橋梁伸縮縫設計與選型淺析

陳惠軍

(湖南省建筑設計院,湖南長沙 410007)

隨著交通運輸業的發展,高速公路、高架道路、立交橋的大量修建,道路、橋梁的車輛通行量不斷增加、車速不斷提高,對橋梁伸縮縫提出了更高的要求。橋梁的伸縮縫是為適應溫度、荷載及混凝土徐變作用下有機變形的重要附屬設施,伸縮縫的設計與選型是否合理直接影響到行車的舒適性和安全性。橋梁伸縮縫因長期暴露于大氣中,直接承受車輪荷載的反復作用,很小的不平整就會使其承受很大的沖擊,通常是橋梁結構中最容易損壞的部位;另外因設計與施工脫節的影響,難以達到設計的要求。由于伸縮縫的破壞,不僅會使通行者感到危險和不舒適,也將影響橋梁結構的使用壽命。為此,怎樣選用合適的伸縮縫,科學的設計與施工,使其能適應橋梁的各種變形所引起的伸縮,是路橋建設者,尤其是設計者們應該引起重視的課題。

1 橋梁伸縮縫的種類

橋梁伸縮縫是指為適應材料脹縮變形需要而在橋梁上部結構中設置的間隙,為了能使車輛平穩通過橋面,在橋梁伸縮縫處設置的一種由橡膠和鋼材等構件組成的各種裝置。目前我國常用的伸縮縫有以下幾種:

1)對接式伸縮縫:根據其構造形式和受力特點的不同,又能分為填塞對接型和嵌固對接型兩種。填塞對接型伸縮縫是以瀝青、木板、麻絮、橡膠等材料填塞縫隙,但伸縮體始終處于受壓狀態,該類伸縮縫一般用于伸縮量為40～50 mm的常規橋梁上,目前已不多見;嵌固式對接伸縮縫利用不同形態的鋼構件將不同形狀的橡膠帶(條)嵌牢固定,以橡膠帶(條)的拉壓變形來吸收梁體的變形,其收縮體可處于受壓狀態,也可處于受拉狀態,該伸縮縫廣泛用于伸縮量在80mm以下的橋梁工程上,常見的如:W型橡膠伸縮裝置、SW型、GQF-C型等。

2)鋼質支承式伸縮縫,當橋梁的伸縮變形量超過50 mm時,常使用鋼質伸縮縫,該類伸縮縫是用鋼材裝配制成的,能直接承受車輪荷載。但該類伸縮縫經常因梁端轉動或撓曲變形而產生拍擊作用,噪聲較大,結構件亦較易損壞。以前多用于鋼橋,現在也用在鋼筋混凝土橋,適用于中小型橋。常見的如:鋼梳形板伸縮縫、鋼板疊合式伸縮縫。

3)組合剪切式(板式)橡膠伸縮縫,該類伸縮縫是利用橡膠材料剪切模量低的原理設計制造而成,即剪切型橡膠伸縮縫設有上下凹槽,橡膠體內埋設承重鋼板和錨固鋼板,并設有預留螺栓孔,通過螺栓與梁端連成整體,它是依靠上下凹槽間的橡膠體剪切變形來滿足梁體結構的相對位移;橡膠體內預埋鋼板,跨越梁端間隙,承受車輪荷載,另外在橡膠體內兩側預埋兩塊錨固鋼板,通過螺栓與梁端連接。由于橡膠富有彈性,易粘貼,又能滿足變形要求且具備防水功能,故國內外橋梁工程中廣泛使用,其性價比較高,深受用戶青睞。國內具有代表性的產品如:BF型、SES型、BSL型和CD型。

4)模數支承式伸縮縫:板式橡膠制品的伸縮縫,很難滿足大位移量的要求;鋼制型伸縮縫,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。在不斷探索與研發中,科技含量和技術水平得到不斷提升,從而出現了利用吸震緩沖性好又能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,在大位移等情況下,能承受車輛荷載的各類型模數支承式(模數式)橋梁伸縮裝置,由于適用位移量大,使用壽命較長,應用較廣泛。這類型的伸縮縫有TS型、SG型等。

5)無縫式(暗縫式)伸縮縫:無縫式伸縮縫是按縫構造不伸出橋面時,在橋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彈性復合材料,使伸縮縫處的橋面鋪裝與其它鋪裝部分形成連續一體,以連續瀝青混凝土等材料的變形承受伸縮的一種構造,適用于20～40 mm以內小位移變形且使用壽命較短,適宜在-25℃～60℃的溫度條件與環境下使用。

6)新型RBDX模塊式多向變位橋梁伸縮縫,這是一種在傳統伸縮縫以外,推出的一種新型伸縮縫,主要是針對傳統模數式及梳形伸縮裝置不足,特別是在斜拉橋、懸索橋等的橫、縱扭轉等多向變位功能進行改進設計。RBDX模塊式多向變位橋梁伸縮縫也屬模塊式結構形式,每一道伸縮由若干組標準模板塊與特殊模塊組成。標準模塊主要由多向變位鉸、跨縫板和伸縮梳齒板組成,其它附件包括支承托架、錨固、防水防滑結構等。多向變位鉸由豎向轉動、橫向變位、底盤等結構組成,是伸縮裝置的核心部件,通過安裝螺栓及支承托架固定在主梁上,可隨梁體作多向轉動,滿足橋梁的三維變形需要。跨縫板與伸縮梳齒板組成伸縮縫的承載和伸縮結構,一般在梳齒板底部鋪設不銹鋼滑板和減震膠板,減少沖擊和摩擦阻力。

2 橋梁伸縮裝置的選型

面對如此繁多的伸縮縫種類,必須根據橋梁類型、伸縮量為依據,綜合平整性、耐久性、防水性、排水性、經濟性及施工和維修便利等來決定。合理選擇伸縮縫型式是保證伸縮縫盡可能與橋梁結構具有相近壽命的一個基本條件。選擇伸縮縫需考慮的因素主要有:

1)耐久性:伸縮縫考慮耐久性時,必須根據公路的性質判斷其耐久年限,因為對伸縮縫來說之所以容易破壞,一般情況并不是大交通量,而是重型車輛,因此重型車輛交通量大的高速公路,國家或省級交通干線等,有必要選擇耐久性好的伸縮縫,通常采用鋼制型式和采用整體成型異型鋼材組合的模數式伸縮裝置。

2)平整性:平整性也可以作為耐久性來考慮,一般來說,在施工時,慎重仔細的控制組裝的精度,牢固的固定,并采用先整體施工橋面,后切割橋面體,再安裝伸縮裝置的后嵌作法,就可以達到平整性良好的目的。

3)排水性和防水性:目前我省所用的伸縮裝置大多是無排水裝置的。為保證其防水性,合理的進行初始壓縮和充分的搗實兩側混凝土是極為重要的,為使條式橡膠密封帶與鋼材緊密聯接,可以用粘質材料以提高其防水性能。

3 橋梁伸縮縫設計時應考慮的主要因素

1)橋梁伸縮縫設計時應首先考慮其伸縮量,計算伸縮縫時要考慮以下幾點:

①溫度變化的范圍,不同地點溫差變化的范圍波動較大;

②必須考慮因混凝土收縮徐變影響引起的收縮量;

③必須綜合考慮因各種靜態、動態荷載引起的橋梁結構撓曲;

④因線路縱坡度對伸縮變化的直接影響;

⑤特別注意考慮斜橋和彎橋時伸縮縫的變位。其中溫度變化,混凝土收縮徐變對伸縮量的影響比較大,是重點要考慮的因素。

以某預應力混凝土梁橋為例,梁長40m;溫度變化范圍-4℃～+42℃;線膨脹系數α=10×10-6;收縮應變ε=20×10-5;徐變系數φ=2.0;收縮、徐變折減系數β=0.6;預應力混凝土的平均軸向應力σp=80 kg/cm2;混凝土彈性模量Ec=3.4×105kg/cm2,安裝溫度20℃。

伸縮量按下式計算:

則:

ΔLt=Δt?α?L=18.4mm

ΔLc=(σp/Ec)?Ф?β?L=11.3 mm

ΔLs=20×10-5?L?β=4.8 mm

故伸縮量ΔL=18.4mm+11.3mm+4.8mm=34.5 mm

故只需要設置一道4 cm的伸縮縫即可滿足要求,而不宜盲目求大,這樣既節約了資金,又減少了跳車現象。

2)要注意考慮伸縮裝置的類型和適應性。

“把國防教育滲透到各科教學之中。根據不同學科、不同課文的知識點，把國防教育引入課堂教育激發學生的興趣。如思品課、語文課教材中的一些課文，我們盡可能地把革命英雄主義教育貫穿在這類課文中。”程主任暢談著國防校本課程的開發思路。

現在伸縮縫品種繁多,形式多樣,設計時必須認真計算與驗證,既要考慮符合相關實際的需要與制約,也要考慮經濟與實用。

3)必須認真把握好初始壓縮量。

對于橡膠伸縮縫,在設置時,必須預先壓縮其伸長量,以使在最大間隙時,橡膠縮體不出現拉力作用,而在最小間隙時橡膠伸縮件不致出現擠壓鼓出現象;對板式橡膠型伸縮縫,當在低于設計安裝溫度的情況下,安裝時預先拉開一定的伸縮量,這個拉開量作為設計人員一定要找準、論證。

4)充分理解設計富余量,重視富余量的科學性和必要性。

因為橋梁結構的撓度產生的變位,由結構型式應考慮的必需余量以及伸縮縫加工和安裝時的誤差等因素的影響而預留的余量,都稱為富余量,包括拉開與壓縮兩種狀態下的預留量值。設計富余量是容易被忽視的,往往因設計富余量不足導致伸縮位置過早破壞,影響安全,影響形象,增大維修維護成本。

5)設計的主要考慮參數——設計伸縮間隙。

為適應材料脹縮變形對結構的影響,而在結構的兩端設置的間隙。因此,伸縮縫的伸縮量加富余量其形成的距離則叫做伸縮間隙,以鋼SGF型橋梁伸縮縫分析間隙,按結構、型式可分為橋(梁)端間隙、橋面板間隙、接縫間隙、鋼齒間隙等幾個方面,其中橋(梁)端間隙是設計應重點考慮的參數。

4 橋梁伸縮設計細節與要點

1)伸縮縫破壞過早的原因,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生的動載,當輪壓在伸縮縫上時,其荷載通過錨固系統傳遞到過渡段混凝土,再傳到梁板上,從而產生一定的壓縮變形。從設計角度分析,主要原因不外乎以下幾種:

①伸縮縫在整個橋梁工程所占的份量不多,容易被人忽視,從而未對伸縮縫進行細致的考慮與設計。

②伸縮縫的受力復雜,而與之密切相關起決定作用的錨固系統不合理。

③設計方面對施工的實際情況考慮不足。

④還有部分設計人員在伸縮設計過程中只注意計算梁的伸縮量,并以此進行選型,往往對伸縮縫性能了解不全,沒有掌握相應技術。

2)伸縮縫設計要點。

在設計中合理選擇恰當伸縮量的縫隙極為重要:縫隙越大,伸縮裝置容易破壞;采用的縫過大或過小,或者沒有考慮安裝時的溫度而調整間隙,均易造成破壞。因此,須采用先切割橋面,再設置接縫或采用較軟的鋪裝層來吸收裂紋,或安裝小型的伸縮裝置來解決。當遇到縱坡過大的情況,須考慮設置適應豎直變位構造,否則也會出現裂紋,甚至導致破壞。因此,在伸縮縫構造上要引起足夠重視。安裝伸縮縫應注意伸縮量的選取,必須通過精確計算伸縮寬度來進行正確的安裝。

嚴格把握好伸縮縫安裝時的溫度,對壓縮體進行必要的預壓縮,安裝時保證預留槽口和錨固鋼筋完整不受損且放置正確,錨固件不置于橋面鋪裝層中,這樣更有利受力的傳遞,不易造成伸縮縫開焊、脫漏,能提高與橋面的順適度。

當橋面板剛度不足,尤其是T梁翼板較薄,橫向聯系較弱,當汽車荷載作用時,橋面板變形過大,造成伸縮縫的損壞,梁端部應具有足夠的剛度,以滿足運營中反復荷載的作用,設計時要考慮適當增加錨固螺栓數量,合理設置位置,加長錨固長度,提高錨固區的剛度等。

伸縮縫長期處在彎道、扭耦合作用下經常在根部逐步開裂并擴大,使混凝土路面形成凹槽。因此設計時要考慮所使用的連接構件受力明確,在橋面板端部一定范圍內,鋼筋進行加密(提高50%～100%):提高連接處混凝土等級,伸縮縫兩側回填部分建議改為環氧樹脂混凝土或鋼纖維混凝土,并保證回填質量。

做好伸縮縫的防水處理,伸縮縫大部分沒有很好的防水性能及很完善的防水措施,水由此進入上部結構,造成對橋梁端部混凝土的侵蝕,使橋下支座受腐蝕,水隨帶著沙子流入伸縮縫,在長期堆積下沙子阻塞伸縮縫使其失去伸縮能力。為了避免上述情況的發生,設計時應注意防水問題。在伸縮縫設計中經常忽略了伸縮縫與防撞欄之間的銜接部分,對此很少有詳細的設計指導,筆者查閱參考資料,總結了一點解決伸縮縫與防撞欄銜接處防水的方法,如圖1所示。

通過鋼板1、鋼板2、鋼板3三塊鋼板的相對滑動,保證密封不漏水,并使預留縫處防撞欄與伸縮縫的伸縮量保持一致。三塊鋼板的具體構造如圖2。

圖1 伸縮縫與防撞欄銜接處防水布置示意圖

圖2 三塊鋼板的具體構造圖

在防撞欄上預埋Φ20錨筋,鋼板1和鋼板2都用點焊與事先預埋在防撞欄中的預埋鋼筋焊接,再嵌入防撞欄,使其與混凝土防撞欄表面保持光滑平整,然后再將鋼板3安裝在鋼板1和鋼板2之間的伸縮縫與防撞欄銜接的預留縫處,保持鋼板3與鋼板1、2相對滑動,鋼板3始終遮擋住預留縫位置。

為防止雨水漫流過程中通過鋼板1、鋼板2與鋼板3之間的縫隙泄漏,使伸縮被腐蝕,在鋼板3與鋼板1和鋼板2相對滑動的兩邊,粘貼上薄橡膠皮來保持鋼板間結合緊密。所有的鋼板都要進行防腐防銹處理,并保證與混凝土一致顏色,使鋼板與防撞欄顏色協調一致。具體尺寸由防撞欄尺寸決定。

5 結束語

伸縮縫雖在橋梁結構中屬附屬設施,但是一旦損壞,對橋梁的使用性能及通車能力都會帶來較大影響,營運和維護成本均會增高。因此伸縮縫在設計上首先要強調選型及實際伸縮量的計算,其次要完善排水和防水措施,盡可能的提高伸縮縫的壽命。伸縮縫在合理選型及設計的基礎上,進行嚴格的施工和有地的養護,就可以減少橋梁伸縮縫的損壞,有效地提高伸縮縫的使用性能和使用壽命,更好地減少橋頭跳車現象。

[1]JTG 60-2004,公路橋梁設計通用規范[S].

[2]JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].