市政橋梁伸縮縫沖擊荷載實(shí)驗(yàn)分析及創(chuàng)新技術(shù)實(shí)踐

鄭國(guó)棟

（大慶市城市管理事業(yè)發(fā)展中心，黑龍江 大慶 163000）

在建設(shè)市政橋梁時(shí)，需要開(kāi)展沖擊荷載實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出該橋梁的最大車(chē)流量。后期市政橋梁開(kāi)放通車(chē)后，實(shí)時(shí)管控過(guò)橋車(chē)輛的速度、重量，將車(chē)輛帶來(lái)的沖擊荷載始終控制在實(shí)驗(yàn)確定的最大值以下，從而顯著降低伸縮縫因?yàn)樵馐軟_擊荷載而出現(xiàn)破壞的概率。因此，做好伸縮縫沖擊荷載實(shí)驗(yàn)和選擇新型施工技術(shù)，就成為現(xiàn)階段橋梁伸縮縫施工中必須要考慮的內(nèi)容。

1 市政橋梁伸縮縫沖擊荷載實(shí)驗(yàn)

1.1 市政伸縮縫跳車(chē)的縮尺實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

1.1.1 橋梁模型

按照1：30 的縮尺比例制作橋梁模型。該模型的主體材料為鋁合金，主梁為槽型結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)度380cm，寬度為10.5cm，高度為5.0cm，梁底厚度為0.16cm，兩側(cè)壁厚0.2cm。橋梁模型共計(jì)三跨，均為簡(jiǎn)支梁。中間跨主梁在兩側(cè)各設(shè)計(jì)了一個(gè)端頭，其中左側(cè)端頭為滾動(dòng)軸承簡(jiǎn)支，右側(cè)端頭與垂直方向上的沖擊力傳感器相連。這樣當(dāng)車(chē)輛模型經(jīng)過(guò)橋梁模型時(shí)，就可以檢測(cè)到?jīng)_擊荷載。另外，在主梁的側(cè)梁中間預(yù)留了2cm 的水平縫，代表實(shí)際橋梁上的伸縮縫。

1.1.2 車(chē)輛模型

模型車(chē)分為金屬車(chē)體和硅膠車(chē)輪兩部分，總長(zhǎng)度為15cm，寬度為6cm，軸距為9cm，輪距為7cm，車(chē)輪直徑2.5cm。模型車(chē)的上方設(shè)有凹槽，可以放置金屬塊，后期根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求增減金屬塊，通過(guò)調(diào)整模型的重量產(chǎn)生不同的沖擊荷載。車(chē)輪采用偏軟的硅膠，受到上部金屬車(chē)體的壓力作用，可以讓硅膠車(chē)輪與模擬橋面保持一定的接觸長(zhǎng)度，從而更加接近真實(shí)狀況下汽車(chē)的行駛狀態(tài)。未加金屬塊的情況下，模型車(chē)總重量為5.1kg，此時(shí)橡膠車(chē)輪與模擬橋面的接觸長(zhǎng)度為6.2mm。

1.1.3 測(cè)試與動(dòng)力系統(tǒng)

信號(hào)采集系統(tǒng)采用北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所的INV3018A 數(shù)據(jù)分析儀，采樣頻率取12.8kHz，沖擊力傳感器為PCB 壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器，加速度用揚(yáng)州科動(dòng)的壓電式加速度傳感器來(lái)測(cè)試。將細(xì)繩的一段綁在模擬車(chē)的前端，另一端綁在動(dòng)力裝置上，啟動(dòng)進(jìn)步電機(jī)拉動(dòng)細(xì)繩使模擬車(chē)前進(jìn)。通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使模型車(chē)的前進(jìn)速度從0 加速到1m/s。

1.2 縮縫跳車(chē)實(shí)驗(yàn)工況

第一次伸縮縫跳車(chē)實(shí)驗(yàn)，條件為保持空車(chē)狀態(tài)，伸縮縫為1.0mm，然后分別讓模型車(chē)以0.1m/s、0.2m/s……1.0m/s 的速度通過(guò)伸縮縫，每次通過(guò)后記錄下當(dāng)前速度下前輪輪壓峰值，即瞬時(shí)沖擊荷載。第二次伸縮縫跳車(chē)實(shí)驗(yàn)，條件為保持空車(chē)狀態(tài)，模型車(chē)速度為1m/s，然后調(diào)節(jié)伸縮縫的寬度，依次為0mm、0.5mm、1.0mm……3.0mm。同樣記錄每次通過(guò)時(shí)前輪輪壓峰值，即瞬時(shí)沖擊荷載。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

圖1 是模型車(chē)在空車(chē)狀態(tài)下保持1m/s 速度，分別駛過(guò)不同寬度伸縮縫時(shí)前輪輪壓峰值的曲線圖。由圖可知，隨著伸縮縫寬度的增加，模型車(chē)對(duì)模擬橋面產(chǎn)生的沖擊荷載也相應(yīng)的升高。圖2 是模型車(chē)在空車(chē)狀態(tài)下，保持伸縮縫寬度為1.0mm，分別以不同速度駛過(guò)伸縮縫時(shí)前輪輪壓峰值的曲線圖。由圖可知，隨著模型車(chē)的行駛速度不斷加快，對(duì)模擬橋面產(chǎn)生的沖擊荷載也相應(yīng)的升高。

圖1 伸縮縫寬度對(duì)模型車(chē)前輪輪壓的影響

圖2 模型車(chē)速度對(duì)伸縮縫跳車(chē)時(shí)沖擊荷載的影響

用沖擊系數(shù)來(lái)衡量車(chē)輪的沖擊荷載，在四種典型伸縮縫寬度情況下，測(cè)得車(chē)輛前輪輪壓的沖擊系數(shù)，如圖3所示。結(jié)合圖4 中的曲線變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，最大輪壓位置總是出現(xiàn)在距離伸縮縫端部4-6mm 的范圍內(nèi)。始終低于模擬車(chē)空載狀態(tài)下硅膠輪胎與模擬橋面最大壓痕（6.2mm）。由此可以判斷，在模擬車(chē)的車(chē)輪剛駛過(guò)伸縮縫時(shí)，此時(shí)產(chǎn)生的沖擊荷載達(dá)到峰值。根據(jù)這一特點(diǎn)，在市政橋梁的伸縮縫設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)伸縮縫兩側(cè)的抗沖擊性能。

圖3 不同伸縮縫寬度下的跳車(chē)沖擊系數(shù)

圖4 最大輪壓位置與行車(chē)速度關(guān)系

2 基于沖擊荷載實(shí)驗(yàn)結(jié)果控制伸縮縫施工技術(shù)

2.1 伸縮縫的選型及伸縮量的控制

2.1.1 伸縮縫的選型

在本次工程中，綜合多種因素后最終選擇了EJN250型伸縮縫，滿足以下條件：最低抗拉強(qiáng)度為15N/mm2，最低抗剪強(qiáng)度2.0N/mm2，最小極限伸長(zhǎng)率為400%。另外，錨固螺栓為316 型鋼材，橡膠材料的剪切模量1.0N/mm2。

2.1.2 伸縮量的計(jì)算和控制

計(jì)算伸縮縫的伸縮量和準(zhǔn)確控制，并根據(jù)安裝時(shí)的氣溫調(diào)整安裝間隙定位位置，然后采用專(zhuān)用的卡具將伸縮縫固定住。

2.2 切縫

在切縫機(jī)下面鋪上一層護(hù)墊，這樣當(dāng)切縫機(jī)行走時(shí)才能防止破壞或者污染已經(jīng)形成的油面。在預(yù)留槽兩側(cè)各鋪一條寬度約為10cm 的布條，作用是盛放預(yù)留槽內(nèi)的雜物。上述工作結(jié)束后，用水槍沖洗預(yù)留槽，待表面干燥后，使用水平儀檢測(cè)兩側(cè)瀝青路面的平整度是否達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在符合規(guī)程的前提下開(kāi)始沿著彈線進(jìn)行切縫。保證切縫平直，完成切縫后要采用清水沖洗的方式，將縫隙內(nèi)的雜物沖出。

2.3 開(kāi)槽

開(kāi)槽時(shí)使用風(fēng)鎬可以提升作業(yè)效率。按照施工圖紙上的要求，開(kāi)槽深度為15cm，完成開(kāi)槽后將槽內(nèi)的粉末、殘?jiān)惹謇砀蓛簟Ｈ绻謇頃r(shí)發(fā)現(xiàn)槽內(nèi)預(yù)埋了鋼筋，應(yīng)當(dāng)及時(shí)更改位置，避免造成破壞。現(xiàn)場(chǎng)施工人員觀察兩側(cè)槽壁是否整齊，如果存在參差不齊的情況，需要使用手持工具進(jìn)行抹平。處理期間，禁止現(xiàn)場(chǎng)施工人員或者車(chē)輛隨意在縫槽兩側(cè)行走。

2.4 鉆孔

鉆孔前對(duì)伸縮縫進(jìn)行定位檢測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容主要包括3 個(gè)方面：其一是平直度檢測(cè)，整個(gè)伸縮縫的平直度最大允許誤差為3mm，超過(guò)3mm 需要進(jìn)行處理；其二是平整度監(jiān)測(cè)，整個(gè)伸縮縫的平整度最大允許誤差為2mm，超過(guò)2mm 需要進(jìn)行處理；其三是伸縮縫上端面與兩側(cè)橋面的最大高度差為2mm，超過(guò)2mm 需要進(jìn)行處理。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量確定均滿足要求后，按照施工圖紙找到相應(yīng)的位置進(jìn)行打孔。

2.5 安裝伸縮縫

當(dāng)預(yù)留槽清理完成之后，即可在其上放置足夠數(shù)量的方木。方木的長(zhǎng)度控制在2.5m 左右，其斷面尺寸為10cm×10cm，方木的放置間距控制在3-4m。檢查方木是否穩(wěn)定、牢固，確認(rèn)無(wú)問(wèn)題后，將伸縮縫平穩(wěn)的放在方木上。檢查伸縮縫是否擋住了預(yù)埋螺栓，如果位置沖突需要調(diào)整螺栓，最后將伸縮縫嵌入槽內(nèi)。

2.6 填充材料澆筑

本次工程中主要使用環(huán)氧樹(shù)脂自流平材料。現(xiàn)場(chǎng)施工人員檢查預(yù)留槽的底部和兩側(cè)有無(wú)塵土、石子，使用水槍沖洗干凈。待完全干燥以后，使用泡沫膠將伸縮縫的各個(gè)縫隙完全封堵，防止填充材料的滲漏。澆筑施工對(duì)溫度也有特殊要求，為了保證施工順利和提高填充效果，盡量選擇在氣溫較低的凌晨一天內(nèi)進(jìn)行。將環(huán)氧樹(shù)脂自流平材料裝入到特定的容器中，將出口放在預(yù)留槽的一個(gè)底角上，緩緩注入材料，自動(dòng)地充填整個(gè)預(yù)留槽。填充厚度以完全充填伸縮縫為宜，太薄或過(guò)厚都會(huì)影響伸縮縫的實(shí)際使用效果。

3 市政橋梁伸縮縫創(chuàng)新技術(shù)實(shí)踐

3.1 T 型梁伸縮縫安裝技術(shù)

混凝土部分施工完成后，根據(jù)施工圖紙?jiān)诒韺拥臑r青混凝土上彈線畫(huà)出伸縮縫的安裝范圍。將該范圍內(nèi)的瀝青混凝土鑿掉并將開(kāi)鑿面整平，最后將伸縮縫嵌入開(kāi)鑿的槽內(nèi)。在實(shí)際施工時(shí)，為了保證伸縮縫的安裝質(zhì)量，需要將新型伸縮縫的部件分為A 塊、B 塊、C 塊。在澆筑T 型梁端頭混凝土之前，先安裝A 塊，通過(guò)螺釘E 把兩個(gè)A 塊固定在所需的位置上，使兩個(gè)滑動(dòng)面具有較高的精度。調(diào)整好以后，在鋼釬維混凝土與橋面混凝土的接觸面上預(yù)埋粗鋼筋，然后用鐵板D 把下邊的伸縮縫蓋嚴(yán)，再用油毛氈或防水塑料布把整個(gè)A 塊和D 塊蓋嚴(yán)，以免混凝土污染伸縮縫的塊件。這樣采取混凝土澆筑和伸縮縫安裝交替進(jìn)行的方式，讓伸縮縫與橋梁更好的融為一體，保證了結(jié)構(gòu)安全。（圖5）。

圖5 新型伸縮縫的安裝（單位：cm）

3.2 橋梁小變形伸縮縫中酮密封劑的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在橋梁小變形伸縮縫的安裝時(shí)，可以選擇硅酮密封劑，進(jìn)一步提高伸縮縫結(jié)構(gòu)的密封效果，進(jìn)而達(dá)到延長(zhǎng)使用壽命的目的。其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：首先，防水效果好。在潮濕環(huán)境或是降雨天氣下，伸縮縫不滲水，避免了金屬部件生銹腐蝕的問(wèn)題；其次，耐候性好，在受到較大溫差變化，或是長(zhǎng)期受到陽(yáng)光暴曬的情況下，此種材料不易老化，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)；再次，具有一定的變形恢復(fù)能力。在受到車(chē)輛沖擊荷載后，可以在短時(shí)間內(nèi)沿著荷載力的方向發(fā)生一定的位移與變形，之后又會(huì)快速地恢復(fù)原狀。最后，溫度穩(wěn)定效果好，實(shí)驗(yàn)證明，硅酮密封膠在60℃的高溫環(huán)境下不會(huì)出現(xiàn)流淌的情況，在-30℃的低溫環(huán)境下也不會(huì)出現(xiàn)脆裂情況。

3.3 GTF 無(wú)縫伸縮縫、BEJ 彈性混凝土伸縮縫的應(yīng)用

隨著建筑市場(chǎng)的發(fā)展，一些新型材料和裝置不斷創(chuàng)新并推廣使用。其中，GIF 無(wú)縫伸縮縫和BEJ 彈性混凝土伸縮縫是應(yīng)用效果較好的兩種。這類(lèi)新型伸縮縫無(wú)論是在設(shè)計(jì)壽命上，還是在環(huán)境適應(yīng)能力，以及行車(chē)穩(wěn)定性等方面，均有自己的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。但是由于技術(shù)、材料等方面的限制，目前市場(chǎng)價(jià)格還是較高，未來(lái)隨著技術(shù)日益成熟，其價(jià)格也會(huì)逐漸降低，有望在市政橋梁中大規(guī)模使用。

4 結(jié)論

根據(jù)市政橋梁設(shè)計(jì)方案和施工要求開(kāi)展伸縮縫沖擊荷載實(shí)驗(yàn)，參考實(shí)驗(yàn)結(jié)果為伸縮縫的選型與安裝提供指導(dǎo)。除了掌握伸縮縫安裝要點(diǎn)外，還可以嘗試一些新型技術(shù)，進(jìn)一步提高伸縮縫的使用效果，進(jìn)而優(yōu)化市政橋梁的行車(chē)體驗(yàn)。