一種改進(jìn)型單元式多向變位梳齒板橋梁伸縮裝置的設(shè)計(jì)思路

摘"要：?jiǎn)卧蕉嘞蜃兾皇猃X板橋梁伸縮裝置，因具有卓越的多向變位能力，被廣泛應(yīng)用在大跨徑橋梁伸縮縫中。然而，該類(lèi)型伸縮裝置在后期使用中，逐漸暴露出難以更換易損件和養(yǎng)護(hù)效率低等問(wèn)題。本文從解決上述問(wèn)題的角度出發(fā)，探索對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行改進(jìn)的可能，進(jìn)而提出一種改進(jìn)型裝置的思路，希望可以為該類(lèi)型伸縮裝置的改進(jìn)拋磚引玉。

關(guān)鍵詞：梳齒板橋梁；伸縮裝置；多向變位文章編號(hào)：2095-4085（2024）07-0076-03

0"引言

《公路橋梁伸縮裝置通用技術(shù)條件》中定義：“伸縮縫，為適應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)變形的需要，在上部結(jié)構(gòu)中設(shè)置的間隙。橋梁伸縮裝置，為使車(chē)輛平穩(wěn)通過(guò)橋面并符合橋梁上部結(jié)構(gòu)變形的需要，在伸縮縫處設(shè)置的各種裝置的總稱(chēng)［1］?！?/p>

由于混凝土結(jié)構(gòu)各個(gè)方向的長(zhǎng)度上均會(huì)隨著溫度的變化而變化，即所謂的熱脹冷縮。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)混凝土熱工參數(shù)的規(guī)定，以跨徑（100+120+100）m的三跨混凝土連續(xù)梁在-10～+40℃的溫差下為例，在縱向上由溫差引起的伸縮值可達(dá)16cm。同時(shí)，在橫向和豎向上也存在由溫差引起的混凝土伸縮，這就要求伸縮裝置必須在多個(gè)方向上都具備位移能力［2］。

對(duì)于大跨徑橋梁，車(chē)輛荷載集中于梁體結(jié)構(gòu)跨中時(shí)，跨中截面會(huì)產(chǎn)生一定程度的下?lián)?，而支座截面則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)于橋臺(tái)的上翹，也就是說(shuō)梁體支座截面對(duì)應(yīng)的伸縮裝置，相對(duì)于橋臺(tái)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)豎向的扭轉(zhuǎn)。另外，處于沿?；蚋呱綅{谷地區(qū)的橋梁，水平風(fēng)荷載往往會(huì)引起橋梁在橫向也產(chǎn)生相對(duì)于橋臺(tái)的扭

轉(zhuǎn)，這就要求伸縮裝置必須在多個(gè)方向上都具備變形能力。

1"多向變位系統(tǒng)

單元式多向變位梳形板橋梁伸縮裝置通過(guò)簡(jiǎn)單的構(gòu)造，很好地滿(mǎn)足了上述要求。2008年交通運(yùn)輸部以行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)的形式將此類(lèi)伸縮裝置進(jìn)行推廣，使得如今新建或已建成的大跨徑橋梁基本都是采用的該類(lèi)型的伸縮裝置。

其中，核心結(jié)構(gòu)為多向變位系統(tǒng)。其制作過(guò)程大致可分為5步：（1）在工廠(chǎng)制作圓柱形橡膠體，并在軸線(xiàn)預(yù)留螺栓孔。（2）準(zhǔn)備螺栓，頭部朝下螺桿朝上放置，將螺桿裝進(jìn)橡膠體的螺栓孔中。（3）制作無(wú)蓋正方體鋼板盒子，將螺桿和橡膠體放入，制作預(yù)留螺栓孔的頂板，焊接成整體，螺栓頭部和橡膠體封閉在內(nèi)，螺桿伸出頂部的小孔。（4）運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，測(cè)量定位，澆筑混凝土，鋼板盒子頂面和混凝土頂面齊平。（5）在鋼板盒子頂部安裝預(yù)留螺栓孔的上部鋼板，螺桿從孔內(nèi)伸出，用螺帽緊固上部鋼板和螺桿，完成安裝。其中（1）和（3）均在工廠(chǎng)內(nèi)完成（見(jiàn)圖1）， （4）和（5）在現(xiàn)場(chǎng)安裝［3-4］。

多向變位系統(tǒng)的原理：通過(guò)一根螺栓將上部鋼板向下錨固在橡膠體上，橡膠體錨固在鋼板盒子頂板上，鋼板盒子傳遞荷載給梁體混凝土。上部鋼板實(shí)現(xiàn)了多向位移能力，橡膠體實(shí)現(xiàn)了多向變形能力，整個(gè)結(jié)構(gòu)受力十分清晰，原理十分巧妙。

2"存在的問(wèn)題

通過(guò)研究大量處于運(yùn)營(yíng)階段的橋梁后發(fā)現(xiàn)，上部鋼板、橡膠體、鋼板盒子和梁體混凝土損壞的情況極少，而串聯(lián)它們的螺栓發(fā)生斷裂的情況卻不少。螺栓斷裂使上部鋼板處于無(wú)任何錨固狀態(tài)，更有因上部鋼板被車(chē)輛碾壓后彈起而發(fā)生安全事故的報(bào)道，存在較大的安全隱患。

螺栓斷裂常見(jiàn)的原因有：一方面，作為串聯(lián)起多個(gè)部件的核心，長(zhǎng)時(shí)間處于高應(yīng)力狀態(tài)，在后期使用中末端螺桿處于車(chē)行道的頂面，日曬雨淋后極易銹蝕，發(fā)生自然斷裂。另一方面，根據(jù)養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，應(yīng)定期對(duì)伸縮縫進(jìn)行縫內(nèi)清理，就需要放松螺帽打開(kāi)上部鋼板，完成清理工作后再蓋上頂部鋼板緊固螺帽，在這個(gè)安拆的過(guò)程中，也容易發(fā)生因銹蝕引起的滑絲或者斷裂等現(xiàn)象［5-6］。

而更換螺栓卻十分繁瑣，螺栓因?yàn)榈怪?，頭部和大部分螺桿都密封在鋼板盒子之中，想要取出損壞螺栓很是困難，進(jìn)行便捷更換更是極其不易。在工程實(shí)踐中，只能切割開(kāi)鋼板盒子的頂板，破壞鋼板盒子的完整性，將橡膠體取出，再將損壞的螺栓取出，才能對(duì)螺栓進(jìn)行更換，然后重新安裝好螺栓和橡膠體，將鋼板盒子頂板重新焊接好。

該種維修方法屬于典型的破壞式修復(fù)，鋼板盒子頂板被切割和焊接了一次，破壞了原有結(jié)構(gòu)的完整性，焊縫質(zhì)量與工廠(chǎng)預(yù)制時(shí)已不能相比，在完成更換螺栓的同時(shí)也犧牲了鋼板盒子的耐久性。同時(shí)，更換后的螺栓依然有可能再次損壞，那么就不得不對(duì)鋼板盒子頂板再次進(jìn)行切割和焊接，如此循環(huán)最終導(dǎo)致報(bào)廢。最后可能連整個(gè)鋼板盒子也需要更換，牽涉鑿除和重新澆筑碳纖維混凝土等諸多工序，一根螺栓的維修成本將是自身成本的幾千甚至幾萬(wàn)倍。另外，在對(duì)頂板的切割和焊接的過(guò)程中，因?yàn)殇摪逋ǔ］^厚，一般采用氣割法，大量熱量會(huì)傳遞至橡膠體，橡膠體會(huì)因?yàn)楦邷囟粺箵p壞失去彈性變形能力，極有可能還會(huì)涉及更換橡膠體的問(wèn)題。

所以，該類(lèi)型伸縮裝置中的螺栓斷裂對(duì)應(yīng)的維修方法，雖然能夠完成螺栓更換，但存在破壞原有結(jié)構(gòu)，工序繁瑣，費(fèi)用昂貴且后期仍然不可靠等諸多明顯的缺點(diǎn)。

3"改進(jìn)型設(shè)計(jì)

現(xiàn)有工程實(shí)踐中的鋼板盒子雖然強(qiáng)度高，剛度大，但因?yàn)轫敯鍨槊芊馐皆O(shè)計(jì)，無(wú)法便捷地打開(kāi)頂板，遇到需要更換螺栓或者對(duì)盒內(nèi)泥沙進(jìn)行清理的時(shí)候會(huì)很困難，所以鋼板盒子為改進(jìn)的關(guān)鍵。在螺栓和橡膠體不變的情況下，可以將鋼板盒子的密封式設(shè)計(jì)改進(jìn)為手動(dòng)旋入式設(shè)計(jì)。

改進(jìn)后鋼板盒子的基本構(gòu)造及安裝步驟：（1）制作上下層齒口型圓柱形鋼板盒子，頂部圓周設(shè)置2層齒口，上下層齒口間距d0，每層設(shè)置8個(gè)齒口和8個(gè)空隙，再制作齒口型頂板，齒口型頂板厚度d1（d1lt; d0）。（2）將齒口型頂板從上往下放入。（3）將齒口型頂板平面旋轉(zhuǎn)30°，使頂板齒口與盒子齒口完全重合。（4）塞入厚度d2（d2=d0-d1）的填縫橡膠板，即可將結(jié)構(gòu)固定好（見(jiàn)圖2）。

上述設(shè)計(jì)最大的優(yōu)勢(shì)在于將原來(lái)的鋼板盒子與頂板的連接方式從密封式改進(jìn)為手動(dòng)旋入式，若需要拆開(kāi)頂板，只需要將填縫橡膠板輕輕撬出，再將齒口型頂板旋轉(zhuǎn)30°即可將齒口型從下往上的頂板取出。整個(gè)操作過(guò)程不需要使用任何電氣設(shè)備，不破壞原有結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，單人即可完成操作，更換效率大大提高。

4"對(duì)比

對(duì)于更換螺栓，改進(jìn)前的主要工序?yàn)椋呵懈钿摪搴凶禹敯濉鼡Q螺栓→焊接鋼板盒子頂板。改進(jìn)后的主要工序?yàn)椋菏謩?dòng)拆卸鋼板盒子頂板→更換螺栓→手動(dòng)安裝鋼板盒子頂板。

然后針對(duì)更換100根螺栓從成本、工期、質(zhì)量等方面進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)表1）。

從成本來(lái)看，更換100根螺栓，改進(jìn)后所需勞動(dòng)力成本僅為改進(jìn)前的500/6 250=8%。改進(jìn)后均為手工操作，不需要電氣設(shè)備，為零。改進(jìn)后所需材料費(fèi)用僅為改進(jìn)前的2 000/12 000=16%。改進(jìn)后更換100根螺栓所需要的直接成本僅為改進(jìn)前的2 500/29 500=8%，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

從工期上看，同樣是完成更換100根螺栓，改進(jìn)前需要12.5d，改進(jìn)后只需要2d，工期僅為改進(jìn)前的16%，上述改進(jìn)將大幅減少維修占道的時(shí)間，在市政立交橋、高架橋等路段優(yōu)勢(shì)明顯。

從質(zhì)量來(lái)看，從使用電氣設(shè)備進(jìn)行維修改進(jìn)為全手動(dòng)操作，顯然后者維修十分簡(jiǎn)單而且容易保證維修質(zhì)量。同時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞式修復(fù)改進(jìn)為無(wú)損式修復(fù)，無(wú)疑將提高構(gòu)件的耐久性，大大降低后期再次損壞的概率，保證了結(jié)構(gòu)的整體完整性。

5"結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文所提出的一種改進(jìn)型單元式多向變位梳形板橋梁伸縮裝置的設(shè)計(jì)思路，對(duì)于更換易損構(gòu)件如螺栓或橡膠體，從成本、工期、質(zhì)量等各方面來(lái)說(shuō)，都是一個(gè)質(zhì)的飛躍。

參考文獻(xiàn)：

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