单元式多向变位梳形板桥梁伸缩装置性能仿真与优化

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一、引言

桥梁伸缩装置作为长期裸露在外且不受任何保护的重要构件，直接承受着长期循环往复的车辆荷载作用，经常发生破坏。伸缩装置造价不高，但其维修成本高达桥梁总维修经费的20%，越来越多学者开始关注伸缩装置的力学性能问题，通过不同的有限元方法和数值分析方法研究分析伸缩装置的疲劳性能。上述研究主要集中在常见的伸缩装置且以模数式伸缩装置为主，而对目前国内大跨径桥梁采用的单元式多向变位梳形板桥梁伸缩装置力学问题鲜有研究，因此有必要对其力学性能展开研究。

二、仿真分析模型

（一）主桥结构

本文主桥结构以嘉鱼长江公路大桥为例，主桥采用的是主跨920m双塔七跨连续不对称混合梁斜拉桥方案，全长1650m；斜拉索采用双空间索布置，钢箱梁的标准索距为15m，混凝土梁段的标准索距为9m和8.5m，其桥型布置如图1所示，主桥钢箱梁标准横断面布置，如图2所示，引桥预应力混凝土连续箱梁标准横断面布置，如图3所示。

（二）多向变位梳形板伸缩装置结构

大桥采用的是RBKF1920单元式多向变位梳形板伸缩装置，伸缩量为1920mm，如图4所示。单元式多向变位梳形板桥梁伸缩装置安装截面结构，如图5所示，它主要由多向变位铰、跨缝板、固定梳板、锚固结构、止水结构等部件组成。对于大型钢桥而言，多向变位铰一般安装在钢桥侧的支撑肋板上。

（三）有限元模型

根据上述结构形式建立有限元分析模型，钢箱梁部分选取长18.3m，混凝土部分选取长5.6m。为了了解伸缩装置附近梁段最不利受力状态，取最大伸缩长度2.37m进行计算，即整个模型长26.27m。

图1 主桥桥型布置(单位m)

图2 主桥钢箱梁标准横断面布置 (单位：mm)

图3 混凝土箱梁标准断面图（单位：mm）

图4 QF-1920型单元式多向变位桥梁伸缩装置平面布置图

图5 单元式多向变位梳形板桥梁伸缩装置结构

钢箱梁有限元分析模型长18.3m，宽16.92m，采用对称结构。模型尽量和实桥一致，局部作了合理简化，钢箱梁各板件采用板单元，横隔板上的加劲肋在模型中以梁单元进行了考虑，横隔板上的人洞和管线孔按实际情况考虑。

混凝土箱梁有限元分析模型长5.6m，宽16.5m。模型尽量和实桥一致，局部作了合理简化，未考虑预应力的作用，整体采用实体单元。

RBQF1920单元式多向变位梳形板桥梁伸缩装置模型取最不利长2.37m，宽16.75m。模型尽量和实体一致，局部做了合理简化。桥梁伸缩装置梁端支撑肋板采用板单元，其余均采用实体单元。

三、仿真分析方法

（一）构件内力分析方法

构件内力采用有限单元法计算，桥梁的有限元模型经过单元组集后，得到整体平衡方程组：

四、计算工况

实例分析中，对整体模型进行有限元分析，为了讨论不同梁端支撑肋板间距对附近钢箱梁及混凝土梁的影响，分别选取表1所示的两种荷载工况。

图6 550kN加载汽车轴重、轴距及平面图(单位：m)

表1 荷载工况

图7 钢箱梁顶板Mises应力云图

图8 RBQF1920单元式多向变位梳形板桥梁伸缩装置Mises应力云图

图9 混凝土箱梁主压应力（第三主应力）云图

五、实例分析与讨论

（一）应力分析结果

为了比较不同梁端支撑肋板间距（250mm和300mm）对两侧钢箱梁和混凝土箱梁应力的影响，本文分别提取了工况一和工况二下各个构件的Mises应力，各个主要构件的Mises应力云图，如图7～图9所示。

（二）位移分析结果

为了比较不同梁端支撑肋板间距（250mm和300mm）对两侧钢箱梁和混凝土箱梁位移的影响，本文分别提取了工况一和工况二下各个构件的竖向挠度，各个主要构件的UZ方向位移图，如图10～图12所示。

如图10～图12所示，工况一和工况二下，钢箱梁端部中间出现最大竖向位移值为32.32mm；钢箱梁纵隔板端部出现最大竖向位移值为29.58mm，均小于容许挠度，满足要求。伸缩装置在工况二的最大挠度为5.94mm，比工况一的5.73mm大了0.21mm，但均小于容许挠度，满足要求；混凝土箱梁在工况一与工况二的最大挠度都是1.67mm，均小于容许挠度，满足要求。

图10 钢箱梁顶板UZ方向位移图

图11 RBQF1920单元式多向变位梳形板桥梁伸缩装置UZ方向位移图

图12 混凝土箱梁UZ方向位移图

六、结语

通过对嘉鱼长江公路大桥单元多向变位梳形板伸缩装置及其前后箱梁的力学仿真分析，可以得出如下结论：在重车荷载作用下，钢箱梁和梳形板桥梁伸缩装置在不同工况下的最大Mises应力均小于231MPa，满足钢材的强度要求；在重车荷载作用下，混凝土箱梁在不同工况下的主拉应力和主压应力均满足混凝土强度要求；在重车荷载作用下，梳齿板伸缩缝、钢箱梁、混凝土箱梁的位移差距很小，且都满足刚度要求；梁端支撑肋板布置间距250mm情况下的结构最大应力小于肋板布置间距300mm时，因此RBQF1920单元式多向变位梳形板桥梁伸缩装置安装时，建议采用梁端支撑肋板布置间距为250mm的常规形式，以减小最大应力，提高结构整体强度。