公路桥头铰接搭板装置可行性研究

郑州大学 水利与环境学院 王 磊 刘孝明 李博识 涂家明

公路桥头铰接搭板装置可行性研究

郑州大学 水利与环境学院 王 磊 刘孝明 李博识 涂家明

有关统计资料显示，目前我国公路总里程已超过400万km，其中高等级公路里程约占10.2%。伴随着公路交通的快速发展，公路工程建设中存在的问题也日益增加，桥头跳车作为一个常见问题，严重影响了公路行车的安全性与舒适性。本文，笔者提出了一种新型的桥头铰接搭板装置，对于防止桥头跳车具有显著成效。

一、桥头跳车的成因及危害

1.桥头跳车的成因。桥头跳车是指桥台台背填料在自重和行车荷载的作用下，产生不均匀沉降，导致车辆行驶到此处产生跳动的现象。随着公路等级的提高，人们对行车的安全性及舒适性的要求也越来越高。从目前已投入使用的公路的运营状况来看，在桥涵构造物与道路的连接部位普遍存在桥头跳车现象，不仅影响了公路行车的舒适性，也无法保证公路行车的安全性。因此，如何有效治理桥头跳车已成为高等级公路养护及管理中亟待解决的一个问题。

2.桥头跳车的危害。其危害主要表现在以下几个方面。

（1）降低了行车的舒适性与安全性。高速行驶的车辆经过桥头时，会产生跳动现象，影响司机和乘客的行车舒适性，严重时还会引发重大交通事故。

（2）增加了公路养护费用。为了保证公路良好的使用状况，需要对出现的台阶进行及时维修、养护，不仅耗费了大量的人力、物力和财力，也产生了不良的社会影响。

（3）降低了路面和桥梁的使用寿命。由于沉降差造成的台阶，使得车辆通过时产生跳动和冲击，从而对桥梁和路面造成附加的冲击荷载，加速了桥头路面的破坏。

二、桥头跳车治理措施

1.传统治理措施。传统的公路桥梁桥头跳车的治理措施主要有：

（1）堆载预压法。此方法主要是加速桥台台背填料的固结，减小其次固结沉降量，从而减小桥头伸缩缝两侧的沉降差。

（2）桥头搭板法。通过设置搭板来缓和其沉降不均匀所带来的沉降差。

（3）土工格栅法。此方法主要是利用土工布将上部荷载均匀地传递到下部土基和桥台，从而减小伸缩缝处的沉降差。

（4）地基加固法。采用水泥搅拌桩、挤密砂桩、碎石桩来减小台背填料的沉降量，进而减小由于不均匀沉降带来的沉降差。

（5）注浆法。通过钻孔，利用注浆设备，运用液压、气压和电化学原理，将浆液分1层均匀地注入地层中，浆液以填充、渗透和挤密等方式排出土颗粒间裂隙中的水分和空气，并占据土颗粒间的空间，使路基孔隙比减小，强度提高。

2.新型治理方案。在桥头装设自适应铰接搭板装置，可以有效防止桥头跳车现象发生。

（1）铰接搭板结构设计。桥头跳车产生的根本原因是桥台两侧沉降不均匀，传统的处理方法多是采取一系列的措施来减小台背填料的后期沉降量，进而减小桥台两侧的沉降差，这些方法虽然对缓解桥头跳车问题有一定的作用，但是台两侧会产生沉降差。此外，在搭板与路面交接处还会产生二次跳车现象。经验表明，只注重改善台背填料的性质不能从根本上解决问题，突破以往减小桥头两侧沉降差的传统设计思想，采用可活动的自适应铰接搭板装置，并利用装置本身的重力及行车荷载来消除桥头沉降差所带来的台阶，以达到自动适应沉降差的目的，为解决桥头跳车问题提供了一种新的技术和施工方法。自适应铰接搭板装置主要包括桥面搭板、路面搭板、转轴、转轴螺钉、桥面搭板固定锚钉5部分。其中桥面搭板有预留孔，供锚钉通过并与桥面固定，路面搭板与桥面搭板通过转轴铰接，转轴两侧内部预留有螺纹通过转轴螺钉固定。连接完成的装置中路面搭板是活动的，可以像合页一样自由转动，自动适应桥头与路堤的差异沉降，从而消除沉降差带来的台阶，始终保持桥头路面的连续性和平滑性；同时，避免了传统方法解决桥头跳车问题时造成的重复维修现象，而且其对沉降差的大小并无具体要求，因此也降低了桥台台背填料压实度的要求。自适应铰接搭板装置如图1所示。

图 1 自适应铰接搭板装置

从图1可知，该装置可根据车道的宽度进行调整，与单个车道同宽，一般取3.5 m或3.75 m，然后将上述装置并排铺设在整个行车道，彼此之间相互独立。此外，该装置便于规模化生产，能降低生产和施工成本。

（2）数值模拟计算。根据所设计的结构形式，运用大型通用有限元软件ABAQUS对路面搭板工况进行模拟。模型宽3.5 m，长1.2 m，厚25 mm，楔形体长0.6 m。模型选用Q235低碳钢材料，材料密度为7 800 kg/m3，杨氏模量为210 GPa，泊松比为0.3。考虑到结构在行车荷载作用下的应力和弹性应变，故单元网格划分采用C3D4四结点线性单元体。由于后轴轴载一般占车辆总重的2/3～3/4，故仅考虑后轴对路面搭板的作用；考虑最不利荷载情况，将车轮荷载简化为2个0.3 m×0.3 m的矩形均布荷载作用于板长中央，轴距为2.3 m，采用不同轴载分别作用。以1辆载重100 t的双轴双轮组车辆通过该装置，假设其轴载为80 t，当80 t轴载作用时，Mises应力和竖向位移分布云如图2所示，最大Mises应力和最大竖向位移如图3所示。

图 2 80 t轴载作用时Mises应力和竖向位移分布云

图 3 最大Mises应力和最大竖向位移

从图2中可以看出，在80 t轴载作用下，路面搭板两侧的转轴插孔处首先发生了应力集中，出现了最大应力值，其次就是车轮作用处出现了较大的应力，而最大竖向位移值出现在轮载作用处，继而呈盆状向外扩散。从图3中可以看出，最大竖向位移和最大Mises应力与轴载呈线性关系。由于车辆为双轴双轮组，故单轴分配轴载为40 t，由图3可以看出，搭板的最大竖向位移为0.21 mm，最大Mises应力为86 MPa，而Q235的屈服应力为235 MPa，远大于其最大Mises应力，因此搭板能够正常工作。

三、结论

1.在车辆荷载的作用下以及台背填料的后期固结沉降中，路面与桥台的沉降差会继续增大，此时路面搭板的楔形体只有端部与路面接触，以使路面所受压强增大。但是，在车辆荷载的重复作用下，路面搭板会产生一定的疲劳变形。该装置在一定程度上利用了该疲劳变形，使得楔形体底面重新与路面接触，故路面所受压强又变为原来的大小。

2.由于自适应铰接搭板装置的主要材料为钢材，在外界环境中难免会受到雨水侵蚀和空气氧化，因此应在搭板靠近路面的一侧涂刷防锈油漆，以提高其耐久性；而转轴在桥面搭板和路面搭板的不断作用下会产生微量的疲劳变形，并出现磨损现象，因此应定期对其进行检查。

3.由于在桥面和路面过渡部分设置了足够的长度，因此对行车舒适性影响较小；该装置在工厂提前制作完成，只需进行现场安装，安装后即可放行通车。因此，该方法比传统施工方法缩短了约80%的工期，减少了路面维护过程中对交通的阻断时间；对路面所做的改造较少，而且不会影响伸缩缝的正常工作，因此对路面的二次破坏小；采用自适应铰接装置，搭板可根据沉降差进行自行调节，从而避免了重复维修。