關(guān)于市政橋梁型鋼伸縮縫清理裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

李偉杰 太原市市政公共設(shè)施建設(shè)管理中心

1 橋梁伸縮縫的作用

橋梁伸縮縫指的是為滿足橋面變形的要求，在兩梁端之間、梁端與橋臺(tái)之間或橋梁的鉸接位置上設(shè)置的構(gòu)造縫。設(shè)置伸縮縫的目的主要是為了防止溫度變化引起的橋面熱脹冷縮對(duì)橋面結(jié)構(gòu)造成破壞[1]。

2 市政橋梁伸縮縫的常見(jiàn)型式

2.1 對(duì)接式伸縮裝置

嵌固對(duì)接型伸縮裝置利用鋼構(gòu)件將橡膠條（帶）嵌牢固定，并依靠橡膠條（帶）的拉壓變形來(lái)吸收梁體的變形，其伸縮體可以處于受拉狀態(tài)，也可以處于受壓狀態(tài)。

2.2 鋼制支承式

鋼制支承式伸縮裝置的形狀、尺寸和種類繁多。其中，面層板成齒形，從左右伸出橋面板間隙處相互嚙合的懸臂式構(gòu)造，或者面層板成懸架的支承式構(gòu)造，統(tǒng)稱為鋼梳形板伸縮裝置。面層板成為矩形的疊合懸架式的構(gòu)造，稱為鋼板疊合式伸縮裝置。

2.3 模數(shù)式伸縮縫

模數(shù)式伸縮縫也稱毛勒伸縮縫，是型鋼與橡膠結(jié)合的伸縮縫，具有安全傳遞載荷、密封防水性能好、伸縮自如、安裝簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。毛勒縫首先在德國(guó)使用，由德國(guó)毛勒公司研發(fā)生產(chǎn)?，F(xiàn)在國(guó)產(chǎn)的毛勒縫改叫模數(shù)伸縮縫，適用于伸縮量大的橋梁結(jié)構(gòu)。

2.4 無(wú)縫式

無(wú)縫式伸縮裝置，是接縫構(gòu)造不伸出橋面時(shí)，在橋梁端部的伸縮間隙中填入彈性材料并鋪上防水材料，然后在橋面鋪裝層鋪筑粘彈性復(fù)合材料，使伸縮接縫處的橋面鋪裝與其他鋪裝部分形成連續(xù)體，以連接縫中的粘彈性復(fù)合材料的變形承受伸縮的一種構(gòu)造，如我國(guó)常用的橋面連續(xù)、TST彈塑體等。

目前橋梁工程中常用伸縮裝置的類型有：板式橡膠伸縮縫（已逐步淘汰），型鋼伸縮縫（毛勒縫），梳齒板伸縮縫，TST彈性體伸縮縫。

各種不同類型的伸縮裝置，普遍存在一個(gè)共同的問(wèn)題，伸縮間隙內(nèi)有灰渣、硬物堵塞，嚴(yán)重時(shí)影響梁體的正常伸縮。型鋼伸縮縫和模數(shù)式伸縮縫，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)最容易沉積泥土砂石[2]。

3 型鋼伸縮縫和模數(shù)式伸縮縫清理方法及優(yōu)缺點(diǎn)

型鋼伸縮縫和模數(shù)式伸縮縫的養(yǎng)護(hù)一直是市政橋梁養(yǎng)護(hù)工作中的難點(diǎn)之一，目前通常采用的方法主要有：（1）使用洋鎬將伸縮縫內(nèi)的泥土、砂石刨松，用自制鐵鏟將雜物鏟出，然后用笤帚清掃；（2）采用高壓水槍沖洗伸縮縫[3]。

第一種方法比較保守，全程人工作業(yè)，清理較干凈，但清理效率低，工作強(qiáng)度大，而且需要多人協(xié)作，操作中容易刮傷伸縮縫中的橡膠條。第二種方法運(yùn)用了機(jī)械設(shè)備，降低了工人工作強(qiáng)度，但清理不干凈，凝固的砂石泥土難以沖洗，耗水量大。兩種方法施工成本都很高。

針對(duì)該問(wèn)題，本文綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素，提出一種新型的伸縮縫清理裝置設(shè)計(jì)方案。該裝置可以實(shí)現(xiàn)高效清理伸縮縫內(nèi)渣土的功能，節(jié)省人工，適應(yīng)性強(qiáng)。

4 伸縮縫清理裝置工作原理

本裝置結(jié)合伸縮縫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，利用拋物線原理，設(shè)計(jì)了伸縮縫清理輪。然后將清理輪安裝在機(jī)架上，由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力帶動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)，將伸縮縫內(nèi)的沙土刨起清理掉（如圖1所示）。提升裝置利用手輪搖動(dòng)滾珠絲桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)清理輪高度調(diào)節(jié)。使用過(guò)程中，可以根據(jù)伸縮縫內(nèi)止水帶的位置，調(diào)節(jié)清理輪和伸縮縫之間的間隙；將高速旋轉(zhuǎn)的清理輪緩慢放入伸縮縫內(nèi)，清除渣土。

圖1 伸縮縫清理裝置

5 主要零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

5.1 伸縮縫清理輪的特點(diǎn)

本文設(shè)計(jì)了一種新型的橋梁伸縮縫清理輪，由主輪和對(duì)稱設(shè)置在主輪輪齒兩側(cè)的毛刷組成。主輪輪齒采用漸開(kāi)線圓弧設(shè)計(jì)，輪齒頂部經(jīng)過(guò)過(guò)渡圓弧修正，保證運(yùn)行過(guò)程中不刮傷伸縮縫止水帶；同時(shí)，圓弧沒(méi)有應(yīng)力點(diǎn)，強(qiáng)度更高。毛刷采用硬質(zhì)材料制作，達(dá)到清掃伸縮縫內(nèi)渣土的功能，并且不損壞伸縮縫止水帶；毛刷鑲嵌在主輪輪轂上，和主輪之間采用過(guò)盈配合的方式裝配在一起。此清理輪采用主輪與毛刷結(jié)合的方式，主輪解決伸縮縫中渣土固結(jié)難清理的問(wèn)題，毛刷則可以把伸縮縫內(nèi)的泥土全部清理出來(lái)。

圖2 伸縮縫清理輪

5.2 清理輪升降裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了便于調(diào)節(jié)清理輪的高低位置，使清理輪與伸縮縫之間的高差可調(diào)，本文設(shè)計(jì)了清理輪升降裝置。升降裝置的功能是通過(guò)搖動(dòng)手輪，提升活動(dòng)機(jī)架，實(shí)現(xiàn)清理輪的高度調(diào)節(jié)。

5.3 傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)

5.3.1 動(dòng)力裝置選型

采用直流電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，鋰電池提供電源。鋰電池的優(yōu)點(diǎn)是重量輕，選用鋰電池電源，可以減輕機(jī)體重量。

選用60V 1500W直流串勵(lì)電機(jī)，功率1500W，輸出轉(zhuǎn)速700r/min，重量23kg。

5.3.2 傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)與清理輪主軸之間采用皮帶傳動(dòng)。皮帶傳動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲小，當(dāng)遇到難清理的頑固砂石時(shí)，清理裝置過(guò)載運(yùn)行，皮帶會(huì)主動(dòng)打滑，可防止其他零件損壞，起到安全保護(hù)作用。

6 進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

6.1 加裝渣土收集裝置

清理輪之后可以設(shè)置渣土收集裝置，將清理出來(lái)的渣土進(jìn)行回收，省去人工清掃渣土環(huán)節(jié)。如圖3所示，渣土收集裝置由輥刷、錐形清掃輪組成，輥刷負(fù)責(zé)清掃伸縮縫內(nèi)殘余的渣土，錐形清理輪負(fù)責(zé)清掃伸縮縫兩邊的渣土，并將渣土掃入渣土收集箱。

圖3 渣土收集裝置

渣土收集裝置的動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶傳動(dòng)提供，輥刷軸和錐形清理輪之間通過(guò)兩對(duì)圓錐齒輪聯(lián)結(jié)。

6.2 清理輪高度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

考慮為清理輪加裝光電感應(yīng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)伸縮縫止水帶的位置，自動(dòng)調(diào)節(jié)清理輪的高低位置，避免清理輪刮傷止水帶，達(dá)到更好的清理效果。

圖4 統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

高度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)由反射式傳感器、單片機(jī)、直流脈沖調(diào)整電路、直流伺服電機(jī)等組成。反射式傳感器可以檢測(cè)伸縮縫止水帶的位置，將采集到的模擬信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，反饋給單片機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)系統(tǒng)處理采樣信息，輸出電機(jī)控制信號(hào)。調(diào)整電路驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)，控制清理輪伸縮連桿完成高度調(diào)節(jié)。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)橋梁伸縮縫的作用進(jìn)行了介紹，闡述了常見(jiàn)伸縮縫類型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)的型鋼伸縮縫、模數(shù)式伸縮縫清理工作進(jìn)行了分析。提出了新型的伸縮縫清理裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，對(duì)清理裝置的功能及主要零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，并對(duì)該裝置進(jìn)行了CAD建模。提出了進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路，有利于市政橋梁管理養(yǎng)護(hù)裝置的技術(shù)革新，更有利于橋梁設(shè)施養(yǎng)護(hù)工作的高效開(kāi)展。