新型多向变位桥梁伸缩装置技术分析与数值模拟

连俊峰， 熊 亮， 周小伍， 谢玉萌， 刘婉玥

(1.安徽省交通控股集团有限公司， 安徽 合肥 230088； 2.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司， 安徽 合肥 230088)

0 引言

目前，大量已修建高速公路上的大型桥梁运用了模数式伸缩装置。需要维护或维修的模数式伸缩装置也越来越多。在养护过程中，建设单位发现了一些模数式伸缩装置迫切需要改进的问题，如：模数式伸缩装置型钢脱落、变形甚至断裂等病害；模数式伸缩装置施工难度大，更换困难，需要整幅封闭交通，在重载较多的情况下，因刚度大，存在容易损坏等问题[1]，同时已出现损坏的模数式伸缩装置对行车造成了很大的安全隐患。因此针对模数式伸缩装置在运营和养护过程中存在病害和威胁行车安全等问题，有必要开发一种新型伸缩装置。

张涛[2]等研究了新型聚氨酯弹性混凝土无缝式伸缩装置。艾长发[3]等开展了新型填充式桥梁伸缩装置改性沥青混合料路用性能试验工作。何家张[4]开展了新型加劲橡胶条伸缩装置的应用与研究。刘红玲[5]研究了钢弹体新型伸缩装置的构造特点及功能优势，并指出了钢弹体伸缩装置在施工和应用中需注意的问题。石雯[6]为解决大桥伸缩装置存在的局部应力偏大等问题，通过对既有伸缩装置的传力机理研究，提出了改进方案，进行结构优化。

针对模数式伸缩装置存在的施工难度大等问题，本文开发了一种新型多向变位桥梁梳齿伸缩装置，提出了该类伸缩装置的施工工艺及技术，并建立了有限无数值模型。本文的研究结果能够有利于掌握新型多向变位梳齿伸缩装置的结构性能和施工技术，为今后大规模推广该伸缩装置提供技术与经济方面的支撑。

1 新型多向变位梳齿伸缩装置设计

1.1 伸缩装置材料

本文设计了一种新型多向变位桥梁梳齿伸缩装置。该伸缩装置主要由高分子聚合物材料、钢板、锚钉和防水密封件(锚固胶)等部件组成。高分子聚合物材料由环氧、聚氨酯和聚硫等化合物组成，采用环氧、聚氨酯和聚硫三元共聚技术，且在树脂和固化剂两个方面采用双重增韧、增弹改性合成技术，获得了高温和常温固化体系下的专用高弹、高韧、高强改性聚合物树脂合金材料。通过合理选择原材料种类并采用专有高分子合成技术，可以大幅度改变材料形态及其性能，从而得到从柔软到坚硬的最终的高分子聚合物材料。

1.2 伸缩装置结构

该伸缩装置为复合结构。该复合结构分为两层，其中：以高分子聚合物材料为表层，以钢板为垫层，如图1。高分子聚合物表层厚度为40～60mm，钢板垫层厚度为10 mm。

1.3 伸缩装置锚固体系

新型多向变位梳齿板伸缩装置，包括跨缝梳齿板和固定梳齿板，梳齿为交错嵌插布置。梳齿相邻的垂直侧面均设置镶嵌咬合的榫卯连接结构，以及主导气槽和辅导气槽。该榫卯连接结构包括梳齿垂直侧面下端的凹槽，以及梳齿端部垂直侧面的凸块，凹槽与凸块相匹配；每个梳齿的垂直侧面下端的凹槽有一对安装凹槽，可以将互相对应的梳齿的凸块放入梳齿垂直侧面下端的凹槽中。

锚固原理如图1所示：先用锚固螺栓固定A板锚固端，A板梳齿一端由B板通过镶嵌咬合构造固定，B板的两端再由螺栓锚固，从而实现了伸缩装置A板和B板同时锚固。A板能够沿桥梁纵向上自由伸缩。

图1 多向变位梳齿伸缩装置实景图和纵、平面图

2 新型多向变位梳齿伸缩装置的特点及施工流程

2.1 材料技术特点

多向变位梳齿伸缩装置采用了高韧性高分子聚合物材料，形成特有的伸缩结构装置，并且以柔性连接方式，锚固安装在桥梁伸缩装置部位上，可以适应桥梁在温度变化、基础不均匀沉降及行车制动力等因素引起的和梳齿板之间的滑动位移，借助柔性锚固连接系统，吸收变形和消除应力集中[7]。

2.2 锚固体系特点

多向变位伸缩装置采用具有抗疲劳性能的弹性聚合物材料以及柔性锚固连接系统。由车辆产生的冲击力和振动力被弹性聚合物材料及柔性锚固连接系统充分吸收后，再传递至桥梁或桥台，这样可有效保护伸缩装置周围的结构不被破坏，降低锚固螺栓的疲劳应力，故所有部件的寿命将大大延长。

2.3 结构特点

多向变位伸缩装置采用了榫卯结构设计，可以有效解决公路桥梁伸缩装置的梳齿没有约束限位问题：即现有技术装置中的各个梳齿均为悬臂梁的自由端状态，梳齿独立受力变形，互相之间没有上下垂直方向限位约束支撑，也不能互相传递变位荷载力，梳齿很容易形成悬空受力状态。长期使用中，容易发生装置疲劳断裂，导致严重行车安全事故。

多向变位梳齿板伸缩装置的表面，设计有斜向花纹沟槽，可快速排水并具有防滑功能。这种排水防滑的表面处理技术，经验证在极端环境下，仍保持有效的摩擦力并持久耐用，可有效避免车辆经过伸缩装置时打滑发生安全事故[8]。

2.4 总体施工流程

伸缩装置施工流程：施工准备、封闭部分交通→放样定位→原伸缩装置拆除→槽口基底找平→钻孔、定位→植入锚固螺栓→安装引水槽板→安装多向变位伸缩装置→清理现场、开放交通。

3 新型多向变位伸缩装置有限元数值模拟

3.1 有限元模型建立

高分子聚合物材料根据需要可以调整材料配方获得相应的性质，高分子聚合物弹性模量可调范围为700～1 200 MPa，本次有限元计算中采用1 000 MPa，泊松比取0.3。本文通过实验室试验获得高分子聚合物材料应力-位移曲线(见图2)，由试验可知：伸缩装置主要材料高分子聚合物的抗拉强度为28.43 MPa，屈服应力约为21 MPa，可取弹性极限19 MPa为屈服应力控制值。

图2 高分子聚合物材料应力-位移曲线图Figure 2 Stress-strain curve of high polymer materials

本文采用MIDAS FEA对伸缩装置建立有限元模型[9]，见图3。高分子聚合物材料和钢板均采用实体单元模拟，伸缩装置有限元模型长700 mm，宽1 000 mm，网格划分的最小尺寸为20 mm。在螺栓处采用固定约束，齿板端部采用竖向支撑，与梁体接触的部分采用曲面弹簧模拟仅受压弹性连接。

图3 新型多向变位伸缩装置有限元模型Figure 3 Finite element model of a new type of multidirectional displacement expansion device

3.2 荷载工况

根据《公路桥梁伸缩装置设计指南》(JTQX-2011-12-1)和《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)中的规定，取以下两种荷载计算工况：

荷载工况一：汽车轮载作用在跨缝板中间，1.0恒载+1.0竖向汽车荷载(汽车荷载计入冲击系数1.45)。

荷载工况二：汽车轮载作用在跨缝板中间，1.0恒载+1.0竖向和水平向双向汽车荷载。

3.3 计算结果

在荷载工况一作用下，高分子聚合物材料应力最大位置与荷载作用位置基本一致。高分子聚合物材料最大应力为3.3 MPa，发生在齿端位置处(见图4、图5)，主要由于齿端不均衡受压产生，导致此处应力较大，但仍满足不大于19 MPa屈服强度的要求。底部钢板最大应力为43.1 MPa，发生在钢板跨中，螺栓孔处应力在8.8 MPa左右，满足钢材的抗拉强度要求(见图6)。伸缩装置最大竖向位移为0.12 mm(见图7)，根据《公路桥梁伸缩装置通用技术条件》(JT/T 327-2016)A.3.3中规定竖向挠度验算时，应采用不计冲击力的汽车荷载频遇值，频遇值系数取1.0。A.3.4中竖向挠度不应大于计算跨径的1/600，本次计算跨径为240mm，挠度容许值为0.4 mm，满足规范要求。

图4 齿板端部最大应力图Figure 4 Maximum stress at the end of toothed plate

图5 跨缝板最大应力图Figure 5 Maximum stress of cross seam plate

图6 钢板最大应力图Figure 6 Maximum stress of steel plate

图7 整体最大竖向位移图Figure7 Overall Maximum vertical displacement

在荷载工况二作用下，高分子聚合物材料最大应力为3.1 MPa，同样发生在齿端位置处。钢板的应力最大为28.6 MPa，发生在钢板跨中，螺栓孔处应力在11.6 MPa左右，满足钢材的抗拉强度要求。最大竖向位移为0.08 mm，满足挠度容许值为0.4 mm的规范要求。

因此在荷载工况一和工况二作用下，伸缩装置的强度和刚度能够满足设计规范要求。

4 多向变位梳齿伸缩装置与模数式伸缩装置技术和经济性对比分析

4.1 技术对比分析

新型多向变位梳齿型伸缩装置与模数式伸缩装置相比具有较大的优势，其主要体现如下：

① 新型伸缩装置安装时混凝土破除量极小，且结构简单、安装方便，便于运输模块化生产和安装，能显著降低施工工期，提高了公路养护的时效性。

② 新型伸缩装置材料采用高韧性聚合物材料，形成特有的伸缩结构装置，并且以柔性连接方式，锚固安装在桥梁伸缩装置部位上[10]。一方面减少了由于车辆瞬时荷载产生的应力集中对于锚固螺栓、桥梁承台的结构破坏；另一方面顺利实现减震、减噪。经现场试验测试，汽车通过多向变位梳齿伸缩装置的噪音平均值比模数式伸缩装置低2～3 dB，有效改善了伸缩装置产生的汽车噪音对公路沿线居民带来的困扰。

4.2 封闭交通方面的对比分析

模数式伸缩装置通常在更换时，需要整段吊装，整段焊接，还必须浇筑和养护混凝土，因此，必须长时间的封闭高速公路一侧道路的整幅交通。通行车辆只能长时间的通过交通分流和疏导方式，行驶至对向车道，给交通安全带来了很大的隐患。

新型多向变位梳齿型伸缩装置1～8 m为一段，也可在工厂中切割成任意长度。在更换时，只需封闭高速公路一侧道路的一个车道即可完成整个施工过程，待此车道快速完工后，可交替完成另一个车道，无需封闭整幅封闭交通，可在不中断交通和无需分流车辆的情况下实现快速安装及更换，施工工期短，可保证车辆正常运行，具有显著的社会效益。

4.3 材料性能对比分析

与模数式伸缩装置完全不同，新型多向变位梳齿伸缩装置为弹性高分子聚合物材料，可承担梳齿板的自身扭转及弯曲变形，而其弹性聚合物材料可在-60 ℃～70 ℃仍然保持弹性变形，即借助材料本身的特性而能自行有效地调节，以适应多维方向的位移和转角要求[11]，大大减少瞬时冲击荷载造成桥梁支撑面结构的破坏。高韧性聚合物材料，具有很好的耐老化性能，可以解决全钢模数式伸缩装置由于板块或锚固螺栓应力集中产生破坏的问题，并可抵抗车辆排放尾气或废液所造成的腐蚀。

4.4 经济性对比分析

为反映多向变位梳齿伸缩装置工程造价，本文统计分析了多向变位梳齿伸缩装置工、料、机消耗量，并调研了同等型号的模数式伸缩装置更换情况，同时调查了某省省会城市涉及多向变位梳齿伸缩装置和模数式伸缩装置的主要材料价格，并利用同望专业造价软件，并考虑了营改增的影响[12]，计算了多向变位梳齿伸缩装置与模数式伸缩装置各自每米包含工、料、机、企业管理费、利润在内的综合单价，并对两者的经济性进行了对比分析。

a.多向变位梳齿伸缩装置更换工期需9 d，而模数式伸缩装置更换工期需要20 d。原因在于：①模数式伸缩装置由钢板制造而成，重量大，现场工人无法直接搬运，需要叉车等机械配合施工，施工难度大。而多向变位梳齿伸缩装置主要为高分子聚合物材料，质量轻，现场工人可直接搬运安装，无需叉车等工程机械配合施工，施工简便，施工速度快；②模数式伸缩装置需要现场浇筑混凝土，而混凝土又需要花费养生等大量时间。多向变位梳齿伸缩装置采用锚钉和紧固胶固定，无需现场浇筑混凝土，施工工期短。

b.多向变位梳齿伸缩装置材料轻，施工简便，一座桥梁的伸缩装置更换工作仅需5人便可完成，比模数式伸缩装置更换需要的人数少近60%左右。

c.模数式伸缩装置安装时，由于存在自身重量大、材料需要切割和现浇混凝土等情况，需要混凝土搅拌车、液压叉车、电焊机、钢筋弯曲机等大量工程机械参与施工，机械台班消耗量大，工程费用高。多向变位梳齿伸缩装置无需上述工程机械参与施工，工程费用低。

d.更换多向变位梳齿伸缩装置每1 m综合单位为9 000元，更换模数式240伸缩装置每1 m综合单位为16 000元，两者差率为78%。

5 结论

a.本文开发了一种新型多向变位梳齿伸缩装置，并分析了该伸缩装置的结构和技术特点，提出了新型多向变位梳齿伸缩装置施工工艺流程，并首次在国内外就技术、材料性能特点、经济性等方面对此伸缩装置与传统的模数式伸缩装置进行了对比分析。

b.多向变位梳齿伸缩装置因自身材料和特有的伸缩结构，可以适应桥梁在温度变化及行车制动力等因素引起的与梳齿板之间的滑动位移。

c.根据有限元模型计算可知，多向变位梳齿伸缩装置的强度和刚度能够满足设计规范要求。

d.多向变位梳齿伸缩装置具有较好的减震、减噪效果，汽车通过时的噪音较小，结构轻便和施工难度小，同时工程造价较低，避免了较大封闭交通的问题，应用前景广阔。