

[6] 陈惟珍，王春生，石磊.上海市外白渡桥剩余寿命与使用安全.桥梁建设，2001（2）：6~10

[7] 王春生，陈惟珍，陈艾荣.老龄钢桥工作状态模拟与疲劳寿命.桥梁建设，2003（5）：3~8

[8] 武建伟.祁家庄特大桥伸缩装置损坏原因浅析.公路交通，2002（11）

[9] 张一卓，贺拴海.桥梁伸缩装置疲劳破坏分析及寿命估算.硕士学位论文.2005（6）

[10]李保成，浅论公路桥梁伸缩缝，湖南交通科技，vo1.23，No.4，Dec，1999

[11]Design，Speeifieation，Installation，andMaintenance of Modular BridgeExPansion Joint Systems，Robert J.Dexter，CarlB.Osberg，and Mark J.MutZiger，J.Bridge Engrg.6，529(2001)

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。