一種新型模數式伸縮縫位移控制系統

李培俊

（山西遠大公路橋梁建設養護有限公司，山西 忻州 034000）

1 伸縮縫簡介

橋梁伸縮縫是指為使車輛平穩通過橋面并滿足橋面變形的需要，在橋面伸縮接縫處設置的各種裝置的總稱，主要用于適應橋梁的溫度伸縮、混凝土及預應力混凝土橋梁的收縮和徐變、橋梁梁部結構在荷載作用下的伸縮位移等引起的橋梁伸縮位移[1-2]。雖然橋梁伸縮縫在整個橋梁結構中所占的比例極小，但它在橋梁結構中直接承受車輪載荷的反復沖擊作用，是橋梁結構必不可少的一個部件；同時又長期暴露在大氣中，其工作環境極其惡劣，又是一個最為薄弱的環節，也是最容易被損壞的部件[3]。伸縮縫一旦受到破壞，不僅使得車輛在駛過伸縮縫時，行車舒適度下降，對車輛的使用壽命造成影響；更重要的是，會使車輛對橋梁的沖擊效果明顯增加，加劇橋面鋪裝層的破損速度，甚至還會對橋梁本身結構產生影響[4]。

2 兩種現有伸縮縫結構形式

隨著我國高速公路的飛速發展，大跨徑橋梁越來越多，大位移橋梁伸縮縫需求量也越來越多。在我國，大位移伸縮縫一般采用模數式結構，為了均勻地分配控制各根型鋼之間的位移，模數式伸縮縫必須設置位移控制系統。目前，大位移模數式伸縮縫一般有剪力彈簧式和轉軸式兩種結構形式。

2.1 剪力彈簧式

剪力彈簧式橋梁伸縮縫采用三聯一組的豎裝剪切彈簧控制元件，各縫縫寬的等距控制通過型鋼間交叉串聯的橡膠剪力彈簧的剪切變形來推動各根中梁實現的。其結構如圖1所示。支撐系統與位移控制系統相互獨立，加工組裝簡單，制造工藝難度低。

圖1 剪力彈簧式橋梁伸縮縫結構圖

剪力彈簧通過高強螺栓和支撐架與型鋼連接，當梁體發生伸縮位移帶動邊梁一起運動時，與之連接的剪力彈簧將受到剪切作用。產生剪切變形，同時將伸縮力傳遞給相鄰的中梁，使其產生位移，相鄰中梁的位移又會使與之相連接的剪力彈簧產生剪切變形，依次類推，最終達到控制各縫縫寬均勻性的目的。圖2所示為不同縫寬時剪力彈簧的工作狀態示意圖。

圖2 縫寬變化時剪力彈簧工作狀態

剪力彈簧式橋梁伸縮縫的所有中梁均通過支撐架和橡膠支座與橫梁連接。以圖1所示為例，在橡膠支座壓縮量一致的情況下，假設1號中梁所受的來自橡膠支座的摩阻力為f，則2號中梁所受的摩阻力為2f，3號中梁為3f，4號中梁為4f…… 即距離支撐箱的距離越遠的中梁受到的摩阻力越大，發生位移也就越困難。為了滿足橋梁伸縮的需要，這就使得越靠近支撐箱的剪力彈簧受到的剪切力越大，也就越容易損壞。圖3所示為某公路大橋剪力彈簧式伸縮縫工作情況。

圖3 某公路大橋剪力彈簧式伸縮縫

圖3可以清晰地看出隨著距離邊梁距離的增加，單縫的縫寬呈現出增大的趨勢。這主要是因為中梁所受的摩阻力不均勻，隨著距離支撐箱距離的增加，中梁受到的摩阻力呈階梯狀增加。最終的結果就是隨著距離支撐箱距離的增加，中梁的運動阻力越來越大，宏觀表現為縫寬的不均勻性。

2.2 轉軸式

轉軸式橋梁伸縮縫每組支撐箱內只有一根支撐梁，支撐梁與中（邊）梁并非正交，而是斜交。支撐梁通過L形支撐架與中（邊）梁連接。

圖4 轉軸式伸縮縫縫寬控制示意圖

圖4所示為轉軸式伸縮縫縫寬控制示意圖。當橋梁梁體發生位移時，與梁體連接的邊梁受到一順橋向的力F，在其順著支撐梁軸向的分力FP的作用下，帶動中梁沿著支撐梁滑動；其垂直于支撐梁方向的分力FV使得支撐梁繞著鉸軸發生水平轉動，在二者共同作用下，伸縮縫可以實現縫寬的均勻性控制[5]。

轉軸式伸縮縫的支撐梁既起到了支撐中（邊）梁的作用，又起到了縫寬調整的作用。利用四邊形不穩定性和杠桿的等距原理來實現縫寬的控制。當梁體發生位移時，各根中梁在支撐梁的作用下是聯動的而非相互獨立的，這就在根本上解決了縫寬的不均勻性。但是，轉軸式伸縮縫的橡膠支座既要傳遞豎向荷載，又要承受由于伸縮縫發生位移時產生的剪切力。同時，所有中梁是聯動的，一旦出現支座壓緊不均勻及軸向加工誤差偏大的情況，很容易導致某一根支撐梁的轉動受阻，從而使得伸縮縫產生極大的內應力。因此，轉軸式伸縮縫對零部件的機加工精度及裝配精度要求極高，這就極大地提高了加工難度和生產成本。

剪力彈簧式橋梁伸縮縫雖然加工組裝簡單，制造工藝難度低。但是，實際運行過程中存在著縫寬調整能力不足的情況（圖3）；轉軸式橋梁伸縮縫雖然利用幾何原理解決了縫寬不均勻的情況（圖4），但是對零部件的機加工精度及裝配精度要求極高，生產成本大，這也極大地限制了它在實際工程中的應用。

3 等距變位式伸縮縫

結合兩者的優點，本文提出一種新結構形式的橋梁伸縮縫：等距變位式橋梁伸縮縫。圖5所示為等距變位式橋梁伸縮縫示意圖。

圖5 等距變位式橋梁伸縮縫示意圖

等距變位式橋梁伸縮縫支撐系統與縫寬調整系統也是相對獨立的：支撐梁通過支撐吊架與中梁連接，邊梁與支撐箱連接；調整梁通過調整吊架與中梁連接。等距變位式橋梁伸縮縫支撐系統與剪力彈簧式相同，這使得它繼承了剪力彈簧式伸縮縫支撐系統牢固，不易損壞的優點，同時，相對獨立的支撐系統與縫寬調整系統使得兩者可以分開獨立加工，這也極大地降低了加工和組裝難度以及生產成本；等距變位式橋梁伸縮縫縫寬調整系統與轉軸式伸縮縫相似，聯動的縫寬調整方式從根本上解決了縫寬不均勻的問題，而且采用分段式設計，縫寬調整系統聯數的多少可以根據橋梁伸縮量和支撐箱間距靈活組合，這進一步降低了加工組裝難度。

圖6 某大橋等距變位式橋梁伸縮縫

圖6所示為某大橋上安裝的等距變位式橋梁伸縮縫實物圖。從圖6可以可以看出，各個單縫之間縫寬比較均勻，各縫具體縫寬如圖7所示。

圖7 某大橋等距變位式伸縮縫各縫具體縫寬

由圖7可以看出，單縫最大縫寬為38.2 mm，最小縫寬為36.3 mm。最大縫寬與最小縫寬差值為1.9 mm小于2 mm，這表明等距變位式橋梁伸縮縫在實際運行過程中的各縫縫寬誤差完全滿足JT/T327—2004中對大位移伸縮縫的要求，其縫寬調整能力完全滿足要求[6]。

4 結論

通過對剪力彈簧式、轉軸式兩種大位移伸縮縫中常用的結構形式優劣的對比，提出了一種新的結構形式：等距變位式伸縮縫。實際運行結果表明：該形式伸縮縫兼具剪力彈簧式結構簡單，受力清晰，加工組裝難度低，成本低和轉軸式伸縮縫縫寬調整能力強的優點。