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)稱約束（約束住Z方向線位移，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，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)滿足實(shí)際需求。

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20240312