橋梁模數(shù)式伸縮裝置耐久性設(shè)計(jì)研究

陶斌

山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司 山西太原 030012

伸縮裝置是橋梁工程中較為關(guān)鍵的構(gòu)件，以合理的方法做好設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)等工作后，有利于發(fā)揮出伸縮裝置的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而提高橋梁的耐久性以及安全性。現(xiàn)階段，模數(shù)式伸縮裝置的占比較大，根據(jù)形式的不同，可分為單縫式和多縫式兩類。但從實(shí)際情況來(lái)看，部分模數(shù)式伸縮裝置在設(shè)計(jì)年限內(nèi)易出現(xiàn)各式各樣的、不同程度的病害，嚴(yán)重影響裝置乃至全橋的品質(zhì)。例如，邊梁錨固結(jié)構(gòu)受損、異型鋼斷裂、位移箱受損。現(xiàn)階段，有關(guān)于橋梁伸縮縫的設(shè)計(jì)規(guī)范有限，雖然提及到一般要求、伸縮量及安裝寬度的控制要求，但并未圍繞錨固系統(tǒng)、承重系統(tǒng)等多類細(xì)分的部分做出明確的設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致部分子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺乏可靠的依據(jù)，設(shè)計(jì)方案的可行性不足，實(shí)際使用過(guò)程中模數(shù)式伸縮裝置的耐久性較差。因此，必須富有針對(duì)性地開(kāi)展耐久性設(shè)計(jì)工作[1]。

1 模數(shù)式伸縮裝置的主要病害及成因

主要病害及成因，如下：①單縫、多縫是兩種較為常見(jiàn)的模數(shù)式伸縮裝置，但無(wú)論何種形式，邊梁均容易出現(xiàn)病害，具體與邊梁截面形式不合理有關(guān)。②受錨固鋼筋連接不穩(wěn)定的影響，伸縮裝置錨固部位的混凝土缺乏足夠的穩(wěn)定性，有局部脫落的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響錨固效果。③部分模數(shù)式伸縮裝置采用的是鑄鋼直梁連桿結(jié)構(gòu)，在此配置方式下，伸縮裝置可能會(huì)出現(xiàn)縱向變位鎖死的問(wèn)題。

總體來(lái)看，設(shè)計(jì)不合理、施工不規(guī)范、養(yǎng)護(hù)不到位等均是橋梁伸縮裝置受損的關(guān)鍵原因，具體又可細(xì)分為多個(gè)方面，各自所導(dǎo)致的病害形式多樣。

根據(jù)截面形式的不同，主要將模數(shù)式伸縮裝置的邊梁分為四類，即“C”型、“F”型、“Z”型及“E”型，（見(jiàn)圖1a，b，列舉C型和F型）各自發(fā)生破壞時(shí)的程度不盡相同。相比之下，“E”型鋼的破壞程度最為輕微。可以確定的是，隨著邊梁截面形式的改變，受力性能也隨之發(fā)生變化，此時(shí)會(huì)對(duì)伸縮裝置的性能帶來(lái)影響，而截面形式不合理則是邊梁受損的關(guān)鍵原因。

圖1a C型伸縮縫裝置

圖1b F型伸縮縫裝置

伸縮裝置錨固鋼筋、預(yù)埋鋼筋有錯(cuò)位的情況，不利于焊接作業(yè)的順利開(kāi)展，其中，焊接對(duì)位不準(zhǔn)確已經(jīng)成為多數(shù)模數(shù)式伸縮裝置常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題。具體而言，橋梁普遍由多片主梁預(yù)制拼裝的方式制作成型，同時(shí)還存在一定的縱、橫坡，導(dǎo)致主梁施工期間的控制難度較大，縱向和橫向有錯(cuò)臺(tái)問(wèn)題，可見(jiàn)錨固鋼筋、預(yù)埋鋼筋兩部分有錯(cuò)位，原本需要準(zhǔn)確穿入的橫向鋼筋由于錯(cuò)位的存在而受到阻礙，后續(xù)模數(shù)式伸縮裝置容易出現(xiàn)病害[2]。

從位移聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)多數(shù)伸縮裝置均配套的是鑄鋼直梁連桿，其安裝精度較高，若在安裝過(guò)程中局部變位或是后期主梁有小幅度的變形，均會(huì)直接破壞伸縮裝置的正常使用狀態(tài)，有縱向變位鎖死的情況。進(jìn)口產(chǎn)品主要采用的是高分子橡膠材料，其特點(diǎn)在于能夠有效滿足彈性剪切位移的要求，對(duì)變形的適應(yīng)能力較強(qiáng)，同時(shí)銹蝕問(wèn)題的發(fā)生幾率明顯降低，在安裝后不會(huì)破壞伸縮裝置的縱向穩(wěn)定性。可見(jiàn)，不同形式的位移連桿所帶來(lái)的應(yīng)用效果有所差異，必須合理選擇，否則將由于選型不當(dāng)而難以滿足伸縮位移的相關(guān)要求[3]。

2 模數(shù)式伸縮裝置的耐久性設(shè)計(jì)

為有效預(yù)防模數(shù)式伸縮裝置的病害，提高裝置的耐久性，需從多個(gè)角度出發(fā)，做全方位的考慮，切實(shí)提高耐久性設(shè)計(jì)水平，此處圍繞邊梁的選型、錨固方式的優(yōu)化、位移傳動(dòng)方式的選擇三個(gè)方面展開(kāi)探討，闡述具體的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2.1 邊梁選型設(shè)計(jì)

取“C”、“F”、“Z”及“E”截面的型鋼邊梁，設(shè)定特定的荷載，試驗(yàn)并分析各自的應(yīng)力值，具體如圖2所示。

圖2 4種異型鋼邊梁的Mises應(yīng)力值

以疲勞荷載作用條件為例，“F”型截面邊梁的應(yīng)力最大，達(dá)到225.1MPa；相比之下，以“E”型最小，該值為172.8MPa。現(xiàn)階段，邊梁材料主要采用的是Q345（16Mn），根據(jù)其力學(xué)特性可知，抗彎強(qiáng)度允許值為310MPa，該值均高于前述提及的鋼邊梁的計(jì)算值，根據(jù)此數(shù)值關(guān)系得知，型鋼的靜力強(qiáng)度儲(chǔ)備具有合理性，可以有效地滿足橋梁伸縮裝置的受力要求。在動(dòng)荷載的作用下，容易加劇對(duì)伸縮裝置的影響，出現(xiàn)疲勞破壞，并且隨著荷載作用時(shí)間的延長(zhǎng)，該現(xiàn)象更為明顯，以建成通車一年為例，可達(dá)到2×106次。不同構(gòu)件和連接類別下，對(duì)應(yīng)的容許應(yīng)力幅值不盡相同，具體如表1所示。

表1 循環(huán)次數(shù)n為2×106次的容許應(yīng)力幅（MPa）

經(jīng)過(guò)疲勞應(yīng)力幅值的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，“E”型邊梁的應(yīng)力表現(xiàn)較為良好，能夠有效地滿足疲勞構(gòu)件的強(qiáng)度要求；相比之下，“F”型鋼邊梁的受力明顯偏大，超出控制容許應(yīng)力幅；“C”、“z”型鋼邊梁則“介于前述兩者中間”，應(yīng)力有少許的超標(biāo)。總體來(lái)看，以“E”型鋼截面的邊梁最為合適。

2.2 錨固方式的設(shè)計(jì)

常規(guī)方法下，在邊梁處焊接錨固環(huán)，取適量的銷釘，穩(wěn)固在支承箱或位移箱的兩端，而后按照要求于梁體上預(yù)埋鋼筋，經(jīng)過(guò)焊接后使錨固鋼筋環(huán)和預(yù)埋鋼筋穩(wěn)固連接，將合適尺寸的橫向鋼筋穿過(guò)安裝到位的錨固環(huán)，起到穩(wěn)固伸縮裝置的作用，在前述基礎(chǔ)上，組織槽口混凝土的澆筑作業(yè)。從實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，該常規(guī)的錨固方法存在一定的不足之處，主要有如下幾方面：

（1）橋梁通常由多片主梁以預(yù)制、拼裝的方式組成，并且還有一定程度的縱、橫坡，在此條件的影響下，主梁施工期間可能有縱橫向錯(cuò)臺(tái)問(wèn)題，而此時(shí)隨之影響錨固鋼筋和預(yù)埋鋼筋，即兩者出現(xiàn)錯(cuò)位；由于位置的偏差，部分錨固鋼筋和預(yù)埋鋼筋不具備焊接的條件，在安裝橫向鋼筋時(shí)也將由于偏位而難以順利到位（穿過(guò)錨固環(huán)鋼筋和預(yù)埋鋼筋的難度較大），不得已舍棄該部分鋼筋。隨著鋼筋材料用量的減少，最終的錨固效果自然達(dá)不到設(shè)計(jì)要求[4]。

（2）錨固混凝土強(qiáng)度的提升并非一蹴而就，通常需經(jīng)過(guò)3-5d才能夠達(dá)到特定的強(qiáng)度要求，此時(shí)才可有效錨固邊梁。但在混凝土強(qiáng)度提升過(guò)程中，連續(xù)經(jīng)過(guò)多個(gè)晝夜，而晝夜溫差較大，不利于混凝土強(qiáng)度的提升。詳細(xì)來(lái)說(shuō)，邊梁與主梁預(yù)埋鋼筋穩(wěn)定連接時(shí)，溫差的出現(xiàn)將加劇混凝土的收縮變形，成型混凝土的完整性欠佳。受此影響，錨固鋼筋與槽口混凝土的結(jié)合穩(wěn)定性不足，有脫離的情況，難以有效保證最終的錨固效果。

（3）橫向鋼筋需穿過(guò)錨固環(huán)與預(yù)埋鋼筋，在此構(gòu)件分布關(guān)系下，有利于增強(qiáng)伸縮裝置與預(yù)埋鋼筋的錨固效果。但需注意的是，在支承箱和變位箱的限制作用下，明顯加大橫向鋼筋的安裝難度，難以完全穿過(guò)支承箱和變位箱，此時(shí)需做截?cái)嗵幚恚捎阡摻畹臍埲保罱K的錨固效果難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

由此看來(lái)，常規(guī)的錨固方法取得的應(yīng)用效果較差，為使錨固件與型鋼、槽口預(yù)埋鋼筋等構(gòu)件穩(wěn)定結(jié)合，有必要優(yōu)化錨固方式，在既有錨固系統(tǒng)的基礎(chǔ)上做出調(diào)整，以便順利錨固。具體考慮如下幾點(diǎn)：

（1）取消原邊梁的錨固環(huán)，根據(jù)邊梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在該處設(shè)置帶有開(kāi)孔的連接鋼板，以焊接的方法將該鋼板與邊梁穩(wěn)定連接。

（2）不再采用穿入錨固環(huán)的橫向鋼筋，取而代之的是橫向固定圓鋼，將其中間穿入預(yù)先設(shè)置好的連接鋼板的孔洞內(nèi)，而后對(duì)兩端做焊接處理，使其與支承箱穩(wěn)定結(jié)合。

（3）準(zhǔn)備可調(diào)式活動(dòng)鋼板，將其安裝在橫向圓鋼處，此設(shè)置方式較為靈活，可調(diào)式鋼板能夠順著圓鋼滑動(dòng)，最終到達(dá)指定位置（預(yù)埋鋼筋處）。

（4）在支承箱兩側(cè)焊接“U”形錨固鋼筋，并在該鋼筋與預(yù)埋鋼筋間穿入橫向鋼筋，通過(guò)新增鋼筋的應(yīng)用，切實(shí)保證錨固效果。

在對(duì)錨固方式做出優(yōu)化后，全新的錨固系統(tǒng)更具可行性，具體體現(xiàn)在伸縮裝置錨固性能提升、預(yù)埋鋼筋與錨固鋼筋對(duì)位準(zhǔn)確性等方面，取得較好的錨固效果。

2.3 位移控制方式的設(shè)計(jì)

不同模數(shù)式伸縮裝置所對(duì)應(yīng)的位移控制方式有所不同，實(shí)際應(yīng)用效果也并非完全一致。對(duì)于格梁模數(shù)式伸縮裝置而言，借助壓縮彈簧控制室實(shí)現(xiàn)有效的控制，斜梁、直梁兩類模數(shù)式伸縮裝置各自對(duì)應(yīng)的控制方式分別為幾何控制式、剪切彈簧控制式。對(duì)于橫梁模數(shù)式伸縮裝置，在位移增加的條件下，所需配套的支承梁以及位移控制彈簧數(shù)量均有增加的變化趨勢(shì)，除此之外配套的支承箱的尺寸也有所加大，而此類特點(diǎn)在大位移量的伸縮裝置中缺乏可行性。對(duì)于斜梁模數(shù)式伸縮裝置，其對(duì)組件的加工精度提出較高的要求，需有效控制元件的尺寸，以免出現(xiàn)明顯的位移現(xiàn)象。若為直梁模數(shù)式伸縮裝置，其采用的是鉸鏈控制式時(shí)，對(duì)變位的要求較高，并且必須保證安裝的精度，否則會(huì)出現(xiàn)伸縮裝置縱向變位鎖死的情況；若為剪切彈簧控制式，在車輛荷載作用下，裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)荷載的有效傳遞，即傳至型鋼處，變位具有均勻性，并且此時(shí)支承系統(tǒng)和位移控制系統(tǒng)兩部分并不存在關(guān)聯(lián)，獨(dú)立性較強(qiáng)，因此不會(huì)產(chǎn)生干擾，僅用單根支承梁即可有效發(fā)揮出承重的作用，隨之減少支承梁的數(shù)量，可行性較高，且對(duì)于大位移量的模數(shù)式伸縮裝置而言更具可行性。綜合來(lái)看，剪切彈簧控制式是較為適宜的位移控制方法，可用于模數(shù)式伸縮裝置中。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)本文有關(guān)于模數(shù)式伸縮裝置耐久性設(shè)計(jì)的分析，提出一些關(guān)鍵的要點(diǎn)，現(xiàn)做如下總結(jié)：

邊梁選型時(shí)，以“E”型截面的形式較為合適。

有必要優(yōu)化既有的錨固系統(tǒng)，以可調(diào)式錨固構(gòu)造較為合適，其有利于提升伸縮裝置的錨固性能，同時(shí)也有利于提高預(yù)埋鋼筋與錨固鋼筋的對(duì)位精準(zhǔn)度。

模數(shù)式伸縮裝置的位移控制方式較多，其中以剪切彈簧控制式較為合適，原因在于支承系統(tǒng)和位移控制系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，受力及傳力途徑合理，有利于保證整體裝置的穩(wěn)定性。

在橋梁模數(shù)式伸縮裝置的設(shè)計(jì)中，需遵循因地制宜的原則，密切關(guān)注橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，例如跨徑組合形式、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件等，加強(qiáng)對(duì)設(shè)計(jì)方案的可行性論證，得到優(yōu)質(zhì)的設(shè)計(jì)方案，以此為引導(dǎo)，有序開(kāi)展實(shí)際建設(shè)工作，確保模數(shù)式伸縮裝置具有良好的耐久性。