桥梁伸缩装置创新技术应用

文/河北宝力工程装备股份有限公司 王希慧

衡水中交信德工程橡塑有限公司 赵杰

桥梁伸缩装置的设计和构造应根据桥梁的位置、结构、变形要求，以及桥梁支座的类型、桥梁长度和当地气候条件综合考虑合理选型，方能保证伸缩装置具有精确定位和变位能力，满足桥梁运行需求。

传统伸缩装置包括模数伸缩装置和梳齿板伸缩装置，能实现梁体的顺桥向变位和水平转角要求，但无法竖向变位，同时本身结构存在一定缺陷，造成伸缩装置使用寿命较低。随着交通发展，以及对行车舒适度的要求，人们对伸缩装置的功能提出了更高的要求：便捷的安装和更换；优越的防水性能；防跳车舒适通行；良好的降噪性能；较长的使用寿命等。本文所介绍的一种磁力减振降噪多向变位伸缩装置——磁力减振降噪多向变位伸缩装置，是一种桥梁伸缩装置创新技术，能实现以上功能。

装置结构

磁力减振降噪多向变位伸缩装置，首次将永久磁铁引入到伸缩装置领域。在主齿板（活动齿板、跨缝齿板）跨缝两端分别设置有永久磁体，依靠永久磁铁给伸缩装置一个柔性的竖向力的作用。当梁体与梁体或梁体与桥台间产生竖向高差或折角时，永久磁铁吸附主齿板齿端使之与路面有效贴合，保证桥面的平整。不会因车辆通过时齿板的上下振动而发出噪声，防止跳车，同时加速振动衰减，降低噪声，保证行驶的安全和舒适性，延长伸缩装置使用寿命。

伸缩装置为齿板型结构（如图1所示），主要创新为：在主齿板两侧锚固端和活动端均加了永久磁铁，可以有效保证齿板与下部紧密贴合；锚固螺栓上下设置有减振橡胶垫，可以顺应齿板的竖向变位要求；采用独立的止水结构，可以单独更换止水带（如图2所示）。

图1 磁力减振降噪多向变位伸缩装置结构示意

图2 减振橡胶垫安装示意

装置特点

优越的竖向变位性能

当梁端发生竖向变位时，主齿板与副齿板形成夹角，依靠永久磁铁的磁力作用，将主齿板牢牢吸附在耐候钢板上，避免形成悬臂。锚固端采用单排螺栓，螺栓位置即为竖向转动支点，依靠减振橡胶垫的变形顺应齿板的变位要求，避免锚固螺栓受弯，保证路面平整，减小齿板振动。

现有多向变位伸缩装置能适应梁体的竖向折角变化，但是主齿板活动端却没有力的束缚，仅能依靠重力作用发生倾斜，搭接于梁体两端，当车辆通过时容易造成齿板振动，使锚固螺栓松动或损坏。主齿板活动端既要能实现位移，又要有向下的力的作用，这是长期以来无法解决的问题，而永久磁铁有效地解决了这一问题。

优越的安装更换性能

由于永久磁铁的作用，主齿板与耐候钢板随时保持闭合状态，最大限度保证密实性，主齿板与下部耐候钢板不会存在间隙，有效降低振动。同时，主齿板螺栓直线布置，有利于齿板竖向转动，永久磁铁的柔性作用，不会存在预应力，受力蹩劲的现象，保证产品性能延长使用寿命。伸缩装置采用独立的止水结构，单独更换不影响伸缩装置主体性能，型钢与止水带的结合，保证了橡胶更换的便捷。

优越的降噪性能

当车辆在伸缩装置表面通过时，车辆的冲击作用和行车路面的不平整，会引起振动和噪声，引起明显的环境污染。可通过在伸缩装置表面设置降噪板等措施，或使与行车方向垂直的缝隙改变成斜交方向，从而降低噪声的量级。

阻尼效应，衰减振动

车辆通过梳齿板伸缩装置的状态可以等效为图3的模型，等截面简支梁，其跨度长为L。弯曲刚度为EI，在梁中点放一质量为m的物体，其力的大小等效为冲击力的作用。梁的质量与自重不计。

理想状态的无阻尼自由振动，振动的振幅不随时间改变，振动过程将无限进行下去。实际上，任何振动系统在运动时总会受到各种阻力的作用，由于阻力的存在而不断消耗振动能量，使振幅不断地减小，直至最后振动停止。振动过程中的阻力称为阻尼。产生阻尼的原因很多，例如接触面间的摩擦力、气体或液体介质的阻力、弹性材料中分子的内阻尼等。

图3 梳齿板伸缩装置等效模型

而在系统原有的阻尼效应中人为地增加了永久磁铁的吸附力作用，加速了梳齿板振动的衰减。如上述情况忽略系统本身的阻尼效应，只考虑永久磁铁的阻尼作用，系统的振动不再是等幅的简谐振动，其振幅按负指数规律随时间不断衰减，所以又称为衰减振动，运动图线如图4所示。

显然，由于阻尼的存在，系统自由振动的周期增大，频率减小，能够有效避免梳齿板振动周期与车辆固有周期相近，产生共振。同时，阻尼作用能有效将车辆冲击带来的齿板振动快速衰减，避免了齿板的疲劳损坏。由于声音是振动产生的，在梳齿板振动的过程中不断地产生噪声，而永久磁铁的阻尼作用能有效降低噪声的持续时间及噪声大小。

图4 永久磁铁阻尼作用

缓冲作用，降低噪声

伸缩装置主齿板和副齿板锚固螺栓位置均设置有减振橡胶垫，能有效起到缓冲作用，降低噪声产生。

取消间隙，避免碰撞

由于齿板采用锚固螺栓连接，为了保证能够正常安装，梳齿板都加工为通孔，相比螺栓直径要大一些。这样，车辆在梳齿板上部发生制动时，齿板就会在螺栓孔间隙内滑动，冲击螺栓杆和周边混凝土，碰撞产生噪声。该齿板中心位置采用销轴连接，减少了螺栓孔间隙，齿板不会因间隙冲击产生噪声，还不影响伸缩装置实现水平转动。

性能试验

永久磁铁吸附力试验

对单个永久磁铁做吸附力试验，试件包括伸缩装置使用直径50mm永久磁铁模块、直径90mm的测试块。将永久磁铁设置于压环内部，与磁铁垫块吸附，直径20mm圆杆用于设备夹紧，采用最大负荷不大于5kN的拉力试验机。测量精度小于0.5%。测量单个永久磁铁吸附力≥1kN，每延米永久磁铁吸附力≥10kN(可根据实际伸缩量相应增加)。

减振降噪性能试验

为了验证伸缩装置减振降噪性能，选用刚完成施工安装的普通160梳齿板伸缩装置和磁力减振降噪多向变位伸缩装置对比试验。在主齿板两侧(一侧为锚固端，另一侧为活动端)安装压电型加速度传感器，用于测量齿板振动加速度。加速度传感器放置于主齿板跨缝两侧，距间隙距离相等，连接恒流适配器，通过数据采集卡输出到电脑，电脑上安装测试面板软件，可以直接读出振动数据。对比伸缩装置齿板振动加速度幅值及持续时间。试验选择整备质量1300kg至2000kg的M1类车辆，以50km/h匀速通过伸缩装置，在车辆底盘设置有噪声仪测量噪声脉冲值。

通过试验可知，采用磁力减振降噪多向变位伸缩装置锚固端和活动端振动情况近似相等（如表1、表2所示），而普通梳齿板伸缩装置活动端振动情况明显大于锚固端，磁力减振降噪多向变位伸缩装置锚固端振动加速度幅值为普通梳齿板的23%，活动端振动加速度幅值为普通梳齿板的20%。

表1 锚固端振动加速度幅值（mg）

表2 活动端振动加速度幅值（mg）

表3 车辆通过伸缩装置噪声水平【dB(A)】

选择振动加速度大于幅值的10%的区间所持续时间，作为伸缩装置的振动持续时间。经对比可发现，磁力减振降噪多向变位伸缩装置振动持续时间为普通梳齿板的25%。

另外，还测量了车辆通过伸缩装置时的噪声值，以车辆通过伸缩装置的噪声峰值与正常路面行驶噪声值（去除车辆通过伸缩缝时的脉冲点，以及测试过程中的无效点，对剩余数据求平均值）的差值作为该伸缩装置的噪声水平（如表3所示）。可以看出，不同伸缩装置的噪声水平，磁力减振降噪多向变位伸缩装置噪声水平比型钢伸缩装置降低2.2dB至2.4dB，比梳齿板伸缩装置降低1.1dB。由于噪声仪设置在车辆底部，发动机噪声影响较大，造成行驶平均噪声较高，所以通过伸缩装置所引起的噪声变化幅度较小，但已能看出明显的降低。