降噪抗震多向变位梳齿板式伸缩装置研究

2022-06-11姜京伟

山西交通科技 2022年2期

姜京伟

（山西省交通新技术发展有限公司，山西太原 030012）

0 引言

为满足桥梁结构多向变位的需求，同时也为行车舒适性考虑，越来越多的桥梁采用梳齿板型伸缩缝，其占据伸缩缝市场的比例也呈逐年上涨的趋势。然而，目前主流的多向变位式梳齿板伸缩缝，均较易出现锚固螺母松脱的病害[1]。而且，梁体间的横向变位往往是通过梳齿的间隙实现，变位范围极小，且容易因齿间卡入异物导致伸缩缝难以伸缩甚至造成梳齿折断。此外，梁体间竖向变位的出现，会造成缝体结构的不可逆损坏（锚固结构或齿板的损坏）。

通过调研，笔者发现业内大部分企业及学术专家在梳齿板伸缩缝方面的研究多集中于多向变位组件的结构创新，并没有从根本上解决梳齿板伸缩缝的病害问题。而市场上的多向变位式梳齿板，其变位范围很小，很难满足具有较大横风环境下的跨江、跨海桥梁，而仅适用于伸缩量较小的桥梁[2]。因此，研发一种可以解决上述问题的新型梳齿板伸缩缝装置，成为桥梁工程面临的重要需求。

1 多向变位梳齿板伸缩装置结构特点分析

目前，主流的多向变位梳齿板伸缩装置结构主要有单元式多向变位伸缩缝、阻尼减震多向变位梳齿板伸缩缝和桥梁橡胶降噪伸缩装置等，它们的结构特点具体如下。

1.1 单元式多向变位伸缩缝

单元式多向变位梳齿板伸缩缝[3]的受力结构为简支结构。其多向变位组件的铰轴通过独立的铰瓦由螺栓直接或间接与桥梁主体相连，大齿板以铰轴为中心转动。其存在的主要问题为：a）大（活动）齿板为单端锚固，且梳齿板伸缩缝锚固螺丝与下部结构的连接属于半刚性连接，因此车辆荷载作用下齿板回弹时齿板对锚固螺栓的扭剪力较大；b）横向位移的实现依靠梳齿间隙来实现，易出现异物卡入导致梳齿折断；c）当出现竖向位移时，缝体会发生不可逆的结构性损坏。其结构形式如图1所示。

图1 单元式多向变位伸缩缝结构形式

1.2 阻尼减震多向变位梳齿板伸缩缝

阻尼减震多向变位梳齿板伸缩缝[4]的每块单元大齿板端部设置一个多向变位组件，该多向变位组件由球型支座+U螺栓锚固+弹性保险螺栓组成。锚固装置与桥梁主体结构连接，单板挠动效果较好，在锚固装置后部由弹性保险螺栓与桥梁主体相连，结构形式如图2所示。但仍然存在与上述单元式多向变位伸缩缝一样的3个问题。此外，该伸缩装置的结构比较复杂、现场安装难度高，转动性能受各种条件影响大，造价较高。

图2 阻尼减震多向变位梳齿板伸缩缝结构形式

1.3 桥梁橡胶降噪伸缩装置

桥梁橡胶降噪伸缩装置[5-6]的结构形式如图3所示，其大（活动）齿板也采用单端锚固，但在大齿板梳齿位置下部设置了永久磁铁，可以从一定程度上改善大齿板螺栓受力状态，但荷载较大时，磁铁无法牵制住板体的振动。此外，该伸缩装置也存在上述两种伸缩缝在横向和竖向变位时导致的问题。

图3 桥梁橡胶降噪伸缩装置结构形式

1.4 主流梳齿板伸缩缝病害的原因分析

通过分析目前主流的梳齿板伸缩缝病害情况，笔者认为，梳齿板伸缩缝病害的最初形式多为螺母松动、梳齿卡死，进而发展为齿板脱落、梳齿断裂。

a）螺母松动除施工方面的因素外，其根本原因是其自身结构存在一定问题，主要是由于活动齿板单端锚固造成。单端锚固的活动齿板，其受力分为两种情况：

（a）当活动齿板的非固定端紧密搁置在桥梁主梁上时，活动齿板可以简单模拟为一端固定、另一端（非固定端）仅提供竖向支撑而转角放松的模式。

（b）当活动齿板的非固定端和梁体出现缝隙时，单端锚固的齿板可以简单模拟为单端固定的悬臂梁。

在上述两种力学简化模式下，当活动齿板受车辆荷载作用时，由于齿板受弯导致固定端的螺栓承受较大弯拉应力，在车辆荷载的反复作用下极易造成螺栓自身振动，随着振动能量和次数的累加，螺栓会出现微小变形，造成应力松弛，使螺栓预紧力减小，进而发生螺栓早期失效松动的现象，从而导致行车的噪声问题。

b）梳齿卡死主要是因为在缝体服役过程中，桥梁横向位移超出了缝体容许变形量。因目前主流的梳齿板伸缩缝横向变位是通过齿间间隙来实现，一旦桥梁横向位移较大或齿间卡入异物，极易造成梳齿卡死，严重时导致梳齿断裂。

2 伸缩装置方案设计

通过分析并反复论证调研，笔者提出一种降噪抗震多向变位梳齿板式伸缩装置，可以从结构形式上解决梳齿板伸缩缝螺母松脱及梳齿卡死甚至梳齿断裂的病害。

本文所提出的降噪抗震多向变位梳齿板式伸缩装置的活动齿板为跨越式悬臂结构，跨越桥梁相邻两片梁板接缝处，后端通过专用锚固螺栓与齿板下方的不锈钢板、横向位移组件及桥梁固定连接，横向位移组件主要由横向位移箱、滑动支座、不锈钢板组成，起到竖向降噪抗震和横向位移的作用；前端为滑动齿端，与固定齿板交叉啮合，活动齿板下方为滑动不锈钢板，不锈钢板下方设有滑移箱，滑移箱内设计压紧块和压板，并通过六角螺栓固定连接[7]，总装图如图4所示。

图4 降噪抗震多向变位梳齿板伸缩缝整体结构

设计的核心思想为：

a）通过活动齿板两端的专用锚固螺栓（专用螺栓带有橡胶垫），对活动齿板提供竖向和转动方向的弹性约束，活动齿板在车辆荷载作用下，可在竖向产生一定的弹性位移，满足齿板受弯时引起的专用锚固螺栓受拉需求，同时可减少专用锚固螺栓的受弯。锚固螺栓的受力状态与预加力有关，施加合适的预加力，可有效防止螺母的脱落。当伸缩缝两端的梁体发生相对竖向变形时，橡胶垫的存在可以有效防止缝体结构损坏。

b）分别在伸缩缝两端梁体的活动齿板下设置位移箱，伸缩缝体和桥梁主梁间可发生横向和竖向位移，两端位移箱分别满足伸缩缝的横向和纵向变位需求，在同样的梳齿横向缝隙下，可适应梁体可能发生的大变位。

2.1 双端锚固结构设计

双端锚固总体设计思路：双端锚固是指不仅在活动齿板板端设置锚固结构，还在齿端设置锚固结构，使之形成双端锚固结构。理论计算大致简化为，相同材质、工况下，荷载P、跨径L、材料弹性模量E为不变量；变量为截面惯性矩，其中h为齿板厚度，b为梳齿宽度。双端锚固时，即活动齿板最大挠度减小2/3。为确保双锚固结构不影响活动齿板沿纵向自由伸缩，使其既具备锚固作用，又可沿桥梁纵向自由伸缩。借鉴模数式伸缩缝位移箱工作原理，在齿端下部设计位移箱结构，位移箱、锚固螺栓及其内部结构共同组成齿端锚固滑移装置。

确定好整体思路后，对活动齿板齿端锚固滑移装置进行细部设计，以使其各项性能满足目标要求。

2.1.1 位移箱设计

位移箱底板及侧板采用5 mm厚钢板，顶板采用1 cm厚钢板，在顶板上根据缝体设计伸缩量设置纵向滑道，用作锚固螺栓滑移的通道，如图5所示。

图5 纵向位移箱俯视图

2.1.2 锚固结构设计

锚固结构由锚固螺栓结构及橡胶支座组成。锚固螺栓采用六角高强螺栓，其螺母结构为防松脱结构，相较于主流螺栓结构其锚固力可增强30%.橡胶支座结构型式与目前公路桥梁上常用的四氟板滑动支座类似，橡胶支座内设置有多层加劲钢板。橡胶支座上根据螺杆尺寸钻孔，螺杆穿过支座孔及位移箱滑道，通过螺母将支座及位移箱顶板紧固在一起。其结构形式如图6所示。

图6 活动齿板齿端锚固结构剖面图

2.1.3 滑移接触面设计

为确保缝体纵向可自由滑动，在支座和位移箱顶板底面的接触面上进行了特殊设计。除支座顶面设置四氟板外，在位移箱顶板底面与支座接触的位置也设计了不锈钢板。当桥梁产生纵向位移时，齿板带动锚固装置在位移箱内滑移，四氟板和不锈钢板的接触面为滑移面。较小的摩阻力，保障了缝体可在滑道内自由滑移。

2.2 横向变位结构设计

横向变位结构总体设计思路：区别于传统的梳齿板横向变位依靠梳齿间隙实现，通过在活动齿板尾端设置横向位移箱的手段来实现缝体的横向位移。其工作原理是当桥梁产生横向位移时，活动齿板静止，位移箱和桥梁相对于活动齿板做横向运动。

2.2.1 位移箱设计

位移箱底板及侧板采用5 mm厚钢板，顶板采用1 cm厚钢板，在顶板上根据缝体设计伸缩量设置横向滑道，用作锚固螺栓滑移的通道，如图7所示。

图7 横向位移箱俯视图

2.2.2 锚固结构设计和滑移接触面设计

横向变位结构的锚固结构和滑移接触面设计与双端锚固结构设计一致，此处不再赘述。

按照上述设计方案，研发出了降噪抗震多向变位梳齿板伸缩缝，其整体结构如前图4所示。

桥梁结构受到外荷载及温度影响，发生纵向位移时，该伸缩装置通过在活动齿板（大齿板）前部设置压紧连接机构及滑移箱，活动板可以实现伸缩装置纵向位移的要求，又可以改善活动板齿端受力状态，避免形成杠杆结构，减轻固定端螺栓的受力，大大提高了梳型板伸缩缝使用寿命。

当桥梁结构受到外力或不可控因素影响发生横向位移或转动时，该伸缩装置通过在活动齿板（大齿板）后部设置专用锚固装置与横向位移组件，利用压紧块的弹性和横向间隙，可以实现伸缩装置的横向位移和转动要求，真正满足了桥梁的多向变位要求。

在上述结构设计思路的基础上，对梳齿板厚度和梁端间距的关系、螺栓个数和规格尺寸、橡胶垫的竖向和转动刚度、螺栓预紧力的大小进行了参数优化分析，形成了不同规格下的定型产品设计。

3 试验研究

通过对该伸缩装置进行动态模拟、拉伸试验和防松脱性能检验，检测结果显示，伸缩装置性能指标符合要求。

3.1 动态模拟

对降噪抗震多向变位梳齿板伸缩缝进行动态模拟试验，图8、图9分别为缝体横向变位和纵向伸缩过程模拟动画截图。通过动态模拟可以看出，该伸缩装置的横向位移可以达到位移箱设计滑道长度（大于5 cm），而在缝体伸缩变化过程中，弹性承压支座的设计可满足竖向变形需求，达到了多向变位的效果。同时由于承压支座仅仅贴合在活动板体上，而位移箱埋设在混凝土中，当车辆通过时可防止板体跳起，从而避免了螺栓受剪，可达到防脱的效果。

图8 横向变位模拟截图

图9 纵向伸缩模拟截图

3.2 拉伸试验

通过现场试验，伸缩装置拉伸、压缩最大水平摩阻力分别是2.1 kN/m、2.5 kN/m、2.6 kN/m，拉伸压缩时最大竖向偏差0.6 mm。试验结果表明：降噪抗震多向变位梳齿板伸缩缝在桥梁正常运营状态下可以自由伸缩，达到预期效果。

3.3 防松脱性能检验

为验证伸缩装置结构防松脱效果，根据《公路桥梁伸缩装置通用技术条件》（JT/T 327—2016）中附录D承载性能试验方法的规定，对缝体锚固结构的抗疲劳性能进行检测，活动齿板振动幅度大幅减少，螺栓紧固性能良好，检测结果符合要求。

4 工程实践及实施效果分析

2020年12月至2021年2月，降噪抗震多向变位梳齿板伸缩缝在工厂首次生产，并成功应用于宜昭高速伸缩缝项目中。图10为施工现场，图11为产品安装后的效果图，图12为后期运营情况。

图10 产品安装现场

图11 安装效果

图12 后期运营情况

根据现场调研情况来看，缝体安装效果较好，伸缩均匀，缝体与路面的衔接也较好。螺栓、板体等都完好无损。为验证螺栓防松脱效果，在大型卡车通过时验证了板体的振动强度，并与该桥其他型号的梳齿板伸缩缝进行了对比。实践效果表明：降噪抗震多向变位梳齿板伸缩缝在车辆通过时，其振动强度相比其他型号的梳齿板伸缩缝的振动大幅降低。从螺栓松动机理出发进行分析，螺栓之所以松动是因为板体频繁的振动导致螺栓疲劳破坏。所以，车辆通过时振动越小，螺栓的寿命就会越长，防松脱性能也就越好。