橋梁伸縮裝置創新技術應用

文/河北寶力工程裝備股份有限公司 王希慧

衡水中交信德工程橡塑有限公司 趙杰

橋梁伸縮裝置的設計和構造應根據橋梁的位置、結構、變形要求，以及橋梁支座的類型、橋梁長度和當地氣候條件綜合考慮合理選型，方能保證伸縮裝置具有精確定位和變位能力，滿足橋梁運行需求。

傳統伸縮裝置包括模數伸縮裝置和梳齒板伸縮裝置，能實現梁體的順橋向變位和水平轉角要求，但無法豎向變位，同時本身結構存在一定缺陷，造成伸縮裝置使用壽命較低。隨著交通發展，以及對行車舒適度的要求，人們對伸縮裝置的功能提出了更高的要求：便捷的安裝和更換；優越的防水性能；防跳車舒適通行；良好的降噪性能；較長的使用壽命等。本文所介紹的一種磁力減振降噪多向變位伸縮裝置——磁力減振降噪多向變位伸縮裝置，是一種橋梁伸縮裝置創新技術，能實現以上功能。

裝置結構

磁力減振降噪多向變位伸縮裝置，首次將永久磁鐵引入到伸縮裝置領域。在主齒板（活動齒板、跨縫齒板）跨縫兩端分別設置有永久磁體，依靠永久磁鐵給伸縮裝置一個柔性的豎向力的作用。當梁體與梁體或梁體與橋臺間產生豎向高差或折角時，永久磁鐵吸附主齒板齒端使之與路面有效貼合，保證橋面的平整。不會因車輛通過時齒板的上下振動而發出噪聲，防止跳車，同時加速振動衰減，降低噪聲，保證行駛的安全和舒適性，延長伸縮裝置使用壽命。

伸縮裝置為齒板型結構（如圖1所示），主要創新為：在主齒板兩側錨固端和活動端均加了永久磁鐵，可以有效保證齒板與下部緊密貼合；錨固螺栓上下設置有減振橡膠墊，可以順應齒板的豎向變位要求；采用獨立的止水結構，可以單獨更換止水帶（如圖2所示）。

圖1 磁力減振降噪多向變位伸縮裝置結構示意

圖2 減振橡膠墊安裝示意

裝置特點

優越的豎向變位性能

當梁端發生豎向變位時，主齒板與副齒板形成夾角，依靠永久磁鐵的磁力作用，將主齒板牢牢吸附在耐候鋼板上，避免形成懸臂。錨固端采用單排螺栓，螺栓位置即為豎向轉動支點，依靠減振橡膠墊的變形順應齒板的變位要求，避免錨固螺栓受彎，保證路面平整，減小齒板振動。

現有多向變位伸縮裝置能適應梁體的豎向折角變化，但是主齒板活動端卻沒有力的束縛，僅能依靠重力作用發生傾斜，搭接于梁體兩端，當車輛通過時容易造成齒板振動，使錨固螺栓松動或損壞。主齒板活動端既要能實現位移，又要有向下的力的作用，這是長期以來無法解決的問題，而永久磁鐵有效地解決了這一問題。

優越的安裝更換性能

由于永久磁鐵的作用，主齒板與耐候鋼板隨時保持閉合狀態，最大限度保證密實性，主齒板與下部耐候鋼板不會存在間隙，有效降低振動。同時，主齒板螺栓直線布置，有利于齒板豎向轉動，永久磁鐵的柔性作用，不會存在預應力，受力蹩勁的現象，保證產品性能延長使用壽命。伸縮裝置采用獨立的止水結構，單獨更換不影響伸縮裝置主體性能，型鋼與止水帶的結合，保證了橡膠更換的便捷。

優越的降噪性能

當車輛在伸縮裝置表面通過時，車輛的沖擊作用和行車路面的不平整，會引起振動和噪聲，引起明顯的環境污染。可通過在伸縮裝置表面設置降噪板等措施，或使與行車方向垂直的縫隙改變成斜交方向，從而降低噪聲的量級。

阻尼效應，衰減振動

車輛通過梳齒板伸縮裝置的狀態可以等效為圖3的模型，等截面簡支梁，其跨度長為L。彎曲剛度為EI，在梁中點放一質量為m的物體，其力的大小等效為沖擊力的作用。梁的質量與自重不計。

理想狀態的無阻尼自由振動，振動的振幅不隨時間改變，振動過程將無限進行下去。實際上，任何振動系統在運動時總會受到各種阻力的作用，由于阻力的存在而不斷消耗振動能量，使振幅不斷地減小，直至最后振動停止。振動過程中的阻力稱為阻尼。產生阻尼的原因很多，例如接觸面間的摩擦力、氣體或液體介質的阻力、彈性材料中分子的內阻尼等。

圖3 梳齒板伸縮裝置等效模型

而在系統原有的阻尼效應中人為地增加了永久磁鐵的吸附力作用，加速了梳齒板振動的衰減。如上述情況忽略系統本身的阻尼效應，只考慮永久磁鐵的阻尼作用，系統的振動不再是等幅的簡諧振動，其振幅按負指數規律隨時間不斷衰減，所以又稱為衰減振動，運動圖線如圖4所示。

顯然，由于阻尼的存在，系統自由振動的周期增大，頻率減小，能夠有效避免梳齒板振動周期與車輛固有周期相近，產生共振。同時，阻尼作用能有效將車輛沖擊帶來的齒板振動快速衰減，避免了齒板的疲勞損壞。由于聲音是振動產生的，在梳齒板振動的過程中不斷地產生噪聲，而永久磁鐵的阻尼作用能有效降低噪聲的持續時間及噪聲大小。

圖4 永久磁鐵阻尼作用

緩沖作用，降低噪聲

伸縮裝置主齒板和副齒板錨固螺栓位置均設置有減振橡膠墊，能有效起到緩沖作用，降低噪聲產生。

取消間隙，避免碰撞

由于齒板采用錨固螺栓連接，為了保證能夠正常安裝，梳齒板都加工為通孔，相比螺栓直徑要大一些。這樣，車輛在梳齒板上部發生制動時，齒板就會在螺栓孔間隙內滑動，沖擊螺栓桿和周邊混凝土，碰撞產生噪聲。該齒板中心位置采用銷軸連接，減少了螺栓孔間隙，齒板不會因間隙沖擊產生噪聲，還不影響伸縮裝置實現水平轉動。

性能試驗

永久磁鐵吸附力試驗

對單個永久磁鐵做吸附力試驗，試件包括伸縮裝置使用直徑50mm永久磁鐵模塊、直徑90mm的測試塊。將永久磁鐵設置于壓環內部，與磁鐵墊塊吸附，直徑20mm圓桿用于設備夾緊，采用最大負荷不大于5kN的拉力試驗機。測量精度小于0.5%。測量單個永久磁鐵吸附力≥1kN，每延米永久磁鐵吸附力≥10kN(可根據實際伸縮量相應增加)。

減振降噪性能試驗

為了驗證伸縮裝置減振降噪性能，選用剛完成施工安裝的普通160梳齒板伸縮裝置和磁力減振降噪多向變位伸縮裝置對比試驗。在主齒板兩側(一側為錨固端，另一側為活動端)安裝壓電型加速度傳感器，用于測量齒板振動加速度。加速度傳感器放置于主齒板跨縫兩側，距間隙距離相等，連接恒流適配器，通過數據采集卡輸出到電腦，電腦上安裝測試面板軟件，可以直接讀出振動數據。對比伸縮裝置齒板振動加速度幅值及持續時間。試驗選擇整備質量1300kg至2000kg的M1類車輛，以50km/h勻速通過伸縮裝置，在車輛底盤設置有噪聲儀測量噪聲脈沖值。

通過試驗可知，采用磁力減振降噪多向變位伸縮裝置錨固端和活動端振動情況近似相等（如表1、表2所示），而普通梳齒板伸縮裝置活動端振動情況明顯大于錨固端，磁力減振降噪多向變位伸縮裝置錨固端振動加速度幅值為普通梳齒板的23%，活動端振動加速度幅值為普通梳齒板的20%。

表1 錨固端振動加速度幅值（mg）

表2 活動端振動加速度幅值（mg）

表3 車輛通過伸縮裝置噪聲水平【dB(A)】

選擇振動加速度大于幅值的10%的區間所持續時間，作為伸縮裝置的振動持續時間。經對比可發現，磁力減振降噪多向變位伸縮裝置振動持續時間為普通梳齒板的25%。

另外，還測量了車輛通過伸縮裝置時的噪聲值，以車輛通過伸縮裝置的噪聲峰值與正常路面行駛噪聲值（去除車輛通過伸縮縫時的脈沖點，以及測試過程中的無效點，對剩余數據求平均值）的差值作為該伸縮裝置的噪聲水平（如表3所示）。可以看出，不同伸縮裝置的噪聲水平，磁力減振降噪多向變位伸縮裝置噪聲水平比型鋼伸縮裝置降低2.2dB至2.4dB，比梳齒板伸縮裝置降低1.1dB。由于噪聲儀設置在車輛底部，發動機噪聲影響較大，造成行駛平均噪聲較高，所以通過伸縮裝置所引起的噪聲變化幅度較小，但已能看出明顯的降低。