新型多向變位梳形板伸縮縫研制與應(yīng)用研究

摘 "要：該文依托石家莊市北部片區(qū)城市基礎(chǔ)設(shè)施提升改造工程，對公路橋梁的多向變位梳形板伸縮縫安裝使用質(zhì)量進行研究和測試分析。該研究通過對多向變位梳形板伸縮縫的定義、材料選擇進行分析，研制一種新型多向變位梳形板伸縮縫。利用有限元分析軟件ABAQUS對新型多向變位梳形板進行結(jié)構(gòu)重建，在不同工況約束、荷載作用下，根據(jù)其結(jié)構(gòu)強度和應(yīng)力屬性聯(lián)系，研究不同車速下的最大主應(yīng)力變化，對混凝土抗拉性能進行分析、優(yōu)化和提高，延長混凝土疲勞壽命。研究結(jié)果表明，多向變位梳形板伸縮縫能夠有效應(yīng)對橋梁的多方向變位和各種外部荷載，可以幫助提升橋梁的整體性能，并延長使用壽命。

關(guān)鍵詞：多向變位梳形板伸縮縫；有限元分析；網(wǎng)格劃分；約束；荷載

中圖分類號：U445 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2025）10-0172-05

Abstract： Based on the urban infrastructure improvement and reconstruction project in the northern area of Shijiazhuang City， this paper studies and tests the installation and use quality of multi-directional displacement comb-plate expansion joints of highway bridges. In this study， a new type of multi-directional displacement comb-plate expansion joint was developed by analyzing the definition and material selection of multi-directional displacement comb-plate expansion joint. The finite element ABAQUS was used to reconstruct the structure of the new multi-directional displacement comb-plate. Under different working conditions and loads， according to the relationship between its structural strength and stress properties， the maximum principal stress changes under different vehicle speeds were studied， and the tensile properties of concrete were analyzed， optimized and improved to extend the fatigue life of concrete. The research results show that multi-directional displacement comb-plate expansion joints can effectively cope with multi-directional displacements and various external loads of the bridge， and can help improve the overall performance of the bridge and extend its service life.

Keywords： multi-directional displacement comb plate expansion joint; finite element analysis; grid generation; constraint; load

隨著我國橋梁建設(shè)技術(shù)的快速發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋因其良好的受力性能和標準化設(shè)計得到了廣泛應(yīng)用。在使用過程中，橋梁受到行車荷載和外界環(huán)境的影響，容易產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象，使得伸縮縫的性能直接影響橋梁的使用壽命和運營安全[1-2]。

傳統(tǒng)伸縮縫往往只能應(yīng)對單一方向的位移，而多向變位梳形板伸縮縫則能夠適應(yīng)更復(fù)雜的位移情況，減少因伸縮縫損壞而導(dǎo)致的維修頻率和成本，從而提高橋梁的整體使用壽命和經(jīng)濟性[3]。多向變位梳形板伸縮縫是一種新型的橋梁伸縮縫結(jié)構(gòu)，具有適應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)多向變形的能力。這種伸縮縫可以有效地應(yīng)對溫度變化、車輛荷載及其他外部因素引起的橋梁結(jié)構(gòu)位移，確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性[4]。為了提高預(yù)制箱梁橋的施工質(zhì)量，許多學(xué)者在施工控制技術(shù)方面進行了深入研究，其中橋梁的伸縮縫選擇與施工過程是控制預(yù)制箱梁橋的施工質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一[5]。

本文通過全面分析多向變位梳形板伸縮縫的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇，制定科學(xué)合理的施工工藝。依托石家莊市北部片區(qū)城市基礎(chǔ)設(shè)施提升改造工程，對公路橋梁的多向變位梳形板伸縮縫施工安裝技術(shù)進行研究并實施，為公司以后伸縮縫施工技術(shù)積累經(jīng)驗。

1 "工程概況

本文基于中交路橋建設(shè)有限公司在石家莊市北部片區(qū)實施的城市基礎(chǔ)設(shè)施提升工程背景，針對橋梁伸縮縫的施工質(zhì)量保障，深入對比分析當前廣泛應(yīng)用的梳形板式伸縮裝置的性能差異。傳統(tǒng)梳形板伸縮裝置依賴錨固螺栓將滑移形板與橋梁主體進行硬性聯(lián)結(jié)。然而，在車輛頻繁通行或橋梁端部出現(xiàn)豎向及橫向位移的情況下，此類裝置會遭遇硬性抵抗，致使錨固螺栓長期承受拉伸應(yīng)力作用，其持續(xù)且重復(fù)的疲勞載荷易引發(fā)螺栓的塑性形變，最終可能導(dǎo)致形板松動乃至整個伸縮裝置的失效與損壞。

為有效解決上述問題與不足，并確保伸縮裝置的長久耐用性，本文聚焦于探索一種D160型多向變位梳形板伸縮縫裝置。該裝置嚴格遵循JT/T 327—2016《公路橋梁伸縮裝置通用技術(shù)條件》的規(guī)范標準，技術(shù)特性優(yōu)越。如圖1所示的平面圖與剖面圖，該160型伸縮縫設(shè)計獨特，能夠靈活適應(yīng)橋梁在多個維度上的伸縮變形，不僅可大幅提升伸縮能力與適應(yīng)性，還可顯著增強行車的平穩(wěn)性與安全性，從而有效延長伸縮裝置的使用壽命與整體性能。

（a） "160型伸縮縫平面圖

注：1為多向變位鉸；2為跨縫板；3為止水結(jié)構(gòu)；4為固定梳形鋼板；5為C50鋼纖維混凝土；6為導(dǎo)水管。

（b） "160型伸縮縫剖面圖

圖1 "160型伸縮縫

2 "新型多向變位梳形板伸縮縫概述

2.1 "梳形板伸縮縫定義及構(gòu)成

伸縮縫是設(shè)置在橋梁結(jié)構(gòu)之間，用于吸收橋梁由于溫度變化、荷載作用等因素引起的變形，避免橋梁出現(xiàn)裂縫、錯臺等病害的構(gòu)造裝置[6]。多向變位梳形板伸縮縫集成了梳形鋼板、不銹鋼滑板、氯丁橡膠板及錨固螺栓等元件，如圖2所示，共同作用，提高伸縮縫的適應(yīng)性與性能。

2.2 "新型多向變位梳形板伸縮縫

目前國內(nèi)外根據(jù)其結(jié)構(gòu)和特點對橋梁伸縮縫的分類有以下幾種，常用的有鋼制支承式、組合剪切式（板式）、模數(shù)支承式、對接式及無縫式伸縮縫等[7-9]。

圖2 "新型多向變位梳形板伸縮縫

①鋼制支承式伸縮縫，使用鋼材制作的支承結(jié)構(gòu)，能夠承受橋梁的縱向伸縮變形，并通過密封裝置提供防水和抗震功能。②組合剪切式伸縮縫，采用剪切板或剪切鍵的設(shè)計，可以吸收橋梁的縱向和橫向伸縮變形，具有較大的伸縮能力和剛度。③模數(shù)支承式伸縮縫，由多個模塊化的組件構(gòu)成，能夠適應(yīng)橋梁的伸縮變形，并提供密封、抗震和減震功能。④對接式伸縮縫，通過對接方式連接橋梁結(jié)構(gòu)的兩端，能夠吸收縱向伸縮變形，常用于小跨度橋梁。⑤無縫式伸縮縫，采用無縫結(jié)構(gòu)連接橋梁的兩端，能夠平滑地吸收伸縮變形，使橋面不出現(xiàn)明顯的間隙和凹凸。

本文采用的一種新型伸縮縫為多向變位梳形板伸縮縫，相比傳統(tǒng)的伸縮縫，梳形板伸縮縫具有以下幾個主要特點：

①結(jié)構(gòu)高度低，梳形板伸縮縫的設(shè)計使其結(jié)構(gòu)高度相對較低，有助于減小橋梁的整體高度，降低施工難度和材料成本。②剛度大，采用高強度的鋼板和橡膠材料，提高梳形板伸縮縫的剛度，幫助伸縮縫有效承受交通荷載和環(huán)境變化帶來的應(yīng)力。③伸縮量大，為適應(yīng)橋梁的多向變位需求，梳形鋼板設(shè)計的提出使其能夠在縱向、橫向和斜向上發(fā)生大幅度的伸縮和位移。④適應(yīng)性強，適用于大跨度橋梁或需要處理多個方向伸縮的橋梁，能夠承受交通荷載、地震等外部載荷的作用。⑤防水性能好，為了有效地密封伸縮縫，防止水和雜物進入，保護橋梁結(jié)構(gòu)不受侵蝕，需要使用橡膠墊片等材料。⑥行車平穩(wěn)，梳形板結(jié)構(gòu)使得車輛經(jīng)過時更加平穩(wěn)，減少了車輛跳動帶來的不適感，提升了行車的舒適性和安全性。

3 "多向變位梳形板伸縮縫有限元分析

依據(jù)設(shè)計圖紙，本文利用ABAQUS軟件構(gòu)建了相應(yīng)的有限元模型。在多向變位梳形板伸縮縫的模擬中，采取模塊化處理方式，每隔1 m為一個模塊獨立建模，模塊間的跨縫板與支座實現(xiàn)完全分離，以保持結(jié)構(gòu)的獨立性。本文專注于單個模塊的有限元分析，并將伸縮縫寬度設(shè)定為較為保守的16 cm。此外，為簡化模型，支座、轉(zhuǎn)軸及其固定螺栓被抽象為多個正方形支座單元。

3.1 "部件尺寸，材料屬性及網(wǎng)格劃分

多向變位梳形板伸縮縫由多個關(guān)鍵部件精細組裝而成，主要包括固定梳形板、雙層緩沖橡膠墊板、不銹鋼滑板、跨縫板、轉(zhuǎn)軸、支座、錨固螺栓以及混凝土等。在圖3（a）中，跨縫板的網(wǎng)格劃分清晰可見，其厚度設(shè)定為30 mm，建模時主要采用高效的C3D8R六面體單元，并針對復(fù)雜鋸齒區(qū)域靈活補充少量C3D4四面體單元，以增強模型精度。沿厚度方向，跨縫板被細致地劃分為6層，共計包含6 640個單元，確保了分析的準確性和細致度。

圖3（b）所展示的錨固組件，結(jié)合了4根直徑26 mm的“L”形螺桿與1根同等直徑的橫向鋼筋，通過精密焊接工藝緊密相連。此組件選用高品質(zhì)20MnTiB合金結(jié)構(gòu)鋼作為材料基體，該材料以其卓越的物理特性著稱；彈性模量高達205 GPa，確保組件在受力下的穩(wěn)定回復(fù)性；泊松比穩(wěn)定在0.25，反映了材料在受壓與受拉時的體積變化關(guān)系；同時，其密度達到7 850 kg/m3，展現(xiàn)了材料的致密性與高強度特性。

支座、轉(zhuǎn)軸及其固定螺栓在系統(tǒng)中主要為限制跨縫板在X（行車向）、Y（豎直向）發(fā)生較大位移，同時允許微量位移與繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，考慮到其高耐用性，本文將其簡化為邊長210 mm、高80 mm的長方形支座模型，如圖3（c）所示。

跨縫板下方設(shè)有5 mm厚的緩沖橡膠墊板，其網(wǎng)格劃分詳如圖3（d）所示，全墊板由305個C3D8R六面體單元構(gòu)成，材料為帆布橡膠，特性包括7.8 MPa的彈性模量、0.47的泊松比及1 300 kg/m3的密度。

圖3（e）展示了路面混凝土的網(wǎng)格布局，該部分與伸縮縫相鄰，混凝土強度等級為C50，依據(jù)規(guī)范設(shè)定彈性模量為34.5 GPa。

3.2 "裝配件，分析步，約束及荷載等

裝配過程：按照2.1節(jié)闡述的結(jié)構(gòu)框架，將3.1節(jié)中定義的各個部件組裝到位，并細致調(diào)整其位置。在此基礎(chǔ)上，進一步完善梳形板及其周邊混凝土的模型細節(jié)，最終整合成一個完整的裝配體（圖4），該裝配體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由28 221個實體單元、96個殼單元及8個梁單元共同構(gòu)成。

圖3 "多向變位梳形板伸縮縫結(jié)構(gòu)

分析步驟：在基礎(chǔ)的Initialization分析步之后，引入了Dynamic， Implicit分析階段，此階段專門用于深入探索結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性，借助高效的Newmark-β算法確保分析結(jié)果的精準度。針對分析步的時長與增量步的精細劃分，依據(jù)車速的動態(tài)變化進行了優(yōu)化調(diào)整，以更貼近實際運行場景。詳細的時長與增量步配置信息，參見表1。

圖4 "多向變位梳形板伸縮縫裝配件示意圖

表1 "不同車速下的分析步總時長和增量步長

約束條件：為模擬真實環(huán)境，在路面混凝土的邊緣及底部設(shè)置了多重對稱邊界條件，如圖5所示，通過限制特定方向的位移與旋轉(zhuǎn)（如“X方向?qū)ΨQ條件”下的ux=ury=urz=0），確保分析的準確性。

荷載施加：遵循《公路橋梁伸縮裝置設(shè)計指南》的要求，設(shè)定車輪荷載為后軸的標準重力值140 kN，并加入0.45的沖擊系數(shù)以模擬實際行駛中的動態(tài)效應(yīng)。針對模擬對象為單個伸縮縫模塊的特點，將總荷載均分到兩側(cè)車輪，即每側(cè)施加70 kN的力。為了簡化模型，將車輪與伸縮縫的接觸面視為矩形，并模擬車輪行進過程中接觸面積的動態(tài)變化，以更貼近真實情況。利用Fortran語言編寫的DLOAD子程序，成功實現(xiàn)了在20～80 km/h速度區(qū)間內(nèi)的動態(tài)加載，確保加載過程能夠準確反映不同車速下伸縮縫的受力狀態(tài)。在整個模擬過程中，始終確保加載位置精確對準跨縫板的中心，以保證模擬結(jié)果的準確性和可靠性。

圖5 "梳形板式伸縮縫約束情況示意圖

阻尼設(shè)置：鑒于結(jié)構(gòu)主要由混凝土與鋼材構(gòu)成，采用統(tǒng)一的0.02阻尼比，直接應(yīng)用于整體模型，以模擬實際振動情況。

破壞模式分析：針對多向變位梳形板伸縮縫常見的2種破壞形式——混凝土破損與錨固螺栓松動，本文重點研究了中間跨縫板的變形特性，通過提取關(guān)鍵節(jié)點的應(yīng)力與撓度數(shù)據(jù)，以及縫腔周邊混凝土的應(yīng)力狀態(tài)，進行了深入分析。

圖6（a）與（b）展示了在30 km/h車速下，車輪穿越中間跨縫板時的跨縫板動態(tài)變形。隨著車輪移動，跨縫板經(jīng)歷垂向振動，初期上翹（圖6（a）），隨后在車輪進入縫腔時下凹（圖6（b）），最終恢復(fù)平衡，全程撓度保持在0.07 mm內(nèi)，符合工程標準。

（a） "輪胎剛駛?cè)肟缈p板不久 "（b） "輪胎位于伸縮縫縫腔中

圖6 "中間跨縫板基本變形圖

本文對全部混凝土結(jié)點的最大主應(yīng)力時程進行分析，結(jié)果表明，在跨縫板底部與縫腔交界處，出現(xiàn)顯著的最大拉應(yīng)力集中現(xiàn)象（圖7（a）），這一現(xiàn)象與梳形板伸縮縫普遍面臨的破壞模式相吻合。針對對稱結(jié)構(gòu)中的2261號結(jié)點（及其對應(yīng)的2262號結(jié)點），研究了不同車速下的最大主應(yīng)力變化（圖7（b）—圖7（e））。通過深入分析，發(fā)現(xiàn)輪胎在接近、完全接觸以及隨后的離開跨縫板過程中，不僅引起輪胎下方混凝土的顯著變形，還觸發(fā)了跨縫板與混凝土間復(fù)雜的摩擦效應(yīng)，進而導(dǎo)致結(jié)點的應(yīng)力狀態(tài)經(jīng)歷由拉伸轉(zhuǎn)為壓縮，再到拉伸的周期性變化。

為全面評估不同車速下結(jié)點應(yīng)力的峰值情況，圖7（f）直觀展示了2261號結(jié)點在各車速條件下的最大拉應(yīng)力幅值統(tǒng)計，其波動范圍集中在2.65～2.8 MPa之間，表明車速的變化并非是影響這一區(qū)域應(yīng)力幅值的關(guān)鍵因素。隨后，通過比對GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的C50混凝土抗拉強度標準值（2.64 MPa），發(fā)現(xiàn)所分析位置混凝土的實際應(yīng)力水平已明顯超越了其極限抗拉強度，從而確認了該區(qū)域發(fā)生了強度破壞。這一發(fā)現(xiàn)表明跨縫板下方特定區(qū)域在設(shè)計和使用過程中需加強關(guān)注，以避免類似的強度失效問題。

3.3 "優(yōu)化建議

上述分析揭示，在豎向輪壓作用下，多向變位梳形板伸縮縫的跨縫板下縫腔邊緣混凝土因抗拉能力不足而發(fā)生破壞。為增強此區(qū)域抗拉性能，本文提議采用CF50鋼纖維混凝土強化縫腔邊緣。依據(jù)JG/T 472—2015《鋼纖維混凝土》標準，鋼纖維混凝土的力學(xué)性能參數(shù)（如彈性模量與泊松比）可參照同強度等級的普通混凝土設(shè)定，因此模型材料參數(shù)無需調(diào)整，原分析結(jié)果仍適用。采用CF50鋼纖維混凝土，其抗拉強度標準值保守估計可達4 MPa，遠超當前需求，確保了足夠的安全裕量。

4 "結(jié)論

多向變位梳形板伸縮縫作為一種新型的橋梁伸縮縫結(jié)構(gòu)，憑借其諸多優(yōu)越性能，被廣泛用于大跨度橋梁或需要處理多個方向伸縮的橋梁。依托石家莊市北部片區(qū)城市基礎(chǔ)設(shè)施提升改造工程，本文對公路橋梁的多向變位梳形板伸縮縫施工安裝質(zhì)量進行了研究。試驗測試結(jié)果表明，多向變位梳形板伸縮縫能夠有效應(yīng)對橋梁的多方向變位和各種外部荷載，顯著提升橋梁的整體性能和使用壽命。未來橋梁伸縮縫研究和應(yīng)用可以在新材料開發(fā)、智能監(jiān)測技術(shù)、標準化施工技術(shù)和跨學(xué)科合作等方面進行深化和拓展，為橋梁工程的可持續(xù)發(fā)展提供有力支持。

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