型鋼伸縮縫彈性填充料性能仿真與優(yōu)化分析

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)計和選型時應(yīng)根據(jù)其使用環(huán)境，考慮熱膨脹系數(shù)對其變形的影響；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，可通過選用高彈性模量、高屈服強度的填充料，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

基金項目：

2022年百色市科技開發(fā)項目“型鋼伸縮縫填充技術(shù)應(yīng)用研究”（編號：20221481）

作者簡介：

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

0" 引言

填充料作為用來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，提高型鋼伸縮縫的性能和耐久性。

據(jù)統(tǒng)計，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)致的伸縮縫維修費用占整橋維修費用的7%～25%，同時也嚴重影響到橋梁的使用壽命、行車的安全和舒適性。

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，過往車輛、行人較多。該橋因服役年限較長，于2022年開展舊橋改造工程，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)過程中泥沙沉積于伸縮縫，對橋梁伸縮產(chǎn)生不利影響的情況，改建后在兩橋臺處設(shè)置型鋼伸縮縫并采用彈性灌縫材料（如表1所示）進行填充［4］，填充效果如圖2所示。

2" 型鋼伸縮縫模型

本文通過ABAQUS軟件，針對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軸負方向）設(shè)置為全固定約束；伸縮縫背面（X軸負方向）設(shè)置為轉(zhuǎn)動固定約束（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)境溫度對彈性填充料受力性能的影響分析

溫度是影響有機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)，在使用過程中，不同的使用條件（如壓力、濕度等）也會對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，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個不同的工況，由此建立6個不同工況下的伸縮縫溫升模型。其中，為考慮溫度變化對填充料的影響，采用DC3D8單元劃分網(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，為了減少彈性填充料變形對伸縮縫工作性能的影響，需要在設(shè)計、制造和選型過程中考慮其熱膨脹系數(shù)并采取相應(yīng)的措施來控制其變形。

4" 伸縮縫間距對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，其內(nèi)部橡膠分子結(jié)構(gòu)會變得更加活躍，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)部的熱量累積會更加明顯，導(dǎo)致變形更加嚴重；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。一般來說，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20%、30%、40%及50%，得出彈性填充料仿真分析結(jié)果如下頁圖5所示。有限元結(jié)果分析表明：

（1）相同縱向長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，拉長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20%增加到拉長50%時，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，不同間距下的彈性填充料的拉應(yīng)力基本沒有差別。但在拉伸50%時，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。

通過拉伸變形的仿真分析可知，當(dāng)伸縮縫間距較小時，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彈性填充料的應(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 ℃，隨著拉伸長度變長，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，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，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??；高溫情況下的不同伸縮縫間距變化時的規(guī)律整體相似。因此，在設(shè)計和填充料選型時，需要根據(jù)實際情況綜合考慮環(huán)境溫度和伸縮縫間距的大小對填充料拉伸性能的影響，并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣肀ＷC填充料的性能和耐久性。

6" 結(jié)語

本文通過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)濟成本。

（4）在實際選型過程中，需要進行綜合權(quán)衡和比較，以選擇最適合的材料來滿足實際需求。

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20240312