橋梁伸縮裝置的設(shè)計(jì)相關(guān)問題

王 東

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030012)

伸縮縫是橋梁的重要組成部分，在適應(yīng)梁體伸縮上有重要作用，能避免結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生。為保證伸縮縫充分發(fā)揮應(yīng)有作用效果，需要根據(jù)實(shí)際情況做好伸縮縫設(shè)計(jì)，充分考慮各項(xiàng)設(shè)計(jì)問題。

1 橋梁伸縮縫設(shè)計(jì)計(jì)算

對(duì)伸縮縫進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型時(shí)，需要充分考慮橋梁伸縮量，對(duì)橋梁伸縮量有影響的因素主要有以下兩種：其一，氣溫變化；其二，混凝土徐變。日照等其他因素，會(huì)使橋梁的上緣和下緣由于溫度不同出現(xiàn)一定撓曲，導(dǎo)致梁端產(chǎn)生一定轉(zhuǎn)角變位置。對(duì)于跨徑相對(duì)較大的橋梁，其一側(cè)在受到日照后，將產(chǎn)生一定的變位，而這一變位往往相對(duì)較小，設(shè)計(jì)過程中一般無需考慮，在構(gòu)造設(shè)計(jì)與預(yù)留量確定時(shí)給予適當(dāng)考慮即可[1]。

1.1 由于溫度變化產(chǎn)生的伸縮

根據(jù)橋梁所在地區(qū)氣溫，結(jié)合伸縮縫安裝過程中的溫度，對(duì)橋梁伸縮量進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式為：

ΔLt=(Tmax-Tmin)γ2L

(1)

ΔL+=(Tmax-Tset)γ2L

(2)

ΔL-=(Tset-Tmin)γ2L

(3)

其中，ΔLt為由于溫度變化產(chǎn)生的伸縮；ΔL+為當(dāng)溫度升高時(shí)橋梁產(chǎn)生的伸長或收縮；ΔL-為當(dāng)溫度降低時(shí)橋梁產(chǎn)生的伸長或收縮；Tmax為橋梁所在環(huán)境的最高溫度；Tmin為橋梁所在環(huán)境的最低溫度；Tset為伸縮縫施工過程中的溫度；γ為膨脹系數(shù)。

1.2 由于混凝土收縮和徐變產(chǎn)生的伸縮

對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)充分考慮因混凝土收縮和徐變產(chǎn)生的伸縮。同時(shí)要經(jīng)過換算確定溫度的下降量。由于收縮徐變產(chǎn)生的伸縮，需要根據(jù)受到持續(xù)應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生的變形與徐變系數(shù)相乘來確定。按照現(xiàn)行規(guī)范要求，因混凝土收縮徐變產(chǎn)生的影響，可將其作為由于溫度降低造成的影響。

在安裝伸縮縫的過程中，若能準(zhǔn)確把握這一過程，則能保證伸縮縫結(jié)構(gòu)的合理性與有效性。伸縮量可采用以下公式計(jì)算確定：

ΔLs=Δt3γ3L3β

(4)

ΔLc=δρ/Ee3φ3L3β

(5)

其中，ΔLs為因混凝土收縮產(chǎn)生的伸縮；ΔLc為因混凝土徐變產(chǎn)生的伸縮；Ee為所用混凝土材料彈性模量，取3.3 MPa×104MPa；δρ為所用混凝土材料徐變系數(shù)，取2.0；β為混凝土材料的收縮徐變遞減系數(shù)，按表1的要求進(jìn)行取值[2]。

表1 混凝土材料收縮徐變遞減系數(shù)取值要求

1.3 伸縮量簡易估算

原則上，橋梁的伸縮量需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件進(jìn)行計(jì)算，這樣使計(jì)算的過程十分復(fù)雜，尤其是在寒冷地區(qū)。為此，有必要提出一種簡易估算方法。需要注意的是，當(dāng)采用簡易估算時(shí)，應(yīng)取10%左右的余量。

1)鋼橋：其溫度變化范圍為-10 ℃～+40 ℃，由溫度變化產(chǎn)生的伸縮量為0.63L，由于未采用混凝土材料，所以不涉及由收縮徐變造成的伸縮。在此基礎(chǔ)上還應(yīng)考慮0.063L的余量，則總伸縮量為0.663L。

2)鋼筋混凝土橋：其溫度變化范圍為-5 ℃～+35 ℃，由溫度變化產(chǎn)生的伸縮量為0.43L，由混凝土材料收縮現(xiàn)象產(chǎn)生的伸縮量為0.23L3β。在此基礎(chǔ)上還應(yīng)考慮0.043L的余量，則總伸縮量為(0.44+0.23β)3L。

3)預(yù)應(yīng)力混凝土橋：其溫度變化范圍為-5 ℃～+35 ℃，由溫度變化產(chǎn)生的伸縮量為0.43L，由混凝土材料收縮現(xiàn)象產(chǎn)生的伸縮量為0.23L3β，由徐變現(xiàn)象產(chǎn)生的伸縮量為0.43L3β。在此基礎(chǔ)上還應(yīng)考慮0.043L的余量，則總伸縮量為(0.44+0.63β)3L。

其中，L為伸縮梁長；β為混凝土材料的收縮徐變遞減系數(shù)。

2 橋梁伸縮縫選型

完成對(duì)伸縮量的計(jì)算后，需據(jù)此確定伸縮縫類型，所選伸縮縫類型是否適宜，不僅決定橋面能否保持平整，而且還會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性及通行舒適性造成影響?；诖耍O(shè)計(jì)過程中必須綜合考慮各項(xiàng)因素確定合適的伸縮縫，以滿足預(yù)期要求。但伸縮縫的類型有很多，不同伸縮縫類型有不同的特點(diǎn)、性質(zhì)和適用條件。所以在選型時(shí)應(yīng)先了解不同類型伸縮縫的特點(diǎn)。就目前而言，我國常用下列幾種伸縮縫[3]。

2.1 組合伸縮縫

1)大位移量伸縮縫。

該伸縮縫的構(gòu)造較為簡單，具有良好的伸縮與機(jī)械性能。該伸縮縫由若干相同模數(shù)構(gòu)成，當(dāng)伸縮量較大或較小時(shí)，僅需改變支承梁實(shí)際長度，并調(diào)整型鋼及橡膠條的數(shù)量，即可形成伸縮量各不相同的橋梁伸縮縫。現(xiàn)在這種伸縮縫的實(shí)際應(yīng)用很多，然而普遍存在一個(gè)實(shí)際問題，也就是安裝的好壞對(duì)伸縮縫作用的發(fā)揮有直接影響。因此，在實(shí)際工作中，必須嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)程操作，保證伸縮縫安裝質(zhì)量。

2)小位移量伸縮縫。

該伸縮縫由橡膠條和鋼梁兩部分組成，采用由混合填料與合成彈性體構(gòu)成的復(fù)合材料對(duì)橋梁和伸縮縫進(jìn)行粘結(jié)。該伸縮縫的生產(chǎn)廠家現(xiàn)在還比較少，其中以BEJ系列最為常用，該系列伸縮縫采用以下三種材料：可伸縮嵌條、樹脂混合物與鋼梁。該伸縮縫能滿足在大范圍進(jìn)行剪切與位移的要求，同時(shí)在垂直方向上能進(jìn)行一定位移，適用面較廣。同時(shí)，該伸縮縫僅需有豐富工作經(jīng)驗(yàn)的施工人員安裝即可，施工和后期養(yǎng)護(hù)維修都十分方便。

2.2 板式橡膠伸縮縫

這一伸縮縫在應(yīng)用早期存在一個(gè)重要的問題，即為使用周期相對(duì)較短，容易老化。對(duì)于橡膠而言，它本身就有抗老化性能和耐低溫性能較差的問題，現(xiàn)在很多廠家制造的橡膠，均通過對(duì)三元乙丙膠及氯丁膠等的使用來解決該問題。但因錨固等方面的問題，會(huì)使伸縮縫使用時(shí)產(chǎn)生彈跳的現(xiàn)象，導(dǎo)致伸縮縫周圍產(chǎn)生破壞?；诖?，在高等級(jí)公路中，應(yīng)減少或避免使用這種伸縮縫。

2.3 埋入式伸縮縫

這種伸縮縫主要采用具有良好防水性能且能與鋪裝相銜接的材料，現(xiàn)在常用WAB0與TST兩種埋入式伸縮縫，主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：第一，安裝速度快，除了能在新建工程中使用，還能用于已經(jīng)破壞的伸縮縫換新，且安裝的速度很快，僅幾個(gè)小時(shí)就可以恢復(fù)通車;第二，能保證行車的平穩(wěn)性，因該伸縮縫采用混合彈性材料，沒有間隙接口，靠彈性材料具有的流動(dòng)性，將構(gòu)件當(dāng)中的碎石和間隙填平，形成一個(gè)具有良好防水性能且光滑的接頭。這樣能從根本上杜絕跳車，起到保證行車平穩(wěn)性的作用；第三，施工簡單，因這種伸縮縫的結(jié)構(gòu)科學(xué)合理，無需進(jìn)行錨固，省去相應(yīng)的過程，除了能簡化施工，還能減少施工的成本；第四，防水效果顯著，該伸縮縫所用彈性材料有良好防水性能，而且粘合性也很強(qiáng)，能和鋪裝層之間可靠粘結(jié)，不會(huì)出現(xiàn)裂口，達(dá)到理想防水效果[4]。

該伸縮縫主要用于伸縮位移不超過50 mm的中小規(guī)模橋梁。目前這種伸縮縫在我國的實(shí)際應(yīng)用還比較少，仍處在試驗(yàn)的階段。對(duì)此，應(yīng)積極參考國外相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用要求，不斷加深對(duì)這種伸縮縫的研究，以促進(jìn)其推廣應(yīng)用。

3 結(jié)語

在橋梁的伸縮縫設(shè)計(jì)過程中，首先應(yīng)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)，結(jié)合橋梁使用功能需要，對(duì)由溫度變化和混凝土收縮徐變產(chǎn)生的伸縮量進(jìn)行計(jì)算，然后再根據(jù)伸縮量計(jì)算結(jié)果，選擇適宜的伸縮縫類型，在條件允許的情況下，選用新型伸縮縫，并通過管理控制，保證伸縮縫施工質(zhì)量。