模數(shù)式橋梁伸縮裝置疲勞試樣尺度研究

呂彭民，孟慶賀，張維維

（1.道路技術(shù)與裝備教育部重點實驗室 長安大學(xué)，西安 710064；2.河北萬億交通設(shè)施有限公司，衡水 053400）

0 引言

橋梁伸縮裝置是公路橋梁的重要附屬構(gòu)件，伸縮裝置的安全性與耐久度對橋梁的正常通行有著重要的影響。由于伸縮裝置所處的受力環(huán)境及受其結(jié)構(gòu)的影響，伸縮裝置容易發(fā)生破壞，從而影響到道路交通，伸縮裝置的破壞形式主要有局部應(yīng)力過大發(fā)生強度破壞、發(fā)生疲勞破壞、焊縫處開裂等幾種情況[1～4]。對伸縮裝置進行疲勞試驗是驗證裝置疲勞性能的有效方式[5]。模數(shù)式橋梁伸縮裝置規(guī)范試樣尺寸不小于4m[6]。由于尺寸大，給室內(nèi)疲勞試驗帶來一定困難。而現(xiàn)階段國內(nèi)外學(xué)者對模數(shù)式伸縮裝置進行疲勞試驗時很少定量考慮試樣單跨試樣與多跨試樣對試驗結(jié)果的影響。

本文首先采用力學(xué)簡化模型，在相同加載情況下比較單跨與三跨模型的中梁應(yīng)力、支反力的不同。其次以整體加強320型模數(shù)式橋梁伸縮裝置為例，建立包含中梁、邊梁、橫梁、支座、橡膠、吊架等具體結(jié)構(gòu)的精細化有限元模型，在相同加載情況下對比單跨與三跨模型伸縮裝置危險點位置變化及危險程度情況，探討用單跨代替三跨的可能性。最后對單跨模型進行承載力試驗及疲勞試驗。研究結(jié)果對模數(shù)式橋梁伸縮裝置的疲勞試驗提供一定的參考及借鑒。

1 伸縮裝置簡介及理論分析

1.1 整體加強型模數(shù)伸縮裝置

本文選用的整體加強型橋梁伸縮裝置結(jié)構(gòu)簡圖如所示。其主要結(jié)構(gòu)包括邊梁、中梁、橫梁、中梁支座、橫梁支座、箱體、吊架等。

其中梁截面與普通模數(shù)式伸縮裝置的王字型中梁截面不同，整體加強型伸縮裝置的中梁較寬，并且增加一個止水帶安裝槽。整體加強型伸縮裝置橫梁承壓與壓緊支座采用球形座，中梁承壓與壓緊支座采用U型橡膠支座。采用伸縮鉸鏈及彈簧來保證伸縮的均勻性。

圖1 整體加強320型模數(shù)式橋梁伸縮裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 伸縮裝置簡化理論計算

按照規(guī)范要求[6]，試樣長度不低于4m，該伸縮裝置中梁支座之間距離為1.25m，故疲勞試樣至少要三跨以上長度，在采用三跨試樣進行伸縮裝置承載性能試驗時，伸縮裝置處在最大開口狀態(tài)，加載位置在中間中梁中部，采用單輪加載，加載面積為200×600mm（如圖2(a)所示），則只有中間中梁受載。由于中梁支座內(nèi)含橡膠材料，為計算簡便忽略中梁支座對中梁的彎矩約束，將均布力簡化為加載在中梁中部的集中力，故中梁受力情況可以簡化為圖2(b)所示受力模型。

圖2 三跨試樣中梁受力簡圖

由材料力學(xué)可知，該受力模型為超靜定結(jié)構(gòu)，可采用疊加法對其進行求解，將圖2(b)所示受力情況分為圖3所示兩種簡單載荷的疊加作用。通過實際情況可知在第二中梁支座處撓度為零，構(gòu)造變形協(xié)調(diào)方程為：

式中：P為將均布力簡化后的集中力；EI為中梁抗彎剛度；l為伸縮裝置一跨的跨距；FZ1、FZ2分別為中梁在第二、三中梁支座處所受的支反力。

又因為該受力模型為對稱結(jié)構(gòu)，則由式(1)可得：

三跨模型撓曲線方程為：

則三跨模型最大撓度在中梁中部為：

三跨模型彎矩方程為：

則三跨模型最大彎矩在中梁中部為：

圖3 兩種簡單載荷受力簡圖

在采用單跨試樣進行伸縮裝置承載性能試驗時，同理可將其簡化為圖4(b)所示受力模型。則由材料力學(xué)可知該模型支反力為FZ=P/2，單跨模型最大撓度在中梁中部為：

單跨模型最大彎矩在中梁中部為：

綜上所述，由于中梁為橫力彎曲且截面沒有變化，故中梁最大彎矩之比即為正應(yīng)力之比，則中梁應(yīng)力單跨模型較三跨模型增加（M2-M1）/M1=42.8%；由支反力可知，中梁支座處支反力則減少了13%。

2 有限元模型的建立及計算

2.1 計算工況

圖4 單跨試樣中梁受力簡圖

圖5 三跨試樣有限元模型

本文采用ANSYS有限元仿真分析方法進行結(jié)構(gòu)靜強度分析，取車輛軸重為200kN，根據(jù)行業(yè)標準JT/T 327-2016，確定載荷大小及沖擊系數(shù)，即，在只考慮車輛對伸縮縫裝置造成垂向作用的情況下，加載載荷為輪載100kN。

2.2 有限元模型的建立

根據(jù)整體加強320型模數(shù)式橋梁伸縮裝置詳細結(jié)構(gòu)圖紙，直接在有限元分析軟件中建立單跨與三跨兩套幾何模型。為提高計算效率，省略在垂向加載情況下不起作用的鉸鏈、錨固板及彈簧，并利用結(jié)構(gòu)的對稱性，采用對稱邊界條件，故只建立一半模型。所建伸縮裝置模型處于100%開口狀態(tài)，邊梁與邊梁間距為80×4+80×3=560mm。整個模型的材料均為線彈性材料（橡膠材料在較小變形時可視作線彈性材料），材料屬性如下：

鋼材的楊氏模量 E=2.06×105MPa，泊松比v=0.3，密度為 7850kg/m3；

橡膠墊的楊氏模量E=4000MPa，泊松比v=0.47，密度為 1300kg/m3；

橫梁支座、球鉸采用梁單元BEAM189模擬，此梁單元分別與箱體球面部分、球體支座剩余部分建立剛性區(qū)域，用以實現(xiàn)球鉸建模，其余結(jié)構(gòu)采用實體單元SOLID186模擬。三跨與單跨模型如圖5、圖6所示。

在中間中梁中部加載面載荷，在中梁、邊梁中間截面上采用對稱邊界條件，位移箱采用全約束。

2.3 計算結(jié)果與分析對比

由圖7可以看出三跨模型最大應(yīng)力在第二中梁支座與中梁結(jié)合處為128MPa，中梁中間中部下表面為91MPa，由圖8可以看出單跨模型最大應(yīng)力在中梁中部下表面處為126MPa，其余構(gòu)件如表1所示。

圖6 單跨試樣有限元模型

圖7 三跨模型應(yīng)力云圖

圖8 單跨模型應(yīng)力云圖

將三跨模型簡化為單跨模型時，會使中梁中間部位下表面的最大應(yīng)力增加，而中梁第二、三中梁支座處應(yīng)力減小，這是由于將三跨模型簡化為單跨模型后，中梁沒有了第一、四中梁支座的約束作用，從而使中間受力部位的撓度會相對三跨時增大，應(yīng)力相應(yīng)增大，由表1可知中梁應(yīng)力單跨模型較三跨模型增加38%，與1.2節(jié)中應(yīng)力增加42.8%相近；由于少了第一、四中梁支座處向下的約束反力，則中間兩個支撐點處的支反力就會減少，故中梁支座處應(yīng)力減少。

在中梁支撐點處支反力減小的情況下，橫梁和橫梁支座處應(yīng)力反而有所增大的原因是：由于中梁撓度增加，會使中梁作用在橫梁上的附加扭矩增加，橫梁在垂向支反力和附加扭矩的共同作用下，使橫梁和橫梁支座處合成應(yīng)力有所增加（僅增加了幾兆帕）。這些變化規(guī)律均符合力學(xué)原理。

經(jīng)過查看兩模型中中梁支座大應(yīng)力部位的三向主應(yīng)力得知，該部位大應(yīng)力為壓應(yīng)力起主導(dǎo)作用，故在垂向加載情況下，單跨模型與三跨模型最危險點均為中間中梁中部下表面，且單跨模型中梁最大應(yīng)力較三跨模型增大38%，故采用單跨模型進行疲勞試驗時其結(jié)果偏于安全。

表1 單跨模型與三跨模型有限元分析結(jié)果對比

3 承載力試驗及疲勞試驗

3.1 試驗方案

按照行業(yè)標準JT/T 327-2016，采用單跨試樣進行靜載試驗及疲勞試驗，為將試樣與試驗臺連接，在試樣四個位移箱底面焊接四個連接板，按行業(yè)標準中所規(guī)定的加載面積設(shè)計加載壓頭，在試樣中間中梁中部下表面貼應(yīng)變片。試驗時：將試樣在100%開口狀態(tài)下固定在試驗臺上，并保證伸縮裝置和試驗工裝在整個試驗過程中不產(chǎn)生偏斜和滑移，壓頭下加裝橡膠板模擬輪胎加載，實際試驗整體裝置如圖9所示。承載力試驗時：豎向載荷P=100kN，設(shè)計輪載的10%為步長，以1kN/s的速度加載，重復(fù)三次；疲勞試驗時：豎向載荷P=55±45kN（Pmax=100kN，Pmin=10kN），加載循環(huán)200萬次，加載頻率為8Hz。

圖9 伸縮裝置疲勞試驗主視圖

3.2 試驗結(jié)果

靜載試驗結(jié)果如表2所示。由表2可知，承載力試驗時伸縮裝置中間中梁中部下表面應(yīng)力隨著豎向載荷的增加而增加，整體呈線性趨勢，最大應(yīng)力為124.5MPa與表1中單跨模型有限元計算結(jié)果126MPa相當吻合，從而驗證了本文所建模型的正確性。

表2 承載力試驗中間中梁中部下表面應(yīng)力

伸縮裝置整體在經(jīng)過200萬次疲勞試驗后各零件細部的情況如圖10所示，周圍的緊固螺栓未出現(xiàn)松動滑脫現(xiàn)象，伸縮裝置關(guān)鍵焊縫部位也沒有出現(xiàn)裂紋，整體強度和性能完好，試驗過程安全平穩(wěn)無異常，振動噪聲較小，滿足設(shè)計要求。在100kN車輪載荷作用下，伸縮裝置整體滿足疲勞性能的要求。

4 結(jié)語

1）對單跨與三跨模型中梁受力情況進行簡化后，分析可知中梁跨中應(yīng)力單跨模型較三跨模型增加了42.8%，中梁支反力減小了13%；有限元模型結(jié)算結(jié)果為中梁跨中應(yīng)力增加了38%，中梁支座應(yīng)力減小了29%。兩者所得規(guī)律一致。

圖10 伸縮裝置構(gòu)造細節(jié)焊縫

2）由有限元分析可知，中梁中梁支座處最大應(yīng)力主要以壓應(yīng)力為主，故采用單跨試樣代替三跨試樣進行疲勞試驗，其結(jié)果偏于安全。即在試驗條件受限時，可采用單跨試樣進行疲勞試驗。

3）通過伸縮裝置承載力試驗測得中梁應(yīng)力，驗證了所建有限元模型的正確性，通過疲勞試驗驗證了該型號伸縮裝置疲勞性能滿足規(guī)范要求。