桥梁伸缩缝设计与选型浅析

陈惠军

(湖南省建筑设计院,湖南长沙 410007)

随着交通运输业的发展,高速公路、高架道路、立交桥的大量修建,道路、桥梁的车辆通行量不断增加、车速不断提高,对桥梁伸缩缝提出了更高的要求。桥梁的伸缩缝是为适应温度、荷载及混凝土徐变作用下有机变形的重要附属设施,伸缩缝的设计与选型是否合理直接影响到行车的舒适性和安全性。桥梁伸缩缝因长期暴露于大气中,直接承受车轮荷载的反复作用,很小的不平整就会使其承受很大的冲击,通常是桥梁结构中最容易损坏的部位;另外因设计与施工脱节的影响,难以达到设计的要求。由于伸缩缝的破坏,不仅会使通行者感到危险和不舒适,也将影响桥梁结构的使用寿命。为此,怎样选用合适的伸缩缝,科学的设计与施工,使其能适应桥梁的各种变形所引起的伸缩,是路桥建设者,尤其是设计者们应该引起重视的课题。

1 桥梁伸缩缝的种类

桥梁伸缩缝是指为适应材料胀缩变形需要而在桥梁上部结构中设置的间隙,为了能使车辆平稳通过桥面,在桥梁伸缩缝处设置的一种由橡胶和钢材等构件组成的各种装置。目前我国常用的伸缩缝有以下几种:

1)对接式伸缩缝:根据其构造形式和受力特点的不同,又能分为填塞对接型和嵌固对接型两种。填塞对接型伸缩缝是以沥青、木板、麻絮、橡胶等材料填塞缝隙,但伸缩体始终处于受压状态,该类伸缩缝一般用于伸缩量为40～50 mm的常规桥梁上,目前已不多见;嵌固式对接伸缩缝利用不同形态的钢构件将不同形状的橡胶带(条)嵌牢固定,以橡胶带(条)的拉压变形来吸收梁体的变形,其收缩体可处于受压状态,也可处于受拉状态,该伸缩缝广泛用于伸缩量在80mm以下的桥梁工程上,常见的如:W型橡胶伸缩装置、SW型、GQF-C型等。

2)钢质支承式伸缩缝,当桥梁的伸缩变形量超过50 mm时,常使用钢质伸缩缝,该类伸缩缝是用钢材装配制成的,能直接承受车轮荷载。但该类伸缩缝经常因梁端转动或挠曲变形而产生拍击作用,噪声较大,结构件亦较易损坏。以前多用于钢桥,现在也用在钢筋混凝土桥,适用于中小型桥。常见的如:钢梳形板伸缩缝、钢板叠合式伸缩缝。

3)组合剪切式(板式)橡胶伸缩缝,该类伸缩缝是利用橡胶材料剪切模量低的原理设计制造而成,即剪切型橡胶伸缩缝设有上下凹槽,橡胶体内埋设承重钢板和锚固钢板,并设有预留螺栓孔,通过螺栓与梁端连成整体,它是依靠上下凹槽间的橡胶体剪切变形来满足梁体结构的相对位移;橡胶体内预埋钢板,跨越梁端间隙,承受车轮荷载,另外在橡胶体内两侧预埋两块锚固钢板,通过螺栓与梁端连接。由于橡胶富有弹性,易粘贴,又能满足变形要求且具备防水功能,故国内外桥梁工程中广泛使用,其性价比较高,深受用户青睐。国内具有代表性的产品如:BF型、SES型、BSL型和CD型。

4)模数支承式伸缩缝:板式橡胶制品的伸缩缝,很难满足大位移量的要求;钢制型伸缩缝,很难做到密封不透水,而且容易造成对车辆的冲击,影响车辆的行驶。在不断探索与研发中,科技含量和技术水平得到不断提升,从而出现了利用吸震缓冲性好又能容易做到密封的橡胶材料,与强度高性能好的异型钢材组合,在大位移等情况下,能承受车辆荷载的各类型模数支承式(模数式)桥梁伸缩装置,由于适用位移量大,使用寿命较长,应用较广泛。这类型的伸缩缝有TS型、SG型等。

5)无缝式(暗缝式)伸缩缝:无缝式伸缩缝是按缝构造不伸出桥面时,在桥端部的伸缩间隙中填入弹性材料,并铺上防水材料,然后在桥面铺装层铺筑弹性复合材料,使伸缩缝处的桥面铺装与其它铺装部分形成连续一体,以连续沥青混凝土等材料的变形承受伸缩的一种构造,适用于20～40 mm以内小位移变形且使用寿命较短,适宜在-25℃～60℃的温度条件与环境下使用。

6)新型RBDX模块式多向变位桥梁伸缩缝,这是一种在传统伸缩缝以外,推出的一种新型伸缩缝,主要是针对传统模数式及梳形伸缩装置不足,特别是在斜拉桥、悬索桥等的横、纵扭转等多向变位功能进行改进设计。RBDX模块式多向变位桥梁伸缩缝也属模块式结构形式,每一道伸缩由若干组标准模板块与特殊模块组成。标准模块主要由多向变位铰、跨缝板和伸缩梳齿板组成,其它附件包括支承托架、锚固、防水防滑结构等。多向变位铰由竖向转动、横向变位、底盘等结构组成,是伸缩装置的核心部件,通过安装螺栓及支承托架固定在主梁上,可随梁体作多向转动,满足桥梁的三维变形需要。跨缝板与伸缩梳齿板组成伸缩缝的承载和伸缩结构,一般在梳齿板底部铺设不锈钢滑板和减震胶板,减少冲击和摩擦阻力。

2 桥梁伸缩装置的选型

面对如此繁多的伸缩缝种类,必须根据桥梁类型、伸缩量为依据,综合平整性、耐久性、防水性、排水性、经济性及施工和维修便利等来决定。合理选择伸缩缝型式是保证伸缩缝尽可能与桥梁结构具有相近寿命的一个基本条件。选择伸缩缝需考虑的因素主要有:

1)耐久性:伸缩缝考虑耐久性时,必须根据公路的性质判断其耐久年限,因为对伸缩缝来说之所以容易破坏,一般情况并不是大交通量,而是重型车辆,因此重型车辆交通量大的高速公路,国家或省级交通干线等,有必要选择耐久性好的伸缩缝,通常采用钢制型式和采用整体成型异型钢材组合的模数式伸缩装置。

2)平整性:平整性也可以作为耐久性来考虑,一般来说,在施工时,慎重仔细的控制组装的精度,牢固的固定,并采用先整体施工桥面,后切割桥面体,再安装伸缩装置的后嵌作法,就可以达到平整性良好的目的。

3)排水性和防水性:目前我省所用的伸缩装置大多是无排水装置的。为保证其防水性,合理的进行初始压缩和充分的捣实两侧混凝土是极为重要的,为使条式橡胶密封带与钢材紧密联接,可以用粘质材料以提高其防水性能。

3 桥梁伸缩缝设计时应考虑的主要因素

1)桥梁伸缩缝设计时应首先考虑其伸缩量,计算伸缩缝时要考虑以下几点:

①温度变化的范围,不同地点温差变化的范围波动较大;

②必须考虑因混凝土收缩徐变影响引起的收缩量;

③必须综合考虑因各种静态、动态荷载引起的桥梁结构挠曲;

④因线路纵坡度对伸缩变化的直接影响;

⑤特别注意考虑斜桥和弯桥时伸缩缝的变位。其中温度变化,混凝土收缩徐变对伸缩量的影响比较大,是重点要考虑的因素。

以某预应力混凝土梁桥为例,梁长40m;温度变化范围-4℃～+42℃;线膨胀系数α=10×10-6;收缩应变ε=20×10-5;徐变系数φ=2.0;收缩、徐变折减系数β=0.6;预应力混凝土的平均轴向应力σp=80 kg/cm2;混凝土弹性模量Ec=3.4×105kg/cm2,安装温度20℃。

伸缩量按下式计算:

则:

ΔLt=Δt◦α◦L=18.4mm

ΔLc=(σp/Ec)◦Ф◦β◦L=11.3 mm

ΔLs=20×10-5◦L◦β=4.8 mm

故伸缩量ΔL=18.4mm+11.3mm+4.8mm=34.5 mm

故只需要设置一道4 cm的伸缩缝即可满足要求,而不宜盲目求大,这样既节约了资金,又减少了跳车现象。

2)要注意考虑伸缩装置的类型和适应性。

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现在伸缩缝品种繁多,形式多样,设计时必须认真计算与验证,既要考虑符合相关实际的需要与制约,也要考虑经济与实用。

3)必须认真把握好初始压缩量。

对于橡胶伸缩缝,在设置时,必须预先压缩其伸长量,以使在最大间隙时,橡胶缩体不出现拉力作用,而在最小间隙时橡胶伸缩件不致出现挤压鼓出现象;对板式橡胶型伸缩缝,当在低于设计安装温度的情况下,安装时预先拉开一定的伸缩量,这个拉开量作为设计人员一定要找准、论证。

4)充分理解设计富余量,重视富余量的科学性和必要性。

因为桥梁结构的挠度产生的变位,由结构型式应考虑的必需余量以及伸缩缝加工和安装时的误差等因素的影响而预留的余量,都称为富余量,包括拉开与压缩两种状态下的预留量值。设计富余量是容易被忽视的,往往因设计富余量不足导致伸缩位置过早破坏,影响安全,影响形象,增大维修维护成本。

5)设计的主要考虑参数——设计伸缩间隙。

为适应材料胀缩变形对结构的影响,而在结构的两端设置的间隙。因此,伸缩缝的伸缩量加富余量其形成的距离则叫做伸缩间隙,以钢SGF型桥梁伸缩缝分析间隙,按结构、型式可分为桥(梁)端间隙、桥面板间隙、接缝间隙、钢齿间隙等几个方面,其中桥(梁)端间隙是设计应重点考虑的参数。

4 桥梁伸缩设计细节与要点

1)伸缩缝破坏过早的原因,因伸缩缝的破坏最先从过渡段的混凝土开始。过渡段混凝土的主要荷载为车辆轮压产生的动载,当轮压在伸缩缝上时,其荷载通过锚固系统传递到过渡段混凝土,再传到梁板上,从而产生一定的压缩变形。从设计角度分析,主要原因不外乎以下几种:

①伸缩缝在整个桥梁工程所占的份量不多,容易被人忽视,从而未对伸缩缝进行细致的考虑与设计。

②伸缩缝的受力复杂,而与之密切相关起决定作用的锚固系统不合理。

③设计方面对施工的实际情况考虑不足。

④还有部分设计人员在伸缩设计过程中只注意计算梁的伸缩量,并以此进行选型,往往对伸缩缝性能了解不全,没有掌握相应技术。

2)伸缩缝设计要点。

在设计中合理选择恰当伸缩量的缝隙极为重要:缝隙越大,伸缩装置容易破坏;采用的缝过大或过小,或者没有考虑安装时的温度而调整间隙,均易造成破坏。因此,须采用先切割桥面,再设置接缝或采用较软的铺装层来吸收裂纹,或安装小型的伸缩装置来解决。当遇到纵坡过大的情况,须考虑设置适应竖直变位构造,否则也会出现裂纹,甚至导致破坏。因此,在伸缩缝构造上要引起足够重视。安装伸缩缝应注意伸缩量的选取,必须通过精确计算伸缩宽度来进行正确的安装。

严格把握好伸缩缝安装时的温度,对压缩体进行必要的预压缩,安装时保证预留槽口和锚固钢筋完整不受损且放置正确,锚固件不置于桥面铺装层中,这样更有利受力的传递,不易造成伸缩缝开焊、脱漏,能提高与桥面的顺适度。

当桥面板刚度不足,尤其是T梁翼板较薄,横向联系较弱,当汽车荷载作用时,桥面板变形过大,造成伸缩缝的损坏,梁端部应具有足够的刚度,以满足运营中反复荷载的作用,设计时要考虑适当增加锚固螺栓数量,合理设置位置,加长锚固长度,提高锚固区的刚度等。

伸缩缝长期处在弯道、扭耦合作用下经常在根部逐步开裂并扩大,使混凝土路面形成凹槽。因此设计时要考虑所使用的连接构件受力明确,在桥面板端部一定范围内,钢筋进行加密(提高50%～100%):提高连接处混凝土等级,伸缩缝两侧回填部分建议改为环氧树脂混凝土或钢纤维混凝土,并保证回填质量。

做好伸缩缝的防水处理,伸缩缝大部分没有很好的防水性能及很完善的防水措施,水由此进入上部结构,造成对桥梁端部混凝土的侵蚀,使桥下支座受腐蚀,水随带着沙子流入伸缩缝,在长期堆积下沙子阻塞伸缩缝使其失去伸缩能力。为了避免上述情况的发生,设计时应注意防水问题。在伸缩缝设计中经常忽略了伸缩缝与防撞栏之间的衔接部分,对此很少有详细的设计指导,笔者查阅参考资料,总结了一点解决伸缩缝与防撞栏衔接处防水的方法,如图1所示。

通过钢板1、钢板2、钢板3三块钢板的相对滑动,保证密封不漏水,并使预留缝处防撞栏与伸缩缝的伸缩量保持一致。三块钢板的具体构造如图2。

图1 伸缩缝与防撞栏衔接处防水布置示意图

图2 三块钢板的具体构造图

在防撞栏上预埋Φ20锚筋,钢板1和钢板2都用点焊与事先预埋在防撞栏中的预埋钢筋焊接,再嵌入防撞栏,使其与混凝土防撞栏表面保持光滑平整,然后再将钢板3安装在钢板1和钢板2之间的伸缩缝与防撞栏衔接的预留缝处,保持钢板3与钢板1、2相对滑动,钢板3始终遮挡住预留缝位置。

为防止雨水漫流过程中通过钢板1、钢板2与钢板3之间的缝隙泄漏,使伸缩被腐蚀,在钢板3与钢板1和钢板2相对滑动的两边,粘贴上薄橡胶皮来保持钢板间结合紧密。所有的钢板都要进行防腐防锈处理,并保证与混凝土一致颜色,使钢板与防撞栏颜色协调一致。具体尺寸由防撞栏尺寸决定。

5 结束语

伸缩缝虽在桥梁结构中属附属设施,但是一旦损坏,对桥梁的使用性能及通车能力都会带来较大影响,营运和维护成本均会增高。因此伸缩缝在设计上首先要强调选型及实际伸缩量的计算,其次要完善排水和防水措施,尽可能的提高伸缩缝的寿命。伸缩缝在合理选型及设计的基础上,进行严格的施工和有地的养护,就可以减少桥梁伸缩缝的损坏,有效地提高伸缩缝的使用性能和使用寿命,更好地减少桥头跳车现象。

[1]JTG 60-2004,公路桥梁设计通用规范[S].

[2]JTG D62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].