等距變位橋梁伸縮裝置的設計

白宏光

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

橋梁伸縮裝置是指在公路橋梁橋面系中梁端（板端）與橋臺接縫處及相鄰梁端（板端）接縫處設置的為使行駛車輛平穩通過橋面的且能夠適應橋面變形需求的各種裝置的總稱[1]。伴隨著我國公路建設的大力發展，伸縮裝置的需求及作用顯得越發重要。由于橋梁伸縮裝置是在梁端（板端）設置，其將直接承受來自橋面行駛車輛荷載的反復作用，且易受到大自然中水溫因素的影響，其結構使用壽命受到嚴峻的考驗[2]。為了滿足各種橋梁對伸縮裝置的功能需求，現在已針對不同橋梁形成了一系列的伸縮裝置，但它們往往因為制作不便、伸縮不均勻、過早損壞等因素而難以滿足高速建設的公路橋梁工程的需要。鑒于此，本文將在分析現行橋梁伸縮裝置不足的情況下，研發出一種等距變位橋梁伸縮裝置，并對其結構特征、工作原理及技術優勢進行了系統介紹。

1 橋梁伸縮裝置的類型

橋梁伸縮裝置主要由位移控制體系和傳力支承體系組成，其結構功能有[3]：a）適應水、溫度等自然因素變化時，橋梁梁端翹曲轉角變化及橫、縱位移變化；b）將水平荷載和行車垂直荷載，通過支承結構傳遞至梁體，彌補梁端（板端）孔隙，保證行車平穩。

現階段，隨著橋梁工程設計理論與施工技術的進步，已形成了很多不同類型的橋梁伸縮裝置，但橋梁伸縮裝置的種類繁多，從組成結構的角度將其大體分為板式、組合式伸縮裝置和模數式伸縮裝置。各類橋梁伸縮裝置的適用情況及結構組成如表1所示。

表1 橋梁伸縮裝置分類

從表1中可以看出，模數式伸縮裝置是目前適用范圍最廣的伸縮縫類型，由于模數式伸縮裝置工藝結構簡單、制造容易、使用壽命長、適用性強，現階段的應用廣泛，本文將重點探討模數式伸縮裝置。

2 現行模數式伸縮裝置的結構特性

模數式伸縮縫的結構特征為：兩側對稱設置兩根截面“F”形、“E”形型鋼；中間設置不同數量的截面“王”型型鋼；在兩根型鋼之間設置V形的橡膠止水帶，以防止橋面上的雨水從型鋼縫隙間流入橋梁下部結構。其基本結構如圖1所示。

圖1 模數式伸縮裝置基本結構

圖1中，梁與支承橫梁一對一地焊接牢固，車輛重量經中梁、支承橫梁、承壓支座、位移箱底鋼板，最后傳遞到梁體的混凝土，而壓緊支座將支撐橫梁控制在位移箱內，從而形成封閉的傳力結構體系，型鋼邊梁上的錨固筋與混凝土咬合錨固。當梁體伸與縮時，帶動位移控制箱及邊梁一起收縮，邊梁再經控制彈簧拉或壓，推動最近的中梁滑移，依次展開可達到整套伸縮裝置的開與合。

盡管傳統的模數式伸縮裝置具有適用性好、結構性能強的特點，但在工程應用中還是存在很多不足之處，如下將就存在的不足做具體分析。

2.1 更換難度大

如果局部損壞，需要整體更換，并且需要封閉交通，對交通出行帶來極大的不便。

2.2 易損壞

防水橡膠帶易損害，造成漏水，進一步危害下部結構。

2.3 型鋼間隙不均勻

在環境溫度發生變化時，橋體會發生伸縮移動，伸縮縫型鋼之間的縫隙也會變寬或變窄，從而導致型鋼之間的縫隙不均勻，會導致行車車輛的不平穩。針對這種情況，常用的縫隙調整方法是彈簧壓縮力平衡[4]，在國內普遍采用這種結構形式，但這種方法受各種阻力不均現象的影響，很難做到型鋼間隙均勻與一致，給裝置結構穩定和行車平穩埋下隱患。

3 新型等距變位橋梁伸縮裝置的研發

為解決現行模數式伸縮裝置在應用中的不足，我們研發出了一種等距變位橋梁伸縮裝置。如下將對本等距變位橋梁伸縮裝置的結構特征、工作原理、設計計算及技術優勢進行詳細介紹。

3.1 結構特征

等距變位橋梁伸縮裝置，主要由支撐系統、型鋼、縫寬調整系統這3部分組成，裝置結構如圖2所示。

支撐系統主要包括支撐梁、連接架、壓緊支座、承壓支座，承壓支座和壓緊支座以U形結構分別套裝在支撐梁下方和上方，其接觸面均設有滑移板可滑移運動，如圖3所示。

縫寬調整系統由多個調整裝置組成，每個調整裝置與相鄰的n根型鋼斜交連接。縫寬調整系統包括調整梁、轉動支座、連接架，其系統結構如圖4所示。

3.2 工作原理

支撐系統包括支撐梁、連接架、壓緊支座、承壓支座，承壓支座和壓緊支座以U形結構吊架分別套裝在支撐梁下方和上方，其接觸面均設有滑移板可滑移運動。

圖2 等距變位橋梁伸縮裝置結構圖

圖3 支撐系統結構

圖4 縫寬調整系統結構

縫寬調整系統由多個調整裝置串聯組成，根據實際需要，每個調整裝置與相鄰的n（n〉3）根型鋼斜交連接，縫寬調整裝置包括調整梁、轉動支座、連接架和若干對調整支座組成。調整支座與調整梁組成滑動副，與連接架組成轉動副。

當伸縮縫寬度發生變化時，各型鋼可在支撐梁上自由滑動，支撐系統解決伸縮縫的載荷支撐及載荷傳遞；縫寬調整系統串聯布置于支撐體系中間空當區域，是一種剛性聯動機構。若其中一根型鋼發生位移，在調整系統相互作用下型鋼均會產生位移。并最終將位移均勻地分配給中梁和邊梁。

3.3 設計計算

3.3.1 支撐梁力學性能計算

支撐橫梁的強度和撓度計算是模數式縫設計中必須考慮的問題，以GQF1120縫所用支撐梁進行理論計算和驗證，充分證明了設計參數的正確性。

圖5 梁結構及橫截面尺寸

依據《公路橋涵設計通用規范》不考慮制動力時，豎向載荷 F=140×(1+μ)=140×1.45=203 kN，彈性模量E=2.06×1011.

3.3.1.1 撓度

3.3.1.2 應力

圖6 應力

圖7 最大應力

在彎矩作用下，梁橫截面下拉上壓，在上、下邊緣位置應力最大。

強度條件：σ≤[σ]，

許用應力：[σ]≤σs/n.

查《機械設計手冊》Q345鋼的屈服強度為345 MPa，上述應力結果都滿足要求。

3.3.2 調整梁力學性能計算

從圖8可以看出，摩阻力F是由滑動阻力F2和轉動阻力F1組成，依據《橋梁伸縮縫技術規范》（JT/T 327—2004）各支撐壓緊摩阻力最大取值為0.4 kN，根據結構特性，換算出每個調整梁結點處的摩阻力值F=0.6 kN，需用轉動阻力P=1.92 kN。

按簡支梁力學計算模型進行理論計算，其計算方法和支撐梁相同，而對于梁截面尺寸（60×80）mm長度1 211 mm的調整梁，其強度、撓度計算值極小，可完全滿足設計要求。

圖8 調整梁受力圖

3.4 技術優勢

通過工程實踐，與現有技術相比，等距變位橋梁伸縮裝置中的支撐系統與縫寬調整系統相互獨立，其具有如下技術優勢：

a）當伸縮縫寬度發生變化時，各型鋼可在支撐梁上自由滑動，支撐系統可解決伸縮縫的載荷支撐及載荷傳遞，避免應力集中。

b）縫寬調整系統布置于支撐體系中間空檔區域。若其中一根型鋼發生位移，在調整系統相互作用下，型鋼均會產生位移，并最終將位移均勻地分配給各中梁和邊梁，有效解決了型鋼間隙不均勻的問題。

c）支撐系統與縫寬調整系統可分別制造后再組裝在一起，大大降低了組裝技術難度，簡化了現有技術在組裝過程中的實施難度，降低了局部損壞構件的更換難度。

d）由于本裝置能夠保證型鋼間隙均勻，且可整體調整，幅度合理，避免了伸縮縫過寬，在確保行車更加平穩的同時，還可以有效減弱行車通過時的噪聲污染，減弱水損害帶來的負面影響。

綜上，可以看出，本等距變位橋梁伸縮縫裝置能夠有效解決現行模數式橋梁伸縮裝置中結構性差、型鋼間隙不均勻、噪聲污染嚴重、水溫損害嚴重等不足。

4 結語

本文從現行橋梁伸縮裝置的分類及適用性分析出發，總結了現行模數式橋梁伸縮裝置的結構特性及在工程應用中存在的不足，最后基于現行模數式橋梁伸縮裝置的不足，研制出了一種等距變位橋梁伸縮裝置專利技術。通過對本等距變位橋梁伸縮裝置的結構特征、工作原理、施工安裝技術要點及技術優勢的詳細分析，發現等距變位橋梁伸縮裝置能夠有效彌補現行模數式橋梁伸縮裝置中結構性差、型鋼間隙不均勻、噪聲污染嚴重、水溫損害嚴重等不足，具有較好的推廣應用價值和市場前景。