0 引言

桥梁伸缩装置能够保护桥面免受变形损害，确保行车的舒适性与安全^[1-3]。多向变位式梳齿板伸缩装置可以在桥梁轴线的平行方向(纵向)和垂直方向(横向)上进行伸缩，以适应现代桥梁对多向变位的需求^[4]。随着市场需求的增长，多向变位式梳齿板伸缩装置的研发和应用日益增多，市场份额持续扩大^[5]。然而，现有的多向变位式梳齿板伸缩装置无法满足桥梁较大幅度的横桥向以及竖桥向变位需求，在两侧梁端发生不同步竖向变位时，结构容易损坏^[6-7]。不仅如此，现有多向变位式梳齿板伸缩装置与主梁的连接采用刚性锚固，在使用过程中常出现螺母脱松、异物卡入导致故障等问题^[8-9]，一直是桥梁结构中较为薄弱的部位，也是损坏次数最高的构件之一，影响桥梁结构的使用性能^[10-12]。吴雯^[13]研究了一种采用高弹性聚合物材料的自适应多向变位伸缩装置，利用材料的弹性变形消除锚固螺栓的疲劳应力，但高弹性聚合物材料还处于试验阶段，质量难以保证。连俊峰等^[14]通过引进化工合成共聚技术，研发了一种新型多向变位梳齿型桥梁伸缩装置，以高分子聚合物材料为表层，以钢板为垫层，具有良好的减震、减噪效果，适用于荷载小、变位小的情况，但仍无法解决梁端较大变位需求的问题。

针对既有梳齿板式伸缩装置存在的局限性，本研究创新性提出了一种设有位移箱和弹性锚固系统的防松脱多向变位梳齿板伸缩装置。采用有限元方法，对该伸缩装置在车轮荷载、梁体横向变位、梁体竖向变位等工况下的力学性能进行分析，并与传统梳齿板伸缩装置、无纵向位移箱梳齿板伸缩装置、无横向位移箱梳齿板伸缩装置进行对比，证明了本研究所提出的防松脱多向变位梳齿板伸缩装置，在车轮荷载下的降噪防松脱效果以及变位能力方面均优于传统设计，更符合实际工程的需求，为桥梁伸缩装置的设计提供了新思路，也为相关工程实践提供了技术支持。

1 防松脱多向变位梳齿板伸缩装置

防松脱多向变位梳齿板伸缩装置(后文简称为新型梳齿板伸缩装置)由数块宽度1 m的单元模块组成，每个模块由活动梳齿板、固定梳齿板、不锈钢板、纵向位移箱、横向位移箱、叠层橡胶垫块、高强螺栓、锚固螺栓、橡胶密封条等组成，构造图见图 1。

新型梳齿板伸缩装置的结构特点及工作原理为：活动梳齿板为跨越式，下方依次为滑动不锈钢板和纵向/横向位移箱，通过叠层橡胶垫块和高强螺栓将活动梳齿板压紧在滑动面上。当桥梁受车辆荷载及温度变化发生伸缩变形时，活动梳齿板通过高强螺栓带动叠层橡胶垫块在位移箱滑道内滑动，实现伸缩装置的纵向变位及横向变位，而竖向变位通过叠层橡胶垫块的转角及不均匀压缩实现，满足桥梁多向较大幅度的变位需求。活动梳齿板下方的橡胶密封条在预紧力作用下，始终与齿板紧密结合，实现密封作用以防止道路雨水通过伸缩缝进入桥梁梁端下方。固定梳齿板则直接通过锚固螺栓与桥面固定连接。

新型梳齿板伸缩装置的锚固方式为弹性锚固，由高强螺栓和叠层橡胶垫块组成弹性锚固系统，通过高强螺栓连接梳齿板和叠层橡胶垫块并施加螺栓预紧力来实现梳齿板的可靠锚固，如图 2所示。由于螺栓预紧力和叠层橡胶垫块的存在，在一定外荷载作用下新型梳齿板伸缩装置的螺栓力依然保持稳定而不会增加，因此在反复荷载作用下螺母不松动，提升其防松脱性能，结构更加安全可靠。

2 有限元数值模拟 2.1 有限元模型建立

采用有限元方法对桥梁伸缩装置的力学性能进行分析是一种有效的研究手段^[14-15]。为了验证新型梳齿板伸缩装置力学性能的优越性，本研究以160型防松脱多向变位梳齿板伸缩装置作为研究对象，该型号伸缩装置能够满足160 mm的纵向变位及20 mm的横向变位，安装状态缝宽90 mm，闭合状态缝宽40 mm，在伸长极限时缝宽200 mm，具体尺寸如图 1所示。伸缩装置梳齿板的厚度为30 mm，采用Q345钢材。弹性锚固系统的高强螺栓为10.9级M20，叠层橡胶垫块的尺寸为60 mm×60 mm×35 mm，由两层8 mm厚橡胶板和3层5 mm厚钢板交叠组成。由于锚固螺栓、固定梳齿板、纵(横)向位移箱U型板、橡胶密封条等部件对整个伸缩装置结构的受力不产生影响，因此在建模时略去^[16]。有限元分析软件采用Abaqus，钢材的弹性模量为2.06×10⁵ MPa，泊松比为0.31，质量密度为7 850 kg/m³，采用C3D8R六面体减缩单元。橡胶接近超弹性材料，硬度为70±3，选取简单M-R模型(N=1)设置各向同性不可压缩本构^[17]，其单元类型为C3D8RH减缩杂交单元。网格划分的近似全局尺寸为10 mm，有限元模型图见图 3。

同时，本研究还建立了无纵向位移箱梳齿板伸缩装置、无横向位移箱梳齿板伸缩装置、传统梳齿板伸缩装置的有限元数值模型，旨在相同荷载工况下对不同类型伸缩装置进行对比分析。无纵向位移箱梳齿板伸缩装置模型在新型梳齿板伸缩装置模型基础上去除了纵向位移箱及其锚固系统，示意图见图 4(a)。无横向位移箱梳齿板伸缩装置模型则是在新型梳齿板伸缩装置模型基础上移除了横向位移箱及其锚固系统，并在该位置用锚固螺栓进行锚固，示意图见图 4(b)。传统梳齿板伸缩装置模型则将新型梳齿板伸缩装置的位移箱及锚固系统全部去除，原横向位移箱位置用锚固螺栓锚固，示意图见图 4(c)。

为了方便下文分析，将伸缩装置固定梳齿板所在梁顶简称为“固定侧”梁顶，而另一侧梁顶简称为“活动侧”梁顶。

2.2 边界条件

梳齿板伸缩装置有限元模型中的相互作用属性有3种^[18]：

(1) 钢板-钢板接触：切向摩擦系数为0.1，法向硬接触且允许分离，用于模拟活动梳齿板与不锈钢板摩擦面之间的滑动。

(2) 钢板-四氟板接触：切向摩擦系数为0.05，法向硬接触且允许分离，用于模拟叠层橡胶垫块与位移箱摩擦面之间的滑动^[19]。

(3) 光滑接触：法向硬接触且允许分离，对于摩擦影响可忽略的滑动面用该接触模拟，如螺杆与其周围接触表面采用此相互作用。

根据梳齿板伸缩装置在桥梁中的实际安装情况，将有限元模型中的不锈钢板(除位移箱范围)完全固定，以模拟梁顶混凝土对伸缩装置的支撑作用。无横向位移箱梳齿板伸缩装置与传统梳齿板伸缩装置通过埋入混凝土梁顶的锚固螺栓进行锚固，因此将锚固螺栓的下螺母完全固定，螺杆只允许竖向变形，以模拟其刚性锚固效果。

2.3 荷载工况

计算荷载主要包括重力、螺栓预紧力及车轮荷载。根据《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)规定，10.9级M20高强度螺栓的预拉力设计值P_d为155 kN，同一伸缩装置模型中的高强螺栓预紧力相等。根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)以及《公路桥梁伸缩装置设计指南》中的相关规定，车轮荷载标准值为70 kN，冲击系数取0.45，车轮着地宽度为200 mm×600 mm，分布范围如图 5(a)所示。车轮动力作用采用移动荷载，选取车速为40 km/h，作用范围为活动梳齿板中部，如图 5(b)所示。利用Fortran语言编写DLOAD子程序导入Abaqus模型中，实现移动荷载从活动齿板最右端到最左端的施加^[20-21]。

为了研究新型梳齿板伸缩装置弹性锚固系统的螺栓预紧力对结构受力的影响，考虑螺栓预紧力和车轮荷载组合作用工况，分别对新型梳齿板伸缩装置(螺栓预紧力分别取100%P_d，50%P_d，30%P_d)、无纵向位移箱梳齿板伸缩装置(50%P_d，30%P_d)、无横向位移箱梳齿板伸缩装置(50%P_d，30%P_d)、传统梳齿板伸缩装置进行对比分析。

为了研究不同螺栓预紧力新型梳齿板伸缩装置的横向变位能力，考虑螺栓预紧力和梁顶横向变位的组合工况，分别对新型梳齿板伸缩装置(100%P_d，30%P_d)、无横向位移箱梳齿板伸缩装置(30%P_d)、传统梳齿板伸缩装置在横向变位20 mm下进行力学分析。计算分析过程中，保持伸缩装置固定侧的不锈钢板固定不动，使活动侧的不锈钢板沿横桥向位移，模拟该侧梁体的横向变位。

为了研究新型梳齿板伸缩装置的竖向变位性能，考虑螺栓预紧力和梁顶竖向变位的组合工况，分别对新型梳齿板伸缩装置(30%P_d)、无纵向位移箱梳齿板伸缩装置(30%P_d)、传统梳齿板伸缩装置在竖向变位(1.5，5，15 mm)下进行分析。计算分析时，需要考虑固定侧梁顶竖向变位和活动侧梁顶竖向变位两种情况，保持伸缩装置其中一侧的不锈钢板固定不动，使另一侧的不锈钢板竖直向下位移，模拟该侧梁顶的竖向变位。

对于无横向位移箱梳齿板伸缩装置与传统梳齿板伸缩装置，计算分析时使活动侧的锚固螺栓与不锈钢板同时发生横向或竖向位移来实现伸缩装置的横向及竖向错位。

3 数值模拟结果分析

为了方便评价新型梳齿板伸缩装置的力学性能，在伸缩装置上标记了重点关注部位，其中A为活动梳齿板梳齿端; B为位于中间纵向位移箱的高强螺栓; C为活动梳齿板梁缝中心; D为位于横向位移箱中心的高强螺栓; E为活动梳齿板端部中心，示意图见图 6。

3.1 车轮荷载作用 3.1.1 竖向变形

伸缩装置的不同锚固方式以及弹性锚固系统的螺栓预紧力大小影响着车轮荷载作用下活动梳齿板的变形。不同类型伸缩装置在车轮荷载作用下的竖向位移结果如图 7(a)所示，由图中可见活动梳齿板的齿端A处、端部E处翘起，梁缝中间C处下挠。由于梳齿板板厚较厚，因此变形量和应力都比较小。新型梳齿板伸缩装置和无横向位移箱梳齿板伸缩装置的活动梳齿板因双端均有约束，在车轮荷载作用下的竖向位移较小；无纵向位移箱梳齿板伸缩装置和传统梳齿板伸缩装置因采用单端约束，在车轮荷载作用下梳齿板的竖向位移较大，其中传统梳齿板伸缩装置的竖向位移最大。新型梳齿板伸缩装置由于螺栓预紧力的作用，叠层橡胶垫块发生弹性压缩，因此B，D处于压紧状态，而C处位移是叠层橡胶垫块压缩变形和车轮荷载引起的变形叠加结果，因此挠度最小。螺栓预紧力越大，B，D处的叠层橡胶垫块压缩变形量越大，A，E处的翘起因受到叠层橡胶垫块变形量的影响而变大，但对C处的竖向位移影响不大。因此，新型梳齿板伸缩装置螺栓预紧力为30%P_d时，整体竖向位移最小。此外，在车轮荷载作用下无预紧力的传统梳齿板伸缩装置锚固螺栓D处发生的翘起最大，这表明外荷载作用下普通锚固螺栓的螺母有脱落的趋势。

考虑车轮荷载的动力作用，进一步研究了伸缩装置在车轮移动荷载作用下的变形情况。在移动荷载下，当车轮移动到梁缝中间时伸缩装置整体的竖向位移最大，不同类型伸缩装置的最大竖向位移如图 7(b)所示。可以看出，与车轮静力荷载作用下的结果一致，在移动荷载作用下新型梳齿板伸缩装置(50%P_d)的竖向位移最小，传统梳齿板伸缩装置的竖向位移最大。新型梳齿板伸缩装置(100%P_d)在移动荷载作用下的竖向位移接近并略大于其在车轮静力荷载作用下的竖向位移，说明新型梳齿板伸缩装置有良好的动力工作性能。

3.1.2 螺栓力变化

4种类型梳齿板伸缩装置的主要区别之一为锚固方式不同，新型梳齿板伸缩装置梁缝两侧、无纵向位移箱梳齿板伸缩装置活动侧、无横向位移箱梳齿板伸缩装置固定侧梁顶均采用由高强螺栓和叠层橡胶垫块组成的弹性锚固系统，而无横向位移箱梳齿板伸缩装置和传统梳齿板伸缩装置在活动侧梁顶则通过锚固螺栓进行刚性锚固，不同的锚固方式显著影响着车轮荷载作用下螺栓力的变化。在模拟结果中，通过提取高强螺栓螺杆截面的内力，获得车轮荷载作用后的螺栓力，该螺栓力与初始螺栓预紧力的差值即为高强螺栓的螺栓力变化值，螺栓力变化值为正代表螺栓力增加，为负代表螺栓力降低。考虑到结构的对称性，分别取固定侧和活动侧中间位置的螺栓进行分析。表 1所示为4种类型伸缩装置在车轮荷载作用下螺栓力的变化情况。可以看出，采用弹性锚固的螺栓力在车轮荷载作用下保持稳定，如新型梳齿板伸缩装置两侧、无纵向位移箱梳齿板伸缩装置活动侧、无横向位移箱梳齿板伸缩装置固定侧的螺栓力较初始螺栓预紧力均没有增加，且预紧力越大，螺栓力减小越明显，而采用刚性锚固的螺栓力在车轮荷载作用下均明显增大。这是因为锚固螺栓在车轮荷载作用下会产生相应的锚固反力(由锚固区混凝土及钢筋提供)，而其螺栓力等于锚固反力，故锚固螺栓的螺栓力与车轮荷载密切相关，在反复车轮荷载作用下螺母极易损坏凸起成为安全隐患。弹性锚固系统由于存在螺栓预紧力和弹性压缩的叠层橡胶垫块，在车轮荷载作用下活动梳齿板始终贴紧梁顶，螺栓力保持稳定不增加。因此，采用弹性锚固可以大大提升螺母的防松脱性能。

考虑车轮荷载的动力作用，进一步对不同伸缩装置在车轮移动荷载下螺栓力的变化情况进行分析，结果见表 2。可以看出，采用弹性锚固的螺栓力在移动荷载作用下基本保持稳定，且预紧力越小，螺栓力变化越小，传统梳齿板伸缩装置在移动荷载作用下的螺栓力变化最大。此外，新型梳齿板伸缩装置(100%P_d)在移动荷载和车轮静力荷载作用下的螺栓力变化结果十分接近，说明新型梳齿板伸缩装置在移动荷载作用下仍能保持结构稳定。

3.2 横向变位性能

当活动侧梁顶发生横向变位时，无横向位移箱梳齿板伸缩装置以及传统梳齿板伸缩装置的活动梳齿板均在锚固螺栓约束下与梁顶一同位移。无横向位移箱梳齿板伸缩装置在固定侧设有纵向位移箱，高强螺栓的横向位移受到纵向位移箱滑道限制，横向位移超过螺杆与滑道横向间隙(2 mm)后，高强螺栓、纵向位移箱滑道、活动梳齿板等很快进入塑性直到破坏，导致伸缩装置失效，如图 8所示。因此，无横向位移箱梳齿板伸缩装置的横向变位能力完全依赖于其纵向位移箱滑道的宽度，无法满足桥梁横向变位的需求。传统梳齿板伸缩装置在固定侧无约束，但活动梳齿板与固定梳齿板的梳齿横向间隙为10 mm，因此，该伸缩装置最大允许10 mm横向变位，一旦超出此范围，活动梳齿板的横向位移将受到固定梳齿板限制，横向变位达11 mm时，锚固螺栓、活动梳齿板等均到达极限状态，见图 9。

不同于无横向位移箱梳齿板伸缩装置与传统梳齿板伸缩装置，新型梳齿板伸缩装置设有横向位移箱，设计允许20 mm横向错位，避免了在大幅度横向变位时的结构损坏，满足桥梁的横向变位需求。新型梳齿板伸缩装置在螺栓预紧力(100%P_d，30%P_d)和横向变位(20 mm)组合作用下，各部件的应力基本组合值如图 10所示。从图中看到，横向变位后新型梳齿板伸缩装置的应力明显增大，且螺栓预紧力大小对其横向变位性能影响显著。较小的螺栓预紧力(30%P_d)下，新型梳齿板伸缩装置的横向变位性能较好，应力处在安全范围内，然而，较大的螺栓预紧力(100%P_d)导致该伸缩装置在横向变位过程中应力超出其强度设计值而失效。这强调了在设计新型梳齿板伸缩装置时优化螺栓预紧力大小的重要性。

3.3 竖向变位性能 3.3.1 活动侧梁顶竖向变位

当活动侧梁顶发生不同竖向变位(1.5，5，15 mm)后，新型梳齿板伸缩装置的竖向位移均小于无纵向位移箱梳齿板伸缩装置和传统梳齿板伸缩装置，且竖向变位越大，伸缩装置的竖向位移越大，如图 11所示。由图可以看出，当活动侧梁顶发生竖向变位时，伸缩装置活动梳齿板在D处锚固系统约束下被迫一同向下位移，在固定侧梁顶A，B处翘起。新型梳齿板伸缩装置由于在B，D处均受到弹性锚固约束，通过螺栓预紧力和叠层橡胶垫块的不均匀压缩使梳齿板贴紧梁顶，整体的竖向位移最小，梳齿板变形与梁体竖向变位协调，能够增加行车舒适度、降低噪声。而无纵向位移箱梳齿板伸缩装置和传统梳齿板伸缩装置在固定侧B处无约束，竖向变位引起A，B处翘起较大，其中传统梳齿板伸缩装置因采用刚性锚固，整体的竖向位移最大，这导致其活动梳齿板与固定侧梁顶存在较大缝隙，在行车过程中极易产生噪音。

新型梳齿板伸缩装置在活动侧梁顶竖向变位后，活动梳齿板应力及螺栓力变化也远小于传统梳齿板伸缩装置，且竖向变位越大，效果越明显，如图 12所示。由于新型梳齿板伸缩装置和无纵向位移箱梳齿板伸缩装置均采用弹性锚固，竖向变位时叠层橡胶垫块弹性压缩以协调变形，其梳齿板应力及螺栓力变化较小，而采用刚性锚固方式的传统梳齿板伸缩装置竖向变位能力最差，不能满足桥梁竖向变位需求。

3.3.2 固定侧梁顶竖向变位

新型梳齿板伸缩装置在固定侧梁顶竖向变位(1.5，5，15 mm)后，其竖向位移如图 13(a)所示。可以看出，当固定侧梁顶发生竖向变位时，新型梳齿板伸缩装置的活动梳齿板在B，D处均受到弹性锚固约束，使梳齿板贴紧梁顶，其变形与梁体竖向变位相协调。当竖向变位变大时，新型梳齿板伸缩装置在D，E处翘起变大，竖向位移也相应变大。无纵向位移箱梳齿板伸缩装置和传统梳齿板伸缩装置由于在固定侧无约束，该侧梁顶竖向变位后活动梳齿板处于悬臂状态，当车轮荷载作用于最不利位置(梳齿端部)时，伸缩装置的竖向位移见图 13(b)。由图可知，伸缩装置A处产生较大竖向挠度，存在跳车风险，不利于行车安全。无纵向位移箱梳齿板伸缩装置由于D处叠层橡胶垫块产生压缩变形，其整体竖向位移略大于传统梳齿板伸缩装置。

固定侧梁顶发生竖向变位后，新型梳齿板伸缩装置的活动梳齿板应力及螺栓力变化见表 3。由表 3数据可以看出，竖向变位大小显著影响新型梳齿板伸缩装置应力及螺栓力变化，在较小的竖向变位下，其螺栓力可以保持稳定。处于悬臂状态的无纵向位移箱梳齿板伸缩装置和传统梳齿板伸缩装置，在车轮荷载作用下的活动梳齿板应力几乎相同，无纵向位移箱梳齿板伸缩装置由于采用弹性锚固，其螺栓力变化远小于传统梳齿板伸缩装置，见表 4。

4 结论

本研究采用有限元分析方法，对防松脱多向变位梳齿板伸缩装置的力学性能进行分析，并与无纵向位移箱梳齿板伸缩装置、无横向位移箱梳齿板伸缩装置以及传统梳齿板伸缩装置对比，主要得到以下结论：

(1) 防松脱多向变位梳齿板伸缩装置的受力及变位性能最为优异，具有良好的减振、降噪、防松脱等性能效果。

(2) 螺栓预紧力的大小显著影响着防松脱多向变位梳齿板伸缩装置在车轮荷载、横向变位等工况下的力学表现。

(3) 下一步需要采用有限元方法对不同螺栓预紧力的防松脱多向变位梳齿板伸缩装置进行对比分析，以优化螺栓预紧力。同时开展试验研究，验证数值模拟结果的正确性。