型钢伸缩缝弹性填充料性能仿真与优化分析

为研究新型弹性材料的技术指标要求，文章基于型钢伸缩缝有限元模型，分析了环境和伸缩缝间距对弹性填充料拉伸变形的影响。结果表明：随着环境温度变化，弹性填充料受热体积发生膨胀，同时其密度和硬度均降低，从而引起变形，因此弹性填充料在设计和选型时应根据其使用环境，考虑热膨胀系数对其变形的影响；弹性填充料的拉伸变形应力与伸缩缝间距有关，随着拉伸比例的增加，弹性填充料的所需拉应力差值逐渐增大，可通过选用高弹性模量、高屈服强度的填充料，并优化填充料的形状和结构，使其在受热时能够更均匀地膨胀。

型钢伸缩缝；填充料；仿真分析；环境温度；伸缩缝间距

U443.31A260883

基金项目：

2022年百色市科技开发项目“型钢伸缩缝填充技术应用研究”（编号：20221481）

作者简介：

韦顺敏（1976—），高级工程师，主要从事公路养护与建设管理等相关工作。

0" 引言

填充料作为用来填充型钢伸缩缝的一种材料，主要具备缓解型钢伸缩缝处的应力集中、提供弹性和减震性能、保持结构稳定性和完整性等功能［1-2］，从而减少结构变形和损坏的风险，提高型钢伸缩缝的性能和耐久性。

据统计，百色市中小桥梁如平果雷感大桥和右江两琶大桥，多采用型钢伸缩缝，均存在填充料老化漏水、泥沙沉积于缝中的问题，从而发生雨水下渗污染或腐蚀支座和桥梁上下构、伸缩功能丧失、型钢断裂和锚固区混凝土开裂等病害［3］，不仅提高了伸缩缝维修难度和工作量，且填充料老化导致的伸缩缝维修费用占整桥维修费用的7%～25%，同时也严重影响到桥梁的使用寿命、行车的安全和舒适性。

为此，本文依托凌云那瓦中桥的型钢伸缩缝处治工程，通过建立型钢伸缩缝有限元模型，研究弹性填充料在不同环境温度和型钢伸缩缝间距的拉伸变形规律，为研究选用合适的型钢伸缩缝弹性填充料提出技术指标要求。

1" 工程概况

凌云那瓦中桥位于广西百色市凌云县下甲镇G212瑞安至友谊关公路K2239+292处，是凌云县重要的交通要道之一，过往车辆、行人较多。该桥因服役年限较长，于2022年开展旧桥改造工程，拆除原拱桥（4×16 m浆砌片石板拱桥），在原址新建4×17.5 m先简支后连续预应力混凝土箱梁桥。

该桥在施工前，存在伸缩缝堵塞的病害，如图1所示。为避免后期管养过程中泥沙沉积于伸缩缝，对桥梁伸缩产生不利影响的情况，改建后在两桥台处设置型钢伸缩缝并采用弹性灌缝材料（如表1所示）进行填充［4］，填充效果如图2所示。

2" 型钢伸缩缝模型

本文通过ABAQUS软件，针对改建后填充的型钢伸缩缝建立局部有限元模型。鉴于型钢伸缩缝是两端完全对称的结构，因此仅选择其中一半建立［5］。本文所建模型纵桥向取伸缩缝长度为0.35 m，横桥向取1 m，竖向取0.25 m。梁体材质为C40混凝土，铺装层为沥青混凝土，型钢材质为Q345钢，具体材料属性见表2。

参考相关论文［1］［5］关于伸缩缝局部模型边界条件的建立方法，伸缩缝有限元模型的边界条件设定如图3所示：伸缩缝底面（Y轴负方向）设置为全固定约束；伸缩缝背面（X轴负方向）设置为转动固定约束（约束住X方向线位移，X、Y、Z方向角位移）；伸缩缝左右两侧（Z方向）设置为对称约束（约束住Z方向线位移，X、Y方向角位移）。

3" 环境温度对弹性填充料受力性能的影响分析

温度是影响有机硅橡胶或硅酮胶等弹性填充料变形［6］的主要因素之一。随着环境温度升高，弹性填充料受热体积发生膨胀，同时其密度和硬度均有降低，从而引起变形［7］。除了温度和弹性填充料的性质，在使用过程中，不同的使用条件（如压力、湿度等）也会对弹性填充料的变形产生不同的影响。因此，在使用弹性填充料时，应该充分考虑其使用环境，以便更好地控制其变形［8］。

考虑到百色市处亚热带气候区，日均最低气温为10 ℃，日均最高气温为33 ℃，最高气温36.0 ℃～42.5 ℃，因此本文将环境温度由10 ℃～60 ℃分为6个不同的工况，由此建立6个不同工况下的伸缩缝温升模型。其中，为考虑温度变化对填充料的影响，采用DC3D8单元划分网格，相应的温升仿真分析结果如图4所示。

有限元结果分析表明：弹性填充料受温度影响变形较大，在10 ℃～60 ℃，该弹性填充料所受最大主拉应力由6.242×10-3 MPa增加到3.745×10-2 MPa，最大主压应力由3.947×10-3 MPa增加到2.368×10-2 MPa；伸缩装置所受拉、压应力都小于弹性填充料的许用应力。因此，为了减少弹性填充料变形对伸缩缝工作性能的影响，需要在设计、制造和选型过程中考虑其热膨胀系数并采取相应的措施来控制其变形。

4" 伸缩缝间距对弹性填充料拉伸性能的影响分析

当弹性填充料的温度升高时，其内部橡胶分子结构会变得更加活跃，导致其发生膨胀。如果弹性填充料的尺寸较大，则其内部的热量累积会更加明显，导致变形更加严重；如果尺寸较小，则更容易受到外部压力的影响而发生变形。一般来说，伸缩缝间距越小，弹性填充料的拉伸性能越好。因此，本节将围绕填充料在不同的伸缩缝间距下等比例拉伸时的应力变化情况。采用9 cm、10 cm、11 cm 三种不同的伸缩缝间距，按这三种间距分别制备三种弹性填充料并等比例拉长20%、30%、40%及50%，得出弹性填充料仿真分析结果如下页图5所示。有限元结果分析表明：

（1）相同纵向长度的伸缩缝弹性填充料拉伸变形应力受到伸缩缝间距影响：在伸缩缝间距由9 cm变化到11 cm时，拉长20%后伸缩条所受应力由3.364×10-2 MPa增加到3.433×10-2 MPa；在纵向间距为10 cm的弹性填充料由拉长20%增加到拉长50%时，应力由3.385×10-2 MPa增加到8.461×10-2 MPa。

（2）当弹性填充料拉伸20%时，不同间距下的弹性填充料的拉应力基本没有差别。但在拉伸50%时，不同间距下的弹性填充料拉应力差值＞40%和30%的拉伸工况，表明伸缩缝间距对弹性填充料拉伸变形存在影响，且随着拉伸比例增加，弹性填充料所需拉应力的差值逐渐增大。

通过拉伸变形的仿真分析可知，当伸缩缝间距较小时，弹性填充料更容易受到拉伸作用，从而能更好地适应结构变形；较小的伸缩缝间距还可以减少弹性填充料的应力集中，从而提高其耐久性和稳定性。此外，为降低弹性填充料拉伸变形，可以采用高弹性模量和高屈服强度的材料，以提高填充料的抗变形能力；还可以优化填充料的形状和结构，使其在受热时能够更均匀地膨胀，从而减少产品变形的不均匀性。

5" 组合因素对弹性填充料拉伸性能的影响分析

弹性填充料在不同的温度和伸缩缝间距下具有不同的热膨胀系数和弹性模量，在环境温度和伸缩缝间距复合作用下的变形规律也不相同。因此，综合前文内容，考虑在10 ℃、35 ℃、60 ℃ 3种温度工况下，伸缩缝间距分别为9 cm和11 cm的弹性填充料拉伸20%、30%、40%及50%时的伸缩缝仿真分析结果如图6所示。有限元结果分析表明：

（1）在10 ℃～60 ℃，随着拉伸长度变长，弹性填充料的应力是逐渐增大的；在相同的拉伸比例下，随着温度的上升，弹性填充料的应力也是逐渐增大的。其中，当温度为50 ℃时，填充料的应力变化最大，由7.956×10-2 MPa增加到1.197×10-1 MPa，增大了4.014×10-2 MPa。

（2）在环境温度和伸缩缝间距的组合因素影响下，弹性填充料拉伸变形规律不尽相同。环境温度较低如10 ℃时，不同伸缩缝间距的弹性填充料在较大拉伸比例下的应力值变化差异有所减小；高温情况下的不同伸缩缝间距变化时的规律整体相似。因此，在设计和填充料选型时，需要根据实际情况综合考虑环境温度和伸缩缝间距的大小对填充料拉伸性能的影响，并采取适当的措施来保证填充料的性能和耐久性。

6" 结语

本文通过建立型钢伸缩缝有限元模型研究弹性填充料拉伸变形的影响，提出型钢伸缩缝填充料的选型需要根据实际需求综合考虑多种因素：

（1）应根据使用环境选择合适的填充料，并考虑填充料的热膨胀系数。

（2）应根据伸缩缝拉伸性能选择合适的填充料，如弹性模量、屈服强度、压缩变形率等。

（3）需要考虑填充材料的成本，以确保所选材料能够承受经济成本。

（4）在实际选型过程中，需要进行综合权衡和比较，以选择最适合的材料来满足实际需求。

［1］梁爱军.模数式伸缩缝疲劳寿命评估及其更换施工分析［J］.公路交通科技（应用技术版），2011（4）：230-233，241.

［2］李杜宇.基于长期健康监测数据的南溪长江大桥伸缩缝状态监测与评估研究［D］.长沙：长沙理工大学，2015.

［3］曾学良.公路桥梁型钢伸缩缝硅酮密封剂嵌缝施工工艺应用研究［J］.北方交通，2016（6）：41-43，47.

［4］浙江工业大学.一种桥梁伸缩装置的密封剂的保全施工方法［P］.中国：CN105839522B，2019-01-08.

［5］张" 忠.大位移公路桥梁伸缩缝的动力定位耦合数值模拟研究［J］.公路工程，2020（1）：205-211.

［6］李勇强.浅谈公路预防性养护的认识［J］.青海交通科技，2017（2）：30-32.

［7］孙俊波.浅析高速公路沥青路面的病害原因及其预防性养护［J］.建筑工程技术与设计，2016（15）：1 492-1 492.

［8］姚" 俊.浅谈高速公路沥青路面预防性养护的重要性及其措施［J］.建筑工程技术与设计，2016（11）：1 412.

20240312