一種新型模數(shù)式伸縮縫位移控制系統(tǒng)

李培俊

（山西遠(yuǎn)大公路橋梁建設(shè)養(yǎng)護(hù)有限公司，山西 忻州 034000）

1 伸縮縫簡(jiǎn)介

橋梁伸縮縫是指為使車(chē)輛平穩(wěn)通過(guò)橋面并滿足橋面變形的需要，在橋面伸縮接縫處設(shè)置的各種裝置的總稱(chēng)，主要用于適應(yīng)橋梁的溫度伸縮、混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的收縮和徐變、橋梁梁部結(jié)構(gòu)在荷載作用下的伸縮位移等引起的橋梁伸縮位移[1-2]。雖然橋梁伸縮縫在整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)中所占的比例極小，但它在橋梁結(jié)構(gòu)中直接承受車(chē)輪載荷的反復(fù)沖擊作用，是橋梁結(jié)構(gòu)必不可少的一個(gè)部件；同時(shí)又長(zhǎng)期暴露在大氣中，其工作環(huán)境極其惡劣，又是一個(gè)最為薄弱的環(huán)節(jié)，也是最容易被損壞的部件[3]。伸縮縫一旦受到破壞，不僅使得車(chē)輛在駛過(guò)伸縮縫時(shí)，行車(chē)舒適度下降，對(duì)車(chē)輛的使用壽命造成影響；更重要的是，會(huì)使車(chē)輛對(duì)橋梁的沖擊效果明顯增加，加劇橋面鋪裝層的破損速度，甚至還會(huì)對(duì)橋梁本身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[4]。

2 兩種現(xiàn)有伸縮縫結(jié)構(gòu)形式

隨著我國(guó)高速公路的飛速發(fā)展，大跨徑橋梁越來(lái)越多，大位移橋梁伸縮縫需求量也越來(lái)越多。在我國(guó)，大位移伸縮縫一般采用模數(shù)式結(jié)構(gòu)，為了均勻地分配控制各根型鋼之間的位移，模數(shù)式伸縮縫必須設(shè)置位移控制系統(tǒng)。目前，大位移模數(shù)式伸縮縫一般有剪力彈簧式和轉(zhuǎn)軸式兩種結(jié)構(gòu)形式。

2.1 剪力彈簧式

剪力彈簧式橋梁伸縮縫采用三聯(lián)一組的豎裝剪切彈簧控制元件，各縫縫寬的等距控制通過(guò)型鋼間交叉串聯(lián)的橡膠剪力彈簧的剪切變形來(lái)推動(dòng)各根中梁實(shí)現(xiàn)的。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。支撐系統(tǒng)與位移控制系統(tǒng)相互獨(dú)立，加工組裝簡(jiǎn)單，制造工藝難度低。

圖1 剪力彈簧式橋梁伸縮縫結(jié)構(gòu)圖

剪力彈簧通過(guò)高強(qiáng)螺栓和支撐架與型鋼連接，當(dāng)梁體發(fā)生伸縮位移帶動(dòng)邊梁一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，與之連接的剪力彈簧將受到剪切作用。產(chǎn)生剪切變形，同時(shí)將伸縮力傳遞給相鄰的中梁，使其產(chǎn)生位移，相鄰中梁的位移又會(huì)使與之相連接的剪力彈簧產(chǎn)生剪切變形，依次類(lèi)推，最終達(dá)到控制各縫縫寬均勻性的目的。圖2所示為不同縫寬時(shí)剪力彈簧的工作狀態(tài)示意圖。

圖2 縫寬變化時(shí)剪力彈簧工作狀態(tài)

剪力彈簧式橋梁伸縮縫的所有中梁均通過(guò)支撐架和橡膠支座與橫梁連接。以圖1所示為例，在橡膠支座壓縮量一致的情況下，假設(shè)1號(hào)中梁所受的來(lái)自橡膠支座的摩阻力為f，則2號(hào)中梁所受的摩阻力為2f，3號(hào)中梁為3f，4號(hào)中梁為4f…… 即距離支撐箱的距離越遠(yuǎn)的中梁受到的摩阻力越大，發(fā)生位移也就越困難。為了滿足橋梁伸縮的需要，這就使得越靠近支撐箱的剪力彈簧受到的剪切力越大，也就越容易損壞。圖3所示為某公路大橋剪力彈簧式伸縮縫工作情況。

圖3 某公路大橋剪力彈簧式伸縮縫

圖3可以清晰地看出隨著距離邊梁距離的增加，單縫的縫寬呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)橹辛核艿哪ψ枇Σ痪鶆颍S著距離支撐箱距離的增加，中梁受到的摩阻力呈階梯狀增加。最終的結(jié)果就是隨著距離支撐箱距離的增加，中梁的運(yùn)動(dòng)阻力越來(lái)越大，宏觀表現(xiàn)為縫寬的不均勻性。

2.2 轉(zhuǎn)軸式

轉(zhuǎn)軸式橋梁伸縮縫每組支撐箱內(nèi)只有一根支撐梁，支撐梁與中（邊）梁并非正交，而是斜交。支撐梁通過(guò)L形支撐架與中（邊）梁連接。

圖4 轉(zhuǎn)軸式伸縮縫縫寬控制示意圖

圖4所示為轉(zhuǎn)軸式伸縮縫縫寬控制示意圖。當(dāng)橋梁梁體發(fā)生位移時(shí)，與梁體連接的邊梁受到一順橋向的力F，在其順著支撐梁軸向的分力FP的作用下，帶動(dòng)中梁沿著支撐梁滑動(dòng)；其垂直于支撐梁方向的分力FV使得支撐梁繞著鉸軸發(fā)生水平轉(zhuǎn)動(dòng)，在二者共同作用下，伸縮縫可以實(shí)現(xiàn)縫寬的均勻性控制[5]。

轉(zhuǎn)軸式伸縮縫的支撐梁既起到了支撐中（邊）梁的作用，又起到了縫寬調(diào)整的作用。利用四邊形不穩(wěn)定性和杠桿的等距原理來(lái)實(shí)現(xiàn)縫寬的控制。當(dāng)梁體發(fā)生位移時(shí)，各根中梁在支撐梁的作用下是聯(lián)動(dòng)的而非相互獨(dú)立的，這就在根本上解決了縫寬的不均勻性。但是，轉(zhuǎn)軸式伸縮縫的橡膠支座既要傳遞豎向荷載，又要承受由于伸縮縫發(fā)生位移時(shí)產(chǎn)生的剪切力。同時(shí)，所有中梁是聯(lián)動(dòng)的，一旦出現(xiàn)支座壓緊不均勻及軸向加工誤差偏大的情況，很容易導(dǎo)致某一根支撐梁的轉(zhuǎn)動(dòng)受阻，從而使得伸縮縫產(chǎn)生極大的內(nèi)應(yīng)力。因此，轉(zhuǎn)軸式伸縮縫對(duì)零部件的機(jī)加工精度及裝配精度要求極高，這就極大地提高了加工難度和生產(chǎn)成本。

剪力彈簧式橋梁伸縮縫雖然加工組裝簡(jiǎn)單，制造工藝難度低。但是，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在著縫寬調(diào)整能力不足的情況（圖3）；轉(zhuǎn)軸式橋梁伸縮縫雖然利用幾何原理解決了縫寬不均勻的情況（圖4），但是對(duì)零部件的機(jī)加工精度及裝配精度要求極高，生產(chǎn)成本大，這也極大地限制了它在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

3 等距變位式伸縮縫

結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，本文提出一種新結(jié)構(gòu)形式的橋梁伸縮縫：等距變位式橋梁伸縮縫。圖5所示為等距變位式橋梁伸縮縫示意圖。

圖5 等距變位式橋梁伸縮縫示意圖

等距變位式橋梁伸縮縫支撐系統(tǒng)與縫寬調(diào)整系統(tǒng)也是相對(duì)獨(dú)立的：支撐梁通過(guò)支撐吊架與中梁連接，邊梁與支撐箱連接；調(diào)整梁通過(guò)調(diào)整吊架與中梁連接。等距變位式橋梁伸縮縫支撐系統(tǒng)與剪力彈簧式相同，這使得它繼承了剪力彈簧式伸縮縫支撐系統(tǒng)牢固，不易損壞的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，相對(duì)獨(dú)立的支撐系統(tǒng)與縫寬調(diào)整系統(tǒng)使得兩者可以分開(kāi)獨(dú)立加工，這也極大地降低了加工和組裝難度以及生產(chǎn)成本；等距變位式橋梁伸縮縫縫寬調(diào)整系統(tǒng)與轉(zhuǎn)軸式伸縮縫相似，聯(lián)動(dòng)的縫寬調(diào)整方式從根本上解決了縫寬不均勻的問(wèn)題，而且采用分段式設(shè)計(jì)，縫寬調(diào)整系統(tǒng)聯(lián)數(shù)的多少可以根據(jù)橋梁伸縮量和支撐箱間距靈活組合，這進(jìn)一步降低了加工組裝難度。

圖6 某大橋等距變位式橋梁伸縮縫

圖6所示為某大橋上安裝的等距變位式橋梁伸縮縫實(shí)物圖。從圖6可以可以看出，各個(gè)單縫之間縫寬比較均勻，各縫具體縫寬如圖7所示。

圖7 某大橋等距變位式伸縮縫各縫具體縫寬

由圖7可以看出，單縫最大縫寬為38.2 mm，最小縫寬為36.3 mm。最大縫寬與最小縫寬差值為1.9 mm小于2 mm，這表明等距變位式橋梁伸縮縫在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的各縫縫寬誤差完全滿足JT/T327—2004中對(duì)大位移伸縮縫的要求，其縫寬調(diào)整能力完全滿足要求[6]。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)剪力彈簧式、轉(zhuǎn)軸式兩種大位移伸縮縫中常用的結(jié)構(gòu)形式優(yōu)劣的對(duì)比，提出了一種新的結(jié)構(gòu)形式：等距變位式伸縮縫。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：該形式伸縮縫兼具剪力彈簧式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受力清晰，加工組裝難度低，成本低和轉(zhuǎn)軸式伸縮縫縫寬調(diào)整能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。