橋梁滾軸板式伸縮裝置摩阻力研究

余祥興， 佟蘊(yùn)哲， 劉雨彤， 羅 輝

(1. 貴陽地鐵置業(yè)有限公司， 貴州 貴陽 550081； 2. 中國建筑國際集團(tuán)有限公司， 廣東 深圳 518057； 3. 華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

橋梁在使用過程中會因溫度變化、荷載作用和材料收縮徐變等因素產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形和錯(cuò)位[1～3]，為避免上述因素導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞，在橋梁上設(shè)置伸縮裝置來彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)變形。橋梁伸縮裝置主要有對接式伸縮縫、鋼制式伸縮縫、橡膠剪切式伸縮縫、模數(shù)式伸縮縫、無縫式伸縮縫[4～6]。以上伸縮裝置均存在不足，如型鋼模數(shù)式伸縮裝置，表面的鋼板間隙較大造成路面不平[7]，車輛通過時(shí)出現(xiàn)跳車現(xiàn)象，同時(shí)伴隨噪音，當(dāng)使用年限較長時(shí)，內(nèi)部的螺栓連接件易松脫或斷裂[8]，較大的頂面型鋼縫隙容易積存不易清理的殘留物，長時(shí)間使用影響連接件的工作性能[9]，從而對整體結(jié)構(gòu)帶來不利影響。

為彌補(bǔ)上述不足，提出滾軸板式伸縮裝置[10]，該裝置包括伸縮板、若干滾軸板、蓋板、弧面支架、定位安裝板、盆式橡膠支座、倒L型端支墻及梁縫復(fù)合橡膠防水布，蓋板和滾軸板上表面形成可伸縮調(diào)節(jié)并與橋面鋪裝層平齊且平整無障礙的頂面，伸縮板和滾軸板構(gòu)成的整體底部設(shè)有弧面支架，蓋板和伸縮板遠(yuǎn)離搭接處的外側(cè)底部均通過盆式橡膠支座支承在定位安裝板上，且端部倒扣在對應(yīng)的倒L型端支墻內(nèi)側(cè)，定位安裝板底部通過焊接的預(yù)埋U形鋼筋與梁端結(jié)構(gòu)固定。該伸縮裝置結(jié)構(gòu)新穎、構(gòu)造簡單、耐久性好，特別適用于彎橋、坡橋、斜橋和大型梁縫，可實(shí)現(xiàn)橋梁伸縮縫裝置表面平整無障礙，行車平穩(wěn)過渡，避免跳車(見圖1a)，一般可適用于80～3000 mm的伸縮范圍。

圖1 滾軸板式伸縮裝置

與傳統(tǒng)的伸縮裝置不同，滾軸板式伸縮裝置的滾軸板和其他部件之間發(fā)生相對位移，同時(shí)伴有摩擦力[10]，摩阻力過大，伸縮裝置有可能出現(xiàn)卡頓，無法實(shí)現(xiàn)長度拉伸或恢復(fù)原位，有必要對伸縮裝置工作時(shí)的內(nèi)部摩擦阻力進(jìn)行探究。滾軸板式伸縮裝置自身的摩阻力主要來源于兩個(gè)方面，一是固定端蓋板與滾軸板之間的摩擦，另一個(gè)是滾軸板與弧形支架之間的摩擦(見圖1b)。因此需重點(diǎn)研究摩擦力是否滿足要求，及摩擦力在總摩擦力中的占比，并探求減小伸縮縫摩擦力的改進(jìn)方向，為今后的設(shè)計(jì)施工提供指導(dǎo)意見。

1 試驗(yàn)方案

為測試伸縮裝置的摩擦阻力，包括蓋板和滾軸板之間的摩擦阻力以及滾軸板和弧形支架的摩擦阻力，將整個(gè)試驗(yàn)分為3個(gè)工況(見圖2)，根據(jù)3個(gè)工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算得到伸縮裝置的摩阻力，與《橋梁滾軸板式伸縮裝置暫行技術(shù)條件》的規(guī)范要求進(jìn)行對比，即單元拉伸、壓縮時(shí)最大水平摩阻力小于等于7.5 kN。

圖2 試驗(yàn)工況

摩阻試驗(yàn)示意圖如圖3(圖中：Fd為推拉裝置總拉(推)力；Ft為輪胎與伸縮板表面的滾動(dòng)摩擦力；Fg為活動(dòng)端底滾軸與固定底板之間的滾動(dòng)摩擦力；f1為蓋板與滾軸板之間的滑動(dòng)摩擦力；f2為滾軸板與弧形支架之間的滑動(dòng)摩擦力；N為車輪荷載正壓力；G為結(jié)構(gòu)部分自重)所示，為模擬路橋的車輛荷載，在千斤頂端頭處安裝一直徑為300 mm的鋼輪(見圖4)，鋼輪經(jīng)15 mm厚的橡膠包裹處理，在移動(dòng)端蓋板上方用千斤頂施加水平拉、壓力(見圖5)。豎向荷載和橫向荷載均通過千斤頂上的傳感器輸入到動(dòng)態(tài)信號測試分析系統(tǒng)中，在移動(dòng)端一側(cè)設(shè)置激光位移傳感器控制移動(dòng)端的水平位移。

圖3 滾軸板式伸縮裝置試驗(yàn)示意

圖4 豎向加載裝置圖5 水平加載裝置

初始狀態(tài)下，車輪荷載加載70 kN的豎向壓力，同時(shí)利用動(dòng)態(tài)信號測試分析系統(tǒng)記錄壓力實(shí)時(shí)變化以保證持荷穩(wěn)定，穩(wěn)定后施加水平拉力緩慢拉動(dòng)移動(dòng)端300 mm，同時(shí)通過動(dòng)態(tài)信號分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)提取拉力和激光位移計(jì)的數(shù)值，為保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，拉動(dòng)的速度控制在0.1 mm/s，拉力和位移每秒采集20組。所用試驗(yàn)儀器如表1所示。

表1 試驗(yàn)所用儀器 kN

工況1：完整裝置的推拉階段

水平千斤頂推拉3次，測量千斤頂?shù)睦d，此時(shí)裝置含有4種摩擦力(參見圖3)。

Fd1=Ft+Fg+f1+f2

(1)

工況2：去掉蓋板裝置的推拉階段

去掉蓋板，減少了蓋板與滾軸板之間的滑動(dòng)摩擦力，進(jìn)行3次推拉，此時(shí)裝置含有3種摩擦力(參見圖3)。

Fd2=Ft+Fg+f2

(2)

工況3：去掉蓋板和滾軸板裝置的推拉階段

去掉蓋板和滾軸板，減少了蓋板與滾軸板之間的滑動(dòng)摩擦力以及滾軸板與弧形支架之間的滑動(dòng)摩擦力。為保持支撐，在移動(dòng)端蓋板下方安裝支撐輪(見圖6)。輪子表面和輪軸做潤滑處理，降低輪子和蓋板底面的摩擦系數(shù)，該摩擦屬于滾動(dòng)摩擦，故此影響忽略不計(jì)。進(jìn)行3次推拉，測量千斤頂?shù)睦d，此時(shí)裝置僅含2種摩擦力(參見圖3，增加小輪的摩擦忽略不計(jì))，其他保持不變。

Fd3=Ft+Fg

(3)

圖6 蓋板下方支撐輪

伸縮裝置的摩擦阻力，包括蓋板和滾軸板之間的摩擦阻力以及滾軸板和弧形支架的摩擦阻力，按式(4)～(6)計(jì)算。

f1=Fd1-Fd2

(4)

f2=Fd2-Fd3

(5)

f=f1+f2=Fd1-Fd3

(6)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)每個(gè)工況進(jìn)行3次，共得到902790組數(shù)據(jù)，繪成折線圖如圖7所示。

圖7 各工況拉力-位移曲線

每組工況各推拉過程拉力均值如表2所示。

表2 3個(gè)工況各推拉過程拉(壓)力平均值 kN

根據(jù)式(4)～(6)求得伸縮裝置的摩擦阻力f，包括蓋板和滾軸板之間的摩擦阻力f1以及滾軸板和弧形支架的摩擦阻力f2，結(jié)果如表3所示。

表3 3個(gè)工況各推拉過程摩阻力計(jì)算結(jié)果 kN

由表3可知，3次試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的平均值為5.28 kN，伸縮裝置的摩擦阻力均小于7.5 kN，試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，滿足試驗(yàn)要求。由方差標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式(7)可得：伸縮裝置的摩擦阻力3次測量結(jié)果方差為s= 0.09，方差s小于0.10，試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定。

(7)

3 數(shù)值仿真分析

3.1 模型簡化與假設(shè)

試驗(yàn)裝置含有多個(gè)滾軸套筒和滾軸板，結(jié)構(gòu)形狀多樣，接觸面多且復(fù)雜，由此做出如下簡化：

(1)弧形支座及端支墻，原試驗(yàn)裝置構(gòu)造為多塊板材焊接而成，為計(jì)算簡便，設(shè)為實(shí)心弧形支座，輪廓不變，端支墻等效為等寬(1500 mm)長方體，簡化后不影響結(jié)果；

(2)通過多次試驗(yàn)確定合適的摩擦因數(shù)，代替弧形支架上表面的聚四氟乙烯板；

(3)摩阻力試驗(yàn)中，將輪胎滾動(dòng)摩擦簡化為長方體與蓋板之間的滑動(dòng)摩擦，長方體底面積與輪子和蓋板間的接觸面積保持一致；

(4)假定滾軸為剛性，即不考慮滾軸的變形。

3.2 數(shù)值模型的建立

由于本試驗(yàn)裝置考慮重力效應(yīng)，需設(shè)置材料密度和重力加速度，試驗(yàn)裝置材料為Q345鋼，查閱資料得到相關(guān)參數(shù)數(shù)值如表4所示。

表4 相關(guān)參數(shù)設(shè)定

本模型主要包括有摩擦的面面接觸和無摩擦的面面接觸，其中滾軸板與弧形支架以及與固定蓋板之間的摩擦力為主要研究對象，故均設(shè)為有摩擦的面面接觸，摩擦因數(shù)μ=0.3。滾軸套筒內(nèi)表面與滾軸外表面之間的相對運(yùn)動(dòng)非常微小可忽略不計(jì)，故設(shè)為無摩擦的面面摩擦?；⌒沃ё凸潭ǘ酥υ谡麄€(gè)試驗(yàn)過程中均為固定不動(dòng)狀態(tài)，因此底面設(shè)為固支邊界條件。為控制推拉狀態(tài)，移動(dòng)端滾軸板的邊界條件設(shè)為300(-300) mm，模型載荷包括材料自身重力和車輪荷載，建立重力載荷，重力加速度為9810 mm/s2，車輪荷載則是在相應(yīng)位置設(shè)置70 kN的集中力。

為得到精確的結(jié)果，劃分相對密集的網(wǎng)格，隨網(wǎng)格數(shù)量的增加動(dòng)態(tài)分析運(yùn)算量增大，計(jì)算速度減緩，對計(jì)算機(jī)的運(yùn)算要求越高，綜合考慮上述因素，網(wǎng)格類型設(shè)為六面體，主要的研究對象，如接觸面兩側(cè)的單元，最大單元尺寸設(shè)置為10 mm，其他部分最大單元尺寸設(shè)置為20 mm。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖8所示，共劃分20080個(gè)六面體網(wǎng)格，經(jīng)網(wǎng)格質(zhì)量檢查后未發(fā)現(xiàn)報(bào)錯(cuò)和警告的情況。

圖8 有限元模型

3.3 數(shù)值模型結(jié)果分析

為簡化表示，滾軸板編號示意圖如圖9所示。提取各個(gè)摩擦力并繪制摩擦力-位移曲線如圖10所示。

圖9 1～6號滾軸板示意

圖10 摩擦力-拉動(dòng)位移曲線

仿真分析所得摩擦力結(jié)果如表5所示。

表5 拉動(dòng)過程各接觸面的摩擦力 N

數(shù)值模擬采用邊界加載方式，場量輸出可直接輸出各個(gè)接觸面的摩擦力，伸縮裝置的摩擦力由各個(gè)滾軸板與弧形支架的摩擦力以及頂板下側(cè)與滾軸板之間的摩擦力構(gòu)成，對上述摩擦力求和得到伸縮裝置的整體摩擦力，如式(8)所示，拉動(dòng)過程中總摩擦力為4.60 kN，滿足規(guī)范要求。

整體摩擦力按式(9) 計(jì)算。

f=fu+(f1+f2+…+f6)

(8)

式中：fu為滾軸板與蓋板之間的摩擦力；f1，f2，…，f6為1～6號滾軸板與弧形支架之間的摩擦力。

1～4號滾軸板的整體摩擦力基本保持平穩(wěn)，而5，6號滾軸板在推拉過程中和固定蓋板接觸，其摩擦力-位移曲線出現(xiàn)突變，相應(yīng)的蓋板摩擦力突然減小。分析水平方向的作用力，總摩擦力為4.60 kN，包含1～6號滾軸板和弧形支架及和頂板間的摩擦力，另外輪子與蓋板間的摩擦力為1.71 kN，端支墻與地面間的摩擦力為1.30 kN，加和后為7.61 kN，與拉力8.71 kN基本滿足平衡關(guān)系，其差值主要來源于滾軸板重力水平方向的分力。

對比分析數(shù)值模型與現(xiàn)場試驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)，包括伸縮縫端部拉力和移動(dòng)端支墻上下兩側(cè)摩擦力。試驗(yàn)工況1得到千斤頂拉力變化曲線(見圖11)，工況3中，千斤頂拉力的平衡力包括加載點(diǎn)的摩擦力、端支墻底座的摩擦力以及后續(xù)加裝小型支撐輪的滾動(dòng)摩擦力。仿真模擬中可直接得到加載點(diǎn)和底座的摩擦力，對比工況3的拉力和仿真中兩個(gè)摩擦力的合力，從而驗(yàn)證模型的正確性，對比數(shù)據(jù)如表6所示。

圖11 千斤頂拉力-位移曲線

表6 摩阻力試驗(yàn)數(shù)值分析與試驗(yàn)結(jié)果對比 N

由表6對比仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果可知，對應(yīng)位置的拉力和摩阻力基本吻合且滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，曲線變化趨勢基本吻合，試驗(yàn)結(jié)果曲線在仿真曲線上下小范圍波動(dòng)，說明伸縮裝置摩阻力的仿真模型及參數(shù)可為實(shí)際應(yīng)用提供理論參考，即應(yīng)用ABAQUS模型有效模擬實(shí)際伸縮過程中的摩擦阻力等物理特性，并基于此做進(jìn)一步探究。

1～4號滾軸板只做平動(dòng)，且未與頂板接觸，所以1～4號滾軸板的摩擦力均圍繞一定值上下波動(dòng)，而5，6號滾軸板運(yùn)動(dòng)過程中，出現(xiàn)摩擦力突變，這是因?yàn)樵诶瓌?dòng)過程中，滾軸板先接觸蓋板后脫離蓋板，當(dāng)蓋板壓力逐漸減小至0時(shí)，滾軸板與蓋板的摩擦力則會降低，而推動(dòng)過程相反。

1號滾軸板所受摩擦力較大，2～4號滾軸板摩擦力相互接近，較1號滾軸板摩擦力小500 N左右。計(jì)算各個(gè)部位摩擦力(1～6號滾軸板)占整體摩擦力百分比如表7所示，1號滾軸板摩擦力占比33%左右，遠(yuǎn)大于其他位置滾軸板摩擦力占比，這是由于2～6號滾軸板規(guī)格相同，且質(zhì)量僅為1號滾軸板的1/4左右。5，6號滾軸板摩阻力占比稍大于2～4號滾軸板，這是由于當(dāng)5，6號滾軸板移動(dòng)到固定蓋板下側(cè)時(shí)，蓋板對其產(chǎn)生壓力使得摩擦力出現(xiàn)一定幅度的增大。

表7 伸縮裝置各部位摩阻力占比 %

整個(gè)伸縮裝置使用過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注1號滾軸板下方的摩擦力、5號滾軸板與6號滾軸板的摩擦力，可從上述部位對整個(gè)伸縮裝置的伸縮性能進(jìn)行改良。根據(jù)實(shí)際伸縮量的要求增減伸縮裝置滾軸板的數(shù)量，當(dāng)伸縮裝置應(yīng)用于對摩阻力要求較高的工況時(shí)，采取適當(dāng)措施降低1號滾軸板接觸面的摩擦因數(shù)，如改進(jìn)涂層材質(zhì)，或在保證固定蓋板強(qiáng)度的前提下，適當(dāng)降低蓋板重量，以提高伸縮裝置的伸縮性能。

4 結(jié) 論

本文提出一種滾軸板式伸縮裝置，并針對其摩擦阻力進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)與仿真分析。首先進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)得出伸縮裝置不同構(gòu)件間的摩阻力，及伸縮裝置整體的摩擦阻力小于或等于5.28 kN，滿足規(guī)范要求。然后進(jìn)行數(shù)值仿真分析，根據(jù)3個(gè)工況下的試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明了模型的正確性，并計(jì)算伸縮裝置不同部位滾軸板的摩阻力占比，實(shí)際使用中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注摩阻力占比較大的1號滾軸板、5號滾軸板和6號滾軸板，為橋梁滾軸板式伸縮裝置的改進(jìn)優(yōu)化提供理論參考。