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        型鋼伸縮縫彈性填充料性能仿真與優(yōu)化分析

        2024-12-31 00:00:00韋順敏李正總潘超然馬嫻
        西部交通科技 2024年10期
        關(guān)鍵詞:填充料環(huán)境溫度型鋼

        為研究新型彈性材料的技術(shù)指標(biāo)要求,文章基于型鋼伸縮縫有限元模型,分析了環(huán)境和伸縮縫間距對(duì)彈性填充料拉伸變形的影響。結(jié)果表明:隨著環(huán)境溫度變化,彈性填充料受熱體積發(fā)生膨脹,同時(shí)其密度和硬度均降低,從而引起變形,因此彈性填充料在設(shè)計(jì)和選型時(shí)應(yīng)根據(jù)其使用環(huán)境,考慮熱膨脹系數(shù)對(duì)其變形的影響;彈性填充料的拉伸變形應(yīng)力與伸縮縫間距有關(guān),隨著拉伸比例的增加,彈性填充料的所需拉應(yīng)力差值逐漸增大,可通過(guò)選用高彈性模量、高屈服強(qiáng)度的填充料,并優(yōu)化填充料的形狀和結(jié)構(gòu),使其在受熱時(shí)能夠更均勻地膨脹。

        型鋼伸縮縫;填充料;仿真分析;環(huán)境溫度;伸縮縫間距

        U443.31A260883

        基金項(xiàng)目:

        2022年百色市科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目“型鋼伸縮縫填充技術(shù)應(yīng)用研究”(編號(hào):20221481)

        作者簡(jiǎn)介:

        韋順敏(1976—),高級(jí)工程師,主要從事公路養(yǎng)護(hù)與建設(shè)管理等相關(guān)工作。

        0" 引言

        填充料作為用來(lái)填充型鋼伸縮縫的一種材料,主要具備緩解型鋼伸縮縫處的應(yīng)力集中、提供彈性和減震性能、保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和完整性等功能[1-2],從而減少結(jié)構(gòu)變形和損壞的風(fēng)險(xiǎn),提高型鋼伸縮縫的性能和耐久性。

        據(jù)統(tǒng)計(jì),百色市中小橋梁如平果雷感大橋和右江兩琶大橋,多采用型鋼伸縮縫,均存在填充料老化漏水、泥沙沉積于縫中的問(wèn)題,從而發(fā)生雨水下滲污染或腐蝕支座和橋梁上下構(gòu)、伸縮功能喪失、型鋼斷裂和錨固區(qū)混凝土開(kāi)裂等病害[3],不僅提高了伸縮縫維修難度和工作量,且填充料老化導(dǎo)致的伸縮縫維修費(fèi)用占整橋維修費(fèi)用的7%~25%,同時(shí)也嚴(yán)重影響到橋梁的使用壽命、行車(chē)的安全和舒適性。

        為此,本文依托凌云那瓦中橋的型鋼伸縮縫處治工程,通過(guò)建立型鋼伸縮縫有限元模型,研究彈性填充料在不同環(huán)境溫度和型鋼伸縮縫間距的拉伸變形規(guī)律,為研究選用合適的型鋼伸縮縫彈性填充料提出技術(shù)指標(biāo)要求。

        1" 工程概況

        凌云那瓦中橋位于廣西百色市凌云縣下甲鎮(zhèn)G212瑞安至友誼關(guān)公路K2239+292處,是凌云縣重要的交通要道之一,過(guò)往車(chē)輛、行人較多。該橋因服役年限較長(zhǎng),于2022年開(kāi)展舊橋改造工程,拆除原拱橋(4×16 m漿砌片石板拱橋),在原址新建4×17.5 m先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋。

        該橋在施工前,存在伸縮縫堵塞的病害,如圖1所示。為避免后期管養(yǎng)過(guò)程中泥沙沉積于伸縮縫,對(duì)橋梁伸縮產(chǎn)生不利影響的情況,改建后在兩橋臺(tái)處設(shè)置型鋼伸縮縫并采用彈性灌縫材料(如表1所示)進(jìn)行填充[4],填充效果如圖2所示。

        2" 型鋼伸縮縫模型

        本文通過(guò)ABAQUS軟件,針對(duì)改建后填充的型鋼伸縮縫建立局部有限元模型。鑒于型鋼伸縮縫是兩端完全對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu),因此僅選擇其中一半建立[5]。本文所建模型縱橋向取伸縮縫長(zhǎng)度為0.35 m,橫橋向取1 m,豎向取0.25 m。梁體材質(zhì)為C40混凝土,鋪裝層為瀝青混凝土,型鋼材質(zhì)為Q345鋼,具體材料屬性見(jiàn)表2。

        參考相關(guān)論文[1][5]關(guān)于伸縮縫局部模型邊界條件的建立方法,伸縮縫有限元模型的邊界條件設(shè)定如圖3所示:伸縮縫底面(Y軸負(fù)方向)設(shè)置為全固定約束;伸縮縫背面(X軸負(fù)方向)設(shè)置為轉(zhuǎn)動(dòng)固定約束(約束住X方向線(xiàn)位移,X、Y、Z方向角位移);伸縮縫左右兩側(cè)(Z方向)設(shè)置為對(duì)稱(chēng)約束(約束住Z方向線(xiàn)位移,X、Y方向角位移)。

        3" 環(huán)境溫度對(duì)彈性填充料受力性能的影響分析

        溫度是影響有機(jī)硅橡膠或硅酮膠等彈性填充料變形[6]的主要因素之一。隨著環(huán)境溫度升高,彈性填充料受熱體積發(fā)生膨脹,同時(shí)其密度和硬度均有降低,從而引起變形[7]。除了溫度和彈性填充料的性質(zhì),在使用過(guò)程中,不同的使用條件(如壓力、濕度等)也會(huì)對(duì)彈性填充料的變形產(chǎn)生不同的影響。因此,在使用彈性填充料時(shí),應(yīng)該充分考慮其使用環(huán)境,以便更好地控制其變形[8]。

        考慮到百色市處亞熱帶氣候區(qū),日均最低氣溫為10 ℃,日均最高氣溫為33 ℃,最高氣溫36.0 ℃~42.5 ℃,因此本文將環(huán)境溫度由10 ℃~60 ℃分為6個(gè)不同的工況,由此建立6個(gè)不同工況下的伸縮縫溫升模型。其中,為考慮溫度變化對(duì)填充料的影響,采用DC3D8單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,相應(yīng)的溫升仿真分析結(jié)果如圖4所示。

        有限元結(jié)果分析表明:彈性填充料受溫度影響變形較大,在10 ℃~60 ℃,該彈性填充料所受最大主拉應(yīng)力由6.242×10-3 MPa增加到3.745×10-2 MPa,最大主壓應(yīng)力由3.947×10-3 MPa增加到2.368×10-2 MPa;伸縮裝置所受拉、壓應(yīng)力都小于彈性填充料的許用應(yīng)力。因此,為了減少?gòu)椥蕴畛淞献冃螌?duì)伸縮縫工作性能的影響,需要在設(shè)計(jì)、制造和選型過(guò)程中考慮其熱膨脹系數(shù)并采取相應(yīng)的措施來(lái)控制其變形。

        4" 伸縮縫間距對(duì)彈性填充料拉伸性能的影響分析

        當(dāng)彈性填充料的溫度升高時(shí),其內(nèi)部橡膠分子結(jié)構(gòu)會(huì)變得更加活躍,導(dǎo)致其發(fā)生膨脹。如果彈性填充料的尺寸較大,則其內(nèi)部的熱量累積會(huì)更加明顯,導(dǎo)致變形更加嚴(yán)重;如果尺寸較小,則更容易受到外部壓力的影響而發(fā)生變形。一般來(lái)說(shuō),伸縮縫間距越小,彈性填充料的拉伸性能越好。因此,本節(jié)將圍繞填充料在不同的伸縮縫間距下等比例拉伸時(shí)的應(yīng)力變化情況。采用9 cm、10 cm、11 cm 三種不同的伸縮縫間距,按這三種間距分別制備三種彈性填充料并等比例拉長(zhǎng)20%、30%、40%及50%,得出彈性填充料仿真分析結(jié)果如下頁(yè)圖5所示。有限元結(jié)果分析表明:

        (1)相同縱向長(zhǎng)度的伸縮縫彈性填充料拉伸變形應(yīng)力受到伸縮縫間距影響:在伸縮縫間距由9 cm變化到11 cm時(shí),拉長(zhǎng)20%后伸縮條所受應(yīng)力由3.364×10-2 MPa增加到3.433×10-2 MPa;在縱向間距為10 cm的彈性填充料由拉長(zhǎng)20%增加到拉長(zhǎng)50%時(shí),應(yīng)力由3.385×10-2 MPa增加到8.461×10-2 MPa。

        (2)當(dāng)彈性填充料拉伸20%時(shí),不同間距下的彈性填充料的拉應(yīng)力基本沒(méi)有差別。但在拉伸50%時(shí),不同間距下的彈性填充料拉應(yīng)力差值>40%和30%的拉伸工況,表明伸縮縫間距對(duì)彈性填充料拉伸變形存在影響,且隨著拉伸比例增加,彈性填充料所需拉應(yīng)力的差值逐漸增大。

        通過(guò)拉伸變形的仿真分析可知,當(dāng)伸縮縫間距較小時(shí),彈性填充料更容易受到拉伸作用,從而能更好地適應(yīng)結(jié)構(gòu)變形;較小的伸縮縫間距還可以減少?gòu)椥蕴畛淞系膽?yīng)力集中,從而提高其耐久性和穩(wěn)定性。此外,為降低彈性填充料拉伸變形,可以采用高彈性模量和高屈服強(qiáng)度的材料,以提高填充料的抗變形能力;還可以?xún)?yōu)化填充料的形狀和結(jié)構(gòu),使其在受熱時(shí)能夠更均勻地膨脹,從而減少產(chǎn)品變形的不均勻性。

        5" 組合因素對(duì)彈性填充料拉伸性能的影響分析

        彈性填充料在不同的溫度和伸縮縫間距下具有不同的熱膨脹系數(shù)和彈性模量,在環(huán)境溫度和伸縮縫間距復(fù)合作用下的變形規(guī)律也不相同。因此,綜合前文內(nèi)容,考慮在10 ℃、35 ℃、60 ℃ 3種溫度工況下,伸縮縫間距分別為9 cm和11 cm的彈性填充料拉伸20%、30%、40%及50%時(shí)的伸縮縫仿真分析結(jié)果如圖6所示。有限元結(jié)果分析表明:

        (1)在10 ℃~60 ℃,隨著拉伸長(zhǎng)度變長(zhǎng),彈性填充料的應(yīng)力是逐漸增大的;在相同的拉伸比例下,隨著溫度的上升,彈性填充料的應(yīng)力也是逐漸增大的。其中,當(dāng)溫度為50 ℃時(shí),填充料的應(yīng)力變化最大,由7.956×10-2 MPa增加到1.197×10-1 MPa,增大了4.014×10-2 MPa。

        (2)在環(huán)境溫度和伸縮縫間距的組合因素影響下,彈性填充料拉伸變形規(guī)律不盡相同。環(huán)境溫度較低如10 ℃時(shí),不同伸縮縫間距的彈性填充料在較大拉伸比例下的應(yīng)力值變化差異有所減小;高溫情況下的不同伸縮縫間距變化時(shí)的規(guī)律整體相似。因此,在設(shè)計(jì)和填充料選型時(shí),需要根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮環(huán)境溫度和伸縮縫間距的大小對(duì)填充料拉伸性能的影響,并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)保證填充料的性能和耐久性。

        6" 結(jié)語(yǔ)

        本文通過(guò)建立型鋼伸縮縫有限元模型研究彈性填充料拉伸變形的影響,提出型鋼伸縮縫填充料的選型需要根據(jù)實(shí)際需求綜合考慮多種因素:

        (1)應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境選擇合適的填充料,并考慮填充料的熱膨脹系數(shù)。

        (2)應(yīng)根據(jù)伸縮縫拉伸性能選擇合適的填充料,如彈性模量、屈服強(qiáng)度、壓縮變形率等。

        (3)需要考慮填充材料的成本,以確保所選材料能夠承受經(jīng)濟(jì)成本。

        (4)在實(shí)際選型過(guò)程中,需要進(jìn)行綜合權(quán)衡和比較,以選擇最適合的材料來(lái)滿(mǎn)足實(shí)際需求。

        [1]梁愛(ài)軍.模數(shù)式伸縮縫疲勞壽命評(píng)估及其更換施工分析[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2011(4):230-233,241.

        [2]李杜宇.基于長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的南溪長(zhǎng)江大橋伸縮縫狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估研究[D].長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué),2015.

        [3]曾學(xué)良.公路橋梁型鋼伸縮縫硅酮密封劑嵌縫施工工藝應(yīng)用研究[J].北方交通,2016(6):41-43,47.

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        20240312

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