等距變位橋梁伸縮裝置的設(shè)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(shè)置的為使行駛車輛平穩(wěn)通過橋面的且能夠適應(yīng)橋面變形需求的各種裝置的總稱[1]。伴隨著我國公路建設(shè)的大力發(fā)展，伸縮裝置的需求及作用顯得越發(fā)重要。由于橋梁伸縮裝置是在梁端（板端）設(shè)置，其將直接承受來自橋面行駛車輛荷載的反復(fù)作用，且易受到大自然中水溫因素的影響，其結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(shè)的公路橋梁工程的需要。鑒于此，本文將在分析現(xiàn)行橋梁伸縮裝置不足的情況下，研發(fā)出一種等距變位橋梁伸縮裝置，并對其結(jié)構(gòu)特征、工作原理及技術(shù)優(yōu)勢進行了系統(tǒng)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(jié)構(gòu)功能有[3]：a）適應(yīng)水、溫度等自然因素變化時，橋梁梁端翹曲轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)傳遞至梁體，彌補梁端（板端）孔隙，保證行車平穩(wěn)。

現(xiàn)階段，隨著橋梁工程設(shè)計理論與施工技術(shù)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(jié)構(gòu)的角度將其大體分為板式、組合式伸縮裝置和模數(shù)式伸縮裝置。各類橋梁伸縮裝置的適用情況及結(jié)構(gòu)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(shù)式伸縮裝置是目前適用范圍最廣的伸縮縫類型，由于模數(shù)式伸縮裝置工藝結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、使用壽命長、適用性強，現(xiàn)階段的應(yīng)用廣泛，本文將重點探討模數(shù)式伸縮裝置。

2 現(xiàn)行模數(shù)式伸縮裝置的結(jié)構(gòu)特性

模數(shù)式伸縮縫的結(jié)構(gòu)特征為：兩側(cè)對稱設(shè)置兩根截面“F”形、“E”形型鋼；中間設(shè)置不同數(shù)量的截面“王”型型鋼；在兩根型鋼之間設(shè)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(jié)構(gòu)。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模數(shù)式伸縮裝置基本結(jié)構(gòu)

圖1中，梁與支承橫梁一對一地焊接牢固，車輛重量經(jīng)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(nèi)，從而形成封閉的傳力結(jié)構(gòu)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(jīng)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(tǒng)的模數(shù)式伸縮裝置具有適用性好、結(jié)構(gòu)性能強的特點，但在工程應(yīng)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(jié)構(gòu)。

2.3 型鋼間隙不均勻

在環(huán)境溫度發(fā)生變化時，橋體會發(fā)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(dǎo)致型鋼之間的縫隙不均勻，會導(dǎo)致行車車輛的不平穩(wěn)。針對這種情況，常用的縫隙調(diào)整方法是彈簧壓縮力平衡[4]，在國內(nèi)普遍采用這種結(jié)構(gòu)形式，但這種方法受各種阻力不均現(xiàn)象的影響，很難做到型鋼間隙均勻與一致，給裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和行車平穩(wěn)埋下隱患。

3 新型等距變位橋梁伸縮裝置的研發(fā)

為解決現(xiàn)行模數(shù)式伸縮裝置在應(yīng)用中的不足，我們研發(fā)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(jié)構(gòu)特征、工作原理、設(shè)計計算及技術(shù)優(yōu)勢進行詳細介紹。

3.1 結(jié)構(gòu)特征

等距變位橋梁伸縮裝置，主要由支撐系統(tǒng)、型鋼、縫寬調(diào)整系統(tǒng)這3部分組成，裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

支撐系統(tǒng)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(jié)構(gòu)分別套裝在支撐梁下方和上方，其接觸面均設(shè)有滑移板可滑移運動，如圖3所示。

縫寬調(diào)整系統(tǒng)由多個調(diào)整裝置組成，每個調(diào)整裝置與相鄰的n根型鋼斜交連接。縫寬調(diào)整系統(tǒng)包括調(diào)整梁、轉(zhuǎn)動支座、連接架，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2 工作原理

支撐系統(tǒng)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(jié)構(gòu)吊架分別套裝在支撐梁下方和上方，其接觸面均設(shè)有滑移板可滑移運動。

圖2 等距變位橋梁伸縮裝置結(jié)構(gòu)圖

圖3 支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 縫寬調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

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

3.3 設(shè)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(shù)式縫設(shè)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(shè)計參數(shù)的正確性。

圖5 梁結(jié)構(gòu)及橫截面尺寸

依據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)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(yīng)力

圖6 應(yīng)力

圖7 最大應(yīng)力

在彎矩作用下，梁橫截面下拉上壓，在上、下邊緣位置應(yīng)力最大。

強度條件：σ≤[σ]，

許用應(yīng)力：[σ]≤σs/n.

查《機械設(shè)計手冊》Q345鋼的屈服強度為345 MPa，上述應(yīng)力結(jié)果都滿足要求。

3.3.2 調(diào)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(zhuǎn)動阻力F1組成，依據(jù)《橋梁伸縮縫技術(shù)規(guī)范》（JT/T 327—2004）各支撐壓緊摩阻力最大取值為0.4 kN，根據(jù)結(jié)構(gòu)特性，換算出每個調(diào)整梁結(jié)點處的摩阻力值F=0.6 kN，需用轉(zhuǎn)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(diào)整梁，其強度、撓度計算值極小，可完全滿足設(shè)計要求。

圖8 調(diào)整梁受力圖

3.4 技術(shù)優(yōu)勢

通過工程實踐，與現(xiàn)有技術(shù)相比，等距變位橋梁伸縮裝置中的支撐系統(tǒng)與縫寬調(diào)整系統(tǒng)相互獨立，其具有如下技術(shù)優(yōu)勢：

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

b）縫寬調(diào)整系統(tǒng)布置于支撐體系中間空檔區(qū)域。若其中一根型鋼發(fā)生位移，在調(diào)整系統(tǒng)相互作用下，型鋼均會產(chǎn)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(tǒng)與縫寬調(diào)整系統(tǒng)可分別制造后再組裝在一起，大大降低了組裝技術(shù)難度，簡化了現(xiàn)有技術(shù)在組裝過程中的實施難度，降低了局部損壞構(gòu)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(diào)整，幅度合理，避免了伸縮縫過寬，在確保行車更加平穩(wěn)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(xiàn)行模數(shù)式橋梁伸縮裝置中結(jié)構(gòu)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(jié)語

本文從現(xiàn)行橋梁伸縮裝置的分類及適用性分析出發(fā)，總結(jié)了現(xiàn)行模數(shù)式橋梁伸縮裝置的結(jié)構(gòu)特性及在工程應(yīng)用中存在的不足，最后基于現(xiàn)行模數(shù)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(shù)。通過對本等距變位橋梁伸縮裝置的結(jié)構(gòu)特征、工作原理、施工安裝技術(shù)要點及技術(shù)優(yōu)勢的詳細分析，發(fā)現(xiàn)等距變位橋梁伸縮裝置能夠有效彌補現(xiàn)行模數(shù)式橋梁伸縮裝置中結(jié)構(gòu)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(yīng)用價值和市場前景。