橋梁排水系統(tǒng)問題優(yōu)化研究

徐小凱，楊友震，陳姝寧，裴元江

（1.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250102；2.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

排水系統(tǒng)作為橋梁工程的重要組成部分之一，其設(shè)計(jì)和施工直接影響橋梁的使用壽命[1]。傳統(tǒng)排水設(shè)施的施工難度大，泄水孔堵塞，易導(dǎo)致橋面積水等問題[2]，降低橋梁交通通行能力[3]，引發(fā)護(hù)欄破損、酥化及橋面鋪裝開裂等現(xiàn)象，影響橋梁的耐久性及使用壽命，威脅城市安全[4]，因此，橋梁排水系統(tǒng)的優(yōu)化問題引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。

趙琴[5]通過化學(xué)危險(xiǎn)品的運(yùn)輸車跨越飲用水源的現(xiàn)象，分析了高速公路橋梁橋面徑流收集系統(tǒng)的技術(shù)缺陷；劉鵬等[6]對(duì)橋面排水系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；楊自珍[7]以某橋梁橋面排水設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，采用數(shù)值法分析了橋面縱、橫坡、泄水口形式等參數(shù)對(duì)橋面泄水孔截水率的影響。當(dāng)前大部分學(xué)者的研究均集中于排水系統(tǒng)參數(shù)的修正，對(duì)于系統(tǒng)整體的改善及優(yōu)化研究不深入。

鑒于此，本文在對(duì)比分析傳統(tǒng)排水設(shè)施的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種裝配式橋梁排水裝置，能夠有效運(yùn)用風(fēng)能帶動(dòng)風(fēng)帽轉(zhuǎn)動(dòng)形成吸力，促進(jìn)橋面排水，積極響應(yīng)了新時(shí)代“雙碳”政策。

基于此提出的裝配式綠色排水新技術(shù)，不僅提高了施工效率，增加了單位時(shí)間內(nèi)橋梁的泄水性能，而且能夠有效防止泄水孔阻塞，保證橋梁排水通暢。

1 傳統(tǒng)的橋梁排水技術(shù)

橋梁排水主要是通過橋面橫坡與縱坡，將橋面積水匯集至行車道兩側(cè)后借助泄水孔和泄水管排出。然而常用的排水裝置易出現(xiàn)泄水槽格柵板丟失、泄水孔堵塞、三通管道破裂等現(xiàn)象[8]，且部分排水管口搭接范圍內(nèi)出現(xiàn)綠苔[9-10]，表明排水系統(tǒng)的接口搭接不緊密，以泄水孔堵塞現(xiàn)象最為常見，如圖1 所示。

圖1 泄水孔病害圖

為防止泄水管堵塞，通常在泄水孔上加蓋金屬篦子。而常用篦子的孔徑小、密度大，排水效果不佳，且雜物堵塞后不易清理，導(dǎo)致頻繁降雨時(shí)橋面出現(xiàn)長(zhǎng)期積水。這不僅會(huì)影響人們的日常出行，還會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生威脅。

如果雨水滲進(jìn)橋梁內(nèi)部并凝結(jié)成冰，容易引起結(jié)構(gòu)內(nèi)層破壞，甚至導(dǎo)致整個(gè)橋跨結(jié)構(gòu)傾斜，極大降低了橋梁結(jié)構(gòu)的整體性，易對(duì)周邊建筑的穩(wěn)定性造成威脅。因此，優(yōu)化橋梁排水技術(shù)，對(duì)提高橋梁質(zhì)量、促進(jìn)城市正常排水具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 橋梁排水系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)研究

2.1 新型裝配式橋梁排水裝置概述

為彌補(bǔ)常用金屬篦子的缺陷、改善排水設(shè)施搭接不緊密的現(xiàn)象，本文提出了一種基于風(fēng)能傳動(dòng)的裝配式橋梁排水裝置，如圖2 所示。新型橋梁排水裝置包括橋梁防堵泄水裝置本體、可拆卸式風(fēng)帽和泄水底座等。其中，風(fēng)帽葉片具有一定弧度，不僅能夠提高雜物的攔截率，而且在風(fēng)荷載作用下，風(fēng)帽轉(zhuǎn)動(dòng)形成吸力，提高了單位時(shí)間內(nèi)橋面的排水能力。

圖2 新型橋梁排水裝置

此外，裝置底部外圈裹覆的橡膠保護(hù)套保證了泄水裝置與泄水口的緊密搭接。與傳統(tǒng)排水技術(shù)相比，新型橋梁排水裝置裝配化程度高，且施工便捷度較高。

2.2 新型裝配式橋梁排水裝置的研發(fā)

本文提出的風(fēng)能傳動(dòng)的裝配式橋梁排水裝置主要為了解決當(dāng)前橋梁排水的常見問題。

橋面鋪裝上均勻布設(shè)若干泄水口，在泄水口中安裝橋梁防堵泄水裝置。此裝置的高度應(yīng)大于泄水口的深度，以確保風(fēng)荷載能大面積作用于風(fēng)帽葉片上，帶動(dòng)風(fēng)帽轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生吸力加快積水排泄。當(dāng)車輛在橋面行駛時(shí)，泄水裝置會(huì)阻礙行車，而本文提出的裝置中，泄水底座整體固定，當(dāng)車輛荷載作用于風(fēng)帽時(shí)，伸縮彈簧被壓縮，風(fēng)帽整體向下平動(dòng)，保證車輛正常行駛。當(dāng)車輛通行后，風(fēng)帽本體受伸縮彈簧作用能夠自動(dòng)彈出并復(fù)位。

對(duì)于風(fēng)帽而言，其本體上下兩端分別設(shè)置了帽頂和中圈，風(fēng)帽葉片在兩者中間沿圓周呈均勻陣列布設(shè)。在中圈的內(nèi)部焊接2 根相互垂直的支撐桿，其中間位置處的上方通過中圈軸承安裝了風(fēng)帽支撐空心桿，在其頂?shù)撞康闹行奈恢锰幒附舆B接板，在連接板底部的中心位置處焊接帽頂軸承，空心桿的頂端安裝在軸承內(nèi)部，用于實(shí)現(xiàn)風(fēng)帽轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于泄水底座而言，在其腳圈底端的外壁上套有橡膠保護(hù)套，保證與泄水口緊固裝配。此外，在腳圈的底部和內(nèi)部分別焊接2 根相互垂直的支撐桿，稱為腳圈上、下支撐桿，2 桿的豎直位置重合，以保證泄水底座的穩(wěn)定性。上支撐桿的中心位置處豎直安裝底座承插實(shí)心桿，其長(zhǎng)度大于風(fēng)帽支撐空心桿的長(zhǎng)度，使得裝配后的中圈與腳圈之間存在空隙，保證風(fēng)帽順利伸縮。

具體而言，排水裝置中風(fēng)帽葉片的形狀應(yīng)被設(shè)計(jì)為弧狀，數(shù)量設(shè)為12 片，因此，在風(fēng)荷載作用下，風(fēng)帽發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而形成吸力，加速排水。風(fēng)帽葉片的上端通過螺栓固定在帽頂?shù)倪吘壩恢锰?，底端通過鉚釘固定在中圈的外壁上，葉片能夠阻擋雜物進(jìn)入泄水口。風(fēng)帽本體易拆卸，能及時(shí)對(duì)泄水口的雜物進(jìn)行清理。腳圈上支撐桿上方的底座承插實(shí)心桿頂端套接有伸縮彈簧，能夠?qū)︼L(fēng)帽本體起到支撐作用，避免風(fēng)帽支撐空心桿直接與泄水底座接觸，增加風(fēng)帽轉(zhuǎn)動(dòng)的活動(dòng)性。排水裝置的整體結(jié)構(gòu)及其細(xì)部構(gòu)造示意圖如圖3所示。

圖3 裝配式橋梁排水裝置整體結(jié)構(gòu)及其細(xì)部構(gòu)造示意圖

2.3 基于新型裝配式橋梁排水裝置的施工工藝

在具體應(yīng)用時(shí)，將預(yù)制成形的各部件拼裝后即可投入使用。就風(fēng)帽的施工工藝而言，應(yīng)先對(duì)每一片風(fēng)帽葉片設(shè)置相同的弧度，通過帽頂螺栓將葉片上部固定在帽頂?shù)撞浚俳?jīng)中圈鉚釘固定風(fēng)帽葉片下部于中圈外側(cè)，采用圓周陣列方式均布葉片。其中，帽頂螺栓孔應(yīng)與中圈鉚釘?shù)腻^固孔一一對(duì)應(yīng)。然后通過焊接的方式將連接板、帽頂軸承與帽頂?shù)撞肯噙B接，同理，焊接中圈支撐桿與中圈軸承為一體，再焊接風(fēng)帽支撐空心桿與帽頂軸承和中圈軸承，形成風(fēng)帽本體結(jié)構(gòu)。在整個(gè)焊接過程中，應(yīng)充分保證風(fēng)帽本體結(jié)構(gòu)能夠以風(fēng)帽支撐空心桿為中心轉(zhuǎn)動(dòng)。

腳圈、腳圈上下支撐桿及底座承插實(shí)心桿應(yīng)通過焊接的方式連為整體，再將橡膠保護(hù)套固定于腳圈底部，并把伸縮彈簧安裝在底座承插實(shí)心桿底部后，即可完成泄水底座的組裝。最后，將風(fēng)帽支撐空心桿套接在底座承插實(shí)心桿上，使得風(fēng)帽與泄水底座共同形成橋梁防堵泄水裝置。需要注意，實(shí)地安裝此橋梁防堵泄水裝置時(shí)，其高度應(yīng)大于橋面鋪裝的施工厚度，以保證風(fēng)能作用下風(fēng)帽轉(zhuǎn)動(dòng)流暢，提高單位時(shí)間內(nèi)橋面積水的排泄能力，彌補(bǔ)傳統(tǒng)技術(shù)的缺陷。

對(duì)于橋梁防堵泄水裝置的后期維修和養(yǎng)護(hù)工作，若風(fēng)帽和泄水底座發(fā)生銹蝕損壞，可直接拆除相應(yīng)結(jié)構(gòu)，更換新部件，延長(zhǎng)裝置的使用壽命；若構(gòu)件內(nèi)伸縮彈簧損壞，亦可直接更換舊彈簧；若泄水口堵塞，可直接拔出風(fēng)帽本體，清理雜物，極大地提高了工作效率。

2.4 橋面排水系統(tǒng)的其余改善措施

應(yīng)從設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)等多方面著手，實(shí)現(xiàn)橋面排水系統(tǒng)的全方位改進(jìn)，具體如下。

設(shè)計(jì)方面：設(shè)計(jì)單位在進(jìn)行橋梁工程整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)橋梁排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要給予高度重視。設(shè)計(jì)是一個(gè)工程的源頭，是決定排水系統(tǒng)發(fā)揮應(yīng)有作用的基奠。

施工方面：在施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，遵循事前、事中和事后控制的3 原則。保證施工質(zhì)量，是降低安全事故、減小城市安全威脅的基本保障。

養(yǎng)護(hù)方面：在整個(gè)養(yǎng)護(hù)過程中，應(yīng)提高對(duì)排水系統(tǒng)的重視，及時(shí)清孔，保證排水系統(tǒng)在雨天能發(fā)揮應(yīng)有的作用。

3 結(jié)論

本文研發(fā)的裝配式橋梁排水裝置重點(diǎn)解決了傳統(tǒng)篦子孔徑小、密度大，且易被雜物堵塞造成排水不暢等難題，借助風(fēng)能推動(dòng)風(fēng)帽轉(zhuǎn)動(dòng)，形成的吸力大幅提高了橋梁排水效率，為橋梁排水問題提供了新思路。從設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)3 方面提出了助力橋梁排水的相關(guān)改進(jìn)措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋面排水系統(tǒng)的全方位改進(jìn)。