李旭華

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

大跨徑橋梁梁端伸縮縫在運(yùn)營階段各種荷載（溫度、風(fēng)及車流等）作用下時(shí)時(shí)刻刻發(fā)生著拉壓、錯(cuò)位及扭轉(zhuǎn)等變形，造成起支承及控制作用的滑動(dòng)支承橡膠或鋼板因橫梁反復(fù)摩擦作用而不間斷磨損，致使大位移模數(shù)式伸縮縫更易發(fā)生破損現(xiàn)象，實(shí)際使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)壽命[1-5]，導(dǎo)致后期運(yùn)營階段相當(dāng)大的維護(hù)和替換成本。主跨為1 490 m的潤揚(yáng)長江大橋[2]，在2005年通車后不久，伸縮縫的頻繁且快速伸縮變形導(dǎo)致伸縮縫彈簧支撐元件的過度磨損，2007年更換滑動(dòng)支承及耐磨材料并添加了位移控制措施。主跨1 385 m的江陰長江大橋[1-4]在1999年通車4年后，伸縮縫中的滑動(dòng)支承出現(xiàn)了過度磨損及剪切破壞的現(xiàn)象，在多次的維護(hù)和更換措施后，該伸縮縫在2007年被整體更換且增加了位移控制措施。大跨徑橋梁伸縮縫的早期破壞現(xiàn)象表明對(duì)大位移模數(shù)式伸縮縫的設(shè)計(jì)及運(yùn)營階段性能評(píng)估進(jìn)行深入研究是十分必要的。

首先詳細(xì)地介紹了大位移模數(shù)式伸縮縫的應(yīng)用現(xiàn)狀及構(gòu)造特點(diǎn)，并系統(tǒng)地分析了在車輪力作用下伸縮縫構(gòu)件力的傳遞路徑、支撐梁及彈簧支撐元件的受力模式，為正常運(yùn)營階段的伸縮縫變形及受力分析提供理論基礎(chǔ)。其次，以國內(nèi)典型的大跨懸索橋及斜拉橋的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從伸縮縫的縱向變形成因及累計(jì)伸縮行程角度對(duì)伸縮縫的整體性能進(jìn)行分析評(píng)估，從伸縮縫組成元件滑動(dòng)支承磨損及中梁在局部車載應(yīng)力集中等現(xiàn)象角度對(duì)局部性能進(jìn)行分析評(píng)估。最后，針對(duì)伸縮縫在運(yùn)營階段中出現(xiàn)的病害成因如材料質(zhì)量不過關(guān)、制造及安裝質(zhì)量存在偏差、結(jié)構(gòu)體系等進(jìn)行歸納性分析。

1 大位移模數(shù)式伸縮縫

隨著國內(nèi)跨江跨海大橋的建設(shè)，大跨橋梁需匹配結(jié)構(gòu)合理且伸縮量較大的伸縮縫構(gòu)造，而傳統(tǒng)的板式橡膠伸縮縫較難滿足大伸縮量的需求，鋼制式伸縮縫因密封性較差且沖擊力較大影響車輛的行駛舒適性。大位移模數(shù)式伸縮縫以伸縮量大、緩沖性能好、密封性較強(qiáng)及耐久性較好等優(yōu)勢脫穎而出，逐步被廣泛應(yīng)用在大跨橋梁的建設(shè)中。20世紀(jì)80年代起，德國毛勒制造的大位移模數(shù)式伸縮縫開始進(jìn)駐中國橋梁市場，隨后瑞士瑪格巴及美國WBA型號(hào)的伸縮縫的應(yīng)用也逐漸廣泛。目前國內(nèi)大位移模數(shù)式伸縮縫的主要型號(hào)如下：德國毛勒的轉(zhuǎn)軸式模數(shù)式伸縮裝置、瑞士瑪格巴的剪力彈簧模數(shù)式伸縮裝置、山西交科自主研發(fā)的GQF系列等距變位式橋梁伸縮裝置、成都新筑路橋機(jī)械股份有限公司仿馬格巴公司的ZL系列直梁式伸縮裝置，大位移模數(shù)式伸縮裝置在國內(nèi)大跨橋梁中的應(yīng)用現(xiàn)狀如表1所示。

大位移模數(shù)式伸縮縫裝置主要由型鋼組件、支撐體系、彈性支撐元件、位移控制元件、錨固系統(tǒng)及防水橡膠條這六大部分組成，大位移模數(shù)式伸縮縫構(gòu)造圖如圖1所示。其結(jié)構(gòu)功能主要是適應(yīng)在溫度、車輛及風(fēng)荷載等作用下橋梁發(fā)生的縱橋向、橫橋向、豎向及轉(zhuǎn)動(dòng)變形，保證橋面車輛平穩(wěn)通過橋梁。大位移模數(shù)式伸縮裝置組成元件的主要功能如表2所示。

表1 大位移模數(shù)式伸縮裝置在國內(nèi)大跨橋梁中的應(yīng)用現(xiàn)狀

圖1 大位移模數(shù)式伸縮縫構(gòu)造圖

表2 大位移模數(shù)式伸縮裝置組成元件

2 伸縮縫構(gòu)件設(shè)計(jì)

大位移模數(shù)式伸縮縫結(jié)構(gòu)中的型鋼組件通過彈性支撐元件和焊接在中梁底部的支撐架安裝在支撐梁上，且依據(jù)設(shè)計(jì)縱向伸縮量按一定的間距進(jìn)行正交或斜交布置支撐梁，且通過設(shè)置在支撐架上的壓緊支座和承壓支座與橋面中梁或邊梁連接。伸縮縫端部通過支撐箱固定在兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)上，支撐梁、支撐架及支撐箱形成了大位移模數(shù)式伸縮縫的重要支撐體系。進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮的因素有合理的車輪力傳遞路徑、設(shè)計(jì)荷載、支撐梁設(shè)計(jì)及彈性支撐元件構(gòu)造尺寸。

2.1 車輪力的傳遞路徑

在大位移模數(shù)式伸縮縫中，主要由支撐梁承擔(dān)并傳遞型鋼元件直接承受的車輛荷載。當(dāng)高速行駛的車輛通過伸縮縫時(shí)，型鋼元件頂面將豎向車輪力及水平力通過支撐架、支座傳遞給支撐梁，進(jìn)而分散至兩側(cè)固定的支撐箱。車輪力的傳力路徑如圖2所示。

圖2 車輪力的傳遞路徑

2.2 荷載作用

依《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范的規(guī)定，進(jìn)行伸縮縫設(shè)計(jì)時(shí)采用車輛總重55 t、雙后軸間距1.4 m及雙后輪間距1.8 m作為標(biāo)準(zhǔn)汽車荷載[6]。

2.2.1 靜力荷載

行駛中的車輪力分解為豎向靜荷載和水平荷載作用于伸縮縫構(gòu)件上，豎向靜荷載采用140 kN的標(biāo)準(zhǔn)汽車輪載，當(dāng)不考慮車輛制動(dòng)力時(shí)仍需考慮1.45的車輛沖擊力。水平荷載采用車輛軸重標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的制動(dòng)力，即軸重標(biāo)準(zhǔn)值的30%。

2.2.2 疲勞荷載

因車輛荷載隨機(jī)性、高重復(fù)性等特點(diǎn)，伸縮縫的疲勞性能也是設(shè)計(jì)人員最為關(guān)心的問題之一。豎向疲勞荷載采用車輛軸重的0.45倍，荷載頻率采用f≤10 Hz，荷載循環(huán)次數(shù)一般采用2×105.

2.2.3 輪載

后輪著地寬度及長度為0.6 m×0.2 m，當(dāng)伸縮縫型鋼元件的間距大于60 mm時(shí)，豎向輪載僅作用在一根中梁上，當(dāng)間距小于60 mm時(shí)，豎向輪載分布到3根中梁。

2.3 支撐梁

因彈性支撐元件與支撐梁緊密接觸，車輪力傳遞至支撐梁時(shí)，載荷作用點(diǎn)的橫向截面位置不會(huì)改變，故將支撐梁的受力簡化為集中豎向力荷載下的簡支梁體系，如圖3所示，支撐梁需滿足規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度、剛度條件[6]。

a）強(qiáng)度條件 在彈性受力范圍內(nèi)，支撐梁構(gòu)件應(yīng)力小于規(guī)范規(guī)定的限值[σ]。

b）剛度條件 跨中最大位移小于L/400。

圖3 支撐梁受力分析

2.4 彈性支撐元件

為防止車輛通過伸縮縫時(shí)引起支撐梁的振動(dòng)反跳現(xiàn)象，大位移模數(shù)式伸縮縫設(shè)置了承壓支座和壓緊支座這兩種彈性支撐元件，作用于支撐梁上的預(yù)壓力與預(yù)壓變形量、支座豎向剛度K1、K2相關(guān)[7]，如式（1）所示。

式中：pi為支座預(yù)壓力，N；K1及K2為承壓支座及壓緊支座豎向剛度，N/mm；Xi為支座壓縮量，mm。當(dāng)預(yù)壓力過大時(shí)，支座的摩阻力增大將影響支撐梁的滑動(dòng)位移，而預(yù)壓力過小時(shí)，車輛通過伸縮縫時(shí)將引起較大的振動(dòng)和噪聲，導(dǎo)致較大的沖擊力進(jìn)而影響使用壽命。為達(dá)到降低摩擦系數(shù)的目標(biāo)下保證支撐梁的正?；瑒?dòng)，承壓支座與壓緊支座的表面采用聚四氟乙烯板材料，接觸面摩阻力和摩擦系數(shù)的關(guān)系如式（2）所示。

式中：fi為支座摩阻力，N；μ為摩阻系數(shù)。

圖4 彈簧支撐元件

3 運(yùn)營階段性能評(píng)估

在大跨橋梁的正常運(yùn)營階段，伸縮縫在風(fēng)、車輛及溫度等荷載作用下，時(shí)時(shí)刻刻發(fā)生著拉伸、壓縮及扭轉(zhuǎn)等變形。伸縮縫在運(yùn)營階段的性能評(píng)估主要從整體性能及局部性能進(jìn)行深入研究。

3.1 整體性能

3.1.1 縱向伸縮量

圖5 梁端伸縮縫縱向伸縮量實(shí)測值

依據(jù)文獻(xiàn)[2，5]中橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)得到的江陰長江大橋及蘇通大橋伸縮縫的日伸縮量的實(shí)測值，通過對(duì)江陰長江大橋和蘇通大橋的伸縮縫變形實(shí)測曲線進(jìn)行分析，伸縮縫日位移曲線呈現(xiàn)雙波疊加形式，兩個(gè)波分別為日溫差導(dǎo)致的伸縮循環(huán)和車輛荷載或風(fēng)荷載作用引起的短周期伸縮循環(huán)，如圖5所示。通過對(duì)風(fēng)-車荷載下和溫度荷載下江陰長江大橋和蘇通大橋的梁端伸縮縫縱向伸縮量分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)-車荷載作用下，梁端伸縮縫縱向伸縮量時(shí)程曲線波動(dòng)程度大，二者位移最大分別在0.1 m和0.15 m附近，江陰長江大橋在8時(shí)前和18時(shí)以后的伸縮量波動(dòng)變化較大，而蘇通大橋在全天內(nèi)伸縮量波動(dòng)變化較平穩(wěn)；溫度荷載作用下，曲線波動(dòng)小，較為平滑，二者位移波動(dòng)的最大位移分別在0.1 m和0.003 m附近。由此可知，斜拉橋相對(duì)于懸索橋，因主梁縱向的約束相對(duì)較強(qiáng)，伸縮縫的縱向變形遠(yuǎn)小于懸索橋伸縮縫的縱向變形；風(fēng)及車輛荷載作用對(duì)伸縮縫的縱向累計(jì)變形貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫度荷載作用。

3.1.2 累計(jì)伸縮行程

圖6 伸縮縫累計(jì)位移值

依據(jù)健康監(jiān)測系統(tǒng)[5]得到江陰長江大橋及蘇通長江大橋伸縮縫縱向變形實(shí)測值，進(jìn)一步得到伸縮縫的日累計(jì)位移值及累計(jì)位移值，如圖6所示。蘇通大橋伸縮縫縱向日均累計(jì)位移為7.38 m，江陰長江大橋在安裝阻尼器前伸縮縫縱向日均累計(jì)位移近94 m，月累計(jì)位移近3.2 km。在安裝阻尼器后，日均累計(jì)位移減少近40%，月累計(jì)位移減小至2.0 km左右。由結(jié)果可知，江陰長江大橋伸縮縫縱向日均累計(jì)位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蘇通大橋，且已遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)量；因阻尼器對(duì)橋梁縱向變形的減振作用大大地降低了伸縮縫的縱向累計(jì)行程。

3.2 局部性能

3.2.1 滑動(dòng)支承磨損

對(duì)大位移伸縮縫而言，伸縮縫累計(jì)位移行程是判定其使用壽命的重要依據(jù)之一[3]，以伸縮縫的累計(jì)變形量為基礎(chǔ)，從定量角度對(duì)伸縮縫承壓支座和壓緊支座的磨損狀況進(jìn)行判定評(píng)估。假定伸縮縫彈簧支撐元件的表面均采用3 mm的聚四氟乙烯板，且磨耗率為15μm/km，當(dāng)聚四氟乙烯板磨損至1 mm應(yīng)對(duì)彈簧支撐元件進(jìn)行維修更換，則伸縮縫彈性支撐元件正常工作的伸縮量限值是為133 km[2]。在大跨橋梁的正常運(yùn)營階段下，可從彈簧支撐元件的磨損角度對(duì)伸縮縫的局部工作性能進(jìn)行評(píng)估。

3.2.2 車載下局部應(yīng)力響應(yīng)

圖7 40 t卡車通過伸縮縫時(shí)構(gòu)件應(yīng)力時(shí)程

當(dāng)40 t的三軸卡車通過伸縮縫時(shí)，伸縮縫中的中梁及支撐梁的應(yīng)變時(shí)程如圖7所示[1]，當(dāng)車輪作用于中梁時(shí)，中梁構(gòu)件出現(xiàn)局部應(yīng)力集中顯現(xiàn)，最大拉應(yīng)變達(dá)到300με，支撐梁最大拉應(yīng)變近100με。因車輛荷載的隨機(jī)性及高重復(fù)性，伸縮縫組成元件時(shí)時(shí)刻刻承受著高頻高應(yīng)力幅循環(huán)作用，其組成構(gòu)件的疲勞性能仍需進(jìn)一步地深入研究。

3.3 運(yùn)營階段伸縮縫病害成因及控制措施

不考慮交通量大及車輛超載行駛等因素，大位移模數(shù)式伸縮裝置在實(shí)際工作過程中產(chǎn)生的病害成因主要?dú)w結(jié)為以下幾點(diǎn)：

a）制作過程材料質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。我國采用擠出或軋制成型的工藝制造伸縮裝置中的鋼組件，通過小型煉鋼爐得到的鋼材質(zhì)量不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)型鋼疲勞斷裂問題。因此，伸縮縫制作前應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)檢。

b）安裝時(shí)質(zhì)量不過關(guān)。澆筑混凝土?xí)r，由于模數(shù)式伸縮裝置的預(yù)留槽口尺寸不大，內(nèi)設(shè)支撐箱和錨固鋼筋，澆筑時(shí)混凝土密實(shí)度、強(qiáng)度及質(zhì)量無法滿足要求。特別是位移箱下的混凝土易振搗不充分，實(shí)際運(yùn)營過程中容易壓碎破壞，導(dǎo)致位移箱下移，中梁的鋼支撐跨徑增大，發(fā)生斷裂破壞。錨固區(qū)混凝土在使用過程中必須及時(shí)處理裂紋的發(fā)展，防止進(jìn)一步出現(xiàn)坑槽，導(dǎo)致該部位破壞。因此，伸縮縫安裝時(shí)，應(yīng)保證施工精度及施工質(zhì)量。

c）伸縮縫構(gòu)件材料耐久性較差。如橡膠密封帶通常直接暴露在外，長時(shí)間使用后，垃圾易進(jìn)入伸縮縫并堵塞，造成結(jié)構(gòu)老化，脆性增加并破裂。因此，為保證伸縮縫的工作壽命，應(yīng)選用合理的耐久性較好的材料。

d）結(jié)構(gòu)體系原因。相對(duì)斜拉橋而言，懸索橋縱向約束較弱，風(fēng)及車輛荷載作用下伸縮縫縱向累計(jì)行程較大，如江陰長江大橋的伸縮縫因累計(jì)行程較大而引起支撐系統(tǒng)磨損破壞，進(jìn)而引發(fā)其他元件相繼破壞，于2006年進(jìn)行了整體更換。因此，為避免伸縮縫較大的累計(jì)行程位移，可通過設(shè)置阻尼器等輔助措施進(jìn)行變形控制。

通過分析伸縮縫在運(yùn)營階段的病害成因，制定病害對(duì)應(yīng)處理措施以確保伸縮縫的正常工作狀態(tài)，達(dá)到減少后期維護(hù)管養(yǎng)的耗資。

4 結(jié)語

a）本文詳細(xì)地介紹了大位移模數(shù)式伸縮縫的應(yīng)用現(xiàn)狀及構(gòu)造特點(diǎn)，并系統(tǒng)地分析了在車輪力作用下伸縮縫構(gòu)件力的傳遞路徑、支撐梁及彈簧支撐元件的受力模式，最后從設(shè)計(jì)角度提出了理論計(jì)算公式。

b）在正常運(yùn)營階段中，從整體性能及局部性能兩個(gè)方面對(duì)大位移模數(shù)式伸縮縫進(jìn)行了性能分析及評(píng)估。在整體性能方面，伸縮縫的整體伸縮主要由溫度荷載下的低周大幅值伸縮、風(fēng)及車輛荷載下的高周小幅值伸縮兩大部分組成，且風(fēng)及車輛荷載對(duì)伸縮縫的累計(jì)伸縮量貢獻(xiàn)較大；局部性能方面，較大的累計(jì)伸縮量將造成伸縮縫彈性支撐元件的磨損，同時(shí)，車載下伸縮縫組成元件在力的傳遞過程中出現(xiàn)了局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力極值未超材料強(qiáng)度限值，但結(jié)構(gòu)疲勞性能需進(jìn)一步深入研究。

c）針對(duì)伸縮縫在運(yùn)營階段的病害成因如材料質(zhì)量、制造及安裝質(zhì)量、結(jié)構(gòu)體系等進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并提出相對(duì)應(yīng)的病害控制措施。