橋梁伸縮縫設(shè)計要點分析
2010-12-07
引言
隨著我國交通運輸事業(yè)的迅猛發(fā)展，橋梁作為交通線中的重要組成部分，其數(shù)量的增多、規(guī)模的擴大更為明顯，而橋梁組成之一的伸縮裝置，用量也越來越大，使用范圍也越來越廣，型式也越來越多了。橋梁伸縮裝置在結(jié)構(gòu)中直接承受車輪荷載的反復(fù)沖擊作用，且長期暴露在大氣中，是橋梁中易受破壞且難以修補的部位。因此，選用優(yōu)良的伸縮裝置，使其能適應(yīng)由于橋梁的各種變化所引起的伸縮。
1、橋梁伸縮縫概述
橋梁伸縮縫是指為適應(yīng)材料脹縮變形需要而在橋梁上部結(jié)構(gòu)中設(shè)置的間隙。為使車輛平穩(wěn)通過橋面，在橋梁伸縮縫處設(shè)置的由橡膠和鋼材等構(gòu)件組成的各種裝置稱為伸縮縫裝置。當前，對于橋梁伸縮縫一般有對接式、鋼制支承式、組合剪切式（板式）、模數(shù)支承式以及彈性裝置。①對接式伸縮縫。對接式伸縮縫裝置，更具其構(gòu)造形式和受力特點的不同，可分為填塞對接型和嵌固對接型兩種。填塞對接型伸縮裝置是以瀝青、木板、麻絮、橡膠等材料填塞縫隙，伸縮體在任何情況下都處于受壓狀態(tài)。該類伸縮裝置一般用于伸縮量在40mm以下的常規(guī)橋梁工程上，但目前已不多見。嵌固式對接伸縮縫裝置利用不同形態(tài)的鋼構(gòu)件將不同形狀的橡膠條（帶）嵌牢固定，并以橡膠條（帶）的拉壓變形來吸收梁體的變形，其伸縮體可以處于受壓狀態(tài)。也可以處于受拉狀態(tài)。②鋼制支承式伸縮裝置。當橋梁的伸縮變形量超過50mm時，常采用鋼質(zhì)伸縮裝置。該伸縮裝置當車輛駛過時往往由于梁端轉(zhuǎn)動或撓曲變形而產(chǎn)生拍擊作用，噪聲大，而且容易使結(jié)構(gòu)損壞。因此，需采用設(shè)有螺栓彈簧的裝置來固定滑動鋼板，以減少拍擊和噪聲，該伸縮縫的構(gòu)造相對復(fù)雜。③組合剪切式（板式）橡膠伸縮裝置。該裝置是利用各種不同斷面形狀的橡膠帶作為填嵌材料的伸縮裝置。由于橡膠富有彈性，易于粘貼，又能滿足變形要求且具備防水功能。因此，目前在國內(nèi)、外橋梁工程中已獲得廣泛應(yīng)用。④模數(shù)支承式伸縮裝置。板式橡膠制品這一類伸縮裝置，很難滿足大位移量的要求；鋼制型的伸縮裝置，很難做到密封不透水，而且容易造成對車輛的沖擊，影響車輛的行駛性。因此，出現(xiàn)了利用吸震緩沖性能好又容易做到密封的橡膠材料，與強度高性能好的異型鋼材組合的，在大位移量情況下能承受車輛荷載的各類型模數(shù)支承式（模數(shù)式）橋梁伸縮裝置系列。⑤彈性體伸縮裝置。彈性體伸縮裝置分為鋅鐵皮伸縮縫和TST碎石彈性伸縮縫，彈性體伸縮裝置是一種簡易的伸縮縫裝置，對于中小跨徑的橋梁，當伸縮量在20mm-40mm以內(nèi)時可以采用TST碎石彈性伸縮縫裝置，是將特制的彈塑性材料TST加熱熔化后，灌入經(jīng)過清洗加熱的碎石中，即形成了TST碎石彈性伸縮縫，碎石用以支持車輛荷載，TST彈塑性體在一25℃～60℃條件下能夠滿足伸縮量的要求。
2、橋梁伸縮縫設(shè)計要點
2.1伸縮縫破壞過早的設(shè)計原因伸縮縫的破壞最先從過渡段的混凝土開始。過渡段混凝土的主要荷載為車輛輪壓產(chǎn)生的動載，當輪壓在伸縮縫上時，其荷載通過錨固系統(tǒng)傳遞到過渡段混凝土，再傳遞到梁板上，并產(chǎn)生一定的壓縮變形。在設(shè)計上而言，造成伸縮縫的破壞過早，無非是以下方面的原因：①伸縮縫在整個橋梁工程所占的份量不多，一般易被設(shè)計人員忽視，從而未對伸縮縫進行細致的考慮與設(shè)計。②伸縮裝置的受力復(fù)雜，而與之密切相關(guān)起決定作用的錨固系統(tǒng)卻不盡合理。③設(shè)計方面對施工的實際情況考慮不足。如：錨固混凝土太薄且鋼筋密布，伸縮裝置的錨固系統(tǒng)很難準確地預(yù)埋在梁中，甚至無法預(yù)埋，相當一部分錨固系統(tǒng)不得不錨固在整體化層混凝土中。④有的設(shè)計工程師在伸縮縫設(shè)計過程中只注重計算橋梁的伸縮量，并以此進行選型，而往往對伸縮裝置的性能了解不全面，忽視了產(chǎn)品的相應(yīng)技術(shù)要求。
2.2伸縮縫設(shè)計要點
2.2.1整體設(shè)計合理選定恰當伸縮量的縫隙極為重要，縫隙越大伸縮裝置越容易遭破壞。采用的縫隙過大或過小，以及沒有考慮安裝時的溫度而調(diào)整間隙。特別是針對板式橡膠伸縮裝置，易造成破壞。即使是連續(xù)橋面，在面層鋪裝上往往也會出現(xiàn)裂紋。因此。要采取預(yù)先切割橋面，設(shè)置接縫，或用較軟的鋪裝層來吸收裂縫，或者安設(shè)小型的伸縮裝置來解決。在較大縱坡的情況下，如不設(shè)置考慮適應(yīng)豎直變位的構(gòu)造，也容易產(chǎn)生缺陷，引起破壞。伸縮裝置沿橋面縱向，即使伸縮量小，也存在撓度差大的問題，因此，在伸縮裝置構(gòu)造上要給予重視。伸縮裝置與梁體結(jié)合成等強的整體無疑是提高其使用效能的重要手段。除模數(shù)式伸縮裝置之外的其他類型的橋梁伸縮裝置，與橋面板的固定、結(jié)合往往不夠充分，效果不甚理想，一般構(gòu)造尺寸較小、剛度不足，而且對新材料的特征、配合等研究不夠深入，所以在選型時應(yīng)作充分的比較研究。為防止因雨水而起的漏水現(xiàn)象，雖然在一些鋼制伸縮縫裝置中，對配合部位采取插入密封橡膠或?qū)⑴潘b置或鋪裝層面層作為容易清掃的型式，或在整個縫隙中灌注填人防水材料的實用型式。對與橋面的雨水，一般應(yīng)在伸縮裝置附近設(shè)集中排水口；對不在日常養(yǎng)護作多次涂漆的構(gòu)件上，設(shè)計上應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)耐久的防護材料作有效的處理。
2.2.2實例設(shè)計在設(shè)計方面，有些設(shè)計者誤認為上部構(gòu)造梁板的實際預(yù)制長度與理論長度之差就是橋兩端伸縮縫的寬度。就一孔20m長的簡支梁橋為例，有些設(shè)計人員照本宣科，把兩端各設(shè)一道縫寬2cm的伸縮縫。實際上按溫差45℃設(shè)計，伸縮量按下式計算：
△L=△Lt+△Ls+△Lc+△Ld+△ALe，△Ltf=△taL。
式中：△Lt—溫度變化產(chǎn)生的伸縮量；
a—線膨脹系數(shù)，混凝土a=10×10-6，鋼a=12×10-6；
L—伸縮梁的長度；
△Ls，△Lc—由于混凝土收縮和徐變影響而產(chǎn)生的收縮；
△Ld—梁端轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的變形量；
△Le—制造安裝誤差。
膨脹系數(shù)n=10×10-6，干燥收縮度20×10-5，徐變系數(shù)ψ=2.0，預(yù)應(yīng)力引起的平均軸向應(yīng)力σ=6N/m㎡，混凝土的彈性模量Eh=30000N/m㎡，施加預(yù)應(yīng)力后三個月的遞減系數(shù)=0.4，則：△=45×10×10-6×20000=9mm，△L=20×aLβ=20×10×10-6×20000×0.4=1.6mm?！鱈=σ／EhψLβ=6／30000×2×20000×0.4=3.2mm。設(shè)梁端旋轉(zhuǎn)水平變形△Ld=3mm。總伸縮量△L=9+1.6+3.2+3=16.8mm。按此計算，只在一端（若系坡橋只在高處一端）留一道縫寬2cm的伸縮縫即可，另一端橋面鋪裝與背墻連續(xù)，這樣，既節(jié)約了資金，又減輕了跳車。
合理預(yù)留伸縮縫寬度，可使其在夏季擠緊，到冬季溫度降低時才會拉開，從而有效提高伸縮縫壽命，減小橋頭跳車。據(jù)觀察伸縮縫擠壞的很少，大部分是縫太寬，引起跳車，跳車越嚴重縫破壞的越快，形成惡性循環(huán)。另外混凝土還有相當高的抗壓強度，只要擠壓在規(guī)定范圍內(nèi)，對橋梁結(jié)構(gòu)不會造成影響。由此可見在伸縮縫的設(shè)計中，采用安全系數(shù)較大的伸縮縫寬度，是完全沒有必要的。
3、結(jié)語
橋梁伸縮縫的破壞，對橋梁使用性能以及通車都會帶來嚴重的影響，因此必須加強橋梁伸縮縫的優(yōu)化設(shè)計，從伸縮縫類型、結(jié)構(gòu)以及環(huán)境等相關(guān)因素進行強化設(shè)計，才能確保伸縮縫在今后的使用中，滿足橋梁使用性能。
