桥梁建筑中伸缩缝设计研究

2011-08-15杨菲

山西建筑 2011年26期

杨菲

1 公路桥梁伸缩缝简介及其影响因素

1.1 公路桥梁伸缩缝

伸缩缝是公路桥梁伸缩装置的简称，是组成桥梁上部结构的重要因素，也是连接路与公路桥梁十分重要的构件，它是由桥梁长度、形状、具体结构等不同的要求而设计制造的。伸缩缝不仅是桥梁的一种产品，也是桥梁的一个重要组成部分。根据交通行业标准JTJ 002-87公路工程名词术语和国标GBJ 124-88道路工程术语标准:伸缩装置的定义是“为满足桥面变形的需要并使车辆平稳通过桥面，在桥面伸缩接缝处设置的各种装置的总称”[1］。位移控制体系和传力支承体系共同组成了桥梁建筑伸缩装置，其功能一方面是适应梁端翘曲发生的转角的变化和桥梁横、纵位移变化，另一方面通过支承结构将车辆垂直和水平荷载传递到梁体。

1.2 影响因素

1)混凝土的徐变和收缩。预应力混凝土桥和钢筋混凝土桥均需考虑其收缩及徐变。收缩量是以温度下降20℃来计算的。在预应力作用下梁的弹性变形乘以徐变系数可以求得徐变量。由于安装时混凝土已完成部分的徐变和收缩，所以全部徐变和收缩量应乘以折减系数[2］。收缩是以浇筑混凝土以后到安装时的全部龄期计算，施加预应力后的时间即是徐变的龄期，另加上设置伸缩装置后施加的预应力。

2)温度变化。伸缩量受温度变化影响较大。由于我国地域宽广，变差幅度各地不一、南北温差悬殊较大。温度变化引起桥梁内部温度分布不均匀，这会使得跨径较大的桥梁端部产生角变位，对于一般跨径的桥梁角变位比值较小，可不予考虑;但是对于大跨径的桥梁，设计时不应忽视。

3)地震影响使构造物发生变位。伸缩装置的变位受地震的影响比较复杂，至今还难以掌握，在设计伸缩装置时一般忽略不计;但如有依据能计算出地震对桥梁墩台的回转、下沉、倾斜量及水平移动时，在设计时还是考虑为好。

4)各种荷重所引起的桥梁挠度。桥梁端部会因恒载、活载等发生角变位，从而使伸缩缝产生角变位、水平变位及垂直变位。应格外注意梁比较高，并伴有振动的情况。桥面加宽时要设置纵向伸缩缝，由于跨中挠度较大，在振动时须考虑变位随时间变化的相位差[3］。

5)纵坡对变位的影响。如果桥的纵坡较大，通常在施工时作成水平的活动支座，所以在支座位移时相对路面产生了一个垂直差(Δd)，由水平位移乘以纵坡(tanθ)所得，若变位较小可忽略不计，但由于组合钢桥纵坡大并且变位也大，就应认真对待伸缩装置的设计形式。

2 公路桥梁伸缩缝设计研究

2.1 伸缩装置的设计方法

1)中、小桥采用W形伸缩装置为宜。这样可以发挥以下优势:a.温度变化引起的伸缩变形可以充分发挥橡胶弹性材料的性能。受外荷作用可以充分利用拱形结构的优势;b.构件尺寸小，相应施工方便，材料用量省，造价经济;c.铁件与伸缩体联结可不用胶水防水，利用橡胶本身的预压密封就能解决问题[4］。2)20 m以内的小跨径中小桥宜不设伸缩缝。采用固定式橡胶支座，让台后的土抗力和墩台的弹性变形来抵抗温度应力(当变形长度不大于11 m，通常伸缩量不大于6 mm)。也可以在完成桥面及路面的铺装后，再沿原缝开一条深4 cm～6 cm宽3 cm的假缝，内填以其他可塑性材料或沥青麻絮以防面龟裂。3)目前已经施工的伸缩装置，板式伸缩装置具有较好的平整度，因为胶体内有了足够数量的铆钉使桥梁变形体同伸缩体的联结比较牢固，而且又加入了足够数量的钢板使得变形体的刚度增强，这比原来的空心板橡胶伸缩缝更加牢固。并且还改善了施工工艺，对于施工时的安装温度，易于控制其定位值A。经实桥施工两年来，效果良好。但缺点是变形不够灵活。4)从有关资料和实践来看，不论空心板型、V形、W形的橡胶体都可使用。问题不在胶体，只要整个伸缩装置结构设计合理便可。目前应用较多的TST伸缩装置、西德毛勒公司的伸缩装置设计都比较合理，在温度变化时变形灵活，在行车时它又具有较高的刚度。

2.2 伸缩缝设计理论

由于桥梁缝隙越大越易造成伸缩装置的损坏，因此合理、恰当的伸缩量对于缝隙是非常重要的。如果忽视温度对缝隙变化的影响、缝隙设计的大小不合适、采用板式橡胶伸缩装置等均易造成损坏。在设计伸缩缝时，应当预先对准切割桥面，然后再设置接缝，或者用软的铺装层来吸收裂缝。如果遇到较大纵坡的情况而不考虑设置竖直变位的构造，也很容易引起损坏;纵使伸缩装置沿桥面纵向的伸缩量小，也会有较大的挠度差。所以，我们应对伸缩装置的构造给予足够重视。由于大部分的桥梁伸缩装置(模数式除外)都存在同桥面板的固定、连接效果不理想，构造尺寸小、刚度低，同新材料配合研究不深入等问题，因此在选型时要做好充足的对比和研究。遇到桥面的雨水问题，应在伸缩缝中设集中排水口，并在缝隙中灌注防水材料;对于不经常养护的构件，设计上要采用优质、抗氧化的防护材料并作适当处理。

2.3 实例设计

以一孔15 m长的简支梁桥为例，有些设计人员把两端各设一道宽3 cm的伸缩缝。温差按38℃设计，实际上伸缩量计算如下:ΔL= ΔLs+ΔLc+ΔLt+ΔLd+ΔALe，ΔLtf=ΔaL。其中，ΔLs，ΔLc，ΔLt分别为由于混凝土自身和徐变影响及温度变化产生的收缩量;ΔLd为因梁端转角生成的变形量;ΔLe为制造与安装误差;L为伸缩梁长度;A为线膨胀系数，其中钢为12×10－6，混凝土为10×10－6。然后查知干燥收缩度为20×10－5、膨胀系数 n=10 ×10－6及徐变系数 ψ =2.0，预应力施加三个月后的递减系数为0.4，平均轴向应力σ=6 N/mm2，混凝土弹性模量Eh=25 000 N/mm2。计算过程为:ΔL=38×10×10－6×15 000=5.7 mm;ΔL=15 ×aLβ =1.2 mm;ΔL= σ/(EhψLβ)=3.2 mm。将梁端旋转水平变形量ΔLd设为3 mm，则总伸缩量ΔL=12.7 mm。由此算得的计算结果可知在一端留出一道缝宽3 cm的伸缩缝而另一端与桥面铺装连接即可满足设计要求。

据观察伸缩缝被破坏大部分是因为缝太宽，引起跳车，形成了跳车越严重缝破坏越快的恶性循环。预留伸缩缝宽度合理，可使其在夏季挤紧，冬季拉开，从而减小桥头跳车，提高伸缩缝寿命。