斜梁式伸缩装置的位移控制

侯若敬

（1、衡水中铁建工程橡胶有限责任公司，河北 衡水053000 2、河北省路桥减振降噪技术创新中心，河北 衡水053000）

1 概述

伸缩装置是桥梁中的重要附属结构，主要用来调节桥梁因气温变化、混凝土收缩和徐变、不均匀沉降、车辆冲击等作用所产生的变形，防止桥面雨水和路面残渣进入桥梁结构内部，并保证车辆能够平稳的通行。模数式伸缩装置是一种广为采用的桥梁伸缩装置，由边梁、中梁、支承梁、位移传动系统和密封橡胶带等构件组成。模数式伸缩装置可以根据实际情况增加中梁钢和密封橡胶带个数，从而增大伸缩装置的位移适应能力，一般用于伸缩量大于160mm 的桥梁。根据结构和位移控制原理的不同，模数式伸缩装置可分为格栅式、直梁式和斜梁式等。斜梁式模数伸缩装置是一种创新型的伸缩装置，属于大位移量伸缩装置。它不仅能够满足桥梁横向、纵向以及竖向形变的需要，同时也满足当今社会对桥梁建设安全、舒适、耐用等特点的要求。

2 斜梁式伸缩装置的结构形式和功能特点

2.1 结构形式

斜梁式伸缩装置主要由边梁、中梁、吊钩、支承梁、密封橡胶带、滑动弹簧、滑动支承、位移箱及锚板等部件构成。边梁将伸缩装置安全可靠的锚固到混凝土或钢结构上；中梁将垂直向和水平向的车辆负荷传递到两边梁，通过边梁将负荷传递到梁体结构上；被支撑的活动的中梁，根据梁缝大小的变化均匀的开合；密封橡胶带与中梁或边梁之间提供水密性的及永久性的连接，能够做到彻底防水。结构图如图1 所示，实物如图2 所示。

2.2 功能特点

2.2.1 简单高效的控制机构

与格栅式模数伸缩装置相比，斜梁式模数伸缩装置将一组支承箱内由一根支承梁支撑所有中梁的想法变为现实。同时，该伸缩装置采用的是四连杆控制机构，这种控制机构可以适应桥梁结构的三维方向运动、转动以及交通荷载的同步传递，并且不需要附加任何控制元件来实现运动。

图2 斜梁式伸缩装置实物图

2.2.2 等距运动

采用几何的刚性控制的原理方法，可确保伸缩缝均匀伸缩（弹性控制伸缩缝伸缩不均匀）。中梁通过滑动支承部件可以在支承梁上滑动。通过支承梁的几何排列，中梁的位置可以被有效的控制，这样，中梁与中梁之间、边梁与中梁之间的间隙能够保证始终均等，从而避免因梁与梁之间不等距造成的桥面跳车现象。

2.2.3 防水、牢固性能好

由于该伸缩装置边梁与中梁、中梁与中梁之间的密封橡胶带与型腔紧密嵌合，从而达到彻底防水的效果。同时，该伸缩装置的密封橡胶带锚固牢靠，即使密封橡胶带拉伸至150mm 时也不会脱落。并且，当车轮碾压在夹有石子或其它杂物的密封橡胶带上时，也能够保证密封橡胶带不会脱落。

2.2.4 维修方便

该伸缩装置由于本身结构的原因，具有更简洁快速的所有部件的可更换性。当伸缩装置的易损弹性控制元件或中梁出现损坏需要更换时，不需要中断交通就能够进行维修或更换。同时，即使将伸缩装置的数根中梁同时拆除，也不会影响伸缩装置的控制机构。

2.2.5 抗震能力强

随着近些年地震的频发，开始对易发生地震地区的桥梁抗震能力提出了更高的要求！虽然，目前桥梁设计者们针对如何提高桥梁主体结构抗震能力已经有了解决方案。但是，针对桥梁结构保护附件产品（伸缩装置）如何在地震发生后能够正常工作，尚未寻求到更好地解决方案。

与一般震动相比，地震引起的桥梁结构位移更大、更复杂，仅为了保护结构不受破坏而加装更大型伸缩装置是不必要的。斜梁式模数伸缩装置设计了一个临界破坏点装置，从而达到保护桥梁结构的目的。

当地震发生时，伸缩装置保险箱内设计的临界破坏点装置可以将动能转换成势能，将地震产生的能量释放，并会在临界破坏点时强行破坏锚固水泥砼及沥青砼。当地震结束后，伸缩装置保险箱内设计的临界破坏点装置便将势能转换成动能，伸缩装置复位成正常工作状态。因此，在发生地震时使用该伸缩装置仍可以保证紧急车辆能够顺利通行。

2.2.6 服役时间长

只要能够及时并且专业的对该伸缩装置进行维护保养，该伸缩装置主体的正常使用寿命在40 年以上，其中不可更换部件的正常使用寿命在100 年以上。

2.2.7 适用范围广

与格栅式模数伸缩装置和梳齿板式伸缩装置相比，斜梁式模数伸缩装置适用于伸缩量不低于160mm 的所有桥梁工程。特别适用于悬索、斜拉形柔性结构桥梁、桥梁拼宽、互通匝道弧度较大的桥梁工程，以及地震频发地区的桥梁工程。

3 斜梁式伸缩装置的位移控制

3.1 位移控制机理

斜梁式伸缩装置的位移控制系统由支承梁、中梁、滑动弹簧和滑动支承构成，支承梁大致平行布置，且与桥梁纵轴线有一定夹角（约20°）斜向布置。位移控制机理是由斜向布置的摇摆支承梁实现，该摇摆支承梁在伸缩缝的钢箱梁侧可旋转，在伸缩缝的另一侧既可转动，也可沿其轴向滑动。每个位移箱只设一根支承梁。斜梁式伸缩装置的平面图见图3。

图3 斜梁式伸缩装置平面图

支承梁一端与主桥钢箱梁连接，只可在水平面内转动可看作铰接（固定端)；另一端与引桥砼梁连接，可沿纵桥向滑动以及在水平面内转动（活动端）。中梁通过吊钩箍在支承梁上，中梁与支承梁之间设置可滑移的支承，并施加预压力，以减弱构件的振动，避免构件之间发生碰撞，见图4。

图4 中梁吊钩组件

当主桥和引桥发生相对变位时，支承梁绕其铰接端发生水平面内的转动，中梁也随着支承梁的转动产生变位。由于导梁的横向限制作用，中梁不能自由地进行横向运动，只能沿着支承梁发生滑移。在伸缩装置安装时，各中梁是等间距布置的。因此，按照几何上的等比例关系，伸缩装置伸长或缩短后各中梁应仍是等间距的，斜梁式伸缩装置的设计正是基于此原理。

3.2 位移等距验算

当伸缩装置逐渐伸长或缩短时，各中梁先是保持不动，随着伸缩量的增大或缩小，各中梁上的支撑体会先后发生滑移，带动中梁运动。中梁和支承梁可视为刚性构件，各中梁为平行布置，参考图5，当位移发生变化时，支承梁产生了旋转，各中梁之间的间隙发生变化，利用几何关系可知，各间隙是相同的，也就是缝宽相同。

图5 斜梁式伸缩装置位移示意

4 结论

由于构造原因，斜梁式伸缩装置各中梁并不同时发生滑移，需要驱动力足够大时，即达到了支座与支承梁及中梁的最大摩擦力，支座将沿支承梁滑移。无论伸缩装置是伸长还是缩短，越靠近伸缩缝活动端（引桥端）的伸缩缝单元越容易发生滑移，越靠近伸缩缝固定端（主桥端）的伸缩缝单元越不容易发生滑移。

影响缝宽均匀性的因素有滑动材料摩擦系数、支座预压力、支座抗剪切刚度，这些反映的是伸缩装置构件的材料特性和加工、安装工艺，其中的预压力是为了保证构件之间的可靠连接、减弱构件的振动而施加的。因此，对支座的材料以及伸缩装置整体制作精度要求极高。

斜梁式伸缩装置代表着全球最先进、最可靠、易维护且超长寿命的桥梁结构附件产品。