大位移模數(shù)式橋梁伸縮縫設計及性能評估

李旭華

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

大跨徑橋梁梁端伸縮縫在運營階段各種荷載（溫度、風及車流等）作用下時時刻刻發(fā)生著拉壓、錯位及扭轉等變形，造成起支承及控制作用的滑動支承橡膠或鋼板因橫梁反復摩擦作用而不間斷磨損，致使大位移模數(shù)式伸縮縫更易發(fā)生破損現(xiàn)象，實際使用壽命遠遠小于設計壽命[1-5]，導致后期運營階段相當大的維護和替換成本。主跨為1 490 m的潤揚長江大橋[2]，在2005年通車后不久，伸縮縫的頻繁且快速伸縮變形導致伸縮縫彈簧支撐元件的過度磨損，2007年更換滑動支承及耐磨材料并添加了位移控制措施。主跨1 385 m的江陰長江大橋[1-4]在1999年通車4年后，伸縮縫中的滑動支承出現(xiàn)了過度磨損及剪切破壞的現(xiàn)象，在多次的維護和更換措施后，該伸縮縫在2007年被整體更換且增加了位移控制措施。大跨徑橋梁伸縮縫的早期破壞現(xiàn)象表明對大位移模數(shù)式伸縮縫的設計及運營階段性能評估進行深入研究是十分必要的。

首先詳細地介紹了大位移模數(shù)式伸縮縫的應用現(xiàn)狀及構造特點，并系統(tǒng)地分析了在車輪力作用下伸縮縫構件力的傳遞路徑、支撐梁及彈簧支撐元件的受力模式，為正常運營階段的伸縮縫變形及受力分析提供理論基礎。其次，以國內典型的大跨懸索橋及斜拉橋的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，從伸縮縫的縱向變形成因及累計伸縮行程角度對伸縮縫的整體性能進行分析評估，從伸縮縫組成元件滑動支承磨損及中梁在局部車載應力集中等現(xiàn)象角度對局部性能進行分析評估。最后，針對伸縮縫在運營階段中出現(xiàn)的病害成因如材料質量不過關、制造及安裝質量存在偏差、結構體系等進行歸納性分析。

1 大位移模數(shù)式伸縮縫

隨著國內跨江跨海大橋的建設，大跨橋梁需匹配結構合理且伸縮量較大的伸縮縫構造，而傳統(tǒng)的板式橡膠伸縮縫較難滿足大伸縮量的需求，鋼制式伸縮縫因密封性較差且沖擊力較大影響車輛的行駛舒適性。大位移模數(shù)式伸縮縫以伸縮量大、緩沖性能好、密封性較強及耐久性較好等優(yōu)勢脫穎而出，逐步被廣泛應用在大跨橋梁的建設中。20世紀80年代起，德國毛勒制造的大位移模數(shù)式伸縮縫開始進駐中國橋梁市場，隨后瑞士瑪格巴及美國WBA型號的伸縮縫的應用也逐漸廣泛。目前國內大位移模數(shù)式伸縮縫的主要型號如下：德國毛勒的轉軸式模數(shù)式伸縮裝置、瑞士瑪格巴的剪力彈簧模數(shù)式伸縮裝置、山西交科自主研發(fā)的GQF系列等距變位式橋梁伸縮裝置、成都新筑路橋機械股份有限公司仿馬格巴公司的ZL系列直梁式伸縮裝置，大位移模數(shù)式伸縮裝置在國內大跨橋梁中的應用現(xiàn)狀如表1所示。

大位移模數(shù)式伸縮縫裝置主要由型鋼組件、支撐體系、彈性支撐元件、位移控制元件、錨固系統(tǒng)及防水橡膠條這六大部分組成，大位移模數(shù)式伸縮縫構造圖如圖1所示。其結構功能主要是適應在溫度、車輛及風荷載等作用下橋梁發(fā)生的縱橋向、橫橋向、豎向及轉動變形，保證橋面車輛平穩(wěn)通過橋梁。大位移模數(shù)式伸縮裝置組成元件的主要功能如表2所示。

表1 大位移模數(shù)式伸縮裝置在國內大跨橋梁中的應用現(xiàn)狀

圖1 大位移模數(shù)式伸縮縫構造圖

表2 大位移模數(shù)式伸縮裝置組成元件

2 伸縮縫構件設計

大位移模數(shù)式伸縮縫結構中的型鋼組件通過彈性支撐元件和焊接在中梁底部的支撐架安裝在支撐梁上，且依據(jù)設計縱向伸縮量按一定的間距進行正交或斜交布置支撐梁，且通過設置在支撐架上的壓緊支座和承壓支座與橋面中梁或邊梁連接。伸縮縫端部通過支撐箱固定在兩側主體結構上，支撐梁、支撐架及支撐箱形成了大位移模數(shù)式伸縮縫的重要支撐體系。進行構件設計時，主要考慮的因素有合理的車輪力傳遞路徑、設計荷載、支撐梁設計及彈性支撐元件構造尺寸。

2.1 車輪力的傳遞路徑

在大位移模數(shù)式伸縮縫中，主要由支撐梁承擔并傳遞型鋼元件直接承受的車輛荷載。當高速行駛的車輛通過伸縮縫時，型鋼元件頂面將豎向車輪力及水平力通過支撐架、支座傳遞給支撐梁，進而分散至兩側固定的支撐箱。車輪力的傳力路徑如圖2所示。

圖2 車輪力的傳遞路徑

2.2 荷載作用

依《公路工程技術標準》規(guī)范的規(guī)定，進行伸縮縫設計時采用車輛總重55 t、雙后軸間距1.4 m及雙后輪間距1.8 m作為標準汽車荷載[6]。

2.2.1 靜力荷載

行駛中的車輪力分解為豎向靜荷載和水平荷載作用于伸縮縫構件上，豎向靜荷載采用140 kN的標準汽車輪載，當不考慮車輛制動力時仍需考慮1.45的車輛沖擊力。水平荷載采用車輛軸重標準值產(chǎn)生的制動力，即軸重標準值的30%。

2.2.2 疲勞荷載

因車輛荷載隨機性、高重復性等特點，伸縮縫的疲勞性能也是設計人員最為關心的問題之一。豎向疲勞荷載采用車輛軸重的0.45倍，荷載頻率采用f≤10 Hz，荷載循環(huán)次數(shù)一般采用2×105.

2.2.3 輪載

后輪著地寬度及長度為0.6 m×0.2 m，當伸縮縫型鋼元件的間距大于60 mm時，豎向輪載僅作用在一根中梁上，當間距小于60 mm時，豎向輪載分布到3根中梁。

2.3 支撐梁

因彈性支撐元件與支撐梁緊密接觸，車輪力傳遞至支撐梁時，載荷作用點的橫向截面位置不會改變，故將支撐梁的受力簡化為集中豎向力荷載下的簡支梁體系，如圖3所示，支撐梁需滿足規(guī)范規(guī)定的強度、剛度條件[6]。

a）強度條件 在彈性受力范圍內，支撐梁構件應力小于規(guī)范規(guī)定的限值[σ]。

b）剛度條件 跨中最大位移小于L/400。

圖3 支撐梁受力分析

2.4 彈性支撐元件

為防止車輛通過伸縮縫時引起支撐梁的振動反跳現(xiàn)象，大位移模數(shù)式伸縮縫設置了承壓支座和壓緊支座這兩種彈性支撐元件，作用于支撐梁上的預壓力與預壓變形量、支座豎向剛度K1、K2相關[7]，如式（1）所示。

式中：pi為支座預壓力，N；K1及K2為承壓支座及壓緊支座豎向剛度，N/mm；Xi為支座壓縮量，mm。當預壓力過大時，支座的摩阻力增大將影響支撐梁的滑動位移，而預壓力過小時，車輛通過伸縮縫時將引起較大的振動和噪聲，導致較大的沖擊力進而影響使用壽命。為達到降低摩擦系數(shù)的目標下保證支撐梁的正常滑動，承壓支座與壓緊支座的表面采用聚四氟乙烯板材料，接觸面摩阻力和摩擦系數(shù)的關系如式（2）所示。

式中：fi為支座摩阻力，N；μ為摩阻系數(shù)。

圖4 彈簧支撐元件

3 運營階段性能評估

在大跨橋梁的正常運營階段，伸縮縫在風、車輛及溫度等荷載作用下，時時刻刻發(fā)生著拉伸、壓縮及扭轉等變形。伸縮縫在運營階段的性能評估主要從整體性能及局部性能進行深入研究。

3.1 整體性能

3.1.1 縱向伸縮量

圖5 梁端伸縮縫縱向伸縮量實測值

依據(jù)文獻[2，5]中橋梁結構的健康監(jiān)測系統(tǒng)得到的江陰長江大橋及蘇通大橋伸縮縫的日伸縮量的實測值，通過對江陰長江大橋和蘇通大橋的伸縮縫變形實測曲線進行分析，伸縮縫日位移曲線呈現(xiàn)雙波疊加形式，兩個波分別為日溫差導致的伸縮循環(huán)和車輛荷載或風荷載作用引起的短周期伸縮循環(huán)，如圖5所示。通過對風-車荷載下和溫度荷載下江陰長江大橋和蘇通大橋的梁端伸縮縫縱向伸縮量分析發(fā)現(xiàn)，風-車荷載作用下，梁端伸縮縫縱向伸縮量時程曲線波動程度大，二者位移最大分別在0.1 m和0.15 m附近，江陰長江大橋在8時前和18時以后的伸縮量波動變化較大，而蘇通大橋在全天內伸縮量波動變化較平穩(wěn)；溫度荷載作用下，曲線波動小，較為平滑，二者位移波動的最大位移分別在0.1 m和0.003 m附近。由此可知，斜拉橋相對于懸索橋，因主梁縱向的約束相對較強，伸縮縫的縱向變形遠小于懸索橋伸縮縫的縱向變形；風及車輛荷載作用對伸縮縫的縱向累計變形貢獻遠遠大于溫度荷載作用。

3.1.2 累計伸縮行程

圖6 伸縮縫累計位移值

依據(jù)健康監(jiān)測系統(tǒng)[5]得到江陰長江大橋及蘇通長江大橋伸縮縫縱向變形實測值，進一步得到伸縮縫的日累計位移值及累計位移值，如圖6所示。蘇通大橋伸縮縫縱向日均累計位移為7.38 m，江陰長江大橋在安裝阻尼器前伸縮縫縱向日均累計位移近94 m，月累計位移近3.2 km。在安裝阻尼器后，日均累計位移減少近40%，月累計位移減小至2.0 km左右。由結果可知，江陰長江大橋伸縮縫縱向日均累計位移遠遠大于蘇通大橋，且已遠超設計預計量；因阻尼器對橋梁縱向變形的減振作用大大地降低了伸縮縫的縱向累計行程。

3.2 局部性能

3.2.1 滑動支承磨損

對大位移伸縮縫而言，伸縮縫累計位移行程是判定其使用壽命的重要依據(jù)之一[3]，以伸縮縫的累計變形量為基礎，從定量角度對伸縮縫承壓支座和壓緊支座的磨損狀況進行判定評估。假定伸縮縫彈簧支撐元件的表面均采用3 mm的聚四氟乙烯板，且磨耗率為15μm/km，當聚四氟乙烯板磨損至1 mm應對彈簧支撐元件進行維修更換，則伸縮縫彈性支撐元件正常工作的伸縮量限值是為133 km[2]。在大跨橋梁的正常運營階段下，可從彈簧支撐元件的磨損角度對伸縮縫的局部工作性能進行評估。

3.2.2 車載下局部應力響應

圖7 40 t卡車通過伸縮縫時構件應力時程

當40 t的三軸卡車通過伸縮縫時，伸縮縫中的中梁及支撐梁的應變時程如圖7所示[1]，當車輪作用于中梁時，中梁構件出現(xiàn)局部應力集中顯現(xiàn)，最大拉應變達到300με，支撐梁最大拉應變近100με。因車輛荷載的隨機性及高重復性，伸縮縫組成元件時時刻刻承受著高頻高應力幅循環(huán)作用，其組成構件的疲勞性能仍需進一步地深入研究。

3.3 運營階段伸縮縫病害成因及控制措施

不考慮交通量大及車輛超載行駛等因素，大位移模數(shù)式伸縮裝置在實際工作過程中產(chǎn)生的病害成因主要歸結為以下幾點：

a）制作過程材料質量不達標。我國采用擠出或軋制成型的工藝制造伸縮裝置中的鋼組件，通過小型煉鋼爐得到的鋼材質量不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)型鋼疲勞斷裂問題。因此，伸縮縫制作前應對材料進行嚴格質檢。

b）安裝時質量不過關。澆筑混凝土時，由于模數(shù)式伸縮裝置的預留槽口尺寸不大，內設支撐箱和錨固鋼筋，澆筑時混凝土密實度、強度及質量無法滿足要求。特別是位移箱下的混凝土易振搗不充分，實際運營過程中容易壓碎破壞，導致位移箱下移，中梁的鋼支撐跨徑增大，發(fā)生斷裂破壞。錨固區(qū)混凝土在使用過程中必須及時處理裂紋的發(fā)展，防止進一步出現(xiàn)坑槽，導致該部位破壞。因此，伸縮縫安裝時，應保證施工精度及施工質量。

c）伸縮縫構件材料耐久性較差。如橡膠密封帶通常直接暴露在外，長時間使用后，垃圾易進入伸縮縫并堵塞，造成結構老化，脆性增加并破裂。因此，為保證伸縮縫的工作壽命，應選用合理的耐久性較好的材料。

d）結構體系原因。相對斜拉橋而言，懸索橋縱向約束較弱，風及車輛荷載作用下伸縮縫縱向累計行程較大，如江陰長江大橋的伸縮縫因累計行程較大而引起支撐系統(tǒng)磨損破壞，進而引發(fā)其他元件相繼破壞，于2006年進行了整體更換。因此，為避免伸縮縫較大的累計行程位移，可通過設置阻尼器等輔助措施進行變形控制。

通過分析伸縮縫在運營階段的病害成因，制定病害對應處理措施以確保伸縮縫的正常工作狀態(tài)，達到減少后期維護管養(yǎng)的耗資。

4 結語

a）本文詳細地介紹了大位移模數(shù)式伸縮縫的應用現(xiàn)狀及構造特點，并系統(tǒng)地分析了在車輪力作用下伸縮縫構件力的傳遞路徑、支撐梁及彈簧支撐元件的受力模式，最后從設計角度提出了理論計算公式。

b）在正常運營階段中，從整體性能及局部性能兩個方面對大位移模數(shù)式伸縮縫進行了性能分析及評估。在整體性能方面，伸縮縫的整體伸縮主要由溫度荷載下的低周大幅值伸縮、風及車輛荷載下的高周小幅值伸縮兩大部分組成，且風及車輛荷載對伸縮縫的累計伸縮量貢獻較大；局部性能方面，較大的累計伸縮量將造成伸縮縫彈性支撐元件的磨損，同時，車載下伸縮縫組成元件在力的傳遞過程中出現(xiàn)了局部應力集中現(xiàn)象，應力極值未超材料強度限值，但結構疲勞性能需進一步深入研究。

c）針對伸縮縫在運營階段的病害成因如材料質量、制造及安裝質量、結構體系等進行了系統(tǒng)分析，并提出相對應的病害控制措施。