公路橋頭鉸接搭板裝置可行性研究

鄭州大學 水利與環境學院 王 磊 劉孝明 李博識 涂家明

公路橋頭鉸接搭板裝置可行性研究

鄭州大學 水利與環境學院 王 磊 劉孝明 李博識 涂家明

有關統計資料顯示，目前我國公路總里程已超過400萬km，其中高等級公路里程約占10.2%。伴隨著公路交通的快速發展，公路工程建設中存在的問題也日益增加，橋頭跳車作為一個常見問題，嚴重影響了公路行車的安全性與舒適性。本文，筆者提出了一種新型的橋頭鉸接搭板裝置，對于防止橋頭跳車具有顯著成效。

一、橋頭跳車的成因及危害

1.橋頭跳車的成因。橋頭跳車是指橋臺臺背填料在自重和行車荷載的作用下，產生不均勻沉降，導致車輛行駛到此處產生跳動的現象。隨著公路等級的提高，人們對行車的安全性及舒適性的要求也越來越高。從目前已投入使用的公路的運營狀況來看，在橋涵構造物與道路的連接部位普遍存在橋頭跳車現象，不僅影響了公路行車的舒適性，也無法保證公路行車的安全性。因此，如何有效治理橋頭跳車已成為高等級公路養護及管理中亟待解決的一個問題。

2.橋頭跳車的危害。其危害主要表現在以下幾個方面。

（1）降低了行車的舒適性與安全性。高速行駛的車輛經過橋頭時，會產生跳動現象，影響司機和乘客的行車舒適性，嚴重時還會引發重大交通事故。

（2）增加了公路養護費用。為了保證公路良好的使用狀況，需要對出現的臺階進行及時維修、養護，不僅耗費了大量的人力、物力和財力，也產生了不良的社會影響。

（3）降低了路面和橋梁的使用壽命。由于沉降差造成的臺階，使得車輛通過時產生跳動和沖擊，從而對橋梁和路面造成附加的沖擊荷載，加速了橋頭路面的破壞。

二、橋頭跳車治理措施

1.傳統治理措施。傳統的公路橋梁橋頭跳車的治理措施主要有：

（1）堆載預壓法。此方法主要是加速橋臺臺背填料的固結，減小其次固結沉降量，從而減小橋頭伸縮縫兩側的沉降差。

（2）橋頭搭板法。通過設置搭板來緩和其沉降不均勻所帶來的沉降差。

（3）土工格柵法。此方法主要是利用土工布將上部荷載均勻地傳遞到下部土基和橋臺，從而減小伸縮縫處的沉降差。

（4）地基加固法。采用水泥攪拌樁、擠密砂樁、碎石樁來減小臺背填料的沉降量，進而減小由于不均勻沉降帶來的沉降差。

（5）注漿法。通過鉆孔，利用注漿設備，運用液壓、氣壓和電化學原理，將漿液分1層均勻地注入地層中，漿液以填充、滲透和擠密等方式排出土顆粒間裂隙中的水分和空氣，并占據土顆粒間的空間，使路基孔隙比減小，強度提高。

2.新型治理方案。在橋頭裝設自適應鉸接搭板裝置，可以有效防止橋頭跳車現象發生。

（1）鉸接搭板結構設計。橋頭跳車產生的根本原因是橋臺兩側沉降不均勻，傳統的處理方法多是采取一系列的措施來減小臺背填料的后期沉降量，進而減小橋臺兩側的沉降差，這些方法雖然對緩解橋頭跳車問題有一定的作用，但是臺兩側會產生沉降差。此外，在搭板與路面交接處還會產生二次跳車現象。經驗表明，只注重改善臺背填料的性質不能從根本上解決問題，突破以往減小橋頭兩側沉降差的傳統設計思想，采用可活動的自適應鉸接搭板裝置，并利用裝置本身的重力及行車荷載來消除橋頭沉降差所帶來的臺階，以達到自動適應沉降差的目的，為解決橋頭跳車問題提供了一種新的技術和施工方法。自適應鉸接搭板裝置主要包括橋面搭板、路面搭板、轉軸、轉軸螺釘、橋面搭板固定錨釘5部分。其中橋面搭板有預留孔，供錨釘通過并與橋面固定，路面搭板與橋面搭板通過轉軸鉸接，轉軸兩側內部預留有螺紋通過轉軸螺釘固定。連接完成的裝置中路面搭板是活動的，可以像合頁一樣自由轉動，自動適應橋頭與路堤的差異沉降，從而消除沉降差帶來的臺階，始終保持橋頭路面的連續性和平滑性；同時，避免了傳統方法解決橋頭跳車問題時造成的重復維修現象，而且其對沉降差的大小并無具體要求，因此也降低了橋臺臺背填料壓實度的要求。自適應鉸接搭板裝置如圖1所示。

圖 1 自適應鉸接搭板裝置

從圖1可知，該裝置可根據車道的寬度進行調整，與單個車道同寬，一般取3.5 m或3.75 m，然后將上述裝置并排鋪設在整個行車道，彼此之間相互獨立。此外，該裝置便于規模化生產，能降低生產和施工成本。

（2）數值模擬計算。根據所設計的結構形式，運用大型通用有限元軟件ABAQUS對路面搭板工況進行模擬。模型寬3.5 m，長1.2 m，厚25 mm，楔形體長0.6 m。模型選用Q235低碳鋼材料，材料密度為7 800 kg/m3，楊氏模量為210 GPa，泊松比為0.3。考慮到結構在行車荷載作用下的應力和彈性應變，故單元網格劃分采用C3D4四結點線性單元體。由于后軸軸載一般占車輛總重的2/3～3/4，故僅考慮后軸對路面搭板的作用；考慮最不利荷載情況，將車輪荷載簡化為2個0.3 m×0.3 m的矩形均布荷載作用于板長中央，軸距為2.3 m，采用不同軸載分別作用。以1輛載重100 t的雙軸雙輪組車輛通過該裝置，假設其軸載為80 t，當80 t軸載作用時，Mises應力和豎向位移分布云如圖2所示，最大Mises應力和最大豎向位移如圖3所示。

圖 2 80 t軸載作用時Mises應力和豎向位移分布云

圖 3 最大Mises應力和最大豎向位移

從圖2中可以看出，在80 t軸載作用下，路面搭板兩側的轉軸插孔處首先發生了應力集中，出現了最大應力值，其次就是車輪作用處出現了較大的應力，而最大豎向位移值出現在輪載作用處，繼而呈盆狀向外擴散。從圖3中可以看出，最大豎向位移和最大Mises應力與軸載呈線性關系。由于車輛為雙軸雙輪組，故單軸分配軸載為40 t，由圖3可以看出，搭板的最大豎向位移為0.21 mm，最大Mises應力為86 MPa，而Q235的屈服應力為235 MPa，遠大于其最大Mises應力，因此搭板能夠正常工作。

三、結論

1.在車輛荷載的作用下以及臺背填料的后期固結沉降中，路面與橋臺的沉降差會繼續增大，此時路面搭板的楔形體只有端部與路面接觸，以使路面所受壓強增大。但是，在車輛荷載的重復作用下，路面搭板會產生一定的疲勞變形。該裝置在一定程度上利用了該疲勞變形，使得楔形體底面重新與路面接觸，故路面所受壓強又變為原來的大小。

2.由于自適應鉸接搭板裝置的主要材料為鋼材，在外界環境中難免會受到雨水侵蝕和空氣氧化，因此應在搭板靠近路面的一側涂刷防銹油漆，以提高其耐久性；而轉軸在橋面搭板和路面搭板的不斷作用下會產生微量的疲勞變形，并出現磨損現象，因此應定期對其進行檢查。

3.由于在橋面和路面過渡部分設置了足夠的長度，因此對行車舒適性影響較小；該裝置在工廠提前制作完成，只需進行現場安裝，安裝后即可放行通車。因此，該方法比傳統施工方法縮短了約80%的工期，減少了路面維護過程中對交通的阻斷時間；對路面所做的改造較少，而且不會影響伸縮縫的正常工作，因此對路面的二次破壞小；采用自適應鉸接裝置，搭板可根據沉降差進行自行調節，從而避免了重復維修。