桥梁模数式伸缩装置耐久性设计研究

2021-12-04陶斌

商品与质量 2021年41期

陶斌

山西省交通新技术发展有限公司山西太原 030012

伸缩装置是桥梁工程中较为关键的构件，以合理的方法做好设计、施工、养护等工作后，有利于发挥出伸缩装置的应用优势，进而提高桥梁的耐久性以及安全性。现阶段，模数式伸缩装置的占比较大，根据形式的不同，可分为单缝式和多缝式两类。但从实际情况来看，部分模数式伸缩装置在设计年限内易出现各式各样的、不同程度的病害，严重影响装置乃至全桥的品质。例如，边梁锚固结构受损、异型钢断裂、位移箱受损。现阶段，有关于桥梁伸缩缝的设计规范有限，虽然提及到一般要求、伸缩量及安装宽度的控制要求，但并未围绕锚固系统、承重系统等多类细分的部分做出明确的设计要求，导致部分子系统的设计缺乏可靠的依据，设计方案的可行性不足，实际使用过程中模数式伸缩装置的耐久性较差。因此，必须富有针对性地开展耐久性设计工作[1]。

1 模数式伸缩装置的主要病害及成因

主要病害及成因，如下：①单缝、多缝是两种较为常见的模数式伸缩装置，但无论何种形式，边梁均容易出现病害，具体与边梁截面形式不合理有关。②受锚固钢筋连接不稳定的影响，伸缩装置锚固部位的混凝土缺乏足够的稳定性，有局部脱落的现象，严重影响锚固效果。③部分模数式伸缩装置采用的是铸钢直梁连杆结构，在此配置方式下，伸缩装置可能会出现纵向变位锁死的问题。

总体来看，设计不合理、施工不规范、养护不到位等均是桥梁伸缩装置受损的关键原因，具体又可细分为多个方面，各自所导致的病害形式多样。

根据截面形式的不同，主要将模数式伸缩装置的边梁分为四类，即“C”型、“F”型、“Z”型及“E”型，（见图1a，b，列举C型和F型）各自发生破坏时的程度不尽相同。相比之下，“E”型钢的破坏程度最为轻微。可以确定的是，随着边梁截面形式的改变，受力性能也随之发生变化，此时会对伸缩装置的性能带来影响，而截面形式不合理则是边梁受损的关键原因。

图1a C型伸缩缝装置

图1b F型伸缩缝装置

伸缩装置锚固钢筋、预埋钢筋有错位的情况，不利于焊接作业的顺利开展，其中，焊接对位不准确已经成为多数模数式伸缩装置常见的质量问题。具体而言，桥梁普遍由多片主梁预制拼装的方式制作成型，同时还存在一定的纵、横坡，导致主梁施工期间的控制难度较大，纵向和横向有错台问题，可见锚固钢筋、预埋钢筋两部分有错位，原本需要准确穿入的横向钢筋由于错位的存在而受到阻碍，后续模数式伸缩装置容易出现病害[2]。

从位移联动结构的角度来看，现阶段国内多数伸缩装置均配套的是铸钢直梁连杆，其安装精度较高，若在安装过程中局部变位或是后期主梁有小幅度的变形，均会直接破坏伸缩装置的正常使用状态，有纵向变位锁死的情况。进口产品主要采用的是高分子橡胶材料，其特点在于能够有效满足弹性剪切位移的要求，对变形的适应能力较强，同时锈蚀问题的发生几率明显降低，在安装后不会破坏伸缩装置的纵向稳定性。可见，不同形式的位移连杆所带来的应用效果有所差异，必须合理选择，否则将由于选型不当而难以满足伸缩位移的相关要求[3]。

2 模数式伸缩装置的耐久性设计

为有效预防模数式伸缩装置的病害，提高装置的耐久性，需从多个角度出发，做全方位的考虑，切实提高耐久性设计水平，此处围绕边梁的选型、锚固方式的优化、位移传动方式的选择三个方面展开探讨，阐述具体的设计要点。

2.1 边梁选型设计

取“C”、“F”、“Z”及“E”截面的型钢边梁，设定特定的荷载，试验并分析各自的应力值，具体如图2所示。

图2 4种异型钢边梁的Mises应力值

以疲劳荷载作用条件为例，“F”型截面边梁的应力最大，达到225.1MPa；相比之下，以“E”型最小，该值为172.8MPa。现阶段，边梁材料主要采用的是Q345（16Mn），根据其力学特性可知，抗弯强度允许值为310MPa，该值均高于前述提及的钢边梁的计算值，根据此数值关系得知，型钢的静力强度储备具有合理性，可以有效地满足桥梁伸缩装置的受力要求。在动荷载的作用下，容易加剧对伸缩装置的影响，出现疲劳破坏，并且随着荷载作用时间的延长，该现象更为明显，以建成通车一年为例，可达到2×106次。不同构件和连接类别下，对应的容许应力幅值不尽相同，具体如表1所示。

表1 循环次数n为2×106次的容许应力幅（MPa）

经过疲劳应力幅值的对比分析发现，“E”型边梁的应力表现较为良好，能够有效地满足疲劳构件的强度要求；相比之下，“F”型钢边梁的受力明显偏大，超出控制容许应力幅；“C”、“z”型钢边梁则“介于前述两者中间”，应力有少许的超标。总体来看，以“E”型钢截面的边梁最为合适。

2.2 锚固方式的设计

常规方法下，在边梁处焊接锚固环，取适量的销钉，稳固在支承箱或位移箱的两端，而后按照要求于梁体上预埋钢筋，经过焊接后使锚固钢筋环和预埋钢筋稳固连接，将合适尺寸的横向钢筋穿过安装到位的锚固环，起到稳固伸缩装置的作用，在前述基础上，组织槽口混凝土的浇筑作业。从实际应用效果来看，该常规的锚固方法存在一定的不足之处，主要有如下几方面：

（1）桥梁通常由多片主梁以预制、拼装的方式组成，并且还有一定程度的纵、横坡，在此条件的影响下，主梁施工期间可能有纵横向错台问题，而此时随之影响锚固钢筋和预埋钢筋，即两者出现错位；由于位置的偏差，部分锚固钢筋和预埋钢筋不具备焊接的条件，在安装横向钢筋时也将由于偏位而难以顺利到位（穿过锚固环钢筋和预埋钢筋的难度较大），不得已舍弃该部分钢筋。随着钢筋材料用量的减少，最终的锚固效果自然达不到设计要求[4]。

（2）锚固混凝土强度的提升并非一蹴而就，通常需经过3-5d才能够达到特定的强度要求，此时才可有效锚固边梁。但在混凝土强度提升过程中，连续经过多个昼夜，而昼夜温差较大，不利于混凝土强度的提升。详细来说，边梁与主梁预埋钢筋稳定连接时，温差的出现将加剧混凝土的收缩变形，成型混凝土的完整性欠佳。受此影响，锚固钢筋与槽口混凝土的结合稳定性不足，有脱离的情况，难以有效保证最终的锚固效果。

（3）横向钢筋需穿过锚固环与预埋钢筋，在此构件分布关系下，有利于增强伸缩装置与预埋钢筋的锚固效果。但需注意的是，在支承箱和变位箱的限制作用下，明显加大横向钢筋的安装难度，难以完全穿过支承箱和变位箱，此时需做截断处理，而由于钢筋的残缺，最终的锚固效果难以达到设计要求。

由此看来，常规的锚固方法取得的应用效果较差，为使锚固件与型钢、槽口预埋钢筋等构件稳定结合，有必要优化锚固方式，在既有锚固系统的基础上做出调整，以便顺利锚固。具体考虑如下几点：

（1）取消原边梁的锚固环，根据边梁的结构特点，在该处设置带有开孔的连接钢板，以焊接的方法将该钢板与边梁稳定连接。

（2）不再采用穿入锚固环的横向钢筋，取而代之的是横向固定圆钢，将其中间穿入预先设置好的连接钢板的孔洞内，而后对两端做焊接处理，使其与支承箱稳定结合。

（3）准备可调式活动钢板，将其安装在横向圆钢处，此设置方式较为灵活，可调式钢板能够顺着圆钢滑动，最终到达指定位置（预埋钢筋处）。

（4）在支承箱两侧焊接“U”形锚固钢筋，并在该钢筋与预埋钢筋间穿入横向钢筋，通过新增钢筋的应用，切实保证锚固效果。

在对锚固方式做出优化后，全新的锚固系统更具可行性，具体体现在伸缩装置锚固性能提升、预埋钢筋与锚固钢筋对位准确性等方面，取得较好的锚固效果。

2.3 位移控制方式的设计

不同模数式伸缩装置所对应的位移控制方式有所不同，实际应用效果也并非完全一致。对于格梁模数式伸缩装置而言，借助压缩弹簧控制室实现有效的控制，斜梁、直梁两类模数式伸缩装置各自对应的控制方式分别为几何控制式、剪切弹簧控制式。对于横梁模数式伸缩装置，在位移增加的条件下，所需配套的支承梁以及位移控制弹簧数量均有增加的变化趋势，除此之外配套的支承箱的尺寸也有所加大，而此类特点在大位移量的伸缩装置中缺乏可行性。对于斜梁模数式伸缩装置，其对组件的加工精度提出较高的要求，需有效控制元件的尺寸，以免出现明显的位移现象。若为直梁模数式伸缩装置，其采用的是铰链控制式时，对变位的要求较高，并且必须保证安装的精度，否则会出现伸缩装置纵向变位锁死的情况；若为剪切弹簧控制式，在车辆荷载作用下，装置能够实现对荷载的有效传递，即传至型钢处，变位具有均匀性，并且此时支承系统和位移控制系统两部分并不存在关联，独立性较强，因此不会产生干扰，仅用单根支承梁即可有效发挥出承重的作用，随之减少支承梁的数量，可行性较高，且对于大位移量的模数式伸缩装置而言更具可行性。综合来看，剪切弹簧控制式是较为适宜的位移控制方法，可用于模数式伸缩装置中。