公路橋梁伸縮裝置的選擇及應用

陳華 李晨

1 公路橋梁伸縮裝置的重要性

橋梁伸縮裝置又簡稱為伸縮縫,主要由傳力支承體系和位移控制體系組成,它的主要功能是:1)將車輛垂直和水平荷載通過支承結構傳遞到梁體;2)適應橋梁縱、橫位移的變化和梁端翹曲發生的轉角變化,使汽車行駛舒適、平順。

公路橋梁伸縮裝置在橋梁的結構中直接承受車輪荷載的反復沖擊作用,而且長期暴露在大氣中,使用環境比較惡劣,是橋梁結構中最易遭到破壞而又較難修補的部位。伸縮裝置在設計施工上稍有缺陷或不足,就會引起早期的破壞,直接影響到橋梁的使用壽命及公路的經濟性,伸縮縫質量的好壞,對保證公路運輸的安全、快速、舒適至關重要。因此,在伸縮縫的設計選型、材料以及施工質量等方面要加以足夠的重視。

2 公路橋梁伸縮裝置的發展狀況

隨著公路運輸事業的發展和車速的提高,對伸縮縫的要求也越來越高,不但要求伸縮縫有良好的使用性能,而且要求它使用壽命長、造價低、維修方便。

20世紀60年代～70年代修建的橋梁大多為拱橋或簡支梁橋,設計荷載一般在汽—15級以下,橋梁基本采用U形鍍鋅鐵皮伸縮縫,到了80年代～90年代由于汽車荷載提高到汽—20級或汽—超20級,伸縮縫普遍采用板式橡膠伸縮縫。

目前在國內高速公路橋梁工程常用的伸縮裝置有TST伸縮裝置、SSF伸縮裝置、毛勒伸縮裝置等。

大約在20世紀60年代,美國開始采用連接橋梁上部結構和樁基礎的無伸縮裝置的整體式橋臺。采用無伸縮縫的整體式橋臺,除了行車平穩外,由于消除了伸縮裝置,排除了伸縮縫處水的滲漏隱患,降低了橋梁造價及維修費用,使得這種類型的橋梁逐漸地流行起來,但是對于無伸縮縫整體式橋臺的橋梁幾乎還沒有完整的理論或試驗的工作報告以及設計程序的應用。我們期待在我國展開對無伸縮縫橋梁的研究和實踐,并使這種橋型結構能逐漸推廣。

3 橋梁伸縮縫的計算

3.1 伸縮量的計算

影響梁體伸縮量大小的因素主要有兩種:氣溫變化引起的伸縮量(△Lt);混凝土的徐變、干燥收縮引起的伸縮量(△Lc+△Ls),兩者的計算公式分別為:

其中,△Lt為溫度變化引起的伸縮量;△Lt+為溫度變化的伸長量;△Lt-為溫度變化的縮短量;Tmax為設計最高環境溫度;Tmin為設計最低環境溫度;Tset為設置伸縮裝置時的溫度;a為膨脹系數(鋼梁為12×10-6,混凝土為10×10-6);L為橋梁跨徑。

其中,△Ls為混凝土收縮引起的伸縮量;△Lc為混凝土徐變的收縮量;Ee為混凝土的彈性模量,取33 000 MPa;σp為預應力混凝土的平均軸應力;φ為混凝土的徐變系數;β為混凝土徐變、收縮的折減系數。

3.2 橋梁伸縮量大小的影響因素

1)溫度的變化。2)混凝土的收縮和徐變。3)各種荷載引起的橋梁結構的撓曲。4)縱向坡度對伸縮變化的影響。5)斜橋和彎橋時的變位。

4 公路橋梁伸縮裝置的設計選型

4.1 常用伸縮裝置的類型

1)對接式伸縮縫裝置。對接式伸縮縫裝置根據其構造形式和受力特點的不同,可分為填塞對接型和嵌固對接型兩種。填塞對接型伸縮縫裝置是以瀝青、木板、麻絮、橡膠等材料填塞縫隙。伸縮體在任何情況下都處于受壓狀態,該類伸縮縫裝置一般用于伸縮量在40 mm以下的常規橋梁工程上,但目前已不多見了。嵌固對接型伸縮裝置利用不同形狀的鋼結構將不同形狀的橡膠條嵌牢,以橡膠條的拉壓變形來吸收梁體的變形。其伸縮體可以處于受壓狀態,也可以處于受拉狀態。該類伸縮裝置被廣泛應用于伸縮量在80 mm以下的橋梁工程上。屬于這類型的伸縮縫有:W型橡膠伸縮裝置、SW 型、SDIC型、GNB型、GQF-C型、美國沃特森單縫伸縮裝置(與常熟合資的萬寶單縫伸縮裝置)等。對接式伸縮縫容易出現填縫材料硬化與部分脫落等現象。

2)鋼制支承式伸縮裝置。鋼制伸縮裝置是用鋼材裝配制成的,能直接承受車輪荷載的一種構造,以前這種伸縮裝置應用于鋼橋,現已用于混凝土橋梁。鋼制支承式伸縮裝置的形式、尺寸和種類繁多。國內常見的如梳齒形板型和折板型。面層板成為矩形的疊合懸架式的構造,稱作鋼板疊合式伸縮裝置。鋼板伸縮縫容易出現鋼板松動,或者梳齒與承托板的焊接處出現裂縫、剪斷等破損。

3)組合剪切式橡膠伸縮裝置。板式橡膠伸縮裝置是利用橡膠材料剪切模量低的原理設計制造而成的,即剪切型橡膠伸縮縫設有上下凹槽,橡膠體內埋設承重鋼板和錨固鋼板,并設有預留螺栓孔,通過螺栓與梁端連成整體,它是依靠上下凹槽之間的橡膠體剪切變形來滿足梁體結構的相對位移。國內生產具有代表性的產品有BF型,SES型,UG型,BSL型和CD型。板式橡膠伸縮裝置容易出現橡膠板剝離,預埋鋼板外露、脫落、斷裂,錨固螺栓剪斷脫孔飛出,兩側混凝土開裂破碎,出現坑槽等損壞現象。

4)模數支承式伸縮裝置。隨著橋梁的長、大化取得突破性進展,這就要求有結構合理,大位移量的橋梁伸縮裝置來適應這一發展的需要,因此出現了利用吸震緩沖性能好又容易做到密封的橡膠材料與強度、剛性好的異型鋼組合的,在大位移量情況下能承受車輛荷載的各種類型模數支承式(模數式)橋梁伸縮裝置。這類伸縮裝置,其構造相同點是均由V形截面或其他截面形式的橡膠密封條(帶),嵌接于異型邊梁鋼和中梁鋼內組成可伸縮的密封體,異型鋼梁直接承受車輛荷載,而且可根據要求的伸縮量增加中梁鋼和密封橡膠條,通常以80 mm間距為模數加工組裝成各種伸縮量的一系列產品。其不同點僅在于承重異型鋼梁和傳遞伸縮力的傳動機構形式及原理上的差異,這類伸縮縫有J-75型伸縮裝置、TS型、SG型、美國沃特森、萬寶SD-400型德國毛勒等。

5)無縫式伸縮裝置。無縫式伸縮裝置主要有TST伸縮縫,是通過彈塑體混合材料自然特殊的力學性能來適應橋梁的伸縮變形。TST伸縮縫主要材料是由多種高分子聚合物與瀝青混合并加有防老劑而成,具有很強的粘結性和較高的阻尼性,適用于小型橋梁。無縫伸縮裝置存在的問題主要是彈塑體混合材料達不到要求,材料的低溫延伸性和高溫穩定性差,同時材料“熱脹冷縮”不能適應梁體“熱脹冷縮”的變化,從而出現橋面不平的現象。

6)無伸縮縫橋梁。由于各種伸縮裝置的弊端以及后期的養護費用較高,美國率先采用了整體式無伸縮縫橋梁。整體式無伸縮縫橋梁是指在中小橋梁上,梁與橋臺形成整體,橋梁任何位置都沒有設置伸縮縫,梁的伸縮靠橋臺及臺后的特殊裝置予以吸收。無伸縮縫橋梁在美國已經成功地使用了很長時間,但至今還沒有一個比較科學的設計理論,目前的設計方法基本上依賴于經驗與觀察。

4.2 伸縮裝置的選擇

橋梁伸縮裝置的選擇非常重要。原則上,伸縮裝置的選擇沒有嚴格的限制。但是實際工程中必須根據所安裝伸縮裝置的道路性質、橋梁類型、需要的伸縮量為依據,綜合考慮道路、橋梁和伸縮裝置整體的耐久性、平整性、排水性和防水性、經濟性,并考慮施工與維修等合理選擇伸縮裝置的形式。

5 伸縮裝置安裝注意事項

1)安裝橋梁伸縮裝置前,應根據橋梁所處的環境條件,橋梁本身的結構形式及構成要素來精確計算伸縮量,并考慮一定的富余量,以保證在今后運營中始終處于良好的工作狀態。

2)伸縮縫安裝定位要準確。

3)注意安裝季節溫度變化的影響,盡量選擇低溫施工,并采用后裝法。

4)安裝前要清理縫隙中的雜物,槽口清理尺寸要夠,沖洗要干凈。

5)注意過渡段施工混凝土強度和平整度,并要和行車路面或橋面齊平,誤差不超過1 mm,更應注意后期養護。

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