關于市政橋梁型鋼伸縮縫清理裝置的優化設計探討

李偉杰 太原市市政公共設施建設管理中心

1 橋梁伸縮縫的作用

橋梁伸縮縫指的是為滿足橋面變形的要求，在兩梁端之間、梁端與橋臺之間或橋梁的鉸接位置上設置的構造縫。設置伸縮縫的目的主要是為了防止溫度變化引起的橋面熱脹冷縮對橋面結構造成破壞[1]。

2 市政橋梁伸縮縫的常見型式

2.1 對接式伸縮裝置

嵌固對接型伸縮裝置利用鋼構件將橡膠條（帶）嵌牢固定，并依靠橡膠條（帶）的拉壓變形來吸收梁體的變形，其伸縮體可以處于受拉狀態，也可以處于受壓狀態。

2.2 鋼制支承式

鋼制支承式伸縮裝置的形狀、尺寸和種類繁多。其中，面層板成齒形，從左右伸出橋面板間隙處相互嚙合的懸臂式構造，或者面層板成懸架的支承式構造，統稱為鋼梳形板伸縮裝置。面層板成為矩形的疊合懸架式的構造，稱為鋼板疊合式伸縮裝置。

2.3 模數式伸縮縫

模數式伸縮縫也稱毛勒伸縮縫，是型鋼與橡膠結合的伸縮縫，具有安全傳遞載荷、密封防水性能好、伸縮自如、安裝簡便等優點。毛勒縫首先在德國使用，由德國毛勒公司研發生產?，F在國產的毛勒縫改叫模數伸縮縫，適用于伸縮量大的橋梁結構。

2.4 無縫式

無縫式伸縮裝置，是接縫構造不伸出橋面時，在橋梁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粘彈性復合材料，使伸縮接縫處的橋面鋪裝與其他鋪裝部分形成連續體，以連接縫中的粘彈性復合材料的變形承受伸縮的一種構造，如我國常用的橋面連續、TST彈塑體等。

目前橋梁工程中常用伸縮裝置的類型有：板式橡膠伸縮縫（已逐步淘汰），型鋼伸縮縫（毛勒縫），梳齒板伸縮縫，TST彈性體伸縮縫。

各種不同類型的伸縮裝置，普遍存在一個共同的問題，伸縮間隙內有灰渣、硬物堵塞，嚴重時影響梁體的正常伸縮。型鋼伸縮縫和模數式伸縮縫，其結構特點最容易沉積泥土砂石[2]。

3 型鋼伸縮縫和模數式伸縮縫清理方法及優缺點

型鋼伸縮縫和模數式伸縮縫的養護一直是市政橋梁養護工作中的難點之一，目前通常采用的方法主要有：（1）使用洋鎬將伸縮縫內的泥土、砂石刨松，用自制鐵鏟將雜物鏟出，然后用笤帚清掃；（2）采用高壓水槍沖洗伸縮縫[3]。

第一種方法比較保守，全程人工作業，清理較干凈，但清理效率低，工作強度大，而且需要多人協作，操作中容易刮傷伸縮縫中的橡膠條。第二種方法運用了機械設備，降低了工人工作強度，但清理不干凈，凝固的砂石泥土難以沖洗，耗水量大。兩種方法施工成本都很高。

針對該問題，本文綜合考慮技術和經濟因素，提出一種新型的伸縮縫清理裝置設計方案。該裝置可以實現高效清理伸縮縫內渣土的功能，節省人工，適應性強。

4 伸縮縫清理裝置工作原理

本裝置結合伸縮縫結構特點及參數標準，利用拋物線原理，設計了伸縮縫清理輪。然后將清理輪安裝在機架上，由電動機提供動力帶動主軸運轉，將伸縮縫內的沙土刨起清理掉（如圖1所示）。提升裝置利用手輪搖動滾珠絲桿機構，實現清理輪高度調節。使用過程中，可以根據伸縮縫內止水帶的位置，調節清理輪和伸縮縫之間的間隙；將高速旋轉的清理輪緩慢放入伸縮縫內，清除渣土。

圖1 伸縮縫清理裝置

5 主要零部件的結構特點

5.1 伸縮縫清理輪的特點

本文設計了一種新型的橋梁伸縮縫清理輪，由主輪和對稱設置在主輪輪齒兩側的毛刷組成。主輪輪齒采用漸開線圓弧設計，輪齒頂部經過過渡圓弧修正，保證運行過程中不刮傷伸縮縫止水帶；同時，圓弧沒有應力點，強度更高。毛刷采用硬質材料制作，達到清掃伸縮縫內渣土的功能，并且不損壞伸縮縫止水帶；毛刷鑲嵌在主輪輪轂上，和主輪之間采用過盈配合的方式裝配在一起。此清理輪采用主輪與毛刷結合的方式，主輪解決伸縮縫中渣土固結難清理的問題，毛刷則可以把伸縮縫內的泥土全部清理出來。

圖2 伸縮縫清理輪

5.2 清理輪升降裝置結構設計

為了便于調節清理輪的高低位置，使清理輪與伸縮縫之間的高差可調，本文設計了清理輪升降裝置。升降裝置的功能是通過搖動手輪，提升活動機架，實現清理輪的高度調節。

5.3 傳動部件設計

5.3.1 動力裝置選型

采用直流電動機提供動力，鋰電池提供電源。鋰電池的優點是重量輕，選用鋰電池電源，可以減輕機體重量。

選用60V 1500W直流串勵電機，功率1500W，輸出轉速700r/min，重量23kg。

5.3.2 傳動裝置設計

電動機與清理輪主軸之間采用皮帶傳動。皮帶傳動運行平穩，噪聲小，當遇到難清理的頑固砂石時，清理裝置過載運行，皮帶會主動打滑，可防止其他零件損壞，起到安全保護作用。

6 進一步優化設計探討

6.1 加裝渣土收集裝置

清理輪之后可以設置渣土收集裝置，將清理出來的渣土進行回收，省去人工清掃渣土環節。如圖3所示，渣土收集裝置由輥刷、錐形清掃輪組成，輥刷負責清掃伸縮縫內殘余的渣土，錐形清理輪負責清掃伸縮縫兩邊的渣土，并將渣土掃入渣土收集箱。

圖3 渣土收集裝置

渣土收集裝置的動力由電動機通過皮帶傳動提供，輥刷軸和錐形清理輪之間通過兩對圓錐齒輪聯結。

6.2 清理輪高度自動調節系統

考慮為清理輪加裝光電感應自動控制系統，根據伸縮縫止水帶的位置，自動調節清理輪的高低位置，避免清理輪刮傷止水帶，達到更好的清理效果。

圖4 統結構框圖

高度自動調節系統由反射式傳感器、單片機、直流脈沖調整電路、直流伺服電機等組成。反射式傳感器可以檢測伸縮縫止水帶的位置，將采集到的模擬信息轉換成數字信號，反饋給單片機系統。單片機系統處理采樣信息，輸出電機控制信號。調整電路驅動直流伺服電機，控制清理輪伸縮連桿完成高度調節。

7 結束語

本文對橋梁伸縮縫的作用進行了介紹，闡述了常見伸縮縫類型及結構特點，對傳統的型鋼伸縮縫、模數式伸縮縫清理工作進行了分析。提出了新型的伸縮縫清理裝置結構設計理念，對清理裝置的功能及主要零部件的結構特點進行了介紹，并對該裝置進行了CAD建模。提出了進一步優化設計的思路，有利于市政橋梁管理養護裝置的技術革新，更有利于橋梁設施養護工作的高效開展。