橋梁伸縮裝置創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用

文/河北寶力工程裝備股份有限公司 王希慧

衡水中交信德工程橡塑有限公司 趙杰

橋梁伸縮裝置的設(shè)計(jì)和構(gòu)造應(yīng)根據(jù)橋梁的位置、結(jié)構(gòu)、變形要求，以及橋梁支座的類型、橋梁長度和當(dāng)?shù)貧夂驐l件綜合考慮合理選型，方能保證伸縮裝置具有精確定位和變位能力，滿足橋梁運(yùn)行需求。

傳統(tǒng)伸縮裝置包括模數(shù)伸縮裝置和梳齒板伸縮裝置，能實(shí)現(xiàn)梁體的順橋向變位和水平轉(zhuǎn)角要求，但無法豎向變位，同時(shí)本身結(jié)構(gòu)存在一定缺陷，造成伸縮裝置使用壽命較低。隨著交通發(fā)展，以及對(duì)行車舒適度的要求，人們對(duì)伸縮裝置的功能提出了更高的要求：便捷的安裝和更換；優(yōu)越的防水性能；防跳車舒適通行；良好的降噪性能；較長的使用壽命等。本文所介紹的一種磁力減振降噪多向變位伸縮裝置——磁力減振降噪多向變位伸縮裝置，是一種橋梁伸縮裝置創(chuàng)新技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)以上功能。

裝置結(jié)構(gòu)

磁力減振降噪多向變位伸縮裝置，首次將永久磁鐵引入到伸縮裝置領(lǐng)域。在主齒板（活動(dòng)齒板、跨縫齒板）跨縫兩端分別設(shè)置有永久磁體，依靠永久磁鐵給伸縮裝置一個(gè)柔性的豎向力的作用。當(dāng)梁體與梁體或梁體與橋臺(tái)間產(chǎn)生豎向高差或折角時(shí)，永久磁鐵吸附主齒板齒端使之與路面有效貼合，保證橋面的平整。不會(huì)因車輛通過時(shí)齒板的上下振動(dòng)而發(fā)出噪聲，防止跳車，同時(shí)加速振動(dòng)衰減，降低噪聲，保證行駛的安全和舒適性，延長伸縮裝置使用壽命。

伸縮裝置為齒板型結(jié)構(gòu)（如圖1所示），主要?jiǎng)?chuàng)新為：在主齒板兩側(cè)錨固端和活動(dòng)端均加了永久磁鐵，可以有效保證齒板與下部緊密貼合；錨固螺栓上下設(shè)置有減振橡膠墊，可以順應(yīng)齒板的豎向變位要求；采用獨(dú)立的止水結(jié)構(gòu)，可以單獨(dú)更換止水帶（如圖2所示）。

圖1 磁力減振降噪多向變位伸縮裝置結(jié)構(gòu)示意

圖2 減振橡膠墊安裝示意

裝置特點(diǎn)

優(yōu)越的豎向變位性能

當(dāng)梁端發(fā)生豎向變位時(shí)，主齒板與副齒板形成夾角，依靠永久磁鐵的磁力作用，將主齒板牢牢吸附在耐候鋼板上，避免形成懸臂。錨固端采用單排螺栓，螺栓位置即為豎向轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)，依靠減振橡膠墊的變形順應(yīng)齒板的變位要求，避免錨固螺栓受彎，保證路面平整，減小齒板振動(dòng)。

現(xiàn)有多向變位伸縮裝置能適應(yīng)梁體的豎向折角變化，但是主齒板活動(dòng)端卻沒有力的束縛，僅能依靠重力作用發(fā)生傾斜，搭接于梁體兩端，當(dāng)車輛通過時(shí)容易造成齒板振動(dòng)，使錨固螺栓松動(dòng)或損壞。主齒板活動(dòng)端既要能實(shí)現(xiàn)位移，又要有向下的力的作用，這是長期以來無法解決的問題，而永久磁鐵有效地解決了這一問題。

優(yōu)越的安裝更換性能

由于永久磁鐵的作用，主齒板與耐候鋼板隨時(shí)保持閉合狀態(tài)，最大限度保證密實(shí)性，主齒板與下部耐候鋼板不會(huì)存在間隙，有效降低振動(dòng)。同時(shí)，主齒板螺栓直線布置，有利于齒板豎向轉(zhuǎn)動(dòng)，永久磁鐵的柔性作用，不會(huì)存在預(yù)應(yīng)力，受力蹩勁的現(xiàn)象，保證產(chǎn)品性能延長使用壽命。伸縮裝置采用獨(dú)立的止水結(jié)構(gòu)，單獨(dú)更換不影響伸縮裝置主體性能，型鋼與止水帶的結(jié)合，保證了橡膠更換的便捷。

優(yōu)越的降噪性能

當(dāng)車輛在伸縮裝置表面通過時(shí)，車輛的沖擊作用和行車路面的不平整，會(huì)引起振動(dòng)和噪聲，引起明顯的環(huán)境污染。可通過在伸縮裝置表面設(shè)置降噪板等措施，或使與行車方向垂直的縫隙改變成斜交方向，從而降低噪聲的量級(jí)。

阻尼效應(yīng)，衰減振動(dòng)

車輛通過梳齒板伸縮裝置的狀態(tài)可以等效為圖3的模型，等截面簡支梁，其跨度長為L。彎曲剛度為EI，在梁中點(diǎn)放一質(zhì)量為m的物體，其力的大小等效為沖擊力的作用。梁的質(zhì)量與自重不計(jì)。

理想狀態(tài)的無阻尼自由振動(dòng)，振動(dòng)的振幅不隨時(shí)間改變，振動(dòng)過程將無限進(jìn)行下去。實(shí)際上，任何振動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)時(shí)總會(huì)受到各種阻力的作用，由于阻力的存在而不斷消耗振動(dòng)能量，使振幅不斷地減小，直至最后振動(dòng)停止。振動(dòng)過程中的阻力稱為阻尼。產(chǎn)生阻尼的原因很多，例如接觸面間的摩擦力、氣體或液體介質(zhì)的阻力、彈性材料中分子的內(nèi)阻尼等。

圖3 梳齒板伸縮裝置等效模型

而在系統(tǒng)原有的阻尼效應(yīng)中人為地增加了永久磁鐵的吸附力作用，加速了梳齒板振動(dòng)的衰減。如上述情況忽略系統(tǒng)本身的阻尼效應(yīng)，只考慮永久磁鐵的阻尼作用，系統(tǒng)的振動(dòng)不再是等幅的簡諧振動(dòng)，其振幅按負(fù)指數(shù)規(guī)律隨時(shí)間不斷衰減，所以又稱為衰減振動(dòng)，運(yùn)動(dòng)圖線如圖4所示。

顯然，由于阻尼的存在，系統(tǒng)自由振動(dòng)的周期增大，頻率減小，能夠有效避免梳齒板振動(dòng)周期與車輛固有周期相近，產(chǎn)生共振。同時(shí)，阻尼作用能有效將車輛沖擊帶來的齒板振動(dòng)快速衰減，避免了齒板的疲勞損壞。由于聲音是振動(dòng)產(chǎn)生的，在梳齒板振動(dòng)的過程中不斷地產(chǎn)生噪聲，而永久磁鐵的阻尼作用能有效降低噪聲的持續(xù)時(shí)間及噪聲大小。

圖4 永久磁鐵阻尼作用

緩沖作用，降低噪聲

伸縮裝置主齒板和副齒板錨固螺栓位置均設(shè)置有減振橡膠墊，能有效起到緩沖作用，降低噪聲產(chǎn)生。

取消間隙，避免碰撞

由于齒板采用錨固螺栓連接，為了保證能夠正常安裝，梳齒板都加工為通孔，相比螺栓直徑要大一些。這樣，車輛在梳齒板上部發(fā)生制動(dòng)時(shí)，齒板就會(huì)在螺栓孔間隙內(nèi)滑動(dòng)，沖擊螺栓桿和周邊混凝土，碰撞產(chǎn)生噪聲。該齒板中心位置采用銷軸連接，減少了螺栓孔間隙，齒板不會(huì)因間隙沖擊產(chǎn)生噪聲，還不影響伸縮裝置實(shí)現(xiàn)水平轉(zhuǎn)動(dòng)。

性能試驗(yàn)

永久磁鐵吸附力試驗(yàn)

對(duì)單個(gè)永久磁鐵做吸附力試驗(yàn)，試件包括伸縮裝置使用直徑50mm永久磁鐵模塊、直徑90mm的測試塊。將永久磁鐵設(shè)置于壓環(huán)內(nèi)部，與磁鐵墊塊吸附，直徑20mm圓桿用于設(shè)備夾緊，采用最大負(fù)荷不大于5kN的拉力試驗(yàn)機(jī)。測量精度小于0.5%。測量單個(gè)永久磁鐵吸附力≥1kN，每延米永久磁鐵吸附力≥10kN(可根據(jù)實(shí)際伸縮量相應(yīng)增加)。

減振降噪性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證伸縮裝置減振降噪性能，選用剛完成施工安裝的普通160梳齒板伸縮裝置和磁力減振降噪多向變位伸縮裝置對(duì)比試驗(yàn)。在主齒板兩側(cè)(一側(cè)為錨固端，另一側(cè)為活動(dòng)端)安裝壓電型加速度傳感器，用于測量齒板振動(dòng)加速度。加速度傳感器放置于主齒板跨縫兩側(cè)，距間隙距離相等，連接恒流適配器，通過數(shù)據(jù)采集卡輸出到電腦，電腦上安裝測試面板軟件，可以直接讀出振動(dòng)數(shù)據(jù)。對(duì)比伸縮裝置齒板振動(dòng)加速度幅值及持續(xù)時(shí)間。試驗(yàn)選擇整備質(zhì)量1300kg至2000kg的M1類車輛，以50km/h勻速通過伸縮裝置，在車輛底盤設(shè)置有噪聲儀測量噪聲脈沖值。

通過試驗(yàn)可知，采用磁力減振降噪多向變位伸縮裝置錨固端和活動(dòng)端振動(dòng)情況近似相等（如表1、表2所示），而普通梳齒板伸縮裝置活動(dòng)端振動(dòng)情況明顯大于錨固端，磁力減振降噪多向變位伸縮裝置錨固端振動(dòng)加速度幅值為普通梳齒板的23%，活動(dòng)端振動(dòng)加速度幅值為普通梳齒板的20%。

表1 錨固端振動(dòng)加速度幅值（mg）

表2 活動(dòng)端振動(dòng)加速度幅值（mg）

表3 車輛通過伸縮裝置噪聲水平【dB(A)】

選擇振動(dòng)加速度大于幅值的10%的區(qū)間所持續(xù)時(shí)間，作為伸縮裝置的振動(dòng)持續(xù)時(shí)間。經(jīng)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，磁力減振降噪多向變位伸縮裝置振動(dòng)持續(xù)時(shí)間為普通梳齒板的25%。

另外，還測量了車輛通過伸縮裝置時(shí)的噪聲值，以車輛通過伸縮裝置的噪聲峰值與正常路面行駛噪聲值（去除車輛通過伸縮縫時(shí)的脈沖點(diǎn)，以及測試過程中的無效點(diǎn)，對(duì)剩余數(shù)據(jù)求平均值）的差值作為該伸縮裝置的噪聲水平（如表3所示）?？梢钥闯觯煌炜s裝置的噪聲水平，磁力減振降噪多向變位伸縮裝置噪聲水平比型鋼伸縮裝置降低2.2dB至2.4dB，比梳齒板伸縮裝置降低1.1dB。由于噪聲儀設(shè)置在車輛底部，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲影響較大，造成行駛平均噪聲較高，所以通過伸縮裝置所引起的噪聲變化幅度較小，但已能看出明顯的降低。