公路桥梁伸缩装置的选择及应用

陈华 李晨

1 公路桥梁伸缩装置的重要性

桥梁伸缩装置又简称为伸缩缝,主要由传力支承体系和位移控制体系组成,它的主要功能是:1)将车辆垂直和水平荷载通过支承结构传递到梁体;2)适应桥梁纵、横位移的变化和梁端翘曲发生的转角变化,使汽车行驶舒适、平顺。

公路桥梁伸缩装置在桥梁的结构中直接承受车轮荷载的反复冲击作用,而且长期暴露在大气中,使用环境比较恶劣,是桥梁结构中最易遭到破坏而又较难修补的部位。伸缩装置在设计施工上稍有缺陷或不足,就会引起早期的破坏,直接影响到桥梁的使用寿命及公路的经济性,伸缩缝质量的好坏,对保证公路运输的安全、快速、舒适至关重要。因此,在伸缩缝的设计选型、材料以及施工质量等方面要加以足够的重视。

2 公路桥梁伸缩装置的发展状况

随着公路运输事业的发展和车速的提高,对伸缩缝的要求也越来越高,不但要求伸缩缝有良好的使用性能,而且要求它使用寿命长、造价低、维修方便。

20世纪60年代～70年代修建的桥梁大多为拱桥或简支梁桥,设计荷载一般在汽—15级以下,桥梁基本采用U形镀锌铁皮伸缩缝,到了80年代～90年代由于汽车荷载提高到汽—20级或汽—超20级,伸缩缝普遍采用板式橡胶伸缩缝。

目前在国内高速公路桥梁工程常用的伸缩装置有TST伸缩装置、SSF伸缩装置、毛勒伸缩装置等。

大约在20世纪60年代,美国开始采用连接桥梁上部结构和桩基础的无伸缩装置的整体式桥台。采用无伸缩缝的整体式桥台,除了行车平稳外,由于消除了伸缩装置,排除了伸缩缝处水的渗漏隐患,降低了桥梁造价及维修费用,使得这种类型的桥梁逐渐地流行起来,但是对于无伸缩缝整体式桥台的桥梁几乎还没有完整的理论或试验的工作报告以及设计程序的应用。我们期待在我国展开对无伸缩缝桥梁的研究和实践,并使这种桥型结构能逐渐推广。

3 桥梁伸缩缝的计算

3.1 伸缩量的计算

影响梁体伸缩量大小的因素主要有两种:气温变化引起的伸缩量(△Lt);混凝土的徐变、干燥收缩引起的伸缩量(△Lc+△Ls),两者的计算公式分别为:

其中,△Lt为温度变化引起的伸缩量;△Lt+为温度变化的伸长量;△Lt-为温度变化的缩短量;Tmax为设计最高环境温度;Tmin为设计最低环境温度;Tset为设置伸缩装置时的温度;a为膨胀系数(钢梁为12×10-6,混凝土为10×10-6);L为桥梁跨径。

其中,△Ls为混凝土收缩引起的伸缩量;△Lc为混凝土徐变的收缩量;Ee为混凝土的弹性模量,取33 000 MPa;σp为预应力混凝土的平均轴应力;φ为混凝土的徐变系数;β为混凝土徐变、收缩的折减系数。

3.2 桥梁伸缩量大小的影响因素

1)温度的变化。2)混凝土的收缩和徐变。3)各种荷载引起的桥梁结构的挠曲。4)纵向坡度对伸缩变化的影响。5)斜桥和弯桥时的变位。

4 公路桥梁伸缩装置的设计选型

4.1 常用伸缩装置的类型

1)对接式伸缩缝装置。对接式伸缩缝装置根据其构造形式和受力特点的不同,可分为填塞对接型和嵌固对接型两种。填塞对接型伸缩缝装置是以沥青、木板、麻絮、橡胶等材料填塞缝隙。伸缩体在任何情况下都处于受压状态,该类伸缩缝装置一般用于伸缩量在40 mm以下的常规桥梁工程上,但目前已不多见了。嵌固对接型伸缩装置利用不同形状的钢结构将不同形状的橡胶条嵌牢,以橡胶条的拉压变形来吸收梁体的变形。其伸缩体可以处于受压状态,也可以处于受拉状态。该类伸缩装置被广泛应用于伸缩量在80 mm以下的桥梁工程上。属于这类型的伸缩缝有:W型橡胶伸缩装置、SW 型、SDIC型、GNB型、GQF-C型、美国沃特森单缝伸缩装置(与常熟合资的万宝单缝伸缩装置)等。对接式伸缩缝容易出现填缝材料硬化与部分脱落等现象。

2)钢制支承式伸缩装置。钢制伸缩装置是用钢材装配制成的,能直接承受车轮荷载的一种构造,以前这种伸缩装置应用于钢桥,现已用于混凝土桥梁。钢制支承式伸缩装置的形式、尺寸和种类繁多。国内常见的如梳齿形板型和折板型。面层板成为矩形的叠合悬架式的构造,称作钢板叠合式伸缩装置。钢板伸缩缝容易出现钢板松动,或者梳齿与承托板的焊接处出现裂缝、剪断等破损。

3)组合剪切式橡胶伸缩装置。板式橡胶伸缩装置是利用橡胶材料剪切模量低的原理设计制造而成的,即剪切型橡胶伸缩缝设有上下凹槽,橡胶体内埋设承重钢板和锚固钢板,并设有预留螺栓孔,通过螺栓与梁端连成整体,它是依靠上下凹槽之间的橡胶体剪切变形来满足梁体结构的相对位移。国内生产具有代表性的产品有BF型,SES型,UG型,BSL型和CD型。板式橡胶伸缩装置容易出现橡胶板剥离,预埋钢板外露、脱落、断裂,锚固螺栓剪断脱孔飞出,两侧混凝土开裂破碎,出现坑槽等损坏现象。

4)模数支承式伸缩装置。随着桥梁的长、大化取得突破性进展,这就要求有结构合理,大位移量的桥梁伸缩装置来适应这一发展的需要,因此出现了利用吸震缓冲性能好又容易做到密封的橡胶材料与强度、刚性好的异型钢组合的,在大位移量情况下能承受车辆荷载的各种类型模数支承式(模数式)桥梁伸缩装置。这类伸缩装置,其构造相同点是均由V形截面或其他截面形式的橡胶密封条(带),嵌接于异型边梁钢和中梁钢内组成可伸缩的密封体,异型钢梁直接承受车辆荷载,而且可根据要求的伸缩量增加中梁钢和密封橡胶条,通常以80 mm间距为模数加工组装成各种伸缩量的一系列产品。其不同点仅在于承重异型钢梁和传递伸缩力的传动机构形式及原理上的差异,这类伸缩缝有J-75型伸缩装置、TS型、SG型、美国沃特森、万宝SD-400型德国毛勒等。

5)无缝式伸缩装置。无缝式伸缩装置主要有TST伸缩缝,是通过弹塑体混合材料自然特殊的力学性能来适应桥梁的伸缩变形。TST伸缩缝主要材料是由多种高分子聚合物与沥青混合并加有防老剂而成,具有很强的粘结性和较高的阻尼性,适用于小型桥梁。无缝伸缩装置存在的问题主要是弹塑体混合材料达不到要求,材料的低温延伸性和高温稳定性差,同时材料“热胀冷缩”不能适应梁体“热胀冷缩”的变化,从而出现桥面不平的现象。

6)无伸缩缝桥梁。由于各种伸缩装置的弊端以及后期的养护费用较高,美国率先采用了整体式无伸缩缝桥梁。整体式无伸缩缝桥梁是指在中小桥梁上,梁与桥台形成整体,桥梁任何位置都没有设置伸缩缝,梁的伸缩靠桥台及台后的特殊装置予以吸收。无伸缩缝桥梁在美国已经成功地使用了很长时间,但至今还没有一个比较科学的设计理论,目前的设计方法基本上依赖于经验与观察。

4.2 伸缩装置的选择

桥梁伸缩装置的选择非常重要。原则上,伸缩装置的选择没有严格的限制。但是实际工程中必须根据所安装伸缩装置的道路性质、桥梁类型、需要的伸缩量为依据,综合考虑道路、桥梁和伸缩装置整体的耐久性、平整性、排水性和防水性、经济性,并考虑施工与维修等合理选择伸缩装置的形式。

5 伸缩装置安装注意事项

1)安装桥梁伸缩装置前,应根据桥梁所处的环境条件,桥梁本身的结构形式及构成要素来精确计算伸缩量,并考虑一定的富余量,以保证在今后运营中始终处于良好的工作状态。

2)伸缩缝安装定位要准确。

3)注意安装季节温度变化的影响,尽量选择低温施工,并采用后装法。

4)安装前要清理缝隙中的杂物,槽口清理尺寸要够,冲洗要干净。

5)注意过渡段施工混凝土强度和平整度,并要和行车路面或桥面齐平,误差不超过1 mm,更应注意后期养护。

[1] 蓝光欣.浅谈公路桥梁伸缩缝[J].湖南交通科技,2001(3):58-62.

[2] 李有利.桥梁伸缩装置的选型与安装[J].山东交通科技,2004(2):55-57.

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