等距变位桥梁伸缩装置的设计

白宏光

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

桥梁伸缩装置是指在公路桥梁桥面系中梁端（板端）与桥台接缝处及相邻梁端（板端）接缝处设置的为使行驶车辆平稳通过桥面的且能够适应桥面变形需求的各种装置的总称[1]。伴随着我国公路建设的大力发展，伸缩装置的需求及作用显得越发重要。由于桥梁伸缩装置是在梁端（板端）设置，其将直接承受来自桥面行驶车辆荷载的反复作用，且易受到大自然中水温因素的影响，其结构使用寿命受到严峻的考验[2]。为了满足各种桥梁对伸缩装置的功能需求，现在已针对不同桥梁形成了一系列的伸缩装置，但它们往往因为制作不便、伸缩不均匀、过早损坏等因素而难以满足高速建设的公路桥梁工程的需要。鉴于此，本文将在分析现行桥梁伸缩装置不足的情况下，研发出一种等距变位桥梁伸缩装置，并对其结构特征、工作原理及技术优势进行了系统介绍。

1 桥梁伸缩装置的类型

桥梁伸缩装置主要由位移控制体系和传力支承体系组成，其结构功能有[3]：a）适应水、温度等自然因素变化时，桥梁梁端翘曲转角变化及横、纵位移变化；b）将水平荷载和行车垂直荷载，通过支承结构传递至梁体，弥补梁端（板端）孔隙，保证行车平稳。

现阶段，随着桥梁工程设计理论与施工技术的进步，已形成了很多不同类型的桥梁伸缩装置，但桥梁伸缩装置的种类繁多，从组成结构的角度将其大体分为板式、组合式伸缩装置和模数式伸缩装置。各类桥梁伸缩装置的适用情况及结构组成如表1所示。

表1 桥梁伸缩装置分类

从表1中可以看出，模数式伸缩装置是目前适用范围最广的伸缩缝类型，由于模数式伸缩装置工艺结构简单、制造容易、使用寿命长、适用性强，现阶段的应用广泛，本文将重点探讨模数式伸缩装置。

2 现行模数式伸缩装置的结构特性

模数式伸缩缝的结构特征为：两侧对称设置两根截面“F”形、“E”形型钢；中间设置不同数量的截面“王”型型钢；在两根型钢之间设置V形的橡胶止水带，以防止桥面上的雨水从型钢缝隙间流入桥梁下部结构。其基本结构如图1所示。

图1 模数式伸缩装置基本结构

图1中，梁与支承横梁一对一地焊接牢固，车辆重量经中梁、支承横梁、承压支座、位移箱底钢板，最后传递到梁体的混凝土，而压紧支座将支撑横梁控制在位移箱内，从而形成封闭的传力结构体系，型钢边梁上的锚固筋与混凝土咬合锚固。当梁体伸与缩时，带动位移控制箱及边梁一起收缩，边梁再经控制弹簧拉或压，推动最近的中梁滑移，依次展开可达到整套伸缩装置的开与合。

尽管传统的模数式伸缩装置具有适用性好、结构性能强的特点，但在工程应用中还是存在很多不足之处，如下将就存在的不足做具体分析。

2.1 更换难度大

如果局部损坏，需要整体更换，并且需要封闭交通，对交通出行带来极大的不便。

2.2 易损坏

防水橡胶带易损害，造成漏水，进一步危害下部结构。

2.3 型钢间隙不均匀

在环境温度发生变化时，桥体会发生伸缩移动，伸缩缝型钢之间的缝隙也会变宽或变窄，从而导致型钢之间的缝隙不均匀，会导致行车车辆的不平稳。针对这种情况，常用的缝隙调整方法是弹簧压缩力平衡[4]，在国内普遍采用这种结构形式，但这种方法受各种阻力不均现象的影响，很难做到型钢间隙均匀与一致，给装置结构稳定和行车平稳埋下隐患。

3 新型等距变位桥梁伸缩装置的研发

为解决现行模数式伸缩装置在应用中的不足，我们研发出了一种等距变位桥梁伸缩装置。如下将对本等距变位桥梁伸缩装置的结构特征、工作原理、设计计算及技术优势进行详细介绍。

3.1 结构特征

等距变位桥梁伸缩装置，主要由支撑系统、型钢、缝宽调整系统这3部分组成，装置结构如图2所示。

支撑系统主要包括支撑梁、连接架、压紧支座、承压支座，承压支座和压紧支座以U形结构分别套装在支撑梁下方和上方，其接触面均设有滑移板可滑移运动，如图3所示。

缝宽调整系统由多个调整装置组成，每个调整装置与相邻的n根型钢斜交连接。缝宽调整系统包括调整梁、转动支座、连接架，其系统结构如图4所示。

3.2 工作原理

支撑系统包括支撑梁、连接架、压紧支座、承压支座，承压支座和压紧支座以U形结构吊架分别套装在支撑梁下方和上方，其接触面均设有滑移板可滑移运动。

图2 等距变位桥梁伸缩装置结构图

图3 支撑系统结构

图4 缝宽调整系统结构

缝宽调整系统由多个调整装置串联组成，根据实际需要，每个调整装置与相邻的n（n〉3）根型钢斜交连接，缝宽调整装置包括调整梁、转动支座、连接架和若干对调整支座组成。调整支座与调整梁组成滑动副，与连接架组成转动副。

当伸缩缝宽度发生变化时，各型钢可在支撑梁上自由滑动，支撑系统解决伸缩缝的载荷支撑及载荷传递；缝宽调整系统串联布置于支撑体系中间空当区域，是一种刚性联动机构。若其中一根型钢发生位移，在调整系统相互作用下型钢均会产生位移。并最终将位移均匀地分配给中梁和边梁。

3.3 设计计算

3.3.1 支撑梁力学性能计算

支撑横梁的强度和挠度计算是模数式缝设计中必须考虑的问题，以GQF1120缝所用支撑梁进行理论计算和验证，充分证明了设计参数的正确性。

图5 梁结构及横截面尺寸

依据《公路桥涵设计通用规范》不考虑制动力时，竖向载荷 F=140×(1+μ)=140×1.45=203 kN，弹性模量E=2.06×1011.

3.3.1.1 挠度

3.3.1.2 应力

图6 应力

图7 最大应力

在弯矩作用下，梁横截面下拉上压，在上、下边缘位置应力最大。

强度条件：σ≤[σ]，

许用应力：[σ]≤σs/n.

查《机械设计手册》Q345钢的屈服强度为345 MPa，上述应力结果都满足要求。

3.3.2 调整梁力学性能计算

从图8可以看出，摩阻力F是由滑动阻力F2和转动阻力F1组成，依据《桥梁伸缩缝技术规范》（JT/T 327—2004）各支撑压紧摩阻力最大取值为0.4 kN，根据结构特性，换算出每个调整梁结点处的摩阻力值F=0.6 kN，需用转动阻力P=1.92 kN。

按简支梁力学计算模型进行理论计算，其计算方法和支撑梁相同，而对于梁截面尺寸（60×80）mm长度1 211 mm的调整梁，其强度、挠度计算值极小，可完全满足设计要求。

图8 调整梁受力图

3.4 技术优势

通过工程实践，与现有技术相比，等距变位桥梁伸缩装置中的支撑系统与缝宽调整系统相互独立，其具有如下技术优势：

a）当伸缩缝宽度发生变化时，各型钢可在支撑梁上自由滑动，支撑系统可解决伸缩缝的载荷支撑及载荷传递，避免应力集中。

b）缝宽调整系统布置于支撑体系中间空档区域。若其中一根型钢发生位移，在调整系统相互作用下，型钢均会产生位移，并最终将位移均匀地分配给各中梁和边梁，有效解决了型钢间隙不均匀的问题。

c）支撑系统与缝宽调整系统可分别制造后再组装在一起，大大降低了组装技术难度，简化了现有技术在组装过程中的实施难度，降低了局部损坏构件的更换难度。

d）由于本装置能够保证型钢间隙均匀，且可整体调整，幅度合理，避免了伸缩缝过宽，在确保行车更加平稳的同时，还可以有效减弱行车通过时的噪声污染，减弱水损害带来的负面影响。

综上，可以看出，本等距变位桥梁伸缩缝装置能够有效解决现行模数式桥梁伸缩装置中结构性差、型钢间隙不均匀、噪声污染严重、水温损害严重等不足。

4 结语

本文从现行桥梁伸缩装置的分类及适用性分析出发，总结了现行模数式桥梁伸缩装置的结构特性及在工程应用中存在的不足，最后基于现行模数式桥梁伸缩装置的不足，研制出了一种等距变位桥梁伸缩装置专利技术。通过对本等距变位桥梁伸缩装置的结构特征、工作原理、施工安装技术要点及技术优势的详细分析，发现等距变位桥梁伸缩装置能够有效弥补现行模数式桥梁伸缩装置中结构性差、型钢间隙不均匀、噪声污染严重、水温损害严重等不足，具有较好的推广应用价值和市场前景。