大位移模數(shù)式橋梁伸縮縫設(shè)計(jì)及性能評(píng)估

李旭華

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

大跨徑橋梁梁端伸縮縫在運(yùn)營(yíng)階段各種荷載（溫度、風(fēng)及車(chē)流等）作用下時(shí)時(shí)刻刻發(fā)生著拉壓、錯(cuò)位及扭轉(zhuǎn)等變形，造成起支承及控制作用的滑動(dòng)支承橡膠或鋼板因橫梁反復(fù)摩擦作用而不間斷磨損，致使大位移模數(shù)式伸縮縫更易發(fā)生破損現(xiàn)象，實(shí)際使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)壽命[1-5]，導(dǎo)致后期運(yùn)營(yíng)階段相當(dāng)大的維護(hù)和替換成本。主跨為1 490 m的潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋[2]，在2005年通車(chē)后不久，伸縮縫的頻繁且快速伸縮變形導(dǎo)致伸縮縫彈簧支撐元件的過(guò)度磨損，2007年更換滑動(dòng)支承及耐磨材料并添加了位移控制措施。主跨1 385 m的江陰長(zhǎng)江大橋[1-4]在1999年通車(chē)4年后，伸縮縫中的滑動(dòng)支承出現(xiàn)了過(guò)度磨損及剪切破壞的現(xiàn)象，在多次的維護(hù)和更換措施后，該伸縮縫在2007年被整體更換且增加了位移控制措施。大跨徑橋梁伸縮縫的早期破壞現(xiàn)象表明對(duì)大位移模數(shù)式伸縮縫的設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)階段性能評(píng)估進(jìn)行深入研究是十分必要的。

首先詳細(xì)地介紹了大位移模數(shù)式伸縮縫的應(yīng)用現(xiàn)狀及構(gòu)造特點(diǎn)，并系統(tǒng)地分析了在車(chē)輪力作用下伸縮縫構(gòu)件力的傳遞路徑、支撐梁及彈簧支撐元件的受力模式，為正常運(yùn)營(yíng)階段的伸縮縫變形及受力分析提供理論基礎(chǔ)。其次，以國(guó)內(nèi)典型的大跨懸索橋及斜拉橋的健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從伸縮縫的縱向變形成因及累計(jì)伸縮行程角度對(duì)伸縮縫的整體性能進(jìn)行分析評(píng)估，從伸縮縫組成元件滑動(dòng)支承磨損及中梁在局部車(chē)載應(yīng)力集中等現(xiàn)象角度對(duì)局部性能進(jìn)行分析評(píng)估。最后，針對(duì)伸縮縫在運(yùn)營(yíng)階段中出現(xiàn)的病害成因如材料質(zhì)量不過(guò)關(guān)、制造及安裝質(zhì)量存在偏差、結(jié)構(gòu)體系等進(jìn)行歸納性分析。

1 大位移模數(shù)式伸縮縫

隨著國(guó)內(nèi)跨江跨海大橋的建設(shè)，大跨橋梁需匹配結(jié)構(gòu)合理且伸縮量較大的伸縮縫構(gòu)造，而傳統(tǒng)的板式橡膠伸縮縫較難滿(mǎn)足大伸縮量的需求，鋼制式伸縮縫因密封性較差且沖擊力較大影響車(chē)輛的行駛舒適性。大位移模數(shù)式伸縮縫以伸縮量大、緩沖性能好、密封性較強(qiáng)及耐久性較好等優(yōu)勢(shì)脫穎而出，逐步被廣泛應(yīng)用在大跨橋梁的建設(shè)中。20世紀(jì)80年代起，德國(guó)毛勒制造的大位移模數(shù)式伸縮縫開(kāi)始進(jìn)駐中國(guó)橋梁市場(chǎng)，隨后瑞士瑪格巴及美國(guó)WBA型號(hào)的伸縮縫的應(yīng)用也逐漸廣泛。目前國(guó)內(nèi)大位移模數(shù)式伸縮縫的主要型號(hào)如下：德國(guó)毛勒的轉(zhuǎn)軸式模數(shù)式伸縮裝置、瑞士瑪格巴的剪力彈簧模數(shù)式伸縮裝置、山西交科自主研發(fā)的GQF系列等距變位式橋梁伸縮裝置、成都新筑路橋機(jī)械股份有限公司仿馬格巴公司的ZL系列直梁式伸縮裝置，大位移模數(shù)式伸縮裝置在國(guó)內(nèi)大跨橋梁中的應(yīng)用現(xiàn)狀如表1所示。

大位移模數(shù)式伸縮縫裝置主要由型鋼組件、支撐體系、彈性支撐元件、位移控制元件、錨固系統(tǒng)及防水橡膠條這六大部分組成，大位移模數(shù)式伸縮縫構(gòu)造圖如圖1所示。其結(jié)構(gòu)功能主要是適應(yīng)在溫度、車(chē)輛及風(fēng)荷載等作用下橋梁發(fā)生的縱橋向、橫橋向、豎向及轉(zhuǎn)動(dòng)變形，保證橋面車(chē)輛平穩(wěn)通過(guò)橋梁。大位移模數(shù)式伸縮裝置組成元件的主要功能如表2所示。

表1 大位移模數(shù)式伸縮裝置在國(guó)內(nèi)大跨橋梁中的應(yīng)用現(xiàn)狀

圖1 大位移模數(shù)式伸縮縫構(gòu)造圖

表2 大位移模數(shù)式伸縮裝置組成元件

2 伸縮縫構(gòu)件設(shè)計(jì)

大位移模數(shù)式伸縮縫結(jié)構(gòu)中的型鋼組件通過(guò)彈性支撐元件和焊接在中梁底部的支撐架安裝在支撐梁上，且依據(jù)設(shè)計(jì)縱向伸縮量按一定的間距進(jìn)行正交或斜交布置支撐梁，且通過(guò)設(shè)置在支撐架上的壓緊支座和承壓支座與橋面中梁或邊梁連接。伸縮縫端部通過(guò)支撐箱固定在兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)上，支撐梁、支撐架及支撐箱形成了大位移模數(shù)式伸縮縫的重要支撐體系。進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮的因素有合理的車(chē)輪力傳遞路徑、設(shè)計(jì)荷載、支撐梁設(shè)計(jì)及彈性支撐元件構(gòu)造尺寸。

2.1 車(chē)輪力的傳遞路徑

在大位移模數(shù)式伸縮縫中，主要由支撐梁承擔(dān)并傳遞型鋼元件直接承受的車(chē)輛荷載。當(dāng)高速行駛的車(chē)輛通過(guò)伸縮縫時(shí)，型鋼元件頂面將豎向車(chē)輪力及水平力通過(guò)支撐架、支座傳遞給支撐梁，進(jìn)而分散至兩側(cè)固定的支撐箱。車(chē)輪力的傳力路徑如圖2所示。

圖2 車(chē)輪力的傳遞路徑

2.2 荷載作用

依《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范的規(guī)定，進(jìn)行伸縮縫設(shè)計(jì)時(shí)采用車(chē)輛總重55 t、雙后軸間距1.4 m及雙后輪間距1.8 m作為標(biāo)準(zhǔn)汽車(chē)荷載[6]。

2.2.1 靜力荷載

行駛中的車(chē)輪力分解為豎向靜荷載和水平荷載作用于伸縮縫構(gòu)件上，豎向靜荷載采用140 kN的標(biāo)準(zhǔn)汽車(chē)輪載，當(dāng)不考慮車(chē)輛制動(dòng)力時(shí)仍需考慮1.45的車(chē)輛沖擊力。水平荷載采用車(chē)輛軸重標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的制動(dòng)力，即軸重標(biāo)準(zhǔn)值的30%。

2.2.2 疲勞荷載

因車(chē)輛荷載隨機(jī)性、高重復(fù)性等特點(diǎn)，伸縮縫的疲勞性能也是設(shè)計(jì)人員最為關(guān)心的問(wèn)題之一。豎向疲勞荷載采用車(chē)輛軸重的0.45倍，荷載頻率采用f≤10 Hz，荷載循環(huán)次數(shù)一般采用2×105.

2.2.3 輪載

后輪著地寬度及長(zhǎng)度為0.6 m×0.2 m，當(dāng)伸縮縫型鋼元件的間距大于60 mm時(shí)，豎向輪載僅作用在一根中梁上，當(dāng)間距小于60 mm時(shí)，豎向輪載分布到3根中梁。

2.3 支撐梁

因彈性支撐元件與支撐梁緊密接觸，車(chē)輪力傳遞至支撐梁時(shí)，載荷作用點(diǎn)的橫向截面位置不會(huì)改變，故將支撐梁的受力簡(jiǎn)化為集中豎向力荷載下的簡(jiǎn)支梁體系，如圖3所示，支撐梁需滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度、剛度條件[6]。

a）強(qiáng)度條件 在彈性受力范圍內(nèi)，支撐梁構(gòu)件應(yīng)力小于規(guī)范規(guī)定的限值[σ]。

b）剛度條件 跨中最大位移小于L/400。

圖3 支撐梁受力分析

2.4 彈性支撐元件

為防止車(chē)輛通過(guò)伸縮縫時(shí)引起支撐梁的振動(dòng)反跳現(xiàn)象，大位移模數(shù)式伸縮縫設(shè)置了承壓支座和壓緊支座這兩種彈性支撐元件，作用于支撐梁上的預(yù)壓力與預(yù)壓變形量、支座豎向剛度K1、K2相關(guān)[7]，如式（1）所示。

式中：pi為支座預(yù)壓力，N；K1及K2為承壓支座及壓緊支座豎向剛度，N/mm；Xi為支座壓縮量，mm。當(dāng)預(yù)壓力過(guò)大時(shí)，支座的摩阻力增大將影響支撐梁的滑動(dòng)位移，而預(yù)壓力過(guò)小時(shí)，車(chē)輛通過(guò)伸縮縫時(shí)將引起較大的振動(dòng)和噪聲，導(dǎo)致較大的沖擊力進(jìn)而影響使用壽命。為達(dá)到降低摩擦系數(shù)的目標(biāo)下保證支撐梁的正?；瑒?dòng)，承壓支座與壓緊支座的表面采用聚四氟乙烯板材料，接觸面摩阻力和摩擦系數(shù)的關(guān)系如式（2）所示。

式中：fi為支座摩阻力，N；μ為摩阻系數(shù)。

圖4 彈簧支撐元件

3 運(yùn)營(yíng)階段性能評(píng)估

在大跨橋梁的正常運(yùn)營(yíng)階段，伸縮縫在風(fēng)、車(chē)輛及溫度等荷載作用下，時(shí)時(shí)刻刻發(fā)生著拉伸、壓縮及扭轉(zhuǎn)等變形。伸縮縫在運(yùn)營(yíng)階段的性能評(píng)估主要從整體性能及局部性能進(jìn)行深入研究。

3.1 整體性能

3.1.1 縱向伸縮量

圖5 梁端伸縮縫縱向伸縮量實(shí)測(cè)值

依據(jù)文獻(xiàn)[2，5]中橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的江陰長(zhǎng)江大橋及蘇通大橋伸縮縫的日伸縮量的實(shí)測(cè)值，通過(guò)對(duì)江陰長(zhǎng)江大橋和蘇通大橋的伸縮縫變形實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行分析，伸縮縫日位移曲線呈現(xiàn)雙波疊加形式，兩個(gè)波分別為日溫差導(dǎo)致的伸縮循環(huán)和車(chē)輛荷載或風(fēng)荷載作用引起的短周期伸縮循環(huán)，如圖5所示。通過(guò)對(duì)風(fēng)-車(chē)荷載下和溫度荷載下江陰長(zhǎng)江大橋和蘇通大橋的梁端伸縮縫縱向伸縮量分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)-車(chē)荷載作用下，梁端伸縮縫縱向伸縮量時(shí)程曲線波動(dòng)程度大，二者位移最大分別在0.1 m和0.15 m附近，江陰長(zhǎng)江大橋在8時(shí)前和18時(shí)以后的伸縮量波動(dòng)變化較大，而蘇通大橋在全天內(nèi)伸縮量波動(dòng)變化較平穩(wěn)；溫度荷載作用下，曲線波動(dòng)小，較為平滑，二者位移波動(dòng)的最大位移分別在0.1 m和0.003 m附近。由此可知，斜拉橋相對(duì)于懸索橋，因主梁縱向的約束相對(duì)較強(qiáng)，伸縮縫的縱向變形遠(yuǎn)小于懸索橋伸縮縫的縱向變形；風(fēng)及車(chē)輛荷載作用對(duì)伸縮縫的縱向累計(jì)變形貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫度荷載作用。

3.1.2 累計(jì)伸縮行程

圖6 伸縮縫累計(jì)位移值

依據(jù)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[5]得到江陰長(zhǎng)江大橋及蘇通長(zhǎng)江大橋伸縮縫縱向變形實(shí)測(cè)值，進(jìn)一步得到伸縮縫的日累計(jì)位移值及累計(jì)位移值，如圖6所示。蘇通大橋伸縮縫縱向日均累計(jì)位移為7.38 m，江陰長(zhǎng)江大橋在安裝阻尼器前伸縮縫縱向日均累計(jì)位移近94 m，月累計(jì)位移近3.2 km。在安裝阻尼器后，日均累計(jì)位移減少近40%，月累計(jì)位移減小至2.0 km左右。由結(jié)果可知，江陰長(zhǎng)江大橋伸縮縫縱向日均累計(jì)位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蘇通大橋，且已遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)量；因阻尼器對(duì)橋梁縱向變形的減振作用大大地降低了伸縮縫的縱向累計(jì)行程。

3.2 局部性能

3.2.1 滑動(dòng)支承磨損

對(duì)大位移伸縮縫而言，伸縮縫累計(jì)位移行程是判定其使用壽命的重要依據(jù)之一[3]，以伸縮縫的累計(jì)變形量為基礎(chǔ)，從定量角度對(duì)伸縮縫承壓支座和壓緊支座的磨損狀況進(jìn)行判定評(píng)估。假定伸縮縫彈簧支撐元件的表面均采用3 mm的聚四氟乙烯板，且磨耗率為15μm/km，當(dāng)聚四氟乙烯板磨損至1 mm應(yīng)對(duì)彈簧支撐元件進(jìn)行維修更換，則伸縮縫彈性支撐元件正常工作的伸縮量限值是為133 km[2]。在大跨橋梁的正常運(yùn)營(yíng)階段下，可從彈簧支撐元件的磨損角度對(duì)伸縮縫的局部工作性能進(jìn)行評(píng)估。

3.2.2 車(chē)載下局部應(yīng)力響應(yīng)

圖7 40 t卡車(chē)通過(guò)伸縮縫時(shí)構(gòu)件應(yīng)力時(shí)程

當(dāng)40 t的三軸卡車(chē)通過(guò)伸縮縫時(shí)，伸縮縫中的中梁及支撐梁的應(yīng)變時(shí)程如圖7所示[1]，當(dāng)車(chē)輪作用于中梁時(shí)，中梁構(gòu)件出現(xiàn)局部應(yīng)力集中顯現(xiàn)，最大拉應(yīng)變達(dá)到300με，支撐梁最大拉應(yīng)變近100με。因車(chē)輛荷載的隨機(jī)性及高重復(fù)性，伸縮縫組成元件時(shí)時(shí)刻刻承受著高頻高應(yīng)力幅循環(huán)作用，其組成構(gòu)件的疲勞性能仍需進(jìn)一步地深入研究。

3.3 運(yùn)營(yíng)階段伸縮縫病害成因及控制措施

不考慮交通量大及車(chē)輛超載行駛等因素，大位移模數(shù)式伸縮裝置在實(shí)際工作過(guò)程中產(chǎn)生的病害成因主要?dú)w結(jié)為以下幾點(diǎn)：

a）制作過(guò)程材料質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。我國(guó)采用擠出或軋制成型的工藝制造伸縮裝置中的鋼組件，通過(guò)小型煉鋼爐得到的鋼材質(zhì)量不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)型鋼疲勞斷裂問(wèn)題。因此，伸縮縫制作前應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)檢。

b）安裝時(shí)質(zhì)量不過(guò)關(guān)。澆筑混凝土?xí)r，由于模數(shù)式伸縮裝置的預(yù)留槽口尺寸不大，內(nèi)設(shè)支撐箱和錨固鋼筋，澆筑時(shí)混凝土密實(shí)度、強(qiáng)度及質(zhì)量無(wú)法滿(mǎn)足要求。特別是位移箱下的混凝土易振搗不充分，實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中容易壓碎破壞，導(dǎo)致位移箱下移，中梁的鋼支撐跨徑增大，發(fā)生斷裂破壞。錨固區(qū)混凝土在使用過(guò)程中必須及時(shí)處理裂紋的發(fā)展，防止進(jìn)一步出現(xiàn)坑槽，導(dǎo)致該部位破壞。因此，伸縮縫安裝時(shí)，應(yīng)保證施工精度及施工質(zhì)量。

c）伸縮縫構(gòu)件材料耐久性較差。如橡膠密封帶通常直接暴露在外，長(zhǎng)時(shí)間使用后，垃圾易進(jìn)入伸縮縫并堵塞，造成結(jié)構(gòu)老化，脆性增加并破裂。因此，為保證伸縮縫的工作壽命，應(yīng)選用合理的耐久性較好的材料。

d）結(jié)構(gòu)體系原因。相對(duì)斜拉橋而言，懸索橋縱向約束較弱，風(fēng)及車(chē)輛荷載作用下伸縮縫縱向累計(jì)行程較大，如江陰長(zhǎng)江大橋的伸縮縫因累計(jì)行程較大而引起支撐系統(tǒng)磨損破壞，進(jìn)而引發(fā)其他元件相繼破壞，于2006年進(jìn)行了整體更換。因此，為避免伸縮縫較大的累計(jì)行程位移，可通過(guò)設(shè)置阻尼器等輔助措施進(jìn)行變形控制。

通過(guò)分析伸縮縫在運(yùn)營(yíng)階段的病害成因，制定病害對(duì)應(yīng)處理措施以確保伸縮縫的正常工作狀態(tài)，達(dá)到減少后期維護(hù)管養(yǎng)的耗資。

4 結(jié)語(yǔ)

a）本文詳細(xì)地介紹了大位移模數(shù)式伸縮縫的應(yīng)用現(xiàn)狀及構(gòu)造特點(diǎn)，并系統(tǒng)地分析了在車(chē)輪力作用下伸縮縫構(gòu)件力的傳遞路徑、支撐梁及彈簧支撐元件的受力模式，最后從設(shè)計(jì)角度提出了理論計(jì)算公式。

b）在正常運(yùn)營(yíng)階段中，從整體性能及局部性能兩個(gè)方面對(duì)大位移模數(shù)式伸縮縫進(jìn)行了性能分析及評(píng)估。在整體性能方面，伸縮縫的整體伸縮主要由溫度荷載下的低周大幅值伸縮、風(fēng)及車(chē)輛荷載下的高周小幅值伸縮兩大部分組成，且風(fēng)及車(chē)輛荷載對(duì)伸縮縫的累計(jì)伸縮量貢獻(xiàn)較大；局部性能方面，較大的累計(jì)伸縮量將造成伸縮縫彈性支撐元件的磨損，同時(shí)，車(chē)載下伸縮縫組成元件在力的傳遞過(guò)程中出現(xiàn)了局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力極值未超材料強(qiáng)度限值，但結(jié)構(gòu)疲勞性能需進(jìn)一步深入研究。

c）針對(duì)伸縮縫在運(yùn)營(yíng)階段的病害成因如材料質(zhì)量、制造及安裝質(zhì)量、結(jié)構(gòu)體系等進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并提出相對(duì)應(yīng)的病害控制措施。