桥梁新型钢弹体元件模数式伸缩装置及力学性能研究_蔡佳骏.pdf

总第3 1 6期交 通 科 技S e r i a lN o.3 1 6 2 0 2 3第1期T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g yN o.1F e b.2 0 2 3D O I 1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 1-7 5 7 0.2 0 2 3.0 1.0 0 9收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 1第一作者:蔡佳骏(1 9 7 9-),男,高级工程师,硕士。*国家重点研发计划课题(2 0 1 7 Y F C 0 8 0 6 0 0 1);中铁第四勘察设计院集团有限公司科技研发项目(N o.Z D-2 0 1 7 0 0 3)资助桥梁新型钢弹体元件模数式伸缩装置及力学性能研究*蔡佳骏(中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 4 3 0 0 6 3)摘 要 为改善桥梁传统伸缩缝易发生疲劳破坏的问题,文中提出新型刚弹体模数式伸缩装置,将钢弹体运用于模数式桥梁伸缩装置中。为探究桥梁新型钢弹体弹性元件模数式伸缩装置的力学性能,通过疲劳试验与数值仿真的方法,建立伸缩缝实体有限元模型,分析不同厚度、不同自由长度、不同材质钢弹簧体的力学性能,并通过疲劳试验研究各种尺寸下钢弹体弹性元件的疲劳寿命,提出钢弹体弹性元件的疲劳设计标准。研究表明,弓形钢弹体弹性元件采用6 0 S i 2 M n弹簧钢、厚度取1 2mm时,弹性元件位移协调性最好,桥梁模数式伸缩装置力学性能最优。关键词 桥梁模数式伸缩装置 钢弹体弹性控制元件 数值模拟 疲劳试验中图分类号 U 4 4 3.3 桥梁伸缩装置作为缓冲装置一般安装于桥梁端部预留伸缩缝隙区域,其目的在于防止温度变化引起路面结构的热胀冷缩过大而造成破坏。目前,常见的伸缩缝装置包括单缝型钢伸缩缝、多组式伸缩缝、梳齿板式等伸缩缝1-2。由于伸缩缝间隙位置是桥梁结构受力集中且复杂多变的关键部位,上述伸缩缝装置在实际工程中暴露出大量的问题,出现了一系列的破坏模式,如剪切破坏、屈曲破坏及衔接部位的局部压碎破坏。伸缩缝一旦破坏,将会影响道路的平整度、行车舒适性。因此,制作一种安全性能高、服役寿命长的伸缩装置具有较高的工程实践价值。桥梁伸缩缝装置长期裸露在空气中,承受外界环境和车辆荷载的往复循环作用,其疲劳性能受到显著影响,且高昂的维修费用几乎占桥梁总维修费用的2 0%3。针对于此,孙正峰4建立了水平向有限元动力学模型,考虑了车轮对模数式桥梁伸缩缝的冲击效应,对其水平向动力特性进行研究,揭示了伸缩缝力学性能衰变规律。此外,吴昊等5为探究Z L 4 8 0模数式桥梁伸缩缝横梁间距对其动力效应的影响,采用有限元数值软件建立仿真模型,结果指出横梁间距从1m增加到2m时,第一阶固有频率减小3 2.6%,且梁支撑刚度 对 固 有 频 率 相 关 性 较 高。金 福 银6利 用MT S疲劳试验机对桥梁模数式伸缩装置施加竖向荷载和水平荷载,对标准模块型桥梁伸缩缝试件分别进行静载和动载试验。结果表明,伸缩缝中心梁和支撑梁的残余应变随疲劳循环次数的增加而增加,而荷载幅值的加大将在很大程度上提高累计残余应变的增长速率。综上,在动荷载作用下,模数式桥梁伸缩缝的中心梁和支撑梁的残余应变将会显著增高,随着残余应变的不断增加,伸缩缝由弹性变形逐渐转变为塑性变形,最终因变形过大而诱发疲劳破坏。然而,目前对此类疲劳破坏问题还缺乏有效的技术措施。因此,本文提出新型刚弹体模数式伸缩装置,结合钢弹体的力学性能特点,将钢弹体运用于模数式桥梁伸缩装置中,以达到改善模数式桥梁伸缩装置力学性能的目的。进一步通过数值模拟的方法分析带钢弹体弹性元件桥梁模数式伸缩装置的力学机制,并开展相应的物理模型试验,探究钢弹体厚度对桥梁模数式伸缩装置疲劳性能的影响。1 新型桥梁模数式伸缩装置及弓形钢弹体弹性控制元件 桥梁模数式伸缩装置分为梁格式伸缩装置、直梁式伸缩装置、旋转梁式伸缩装置,通过在伸缩装置的2根边梁之间插入(N-1)根中梁,将伸缩装置的总位移量划分为N个伸缩模数,从而增大伸缩装置的位移适应能力。随着桥梁工程的发展,模数式伸缩装置的位移量也不断增大,目前世界上已应用的模数式伸缩装置最大位移量已达到26 4 0mm。桥梁模数式伸缩装置因其纵向变位大、安装相对方便等优点被广泛应用。将弹性元件布置在模数伸缩装置异型钢梁下可有效提高伸缩缝的抗压能力、最大限度地改善行车舒适性,提高结构的疲劳寿命。常见的弹性元件见图1。图1 常见弹性元件但现有的弹性元件其造价成本高,且易老化。为改善其力学性能的不足,降低其高额的造价,提高伸缩缝装置的使用寿命,针对我国模数式伸缩装置的生产使用现状,研发新型的压缩控制弹簧单元,提出采用钢弹体作为桥梁伸缩装置弹性元件,显得迫在眉睫。新型刚弹体元件的力学原理类似于传统工具“镊子”,钢弹体弹性控制元件的耐久性明显优于橡胶剪切弹簧与聚氨酯压缩弹簧,且对桥梁横桥向不均匀扇形位移具有明显的适应性,钢弹体弹性控制元件见图2,常见模数式伸缩装置扇形变形效果见图3。图2 钢弹体弹性控制元件图3 常见模数式伸缩装置扇形变形效果图通过对钢弹体模数伸缩装置进行改良,使其具有较好的力学性能,改良后的伸缩装置结构见图4。图4 新型钢弹体桥梁模数式伸缩装置结构示意图如图4所示,该新型模数式伸缩装置包括钢弹体弹性控制系统、支承系统、多向位移转动托梁、位移箱,以及锚固系统,锚固系统分别由边梁和中梁组成,结构防水采用一种新型的波浪折线形弹性防水橡胶条。2 新型钢弹体桥梁模数式伸缩装置力学性能数值分析2.1 钢弹体弹性控制元件力学性能为直观分析钢弹体弹性控制元件的力学性能,采用数值模拟的分析方法,建立了有限元模型,针对不同自由长度和材质的弹簧进行分析,选出结构受力合理、工作状态最为协调的钢弹体,为优化钢弹体弹性控制元件的力学性能提供参考。整个模型选取实体单元建立,其厚度分别为6,8,1 0,1 2,1 4mm,长度分别为4 0 0,4 5 0mm,材质分别为Q 4 2 0和6 0 S i 2 M n的钢弹体,刚弹体的弹性模量为2.11 01 1P a,所施加荷载大小为2 1k N,将其以均布荷载的形式分布在钢弹体表面上。模型采用映射网格至上而下进行划分,单元格式为4 23 1 2,节点个数为5 67 8 2,网格尺寸为0.2mm.钢弹体的底部采用固定端约束,弹簧之间采用限位移弹性连接,其连接示意见图5。图5 双弹簧刚体之间的连接方法示意24蔡佳骏:桥梁新型钢弹体元件模数式伸缩装置及力学性能研究2 0 2 3年第1期所得计算结果见图6和图7。图6 1 2mm弹簧组压缩8 0mm变形图图7 不同材质钢弹簧体位移-反力曲线图6中展示了1 2mm厚的钢弹体弹簧的变形结果。由图6可知,钢弹体的最大变形量为8 0mm,通过设置不同的材料参数,所得结果绘于图7。由图7可见,弓形弹性元件采用6 0 S i 2 M n弹簧钢具有可靠的线弹性。同时通过对不同厚度6 0 S i 2 M n弹簧进行计算分析,1 2mm6 0 S i 2 M n弹簧4 5 0mm自由长度双弹簧受力位移协调性相对最好,故选取厚度为1 2mm的“弓”形弹簧作为新型伸缩装置的弹性控制元件。2.2 新型钢弹体伸缩装置力学性能仿真分析将该钢弹体弹性控制元件运用于伸缩缝之中,以D 1 6 0型为例。参考 公路桥涵设计通用规范7,考虑极限状态下,对这一新型伸缩缝装置进行分析。通过数值模拟的分析方法,模拟了D 1 6 0型新型模数式伸缩装置在最大拉伸、压缩工况,最大水平制动力工况,最大水平制动力工况,横向错位最大伸缩工况,纵向错位最大伸缩工况等作用下伸缩装置的力学性能,所得结果见图8。由图8可知,在荷载作用下靠近上端的边梁受力最大,变形较为明显,中梁的受力其次,下端边梁的受力最小。将所得计算结果J T/T3 2 7-2 0 1 6 公路桥梁伸缩装置通用技术条件标准 做比较,所得结果误差较小,说明该新型伸缩缝装置具有一定的可行性。图8 某工况有限元整体模型总变形3 钢弹体弹性元件疲劳试验3.1 刚弹体弹性元件疲劳试验分析刚弹体弹性元件是新型桥梁模数式伸缩装置中的关键部件,长期暴露于空气当中,受到车辆荷载的往复作用,其耐久性能面临巨大考验,因此对其耐久性能的测试显得十分重要。疲劳性能作为评价结构耐久性的一个重要指标理应重点关注,为测定该弹性元件的疲劳性能,预测其疲劳寿命,以便指导伸缩缝材料的选型、以及优化结构设计,本文通过开展疲劳试验来探析钢弹体伸缩缝的疲劳性能,试验装置及试件见图98-9。图9 弹性元件疲劳试验示意图通过夹具将弓型刚弹体元件固定,两端通过千斤顶施加循环荷载,让试件处于拉压循环之中,一共进行5组试验共1 8根试件,位移量均按3 0mm设定,循环次数位于5 0万次1 0 0万次之间,试件疲劳寿命统计见表1。表1 试件疲劳寿命统计表试件 1 0mm厚宽 1 4mm(短)厚窄 1 2mm(短)厚宽 1-11-21-31-42-12-22-33-13-23-3循环加载次数10 0 00 0 01 0 00 0 01 0 00 0 06 76 6 310 0 00 0 0 10 0 00 0 015 1 61 58 2 41 0 00 0 010 0 00 0 0试件 1 2mm(长)厚窄 1 4mm(长)厚窄 4-14-24-34-45-15-25-35-4循环加载次数5 1 85 0 087 1 15 0 00 0 03 08 9 05 0 00 0 03 28 8 64 4 88 0 97 46 6 4 表1中展示了不同厚度、不同宽度的弓形弹性元件在拉伸或压缩循环加载下的疲劳寿命。当弓形弹性元件的厚度为1 2mm时,在拉压变形1 0mm的情况下,钢弹体的疲劳寿命大约为5 0342 0 2 3年第1期蔡佳骏:桥梁新型钢弹体元件模数式伸缩装置及力学性能研究万次。当弓形弹性元件的厚度为1 4mm时,刚弹体的平均疲劳寿命略有提高。当拉压变形达到3 0mm时,刚弹体的疲劳寿命显著降低易发生断裂。从以上试验结果不难看出,元件的变形量与其疲劳性能有较为直接关系,当拉压长度在1 0mm时,其疲劳性能较好,疲劳寿命在5 0万次左右。当拉压长度为3 0mm时,其疲劳性能出现显著下降趋势。3.2 钢弹体弹性元件疲劳设计标准根据胥明等1 0的研究,钢弹体的疲劳性能参数需满足以下要求,承受荷载的循环次数需大于1 2 0a(a为与伸缩装置工作寿命相关的系数,欧洲标准要求a1 0,即至少承受12 0 0次荷载的循环作用)。根据我国相应的工程技术标准,伸缩装置的使用寿命不低于1 5年的规定,因此按a的值设定为1 5,试验荷载循环次数不低于18 0 0次。经过试验分析和数值模拟研究,综合考虑刚弹体宽度、厚度对伸缩缝装置力学性能的影响,发现壁厚为1 2mm的钢弹体弹性元件的位移协调性最好,桥梁模数式伸缩装置力学性能最优,其力学性能符合J T/T3 2 7-2 0 1 6 公路桥梁伸缩装置通用技术条件标准 要求。4 工程应用实例以某B R T城市高架工程项目为背景,原设计为梳齿式桥梁伸缩装置类型,经过多年运营,桥梁伸缩缝病害逐渐显露,伸缩缝位置出现明显鼓包、梳齿上翘、梳齿折断、大小板脱落、螺栓组脱落、止水带损坏、滑动不锈钢板损坏等现象。后改用浅埋型新型钢弹体桥梁模数式伸缩装置,使用近5年,运营状况良好,经过大量实测数据表明,采用新型钢弹体桥梁模数式伸缩装置的行车舒适性得到大幅度提高,项目的具体应用见图1 0。图1 0 工程应用示意一另某新建高速公路,采用浅埋型新型钢弹体桥梁模数式伸缩装置,运营近3年,伸缩装置状况良好。项目的具体应用见图1 1。图1 1 工程应用示意二5 结论1)钢弹体弹性元件可有效地改善伸缩缝装置的力学性能,提高伸缩缝装置的变形能力,这一新型装置的研发,可改善行车的舒适性,具有较好的应用前景。2)通过数值模拟的研究方法,建立模数式桥梁伸缩缝有限元模型,在车辆荷载最不利情况下,探寻了伸缩缝的力学性能,发现当板厚为1 2mm时,弹性元件位移协调性