浅谈模数式桥梁伸缩装置的选型及改进

李 莘，黄程远

(1.广西北部湾投资集团有限公司，广西 南宁 530028；2.广西广播电视大学，广西 南宁 530000)



浅谈模数式桥梁伸缩装置的选型及改进

李 莘1，黄程远2

(1.广西北部湾投资集团有限公司，广西 南宁 530028；2.广西广播电视大学，广西 南宁 530000)

在桥梁设计中，桥梁伸缩装置的选型是否得当对桥梁运营影响很大。文章分析了几种典型结构的模数式伸缩装置的优缺点和适应性，提出了模数式伸缩装置选型应注意的几个问题，以及对现有模数式伸缩装置进行细部改进的思路。

桥梁；模数式伸缩装置；工作原理；结构体系；选型；改进

Discussions on Type Selection and Improvement of Modular Bridge Retractable Device

0 引言

模数式桥梁伸缩装置是桥梁伸缩装置的一大类别，相对于橡胶伸缩装置、梳齿板式伸缩装置等，其性能更优良，耐磨、抗滑、防水、抗老化性能好，车辆荷载下振动和噪声小，桥面平顺，行驶舒适性好，使用寿命长，在高等级公路上应用尤为广泛。但在实际运营中，一些模数式伸缩装置发生了早期病害。本文对模数式伸缩装置的几种常见结构进行介绍和分析，提出模数式伸缩装置选型应注意的一些问题，也提出了结构设计的一些改进建议，希望能对模数式伸缩装置的选型、设计工作有所帮助。

1 模数式伸缩装置的结构优点

模数式桥梁伸缩装置，俗称毛勒伸缩装置，因模数式伸缩装置结构由德国的毛勒·索尼公司首创并申请专利而得名。除毛勒公司外，其他国外伸缩装置专利生产厂商还有美国的迪斯·布朗公司，瑞士Magba公司等。2004年发布的中华人民共和国交通行业标准《公路桥梁伸缩装置》(JT/T 327-2004)将此类钢-橡胶组合结构的伸缩装置统称为模数式伸缩装置。

模数式伸缩装置采用刚性连接，传力可靠；机械密封，防水性能强；其弹性支承体系可保证消音减震；多条中梁与橡胶带组合，保证伸缩装置与两侧桥面及路面衔接平顺，行驶舒适度好；鸟型橡胶带伸缩自如，与型钢衔接紧密，密封性能好。从实践上看，模数式伸缩缝是性能相对优良的桥梁伸缩缝结构类型。

2 几种结构体系的模数式伸缩装置分析

模数式伸缩装置从20世纪60年代由德国毛勒公司首先研发成功，在数十年时间里其结构不断改进，各种结构类型的产品层出不穷。我国自20世纪80年代末引入模数式伸缩装置，由于其相对于其他类型伸缩装置的显著优点而得到广泛应用。在我国，使用最广泛的模数式伸缩装置是毛勒伸缩装置，此外还有布朗等其他专利厂商，加上为数众多的国内厂商生产的仿毛勒伸缩装置。在细部结构上，不同厂商的产品往往有所区别。根据其细部构造主要是位移/间距控制体系的区别，我们将模数式伸缩装置分为以下几个类别，并加以评述。

2.1 直梁连杆式体系

直梁连杆式伸缩装置因其结构简单，易于生产，曾经在国内广泛使用。其支承体系为直梁式结构，而位移传动机构为铰链连杆式机械传动，加工精度和润滑条件要求很高，在后期运营中容易因铰链的润滑不足而失效；此外，连杆承受较大的水平及竖向力作用，结构稳定性要求非常高，在重载、超载车作用下容易因应力过大发生杆件脱焊、卡销冲断等问题，导致位移/间距控制体系失灵，最后导致结构损坏。直梁连杆式体系并非一无是处，关键在于严格控制加工精度及提高焊接质量，但由于国内生产厂商在生产过程中对加工精度和焊接质量控制不严，使得以上问题更显突出，在实际运用中造成伸缩装置提前报废。目前该型模数式伸缩装置已基本退出国内市场，但尚有大量公路桥梁正在使用该结构形式的伸缩装置，该型伸缩装置也属于现存病害较多的伸缩装置类型之一。

2.2 斜梁式体系

斜梁式伸缩装置是由平行于桥梁接缝方向的中梁、边梁与接缝方向成一定夹角的斜向支承梁及位移箱组成的伸缩装置支承传动机构，利用斜向支承梁与中梁交角的变化来实现缝宽的等距控制(见图1)。其结构特点为：(1)单根支承横梁斜向支承在支承箱内；(2)各支承横梁位置制造和安装精度要求较高，易产生结构自锁和支承元件早期磨损，缝宽均匀性较差；(3)伸缩缝位移时，支承横梁要发生转动，支承横梁上的支承元件产生较大的扭转角，不仅承压还承受扭力，易损坏。

图1 斜梁式体系结构示意图

斜梁式体系同样存在着受力情况复杂、加工精度要求高的问题，且承受重载、超载车作用时支承元件产生很大的扭转角，使得受力情况更为不利。该型伸缩装置目前已基本退出国内市场。

2.3 直梁式体系

各型钢之间采用串联布置高分子剪切弹簧，通过串联高分子剪切弹簧的等量剪切变形来实现缝宽的等距控制(见图2)。其结构特点为：单根支承横梁支承在支承箱体内，与所有中梁形成滑动副，支座横梁在众多中梁的作用下，支座横梁、中梁压紧支座橡胶、弹性支座橡胶长期处于复杂的三向应力状态；中梁压紧支座橡胶、弹性支座橡胶同横梁形成的摩擦副长期处于复杂的三向应力状态且润滑条件不好，容易造成早期损坏；随着位移量的增大，支承箱体尺寸变化不大，能可靠地同梁端、桥台锚固，适用于各种大位移量伸缩装置；每个位移控制单元的橡胶剪切弹簧串联联接控制伸缩装置位移，剪切位移控制弹簧位于中梁的底面，在桥梁的三维运动作用下，橡胶剪切弹簧处于复杂的三向应力状态，剪切弹簧在拉压交变应力下容易发生早期的疲劳破坏；剪切位移控制弹簧的剪切力直接作用在中梁上，中梁受到弹簧的弯矩作用，影响中梁的直线度和扭转度，使大位移伸缩装置的缝宽均匀性较差，影响行车的舒适性；橡胶剪切弹簧呈规律性布置在中梁的底面，中梁底部加工了许多连接橡胶剪切弹簧的螺栓孔，削弱了中梁的强度，在最大载荷作用下，极易产生因应力集中而导致中梁的疲劳断裂；中梁下支座使用情况较为恶劣，对弹性元件及螺栓要求较高；生产成本相对较低。

图2 直梁式体系结构示意图

直梁式体系在结构应力作用上存在种种弊端，但因为其随伸缩量的增大，控制箱尺寸变化不大的特点，加上生产成本相对低廉，导致目前市场上还大量存在该类型的模数式伸缩装置，也是不少国内生产厂商在480～2 000 mm级别的模数式伸缩装置的主打产品。

2.4 栅格式体系

各支承横梁之间串连布置有位移控制弹簧，通过串联结构、压力相等的位移控制弹簧产生等量变形来实现缝宽的等距控制(见图3)。其结构特点为：在单个支承单元内有多根支承横梁，每根中梁对应一根横梁，每条中梁均被刚性地焊接在分配的支承横梁上，由此钢梁形成内部能够伸缩移动的栅格。每根横梁受力简单、可靠；位移箱尺寸随着缝数的增加不断增大，位移量超过640 mm后，控制箱尺寸已经过于庞大，最佳适用位移量为160～480 mm，最高不超过640 mm；采用多组位移控制弹簧控制位移，位移控制弹簧分布在横梁的两侧，弹簧主要承受单向压/拉力，受力简单，动作可靠；聚氨酯发泡塑料制成的高分子弹簧对压缩变形敏感度高，自由伸缩时缝宽控制均匀，反应灵敏，能可靠地保证缝宽均匀性，而且压缩弹簧的初始预压力可消除支座和横梁的摩擦力，保证伸缩时中梁能随时位移；支承梁由分别位于支承梁上下的弹性支承元件支承。这种安置方式在伸缩缝运动方向上提供了弹性和滑动的支承。滑动弹簧的预压缩防止支承元件偏移，同时也补偿了制造上的公差。弹性支承也可以消除边梁在滑移表面的压力。此外，为了补偿边梁不可避免的高度差，滑动支承的设计可以吸收支承梁的合成倾斜度，减小抗扭刚度；成本相对较高。

图3 栅格式体系结构示意图

实践证明，栅格式体系是较为成功的模数式伸缩装置体系，其支承及位移控制系统受力简单、清晰，动作可靠，缝宽控制均匀，中梁位移顺畅，在梁体转角不大的情况下使用十分可靠，且加工精度要求不高。栅格体系的伸缩装置关键技术在于聚氨酯发泡塑料制成的高分子弹簧，该部件目前国内多数厂商依赖国外进口，少部分实力较强的厂商已可自行研发制造，但实际使用效果是否达到国外进口的高分子弹簧的水平还有待于时间检验。栅格式体系主要有两点不足：(1)在位移量增加的情况下支承横梁、控制弹簧的数量明显增加，控制箱体积增大，显著增加生产成本；(2)随着位移量增长，控制箱体积明显增加，无法应用于伸缩量超过640 mm的桥梁伸缩缝部位。

2.5 转轴式体系

由于直梁式体系存在的弊端，德国毛勒公司决心寻找更加先进的大位移量模数式伸缩装置体系替代直梁体系，于20世纪90年代结合斜梁式、栅格式、直梁式等多种体系的结构特点，经改进研发而成转轴式体系伸缩体系(见图4)。其结构特点为：支承横梁采用斜向布置方式，每个位移控制箱只设一根支承横梁，结构简单，伸缩装置牢固可靠；能满足桥梁在各个方向大角度转动的要求；采用四连杆机构位移控制原理，无论伸缩量多大，都能保证各缝间距均等；支承横梁能同时为所有中梁提供横向刚性支承，这是该种伸缩缝所特有的性能；转轴式体系的结构特点是在个别中梁发生病害时，可以将发生病害的中梁拆除更换，而不影响伸缩缝的控制机构。也就是说，如发生中梁损坏病害，只需短时中断交通单独更换发生病害的中梁，不需进行长时间封闭大修。根据毛勒公司介绍，转轴式体系结构极为坚固耐用，国外的一些桥梁主体实例已正常使用超过20年，预计其整体寿命可达50年左右。

转轴式体系的控制箱不会随位移量的增大、中梁数目的增多而明显增加，且其结构能适应不同方向的变形，目前为德国毛勒公司在640 mm以上大位移量模数式伸缩装置的主打产品。

图4 转轴式体系结构照片

3 模数式伸缩装置的选型应注意的几个问题

根据笔者在桥梁养护管理中的经验，模数式伸缩装置在冬季发生橡胶条拉坏、承压及压紧支座脱落、支承横梁失稳病害的情况不少。在此提出模数式伸缩装置选型时应注意的几个问题供参考：

(1)模数式伸缩装置发展时间长，体系结构多样，生产厂商鱼龙混杂，宜谨慎选择模数式伸缩装置的体系结构，并详细审查伸缩装置结构图纸，选择实力较强、生产加工质量过硬的生产厂商。

(2)在计算伸缩量时应认真考虑当地的最高和最低有效气温值。

(3)除当地最高和最低有效温度、收缩、徐变、汽车制动力之外，其他可能影响伸缩装置变形的因素有：梁端转角；由于日照、日落引起的竖向及横向梯度温差，导致伸缩装置竖向、横向变形；弯桥的汽车离心力导致伸缩装置横向错动；某些斜桥的端跨采用不等跨梁长导致伸缩缝不等量变形等。有些影响伸缩量的因素不易精确计算，故计算伸缩量时要考虑一定的富余量，即伸缩量增大系数β。根据JTGD62-2012的规定，伸缩量增大系数应取为1.2～1.4。

(4)模数式伸缩装置的边梁与中梁以及中梁之间的型钢间隙最大为8cm，但在实际工作状态下，密封橡胶带在冬天不应拉展至极限，夏天也不应收缩至顶死，否则密封橡胶带容易发生早期损坏，并有可能造成承压及压紧支座损坏、支承横梁失稳。同时应考虑模数式伸缩装置在运营中因构件润滑不足、伸缩缝不等量变形等原因，无法保证各处型钢间隙完全一致。基于以上考虑，建议最好把模数式伸缩装置每道间隙容许80mm的伸缩量作偏安全考虑，在拉伸和收缩两个状态下各预留10mm的富余工作宽度，即将每道型钢间隙允许的伸缩量由80mm偏安全考虑减为60mm，作为模数式伸缩装置的理想工作状态下的允许伸缩量，即160型在理想工作状态下的伸缩量为120mm，240型在理想工作状态下的伸缩量为180mm。

4 模数式伸缩装置细部结构的改进建议

在桥梁养护工作中，笔者实地接触了多种模数式伸缩装置，并跟踪了解其在使用过程中病害的发生、发展的情况，对伸缩装置病害也做了相应分析，产生了模数式伸缩装置细部设计改进的相关思路，现陈述如下：

(1)可考虑适当增加支承横梁的长度，这有利于防止因桥梁支座剪切变形、重车荷载冲击、极端天气等额外不利因素作用下支承横梁的稳定性，保证模数式伸缩装置在各种不同环境下的正常使用。

(2)支承横梁直接承受从中梁传来的车辆冲击荷载作用，仅靠承压及压紧支座稳固作用未必可靠，只要压紧及承压支座发生磨损，支承横梁就会松动、下沉，直接导致其承载的中梁失稳。因此，可考虑在支承横梁两端增设铰接。

(3)承压支座是一种比较容易发生病害的部件，往往在对一条模数式伸缩装置进行跟踪检查时，首先就会发现承压支座发生变形，究其原因：(1)目前社会上的运输车辆超载现象比较严重，致使负责直接承受由支承横梁传递来的车辆荷载的承压支座受力状况恶化；(2)支承横梁在承受车辆冲击荷载时，会发生少许偏转，导致支承横梁与承压支座的接触面出现小部分脱空，这也同样造成了承压支座的受力状况恶化。可以考虑适当增加承压支座的平面尺寸，建议在横向及纵向两个方向都适当加大尺寸，这有利于改善承压支座的受力状况，保证承压支座的使用寿命。

(4)压紧及承压支座固定通常采用一枚短固定销，一旦承压支座产生较明显的永久变形，这些短固定销就有可能无法限制承压支座，致使承压支座向外部分滑移出位移箱，而在部分截面受力的情况下会导致承压支座快速损坏并加速脱出，最终导致承压支座脱落，支承横梁下沉，加速整体结构的损坏。可考虑在承压支座的四个水平侧面均设置限位块，并保证限位块在车辆荷载反复作用下保持稳定，以及采用截面为正方形的固定销，并适当增加固定销长度。

(5)适当增大中梁钢和支承横梁的焊接面积和焊接强度，当采用两段式型钢焊接生产时，应在工厂完成整体焊接拼装工作，保证伸缩装置在长期承受车辆冲击荷载作用下的结构稳定。

(6)为防止位移箱结构受泥沙、灰尘等杂质污染，影响机构动作及影响支承元件润滑，可考虑在位移箱开口处设置密封胶皮。

5 结语

理论分析与实践证明，模数式桥梁伸缩装置具有不可替代的优势。但由于模数式伸缩装置存在多种体系结构，其性能与适应性各有差异，且生产厂家鱼龙混杂，即使是同一结构的模数式装置，其细部设计也存在较大区别。在目前社会上重载、超载车辆大量存在、伸缩装置受力状况恶劣的情况下，部分模数式伸缩装置在运营中快速出现了病害，导致使用寿命提前终结。希望本文对模数式伸缩装置的进一步研究开发和改进起到有益的参考与交流的作用。

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[2]张 萍.关于高速公路桥梁伸缩缝装置的选型[J].科学之友，2006(2)：28-29.

[3]孔繁伟.浅谈公路桥梁伸缩装置的服务性能[J].山西建筑，2007(4)：327，328.

LI Xin1，HUANG Cheng-yuan2

(1.Guangxi Beibu Gulf Investment Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530028；

2.Guangxi Open University，Nanning，Guangxi，530000)

In bridge design，the proper type selection of bridge retractable device has great effect on bridge operations.This article analyzed the advantages and disadvantages and adaptability of modulus retractable devices with several typical structures，proposed several issues which need more attention in the type selection of modulus retractable devices，and proposed the ideas for the detailed improve-ment of existing modulus retractable devices.

Bridge；Modulus retractable device；Working principle；Structure system；Type selection；Improving

李 莘(1978—)，工程师，研究方向：高速公路养护；

黄程远(1982—)，工程师，研究方向：土建工程和管理。

U445.7+4

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.11.012

1673-4874(2015)11-0054-05

2015-09-30