陳惠軍

(湖南省建筑設(shè)計(jì)院,湖南長(zhǎng)沙 410007)

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)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(duì)橋梁伸縮縫提出了更高的要求。橋梁的伸縮縫是為適應(yīng)溫度、荷載及混凝土徐變作用下有機(jī)變形的重要附屬設(shè)施,伸縮縫的設(shè)計(jì)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(zhǎng)期暴露于大氣中,直接承受車輪荷載的反復(fù)作用,很小的不平整就會(huì)使其承受很大的沖擊,通常是橋梁結(jié)構(gòu)中最容易損壞的部位;另外因設(shè)計(jì)與施工脫節(jié)的影響,難以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。由于伸縮縫的破壞,不僅會(huì)使通行者感到危險(xiǎn)和不舒適,也將影響橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命。為此,怎樣選用合適的伸縮縫,科學(xué)的設(shè)計(jì)與施工,使其能適應(yīng)橋梁的各種變形所引起的伸縮,是路橋建設(shè)者,尤其是設(shè)計(jì)者們應(yīng)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(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,為了能使車輛平穩(wěn)通過(guò)橋面,在橋梁伸縮縫處設(shè)置的一種由橡膠和鋼材等構(gòu)件組成的各種裝置。目前我國(guó)常用的伸縮縫有以下幾種:

1)對(duì)接式伸縮縫:根據(jù)其構(gòu)造形式和受力特點(diǎn)的不同,又能分為填塞對(duì)接型和嵌固對(duì)接型兩種。填塞對(duì)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(tài),該類伸縮縫一般用于伸縮量為40～50 mm的常規(guī)橋梁上,目前已不多見(jiàn);嵌固式對(duì)接伸縮縫利用不同形態(tài)的鋼構(gòu)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(lái)吸收梁體的變形,其收縮體可處于受壓狀態(tài),也可處于受拉狀態(tài),該伸縮縫廣泛用于伸縮量在80mm以下的橋梁工程上,常見(jiàn)的如:W型橡膠伸縮裝置、SW型、GQF-C型等。

2)鋼質(zhì)支承式伸縮縫,當(dāng)橋梁的伸縮變形量超過(guò)50 mm時(shí),常使用鋼質(zhì)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(jīng)常因梁端轉(zhuǎn)動(dòng)或撓曲變形而產(chǎn)生拍擊作用,噪聲較大,結(jié)構(gòu)件亦較易損壞。以前多用于鋼橋,現(xiàn)在也用在鋼筋混凝土橋,適用于中小型橋。常見(jiàn)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(shè)計(jì)制造而成,即剪切型橡膠伸縮縫設(shè)有上下凹槽,橡膠體內(nèi)埋設(shè)承重鋼板和錨固鋼板,并設(shè)有預(yù)留螺栓孔,通過(guò)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(lái)滿足梁體結(jié)構(gòu)的相對(duì)位移;橡膠體內(nèi)預(yù)埋鋼板,跨越梁端間隙,承受車輪荷載,另外在橡膠體內(nèi)兩側(cè)預(yù)埋兩塊錨固鋼板,通過(guò)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(guó)內(nèi)外橋梁工程中廣泛使用,其性價(jià)比較高,深受用戶青睞。國(guó)內(nèi)具有代表性的產(chǎn)品如:BF型、SES型、BSL型和CD型。

4)模數(shù)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(duì)車輛的沖擊,影響車輛的行駛。在不斷探索與研發(fā)中,科技含量和技術(shù)水平得到不斷提升,從而出現(xiàn)了利用吸震緩沖性好又能容易做到密封的橡膠材料,與強(qiáng)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(shù)支承式(模數(shù)式)橋梁伸縮裝置,由于適用位移量大,使用壽命較長(zhǎng),應(yīng)用較廣泛。這類型的伸縮縫有TS型、SG型等。

5)無(wú)縫式(暗縫式)伸縮縫:無(wú)縫式伸縮縫是按縫構(gòu)造不伸出橋面時(shí),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(fù)合材料,使伸縮縫處的橋面鋪裝與其它鋪裝部分形成連續(xù)一體,以連續(xù)瀝青混凝土等材料的變形承受伸縮的一種構(gòu)造,適用于20～40 mm以內(nèi)小位移變形且使用壽命較短,適宜在-25℃～60℃的溫度條件與環(huán)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(tǒng)伸縮縫以外,推出的一種新型伸縮縫,主要是針對(duì)傳統(tǒng)模數(shù)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(zhuǎn)等多向變位功能進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。RBDX模塊式多向變位橋梁伸縮縫也屬模塊式結(jié)構(gòu)形式,每一道伸縮由若干組標(biāo)準(zhǔn)模板塊與特殊模塊組成。標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)等。多向變位鉸由豎向轉(zhuǎn)動(dòng)、橫向變位、底盤(pán)等結(jié)構(gòu)組成,是伸縮裝置的核心部件,通過(guò)安裝螺栓及支承托架固定在主梁上,可隨梁體作多向轉(zhuǎn)動(dòng),滿足橋梁的三維變形需要?？缈p板與伸縮梳齒板組成伸縮縫的承載和伸縮結(jié)構(gòu),一般在梳齒板底部鋪設(shè)不銹鋼滑板和減震膠板,減少?zèng)_擊和摩擦阻力。

2 橋梁伸縮裝置的選型

面對(duì)如此繁多的伸縮縫種類,必須根據(jù)橋梁類型、伸縮量為依據(jù),綜合平整性、耐久性、防水性、排水性、經(jīng)濟(jì)性及施工和維修便利等來(lái)決定。合理選擇伸縮縫型式是保證伸縮縫盡可能與橋梁結(jié)構(gòu)具有相近壽命的一個(gè)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(shí),必須根據(jù)公路的性質(zhì)判斷其耐久年限,因?yàn)閷?duì)伸縮縫來(lái)說(shuō)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(guó)家或省級(jí)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(shù)式伸縮裝置。

2)平整性:平整性也可以作為耐久性來(lái)考慮,一般來(lái)說(shuō),在施工時(shí),慎重仔細(xì)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(dá)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(wú)排水裝置的。為保證其防水性,合理的進(jìn)行初始?jí)嚎s和充分的搗實(shí)兩側(cè)混凝土是極為重要的,為使條式橡膠密封帶與鋼材緊密聯(lián)接,可以用粘質(zhì)材料以提高其防水性能。

3 橋梁伸縮縫設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的主要因素

1)橋梁伸縮縫設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先考慮其伸縮量,計(jì)算伸縮縫時(shí)要考慮以下幾點(diǎn):

①溫度變化的范圍,不同地點(diǎn)溫差變化的范圍波動(dòng)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(tài)、動(dòng)態(tài)荷載引起的橋梁結(jié)構(gòu)撓曲;

④因線路縱坡度對(duì)伸縮變化的直接影響;

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

以某預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋?yàn)槔?梁長(zhǎng)40m;溫度變化范圍-4℃～+42℃;線膨脹系數(shù)α=10×10-6;收縮應(yīng)變?chǔ)?20×10-5;徐變系數(shù)φ=2.0;收縮、徐變折減系數(shù)β=0.6;預(yù)應(yīng)力混凝土的平均軸向應(yīng)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(jì)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(shè)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(jié)約了資金,又減少了跳車現(xiàn)象。

2)要注意考慮伸縮裝置的類型和適應(yīng)性。

“把國(guó)防教育滲透到各科教學(xué)之中。根據(jù)不同學(xué)科、不同課文的知識(shí)點(diǎn)，把國(guó)防教育引入課堂教育激發(fā)學(xué)生的興趣。如思品課、語(yǔ)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(guó)防校本課程的開(kāi)發(fā)思路。

現(xiàn)在伸縮縫品種繁多,形式多樣,設(shè)計(jì)時(shí)必須認(rèn)真計(jì)算與驗(yàn)證,既要考慮符合相關(guān)實(shí)際的需要與制約,也要考慮經(jīng)濟(jì)與實(shí)用。

3)必須認(rèn)真把握好初始?jí)嚎s量。

對(duì)于橡膠伸縮縫,在設(shè)置時(shí),必須預(yù)先壓縮其伸長(zhǎng)量,以使在最大間隙時(shí),橡膠縮體不出現(xiàn)拉力作用,而在最小間隙時(shí)橡膠伸縮件不致出現(xiàn)擠壓鼓出現(xiàn)象;對(duì)板式橡膠型伸縮縫,當(dāng)在低于設(shè)計(jì)安裝溫度的情況下,安裝時(shí)預(yù)先拉開(kāi)一定的伸縮量,這個(gè)拉開(kāi)量作為設(shè)計(jì)人員一定要找準(zhǔn)、論證。

4)充分理解設(shè)計(jì)富余量,重視富余量的科學(xué)性和必要性。

因?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)的撓度產(chǎn)生的變位,由結(jié)構(gòu)型式應(yīng)考慮的必需余量以及伸縮縫加工和安裝時(shí)的誤差等因素的影響而預(yù)留的余量,都稱為富余量,包括拉開(kāi)與壓縮兩種狀態(tài)下的預(yù)留量值。設(shè)計(jì)富余量是容易被忽視的,往往因設(shè)計(jì)富余量不足導(dǎo)致伸縮位置過(guò)早破壞,影響安全,影響形象,增大維修維護(hù)成本。

5)設(shè)計(jì)的主要考慮參數(shù)——設(shè)計(jì)伸縮間隙。

為適應(yīng)材料脹縮變形對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,而在結(jié)構(gòu)的兩端設(shè)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(jié)構(gòu)、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(gè)方面,其中橋(梁)端間隙是設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮的參數(shù)。

4 橋梁伸縮設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)與要點(diǎn)

1)伸縮縫破壞過(guò)早的原因,因伸縮縫的破壞最先從過(guò)渡段的混凝土開(kāi)始。過(guò)渡段混凝土的主要荷載為車輛輪壓產(chǎn)生的動(dòng)載,當(dāng)輪壓在伸縮縫上時(shí),其荷載通過(guò)錨固系統(tǒng)傳遞到過(guò)渡段混凝土,再傳到梁板上,從而產(chǎn)生一定的壓縮變形。從設(shè)計(jì)角度分析,主要原因不外乎以下幾種:

①伸縮縫在整個(gè)橋梁工程所占的份量不多,容易被人忽視,從而未對(duì)伸縮縫進(jìn)行細(xì)致的考慮與設(shè)計(jì)。

②伸縮縫的受力復(fù)雜,而與之密切相關(guān)起決定作用的錨固系統(tǒng)不合理。

③設(shè)計(jì)方面對(duì)施工的實(shí)際情況考慮不足。

④還有部分設(shè)計(jì)人員在伸縮設(shè)計(jì)過(guò)程中只注意計(jì)算梁的伸縮量,并以此進(jìn)行選型,往往對(duì)伸縮縫性能了解不全,沒(méi)有掌握相應(yīng)技術(shù)。

2)伸縮縫設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

在設(shè)計(jì)中合理選擇恰當(dāng)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(guò)大或過(guò)小,或者沒(méi)有考慮安裝時(shí)的溫度而調(diào)整間隙,均易造成破壞。因此,須采用先切割橋面,再設(shè)置接縫或采用較軟的鋪裝層來(lái)吸收裂紋,或安裝小型的伸縮裝置來(lái)解決。當(dāng)遇到縱坡過(guò)大的情況,須考慮設(shè)置適應(yīng)豎直變位構(gòu)造,否則也會(huì)出現(xiàn)裂紋,甚至導(dǎo)致破壞。因此,在伸縮縫構(gòu)造上要引起足夠重視。安裝伸縮縫應(yīng)注意伸縮量的選取,必須通過(guò)精確計(jì)算伸縮寬度來(lái)進(jìn)行正確的安裝。

嚴(yán)格把握好伸縮縫安裝時(shí)的溫度,對(duì)壓縮體進(jìn)行必要的預(yù)壓縮,安裝時(shí)保證預(yù)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(kāi)焊、脫漏,能提高與橋面的順適度。

當(dāng)橋面板剛度不足,尤其是T梁翼板較薄,橫向聯(lián)系較弱,當(dāng)汽車荷載作用時(shí),橋面板變形過(guò)大,造成伸縮縫的損壞,梁端部應(yīng)具有足夠的剛度,以滿足運(yùn)營(yíng)中反復(fù)荷載的作用,設(shè)計(jì)時(shí)要考慮適當(dāng)增加錨固螺栓數(shù)量,合理設(shè)置位置,加長(zhǎng)錨固長(zhǎng)度,提高錨固區(qū)的剛度等。

伸縮縫長(zhǎng)期處在彎道、扭耦合作用下經(jīng)常在根部逐步開(kāi)裂并擴(kuò)大,使混凝土路面形成凹槽。因此設(shè)計(jì)時(shí)要考慮所使用的連接構(gòu)件受力明確,在橋面板端部一定范圍內(nèi),鋼筋進(jìn)行加密(提高50%～100%):提高連接處混凝土等級(jí),伸縮縫兩側(cè)回填部分建議改為環(huán)氧樹(shù)脂混凝土或鋼纖維混凝土,并保證回填質(zhì)量。

做好伸縮縫的防水處理,伸縮縫大部分沒(méi)有很好的防水性能及很完善的防水措施,水由此進(jìn)入上部結(jié)構(gòu),造成對(duì)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(zhǎng)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(fā)生,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意防水問(wèn)題。在伸縮縫設(shè)計(jì)中經(jīng)常忽略了伸縮縫與防撞欄之間的銜接部分,對(duì)此很少有詳細(xì)的設(shè)計(jì)指導(dǎo),筆者查閱參考資料,總結(jié)了一點(diǎn)解決伸縮縫與防撞欄銜接處防水的方法,如圖1所示。

通過(guò)鋼板1、鋼板2、鋼板3三塊鋼板的相對(duì)滑動(dòng),保證密封不漏水,并使預(yù)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(gòu)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(gòu)造圖

在防撞欄上預(yù)埋Φ20錨筋,鋼板1和鋼板2都用點(diǎn)焊與事先預(yù)埋在防撞欄中的預(yù)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(yù)留縫處,保持鋼板3與鋼板1、2相對(duì)滑動(dòng),鋼板3始終遮擋住預(yù)留縫位置。

為防止雨水漫流過(guò)程中通過(guò)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(duì)滑動(dòng)的兩邊,粘貼上薄橡膠皮來(lái)保持鋼板間結(jié)合緊密。所有的鋼板都要進(jìn)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(xié)調(diào)一致。具體尺寸由防撞欄尺寸決定。

5 結(jié)束語(yǔ)

伸縮縫雖在橋梁結(jié)構(gòu)中屬附屬設(shè)施,但是一旦損壞,對(duì)橋梁的使用性能及通車能力都會(huì)帶來(lái)較大影響,營(yíng)運(yùn)和維護(hù)成本均會(huì)增高。因此伸縮縫在設(shè)計(jì)上首先要強(qiáng)調(diào)選型及實(shí)際伸縮量的計(jì)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(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行嚴(yán)格的施工和有地的養(yǎng)護(hù),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(xiàn)象。

[1]JTG 60-2004,公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[2]JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].