呂彭民，孟慶賀，張維維

（1.道路技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)安大學(xué)，西安 710064；2.河北萬(wàn)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(duì)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(guò)大發(fā)生強(qiáng)度破壞、發(fā)生疲勞破壞、焊縫處開裂等幾種情況[1～4]。對(duì)伸縮裝置進(jìn)行疲勞試驗(yàn)是驗(yàn)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(yàn)帶來(lái)一定困難。而現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)模數(shù)式伸縮裝置進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)很少定量考慮試樣單跨試樣與多跨試樣對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

本文首先采用力學(xué)簡(jiǎn)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(qiáng)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(xì)化有限元模型，在相同加載情況下對(duì)比單跨與三跨模型伸縮裝置危險(xiǎn)點(diǎn)位置變化及危險(xiǎn)程度情況，探討用單跨代替三跨的可能性。最后對(duì)單跨模型進(jìn)行承載力試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn)。研究結(jié)果對(duì)模數(shù)式橋梁伸縮裝置的疲勞試驗(yàn)提供一定的參考及借鑒。

1 伸縮裝置簡(jiǎn)介及理論分析

1.1 整體加強(qiáng)型模數(shù)伸縮裝置

本文選用的整體加強(qiáng)型橋梁伸縮裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(qiáng)型伸縮裝置的中梁較寬，并且增加一個(gè)止水帶安裝槽。整體加強(qiáng)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(lái)保證伸縮的均勻性。

圖1 整體加強(qiáng)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(jiǎn)化理論計(jì)算

按照規(guī)范要求[6]，試樣長(zhǎng)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(zhǎng)度，在采用三跨試樣進(jìn)行伸縮裝置承載性能試驗(yàn)時(shí)，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(jì)算簡(jiǎn)便忽略中梁支座對(duì)中梁的彎矩約束，將均布力簡(jiǎn)化為加載在中梁中部的集中力，故中梁受力情況可以簡(jiǎn)化為圖2(b)所示受力模型。

圖2 三跨試樣中梁受力簡(jiǎn)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(duì)其進(jìn)行求解，將圖2(b)所示受力情況分為圖3所示兩種簡(jiǎn)單載荷的疊加作用。通過(guò)實(shí)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(jiǎn)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?yàn)樵撌芰δＰ蜑閷?duì)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(jiǎn)單載荷受力簡(jiǎn)圖

在采用單跨試樣進(jìn)行伸縮裝置承載性能試驗(yàn)時(shí)，同理可將其簡(jiǎn)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(méi)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(jì)算

2.1 計(jì)算工況

圖4 單跨試樣中梁受力簡(jiǎn)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(jìn)行結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析，取車輛軸重為200kN，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 327-2016，確定載荷大小及沖擊系數(shù)，即，在只考慮車輛對(duì)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(qiáng)320型模數(shù)式橋梁伸縮裝置詳細(xì)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(jì)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(duì)稱性，采用對(duì)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(gè)模型的材料均為線彈性材料（橡膠材料在較小變形時(shí)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?jiǎn)卧狟EAM189模擬，此梁?jiǎn)卧謩e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(shí)現(xiàn)球鉸建模，其余結(jié)構(gòu)采用實(shí)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(duì)稱邊界條件，位移箱采用全約束。

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析對(duì)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(jiǎn)化為單跨模型時(shí)，會(huì)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(jiǎn)化為單跨模型后，中梁沒(méi)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(huì)相對(duì)三跨時(shí)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(gè)支撐點(diǎn)處的支反力就會(huì)減少，故中梁支座處應(yīng)力減少。

在中梁支撐點(diǎn)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(huì)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(guò)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(xiǎn)點(diǎn)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(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)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(duì)比

3 承載力試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 327-2016，采用單跨試樣進(jìn)行靜載試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn)，為將試樣與試驗(yàn)臺(tái)連接，在試樣四個(gè)位移箱底面焊接四個(gè)連接板，按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的加載面積設(shè)計(jì)加載壓頭，在試樣中間中梁中部下表面貼應(yīng)變片。試驗(yàn)時(shí)：將試樣在100%開口狀態(tài)下固定在試驗(yàn)臺(tái)上，并保證伸縮裝置和試驗(yàn)工裝在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)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(shí)際試驗(yàn)整體裝置如圖9所示。承載力試驗(yàn)時(shí)：豎向載荷P=100kN，設(shè)計(jì)輪載的10%為步長(zhǎng)，以1kN/s的速度加載，重復(fù)三次；疲勞試驗(yàn)時(shí)：豎向載荷P=55±45kN（Pmax=100kN，Pmin=10kN），加載循環(huán)200萬(wàn)次，加載頻率為8Hz。

圖9 伸縮裝置疲勞試驗(yàn)主視圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

靜載試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，承載力試驗(yàn)時(shí)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(shì)，最大應(yīng)力為124.5MPa與表1中單跨模型有限元計(jì)算結(jié)果126MPa相當(dāng)吻合，從而驗(yàn)證了本文所建模型的正確性。

表2 承載力試驗(yàn)中間中梁中部下表面應(yīng)力

伸縮裝置整體在經(jīng)過(guò)200萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后各零件細(xì)部的情況如圖10所示，周圍的緊固螺栓未出現(xiàn)松動(dòng)滑脫現(xiàn)象，伸縮裝置關(guān)鍵焊縫部位也沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，整體強(qiáng)度和性能完好，試驗(yàn)過(guò)程安全平穩(wěn)無(wú)異常，振動(dòng)噪聲較小，滿足設(shè)計(jì)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(yǔ)

1）對(duì)單跨與三跨模型中梁受力情況進(jìn)行簡(jiǎn)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(xì)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(jìn)行疲勞試驗(yàn)，其結(jié)果偏于安全。即在試驗(yàn)條件受限時(shí)，可采用單跨試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

3）通過(guò)伸縮裝置承載力試驗(yàn)測(cè)得中梁應(yīng)力，驗(yàn)證了所建有限元模型的正確性，通過(guò)疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證了該型號(hào)伸縮裝置疲勞性能滿足規(guī)范要求。