降噪抗震多向變位梳齒板式伸縮裝置研究

姜京偉

（山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

為滿足橋梁結(jié)構(gòu)多向變位的需求，同時也為行車舒適性考慮，越來越多的橋梁采用梳齒板型伸縮縫，其占據(jù)伸縮縫市場的比例也呈逐年上漲的趨勢。然而，目前主流的多向變位式梳齒板伸縮縫，均較易出現(xiàn)錨固螺母松脫的病害[1]。而且，梁體間的橫向變位往往是通過梳齒的間隙實現(xiàn)，變位范圍極小，且容易因齒間卡入異物導(dǎo)致伸縮縫難以伸縮甚至造成梳齒折斷。此外，梁體間豎向變位的出現(xiàn)，會造成縫體結(jié)構(gòu)的不可逆損壞（錨固結(jié)構(gòu)或齒板的損壞）。

通過調(diào)研，筆者發(fā)現(xiàn)業(yè)內(nèi)大部分企業(yè)及學(xué)術(shù)專家在梳齒板伸縮縫方面的研究多集中于多向變位組件的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，并沒有從根本上解決梳齒板伸縮縫的病害問題。而市場上的多向變位式梳齒板，其變位范圍很小，很難滿足具有較大橫風(fēng)環(huán)境下的跨江、跨海橋梁，而僅適用于伸縮量較小的橋梁[2]。因此，研發(fā)一種可以解決上述問題的新型梳齒板伸縮縫裝置，成為橋梁工程面臨的重要需求。

1 多向變位梳齒板伸縮裝置結(jié)構(gòu)特點分析

目前，主流的多向變位梳齒板伸縮裝置結(jié)構(gòu)主要有單元式多向變位伸縮縫、阻尼減震多向變位梳齒板伸縮縫和橋梁橡膠降噪伸縮裝置等，它們的結(jié)構(gòu)特點具體如下。

1.1 單元式多向變位伸縮縫

單元式多向變位梳齒板伸縮縫[3]的受力結(jié)構(gòu)為簡支結(jié)構(gòu)。其多向變位組件的鉸軸通過獨立的鉸瓦由螺栓直接或間接與橋梁主體相連，大齒板以鉸軸為中心轉(zhuǎn)動。其存在的主要問題為：a）大（活動）齒板為單端錨固，且梳齒板伸縮縫錨固螺絲與下部結(jié)構(gòu)的連接屬于半剛性連接，因此車輛荷載作用下齒板回彈時齒板對錨固螺栓的扭剪力較大；b）橫向位移的實現(xiàn)依靠梳齒間隙來實現(xiàn)，易出現(xiàn)異物卡入導(dǎo)致梳齒折斷；c）當(dāng)出現(xiàn)豎向位移時，縫體會發(fā)生不可逆的結(jié)構(gòu)性損壞。其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 單元式多向變位伸縮縫結(jié)構(gòu)形式

1.2 阻尼減震多向變位梳齒板伸縮縫

阻尼減震多向變位梳齒板伸縮縫[4]的每塊單元大齒板端部設(shè)置一個多向變位組件，該多向變位組件由球型支座+U螺栓錨固+彈性保險螺栓組成。錨固裝置與橋梁主體結(jié)構(gòu)連接，單板撓動效果較好，在錨固裝置后部由彈性保險螺栓與橋梁主體相連，結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。但仍然存在與上述單元式多向變位伸縮縫一樣的3個問題。此外，該伸縮裝置的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、現(xiàn)場安裝難度高，轉(zhuǎn)動性能受各種條件影響大，造價較高。

圖2 阻尼減震多向變位梳齒板伸縮縫結(jié)構(gòu)形式

1.3 橋梁橡膠降噪伸縮裝置

橋梁橡膠降噪伸縮裝置[5-6]的結(jié)構(gòu)形式如圖3所示，其大（活動）齒板也采用單端錨固，但在大齒板梳齒位置下部設(shè)置了永久磁鐵，可以從一定程度上改善大齒板螺栓受力狀態(tài)，但荷載較大時，磁鐵無法牽制住板體的振動。此外，該伸縮裝置也存在上述兩種伸縮縫在橫向和豎向變位時導(dǎo)致的問題。

圖3 橋梁橡膠降噪伸縮裝置結(jié)構(gòu)形式

1.4 主流梳齒板伸縮縫病害的原因分析

通過分析目前主流的梳齒板伸縮縫病害情況，筆者認(rèn)為，梳齒板伸縮縫病害的最初形式多為螺母松動、梳齒卡死，進而發(fā)展為齒板脫落、梳齒斷裂。

a）螺母松動除施工方面的因素外，其根本原因是其自身結(jié)構(gòu)存在一定問題，主要是由于活動齒板單端錨固造成。單端錨固的活動齒板，其受力分為兩種情況：

（a）當(dāng)活動齒板的非固定端緊密擱置在橋梁主梁上時，活動齒板可以簡單模擬為一端固定、另一端（非固定端）僅提供豎向支撐而轉(zhuǎn)角放松的模式。

（b）當(dāng)活動齒板的非固定端和梁體出現(xiàn)縫隙時，單端錨固的齒板可以簡單模擬為單端固定的懸臂梁。

在上述兩種力學(xué)簡化模式下，當(dāng)活動齒板受車輛荷載作用時，由于齒板受彎導(dǎo)致固定端的螺栓承受較大彎拉應(yīng)力，在車輛荷載的反復(fù)作用下極易造成螺栓自身振動，隨著振動能量和次數(shù)的累加，螺栓會出現(xiàn)微小變形，造成應(yīng)力松弛，使螺栓預(yù)緊力減小，進而發(fā)生螺栓早期失效松動的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致行車的噪聲問題。

b）梳齒卡死主要是因為在縫體服役過程中，橋梁橫向位移超出了縫體容許變形量。因目前主流的梳齒板伸縮縫橫向變位是通過齒間間隙來實現(xiàn)，一旦橋梁橫向位移較大或齒間卡入異物，極易造成梳齒卡死，嚴(yán)重時導(dǎo)致梳齒斷裂。

2 伸縮裝置方案設(shè)計

通過分析并反復(fù)論證調(diào)研，筆者提出一種降噪抗震多向變位梳齒板式伸縮裝置，可以從結(jié)構(gòu)形式上解決梳齒板伸縮縫螺母松脫及梳齒卡死甚至梳齒斷裂的病害。

本文所提出的降噪抗震多向變位梳齒板式伸縮裝置的活動齒板為跨越式懸臂結(jié)構(gòu)，跨越橋梁相鄰兩片梁板接縫處，后端通過專用錨固螺栓與齒板下方的不銹鋼板、橫向位移組件及橋梁固定連接，橫向位移組件主要由橫向位移箱、滑動支座、不銹鋼板組成，起到豎向降噪抗震和橫向位移的作用；前端為滑動齒端，與固定齒板交叉嚙合，活動齒板下方為滑動不銹鋼板，不銹鋼板下方設(shè)有滑移箱，滑移箱內(nèi)設(shè)計壓緊塊和壓板，并通過六角螺栓固定連接[7]，總裝圖如圖4所示。

圖4 降噪抗震多向變位梳齒板伸縮縫整體結(jié)構(gòu)

設(shè)計的核心思想為：

a）通過活動齒板兩端的專用錨固螺栓（專用螺栓帶有橡膠墊），對活動齒板提供豎向和轉(zhuǎn)動方向的彈性約束，活動齒板在車輛荷載作用下，可在豎向產(chǎn)生一定的彈性位移，滿足齒板受彎時引起的專用錨固螺栓受拉需求，同時可減少專用錨固螺栓的受彎。錨固螺栓的受力狀態(tài)與預(yù)加力有關(guān)，施加合適的預(yù)加力，可有效防止螺母的脫落。當(dāng)伸縮縫兩端的梁體發(fā)生相對豎向變形時，橡膠墊的存在可以有效防止縫體結(jié)構(gòu)損壞。

b）分別在伸縮縫兩端梁體的活動齒板下設(shè)置位移箱，伸縮縫體和橋梁主梁間可發(fā)生橫向和豎向位移，兩端位移箱分別滿足伸縮縫的橫向和縱向變位需求，在同樣的梳齒橫向縫隙下，可適應(yīng)梁體可能發(fā)生的大變位。

2.1 雙端錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙端錨固總體設(shè)計思路：雙端錨固是指不僅在活動齒板板端設(shè)置錨固結(jié)構(gòu)，還在齒端設(shè)置錨固結(jié)構(gòu)，使之形成雙端錨固結(jié)構(gòu)。理論計算大致簡化為，相同材質(zhì)、工況下，荷載P、跨徑L、材料彈性模量E為不變量；變量為截面慣性矩，其中h為齒板厚度，b為梳齒寬度。雙端錨固時，即活動齒板最大撓度減小2/3。為確保雙錨固結(jié)構(gòu)不影響活動齒板沿縱向自由伸縮，使其既具備錨固作用，又可沿橋梁縱向自由伸縮。借鑒模數(shù)式伸縮縫位移箱工作原理，在齒端下部設(shè)計位移箱結(jié)構(gòu)，位移箱、錨固螺栓及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)共同組成齒端錨固滑移裝置。

確定好整體思路后，對活動齒板齒端錨固滑移裝置進行細(xì)部設(shè)計，以使其各項性能滿足目標(biāo)要求。

2.1.1 位移箱設(shè)計

位移箱底板及側(cè)板采用5 mm厚鋼板，頂板采用1 cm厚鋼板，在頂板上根據(jù)縫體設(shè)計伸縮量設(shè)置縱向滑道，用作錨固螺栓滑移的通道，如圖5所示。

圖5 縱向位移箱俯視圖

2.1.2 錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計

錨固結(jié)構(gòu)由錨固螺栓結(jié)構(gòu)及橡膠支座組成。錨固螺栓采用六角高強螺栓，其螺母結(jié)構(gòu)為防松脫結(jié)構(gòu)，相較于主流螺栓結(jié)構(gòu)其錨固力可增強30%.橡膠支座結(jié)構(gòu)型式與目前公路橋梁上常用的四氟板滑動支座類似，橡膠支座內(nèi)設(shè)置有多層加勁鋼板。橡膠支座上根據(jù)螺桿尺寸鉆孔，螺桿穿過支座孔及位移箱滑道，通過螺母將支座及位移箱頂板緊固在一起。其結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。

圖6 活動齒板齒端錨固結(jié)構(gòu)剖面圖

2.1.3 滑移接觸面設(shè)計

為確保縫體縱向可自由滑動，在支座和位移箱頂板底面的接觸面上進行了特殊設(shè)計。除支座頂面設(shè)置四氟板外，在位移箱頂板底面與支座接觸的位置也設(shè)計了不銹鋼板。當(dāng)橋梁產(chǎn)生縱向位移時，齒板帶動錨固裝置在位移箱內(nèi)滑移，四氟板和不銹鋼板的接觸面為滑移面。較小的摩阻力，保障了縫體可在滑道內(nèi)自由滑移。

2.2 橫向變位結(jié)構(gòu)設(shè)計

橫向變位結(jié)構(gòu)總體設(shè)計思路：區(qū)別于傳統(tǒng)的梳齒板橫向變位依靠梳齒間隙實現(xiàn)，通過在活動齒板尾端設(shè)置橫向位移箱的手段來實現(xiàn)縫體的橫向位移。其工作原理是當(dāng)橋梁產(chǎn)生橫向位移時，活動齒板靜止，位移箱和橋梁相對于活動齒板做橫向運動。

2.2.1 位移箱設(shè)計

位移箱底板及側(cè)板采用5 mm厚鋼板，頂板采用1 cm厚鋼板，在頂板上根據(jù)縫體設(shè)計伸縮量設(shè)置橫向滑道，用作錨固螺栓滑移的通道，如圖7所示。

圖7 橫向位移箱俯視圖

2.2.2 錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計和滑移接觸面設(shè)計

橫向變位結(jié)構(gòu)的錨固結(jié)構(gòu)和滑移接觸面設(shè)計與雙端錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計一致，此處不再贅述。

按照上述設(shè)計方案，研發(fā)出了降噪抗震多向變位梳齒板伸縮縫，其整體結(jié)構(gòu)如前圖4所示。

橋梁結(jié)構(gòu)受到外荷載及溫度影響，發(fā)生縱向位移時，該伸縮裝置通過在活動齒板（大齒板）前部設(shè)置壓緊連接機構(gòu)及滑移箱，活動板可以實現(xiàn)伸縮裝置縱向位移的要求，又可以改善活動板齒端受力狀態(tài)，避免形成杠桿結(jié)構(gòu)，減輕固定端螺栓的受力，大大提高了梳型板伸縮縫使用壽命。

當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)受到外力或不可控因素影響發(fā)生橫向位移或轉(zhuǎn)動時，該伸縮裝置通過在活動齒板（大齒板）后部設(shè)置專用錨固裝置與橫向位移組件，利用壓緊塊的彈性和橫向間隙，可以實現(xiàn)伸縮裝置的橫向位移和轉(zhuǎn)動要求，真正滿足了橋梁的多向變位要求。

在上述結(jié)構(gòu)設(shè)計思路的基礎(chǔ)上，對梳齒板厚度和梁端間距的關(guān)系、螺栓個數(shù)和規(guī)格尺寸、橡膠墊的豎向和轉(zhuǎn)動剛度、螺栓預(yù)緊力的大小進行了參數(shù)優(yōu)化分析，形成了不同規(guī)格下的定型產(chǎn)品設(shè)計。

3 試驗研究

通過對該伸縮裝置進行動態(tài)模擬、拉伸試驗和防松脫性能檢驗，檢測結(jié)果顯示，伸縮裝置性能指標(biāo)符合要求。

3.1 動態(tài)模擬

對降噪抗震多向變位梳齒板伸縮縫進行動態(tài)模擬試驗，圖8、圖9分別為縫體橫向變位和縱向伸縮過程模擬動畫截圖。通過動態(tài)模擬可以看出，該伸縮裝置的橫向位移可以達到位移箱設(shè)計滑道長度（大于5 cm），而在縫體伸縮變化過程中，彈性承壓支座的設(shè)計可滿足豎向變形需求，達到了多向變位的效果。同時由于承壓支座僅僅貼合在活動板體上，而位移箱埋設(shè)在混凝土中，當(dāng)車輛通過時可防止板體跳起，從而避免了螺栓受剪，可達到防脫的效果。

圖8 橫向變位模擬截圖

圖9 縱向伸縮模擬截圖

3.2 拉伸試驗

通過現(xiàn)場試驗，伸縮裝置拉伸、壓縮最大水平摩阻力分別是2.1 kN/m、2.5 kN/m、2.6 kN/m，拉伸壓縮時最大豎向偏差0.6 mm。試驗結(jié)果表明：降噪抗震多向變位梳齒板伸縮縫在橋梁正常運營狀態(tài)下可以自由伸縮，達到預(yù)期效果。

3.3 防松脫性能檢驗

為驗證伸縮裝置結(jié)構(gòu)防松脫效果，根據(jù)《公路橋梁伸縮裝置通用技術(shù)條件》（JT/T 327—2016）中附錄D承載性能試驗方法的規(guī)定，對縫體錨固結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能進行檢測，活動齒板振動幅度大幅減少，螺栓緊固性能良好，檢測結(jié)果符合要求。

4 工程實踐及實施效果分析

2020年12月至2021年2月，降噪抗震多向變位梳齒板伸縮縫在工廠首次生產(chǎn)，并成功應(yīng)用于宜昭高速伸縮縫項目中。圖10為施工現(xiàn)場，圖11為產(chǎn)品安裝后的效果圖，圖12為后期運營情況。

圖10 產(chǎn)品安裝現(xiàn)場

圖11 安裝效果

圖12 后期運營情況

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況來看，縫體安裝效果較好，伸縮均勻，縫體與路面的銜接也較好。螺栓、板體等都完好無損。為驗證螺栓防松脫效果，在大型卡車通過時驗證了板體的振動強度，并與該橋其他型號的梳齒板伸縮縫進行了對比。實踐效果表明：降噪抗震多向變位梳齒板伸縮縫在車輛通過時，其振動強度相比其他型號的梳齒板伸縮縫的振動大幅降低。從螺栓松動機理出發(fā)進行分析，螺栓之所以松動是因為板體頻繁的振動導(dǎo)致螺栓疲勞破壞。所以，車輛通過時振動越小，螺栓的壽命就會越長，防松脫性能也就越好。

5 結(jié)語

綜上，本文所提出的降噪抗震多向變位梳齒板式伸縮裝置，不僅可以實現(xiàn)多向變位的要求，還可以起到降噪抗震的作用。從工程應(yīng)用調(diào)查情況來看，降噪抗震多向變位梳齒板伸縮縫符合行業(yè)規(guī)定，同時有效解決了傳統(tǒng)梳齒板伸縮縫易出現(xiàn)螺栓脫落、梳齒易卡死等病害問題，具有良好的應(yīng)用前景。