連俊峰， 熊 亮， 周小伍， 謝玉萌， 劉婉玥

(1.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司， 安徽 合肥 230088； 2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司， 安徽 合肥 230088)

0 引言

目前，大量已修建高速公路上的大型橋梁運(yùn)用了模數(shù)式伸縮裝置。需要維護(hù)或維修的模數(shù)式伸縮裝置也越來越多。在養(yǎng)護(hù)過程中，建設(shè)單位發(fā)現(xiàn)了一些模數(shù)式伸縮裝置迫切需要改進(jìn)的問題，如：模數(shù)式伸縮裝置型鋼脫落、變形甚至斷裂等病害；模數(shù)式伸縮裝置施工難度大，更換困難，需要整幅封閉交通，在重載較多的情況下，因剛度大，存在容易損壞等問題[1]，同時(shí)已出現(xiàn)損壞的模數(shù)式伸縮裝置對行車造成了很大的安全隱患。因此針對模數(shù)式伸縮裝置在運(yùn)營和養(yǎng)護(hù)過程中存在病害和威脅行車安全等問題，有必要開發(fā)一種新型伸縮裝置。

張濤[2]等研究了新型聚氨酯彈性混凝土無縫式伸縮裝置。艾長發(fā)[3]等開展了新型填充式橋梁伸縮裝置改性瀝青混合料路用性能試驗(yàn)工作。何家張[4]開展了新型加勁橡膠條伸縮裝置的應(yīng)用與研究。劉紅玲[5]研究了鋼彈體新型伸縮裝置的構(gòu)造特點(diǎn)及功能優(yōu)勢，并指出了鋼彈體伸縮裝置在施工和應(yīng)用中需注意的問題。石雯[6]為解決大橋伸縮裝置存在的局部應(yīng)力偏大等問題，通過對既有伸縮裝置的傳力機(jī)理研究，提出了改進(jìn)方案，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

針對模數(shù)式伸縮裝置存在的施工難度大等問題，本文開發(fā)了一種新型多向變位橋梁梳齒伸縮裝置，提出了該類伸縮裝置的施工工藝及技術(shù)，并建立了有限無數(shù)值模型。本文的研究結(jié)果能夠有利于掌握新型多向變位梳齒伸縮裝置的結(jié)構(gòu)性能和施工技術(shù)，為今后大規(guī)模推廣該伸縮裝置提供技術(shù)與經(jīng)濟(jì)方面的支撐。

1 新型多向變位梳齒伸縮裝置設(shè)計(jì)

1.1 伸縮裝置材料

本文設(shè)計(jì)了一種新型多向變位橋梁梳齒伸縮裝置。該伸縮裝置主要由高分子聚合物材料、鋼板、錨釘和防水密封件(錨固膠)等部件組成。高分子聚合物材料由環(huán)氧、聚氨酯和聚硫等化合物組成，采用環(huán)氧、聚氨酯和聚硫三元共聚技術(shù)，且在樹脂和固化劑兩個(gè)方面采用雙重增韌、增彈改性合成技術(shù)，獲得了高溫和常溫固化體系下的專用高彈、高韌、高強(qiáng)改性聚合物樹脂合金材料。通過合理選擇原材料種類并采用專有高分子合成技術(shù)，可以大幅度改變材料形態(tài)及其性能，從而得到從柔軟到堅(jiān)硬的最終的高分子聚合物材料。

1.2 伸縮裝置結(jié)構(gòu)

該伸縮裝置為復(fù)合結(jié)構(gòu)。該復(fù)合結(jié)構(gòu)分為兩層，其中：以高分子聚合物材料為表層，以鋼板為墊層，如圖1。高分子聚合物表層厚度為40～60mm，鋼板墊層厚度為10 mm。

1.3 伸縮裝置錨固體系

新型多向變位梳齒板伸縮裝置，包括跨縫梳齒板和固定梳齒板，梳齒為交錯(cuò)嵌插布置。梳齒相鄰的垂直側(cè)面均設(shè)置鑲嵌咬合的榫卯連接結(jié)構(gòu)，以及主導(dǎo)氣槽和輔導(dǎo)氣槽。該榫卯連接結(jié)構(gòu)包括梳齒垂直側(cè)面下端的凹槽，以及梳齒端部垂直側(cè)面的凸塊，凹槽與凸塊相匹配；每個(gè)梳齒的垂直側(cè)面下端的凹槽有一對安裝凹槽，可以將互相對應(yīng)的梳齒的凸塊放入梳齒垂直側(cè)面下端的凹槽中。

錨固原理如圖1所示：先用錨固螺栓固定A板錨固端，A板梳齒一端由B板通過鑲嵌咬合構(gòu)造固定，B板的兩端再由螺栓錨固，從而實(shí)現(xiàn)了伸縮裝置A板和B板同時(shí)錨固。A板能夠沿橋梁縱向上自由伸縮。

圖1 多向變位梳齒伸縮裝置實(shí)景圖和縱、平面圖

2 新型多向變位梳齒伸縮裝置的特點(diǎn)及施工流程

2.1 材料技術(shù)特點(diǎn)

多向變位梳齒伸縮裝置采用了高韌性高分子聚合物材料，形成特有的伸縮結(jié)構(gòu)裝置，并且以柔性連接方式，錨固安裝在橋梁伸縮裝置部位上，可以適應(yīng)橋梁在溫度變化、基礎(chǔ)不均勻沉降及行車制動(dòng)力等因素引起的和梳齒板之間的滑動(dòng)位移，借助柔性錨固連接系統(tǒng)，吸收變形和消除應(yīng)力集中[7]。

2.2 錨固體系特點(diǎn)

多向變位伸縮裝置采用具有抗疲勞性能的彈性聚合物材料以及柔性錨固連接系統(tǒng)。由車輛產(chǎn)生的沖擊力和振動(dòng)力被彈性聚合物材料及柔性錨固連接系統(tǒng)充分吸收后，再傳遞至橋梁或橋臺(tái)，這樣可有效保護(hù)伸縮裝置周圍的結(jié)構(gòu)不被破壞，降低錨固螺栓的疲勞應(yīng)力，故所有部件的壽命將大大延長。

2.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

多向變位伸縮裝置采用了榫卯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以有效解決公路橋梁伸縮裝置的梳齒沒有約束限位問題：即現(xiàn)有技術(shù)裝置中的各個(gè)梳齒均為懸臂梁的自由端狀態(tài)，梳齒獨(dú)立受力變形，互相之間沒有上下垂直方向限位約束支撐，也不能互相傳遞變位荷載力，梳齒很容易形成懸空受力狀態(tài)。長期使用中，容易發(fā)生裝置疲勞斷裂，導(dǎo)致嚴(yán)重行車安全事故。

多向變位梳齒板伸縮裝置的表面，設(shè)計(jì)有斜向花紋溝槽，可快速排水并具有防滑功能。這種排水防滑的表面處理技術(shù)，經(jīng)驗(yàn)證在極端環(huán)境下，仍保持有效的摩擦力并持久耐用，可有效避免車輛經(jīng)過伸縮裝置時(shí)打滑發(fā)生安全事故[8]。

2.4 總體施工流程

伸縮裝置施工流程：施工準(zhǔn)備、封閉部分交通→放樣定位→原伸縮裝置拆除→槽口基底找平→鉆孔、定位→植入錨固螺栓→安裝引水槽板→安裝多向變位伸縮裝置→清理現(xiàn)場、開放交通。

3 新型多向變位伸縮裝置有限元數(shù)值模擬

3.1 有限元模型建立

高分子聚合物材料根據(jù)需要可以調(diào)整材料配方獲得相應(yīng)的性質(zhì)，高分子聚合物彈性模量可調(diào)范圍為700～1 200 MPa，本次有限元計(jì)算中采用1 000 MPa，泊松比取0.3。本文通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)獲得高分子聚合物材料應(yīng)力-位移曲線(見圖2)，由試驗(yàn)可知：伸縮裝置主要材料高分子聚合物的抗拉強(qiáng)度為28.43 MPa，屈服應(yīng)力約為21 MPa，可取彈性極限19 MPa為屈服應(yīng)力控制值。

圖2 高分子聚合物材料應(yīng)力-位移曲線圖Figure 2 Stress-strain curve of high polymer materials

本文采用MIDAS FEA對伸縮裝置建立有限元模型[9]，見圖3。高分子聚合物材料和鋼板均采用實(shí)體單元模擬，伸縮裝置有限元模型長700 mm，寬1 000 mm，網(wǎng)格劃分的最小尺寸為20 mm。在螺栓處采用固定約束，齒板端部采用豎向支撐，與梁體接觸的部分采用曲面彈簧模擬僅受壓彈性連接。

圖3 新型多向變位伸縮裝置有限元模型Figure 3 Finite element model of a new type of multidirectional displacement expansion device

3.2 荷載工況

根據(jù)《公路橋梁伸縮裝置設(shè)計(jì)指南》(JTQX-2011-12-1)和《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)中的規(guī)定，取以下兩種荷載計(jì)算工況：

荷載工況一：汽車輪載作用在跨縫板中間，1.0恒載+1.0豎向汽車荷載(汽車荷載計(jì)入沖擊系數(shù)1.45)。

荷載工況二：汽車輪載作用在跨縫板中間，1.0恒載+1.0豎向和水平向雙向汽車荷載。

3.3 計(jì)算結(jié)果

在荷載工況一作用下，高分子聚合物材料應(yīng)力最大位置與荷載作用位置基本一致。高分子聚合物材料最大應(yīng)力為3.3 MPa，發(fā)生在齒端位置處(見圖4、圖5)，主要由于齒端不均衡受壓產(chǎn)生，導(dǎo)致此處應(yīng)力較大，但仍滿足不大于19 MPa屈服強(qiáng)度的要求。底部鋼板最大應(yīng)力為43.1 MPa，發(fā)生在鋼板跨中，螺栓孔處應(yīng)力在8.8 MPa左右，滿足鋼材的抗拉強(qiáng)度要求(見圖6)。伸縮裝置最大豎向位移為0.12 mm(見圖7)，根據(jù)《公路橋梁伸縮裝置通用技術(shù)條件》(JT/T 327-2016)A.3.3中規(guī)定豎向撓度驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)采用不計(jì)沖擊力的汽車荷載頻遇值，頻遇值系數(shù)取1.0。A.3.4中豎向撓度不應(yīng)大于計(jì)算跨徑的1/600，本次計(jì)算跨徑為240mm，撓度容許值為0.4 mm，滿足規(guī)范要求。

圖4 齒板端部最大應(yīng)力圖Figure 4 Maximum stress at the end of toothed plate

圖5 跨縫板最大應(yīng)力圖Figure 5 Maximum stress of cross seam plate

圖6 鋼板最大應(yīng)力圖Figure 6 Maximum stress of steel plate

圖7 整體最大豎向位移圖Figure7 Overall Maximum vertical displacement

在荷載工況二作用下，高分子聚合物材料最大應(yīng)力為3.1 MPa，同樣發(fā)生在齒端位置處。鋼板的應(yīng)力最大為28.6 MPa，發(fā)生在鋼板跨中，螺栓孔處應(yīng)力在11.6 MPa左右，滿足鋼材的抗拉強(qiáng)度要求。最大豎向位移為0.08 mm，滿足撓度容許值為0.4 mm的規(guī)范要求。

因此在荷載工況一和工況二作用下，伸縮裝置的強(qiáng)度和剛度能夠滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4 多向變位梳齒伸縮裝置與模數(shù)式伸縮裝置技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性對比分析

4.1 技術(shù)對比分析

新型多向變位梳齒型伸縮裝置與模數(shù)式伸縮裝置相比具有較大的優(yōu)勢，其主要體現(xiàn)如下：

① 新型伸縮裝置安裝時(shí)混凝土破除量極小，且結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，便于運(yùn)輸模塊化生產(chǎn)和安裝，能顯著降低施工工期，提高了公路養(yǎng)護(hù)的時(shí)效性。

② 新型伸縮裝置材料采用高韌性聚合物材料，形成特有的伸縮結(jié)構(gòu)裝置，并且以柔性連接方式，錨固安裝在橋梁伸縮裝置部位上[10]。一方面減少了由于車輛瞬時(shí)荷載產(chǎn)生的應(yīng)力集中對于錨固螺栓、橋梁承臺(tái)的結(jié)構(gòu)破壞；另一方面順利實(shí)現(xiàn)減震、減噪。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)測試，汽車通過多向變位梳齒伸縮裝置的噪音平均值比模數(shù)式伸縮裝置低2～3 dB，有效改善了伸縮裝置產(chǎn)生的汽車噪音對公路沿線居民帶來的困擾。

4.2 封閉交通方面的對比分析

模數(shù)式伸縮裝置通常在更換時(shí)，需要整段吊裝，整段焊接，還必須澆筑和養(yǎng)護(hù)混凝土，因此，必須長時(shí)間的封閉高速公路一側(cè)道路的整幅交通。通行車輛只能長時(shí)間的通過交通分流和疏導(dǎo)方式，行駛至對向車道，給交通安全帶來了很大的隱患。

新型多向變位梳齒型伸縮裝置1～8 m為一段，也可在工廠中切割成任意長度。在更換時(shí)，只需封閉高速公路一側(cè)道路的一個(gè)車道即可完成整個(gè)施工過程，待此車道快速完工后，可交替完成另一個(gè)車道，無需封閉整幅封閉交通，可在不中斷交通和無需分流車輛的情況下實(shí)現(xiàn)快速安裝及更換，施工工期短，可保證車輛正常運(yùn)行，具有顯著的社會(huì)效益。

4.3 材料性能對比分析

與模數(shù)式伸縮裝置完全不同，新型多向變位梳齒伸縮裝置為彈性高分子聚合物材料，可承擔(dān)梳齒板的自身扭轉(zhuǎn)及彎曲變形，而其彈性聚合物材料可在-60 ℃～70 ℃仍然保持彈性變形，即借助材料本身的特性而能自行有效地調(diào)節(jié)，以適應(yīng)多維方向的位移和轉(zhuǎn)角要求[11]，大大減少瞬時(shí)沖擊荷載造成橋梁支撐面結(jié)構(gòu)的破壞。高韌性聚合物材料，具有很好的耐老化性能，可以解決全鋼模數(shù)式伸縮裝置由于板塊或錨固螺栓應(yīng)力集中產(chǎn)生破壞的問題，并可抵抗車輛排放尾氣或廢液所造成的腐蝕。

4.4 經(jīng)濟(jì)性對比分析

為反映多向變位梳齒伸縮裝置工程造價(jià)，本文統(tǒng)計(jì)分析了多向變位梳齒伸縮裝置工、料、機(jī)消耗量，并調(diào)研了同等型號(hào)的模數(shù)式伸縮裝置更換情況，同時(shí)調(diào)查了某省省會(huì)城市涉及多向變位梳齒伸縮裝置和模數(shù)式伸縮裝置的主要材料價(jià)格，并利用同望專業(yè)造價(jià)軟件，并考慮了營改增的影響[12]，計(jì)算了多向變位梳齒伸縮裝置與模數(shù)式伸縮裝置各自每米包含工、料、機(jī)、企業(yè)管理費(fèi)、利潤在內(nèi)的綜合單價(jià)，并對兩者的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對比分析。

a.多向變位梳齒伸縮裝置更換工期需9 d，而模數(shù)式伸縮裝置更換工期需要20 d。原因在于：①模數(shù)式伸縮裝置由鋼板制造而成，重量大，現(xiàn)場工人無法直接搬運(yùn)，需要叉車等機(jī)械配合施工，施工難度大。而多向變位梳齒伸縮裝置主要為高分子聚合物材料，質(zhì)量輕，現(xiàn)場工人可直接搬運(yùn)安裝，無需叉車等工程機(jī)械配合施工，施工簡便，施工速度快；②模數(shù)式伸縮裝置需要現(xiàn)場澆筑混凝土，而混凝土又需要花費(fèi)養(yǎng)生等大量時(shí)間。多向變位梳齒伸縮裝置采用錨釘和緊固膠固定，無需現(xiàn)場澆筑混凝土，施工工期短。

b.多向變位梳齒伸縮裝置材料輕，施工簡便，一座橋梁的伸縮裝置更換工作僅需5人便可完成，比模數(shù)式伸縮裝置更換需要的人數(shù)少近60%左右。

c.模數(shù)式伸縮裝置安裝時(shí)，由于存在自身重量大、材料需要切割和現(xiàn)澆混凝土等情況，需要混凝土攪拌車、液壓叉車、電焊機(jī)、鋼筋彎曲機(jī)等大量工程機(jī)械參與施工，機(jī)械臺(tái)班消耗量大，工程費(fèi)用高。多向變位梳齒伸縮裝置無需上述工程機(jī)械參與施工，工程費(fèi)用低。

d.更換多向變位梳齒伸縮裝置每1 m綜合單位為9 000元，更換模數(shù)式240伸縮裝置每1 m綜合單位為16 000元，兩者差率為78%。

5 結(jié)論

a.本文開發(fā)了一種新型多向變位梳齒伸縮裝置，并分析了該伸縮裝置的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)，提出了新型多向變位梳齒伸縮裝置施工工藝流程，并首次在國內(nèi)外就技術(shù)、材料性能特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)性等方面對此伸縮裝置與傳統(tǒng)的模數(shù)式伸縮裝置進(jìn)行了對比分析。

b.多向變位梳齒伸縮裝置因自身材料和特有的伸縮結(jié)構(gòu)，可以適應(yīng)橋梁在溫度變化及行車制動(dòng)力等因素引起的與梳齒板之間的滑動(dòng)位移。

c.根據(jù)有限元模型計(jì)算可知，多向變位梳齒伸縮裝置的強(qiáng)度和剛度能夠滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

d.多向變位梳齒伸縮裝置具有較好的減震、減噪效果，汽車通過時(shí)的噪音較小，結(jié)構(gòu)輕便和施工難度小，同時(shí)工程造價(jià)較低，避免了較大封閉交通的問題，應(yīng)用前景廣闊。