一种新型模数式伸缩缝位移控制系统

李培俊

（山西远大公路桥梁建设养护有限公司，山西 忻州 034000）

1 伸缩缝简介

桥梁伸缩缝是指为使车辆平稳通过桥面并满足桥面变形的需要，在桥面伸缩接缝处设置的各种装置的总称，主要用于适应桥梁的温度伸缩、混凝土及预应力混凝土桥梁的收缩和徐变、桥梁梁部结构在荷载作用下的伸缩位移等引起的桥梁伸缩位移[1-2]。虽然桥梁伸缩缝在整个桥梁结构中所占的比例极小，但它在桥梁结构中直接承受车轮载荷的反复冲击作用，是桥梁结构必不可少的一个部件；同时又长期暴露在大气中，其工作环境极其恶劣，又是一个最为薄弱的环节，也是最容易被损坏的部件[3]。伸缩缝一旦受到破坏，不仅使得车辆在驶过伸缩缝时，行车舒适度下降，对车辆的使用寿命造成影响；更重要的是，会使车辆对桥梁的冲击效果明显增加，加剧桥面铺装层的破损速度，甚至还会对桥梁本身结构产生影响[4]。

2 两种现有伸缩缝结构形式

随着我国高速公路的飞速发展，大跨径桥梁越来越多，大位移桥梁伸缩缝需求量也越来越多。在我国，大位移伸缩缝一般采用模数式结构，为了均匀地分配控制各根型钢之间的位移，模数式伸缩缝必须设置位移控制系统。目前，大位移模数式伸缩缝一般有剪力弹簧式和转轴式两种结构形式。

2.1 剪力弹簧式

剪力弹簧式桥梁伸缩缝采用三联一组的竖装剪切弹簧控制元件，各缝缝宽的等距控制通过型钢间交叉串联的橡胶剪力弹簧的剪切变形来推动各根中梁实现的。其结构如图1所示。支撑系统与位移控制系统相互独立，加工组装简单，制造工艺难度低。

图1 剪力弹簧式桥梁伸缩缝结构图

剪力弹簧通过高强螺栓和支撑架与型钢连接，当梁体发生伸缩位移带动边梁一起运动时，与之连接的剪力弹簧将受到剪切作用。产生剪切变形，同时将伸缩力传递给相邻的中梁，使其产生位移，相邻中梁的位移又会使与之相连接的剪力弹簧产生剪切变形，依次类推，最终达到控制各缝缝宽均匀性的目的。图2所示为不同缝宽时剪力弹簧的工作状态示意图。

图2 缝宽变化时剪力弹簧工作状态

剪力弹簧式桥梁伸缩缝的所有中梁均通过支撑架和橡胶支座与横梁连接。以图1所示为例，在橡胶支座压缩量一致的情况下，假设1号中梁所受的来自橡胶支座的摩阻力为f，则2号中梁所受的摩阻力为2f，3号中梁为3f，4号中梁为4f…… 即距离支撑箱的距离越远的中梁受到的摩阻力越大，发生位移也就越困难。为了满足桥梁伸缩的需要，这就使得越靠近支撑箱的剪力弹簧受到的剪切力越大，也就越容易损坏。图3所示为某公路大桥剪力弹簧式伸缩缝工作情况。

图3 某公路大桥剪力弹簧式伸缩缝

图3可以清晰地看出随着距离边梁距离的增加，单缝的缝宽呈现出增大的趋势。这主要是因为中梁所受的摩阻力不均匀，随着距离支撑箱距离的增加，中梁受到的摩阻力呈阶梯状增加。最终的结果就是随着距离支撑箱距离的增加，中梁的运动阻力越来越大，宏观表现为缝宽的不均匀性。

2.2 转轴式

转轴式桥梁伸缩缝每组支撑箱内只有一根支撑梁，支撑梁与中（边）梁并非正交，而是斜交。支撑梁通过L形支撑架与中（边）梁连接。

图4 转轴式伸缩缝缝宽控制示意图

图4所示为转轴式伸缩缝缝宽控制示意图。当桥梁梁体发生位移时，与梁体连接的边梁受到一顺桥向的力F，在其顺着支撑梁轴向的分力FP的作用下，带动中梁沿着支撑梁滑动；其垂直于支撑梁方向的分力FV使得支撑梁绕着铰轴发生水平转动，在二者共同作用下，伸缩缝可以实现缝宽的均匀性控制[5]。

转轴式伸缩缝的支撑梁既起到了支撑中（边）梁的作用，又起到了缝宽调整的作用。利用四边形不稳定性和杠杆的等距原理来实现缝宽的控制。当梁体发生位移时，各根中梁在支撑梁的作用下是联动的而非相互独立的，这就在根本上解决了缝宽的不均匀性。但是，转轴式伸缩缝的橡胶支座既要传递竖向荷载，又要承受由于伸缩缝发生位移时产生的剪切力。同时，所有中梁是联动的，一旦出现支座压紧不均匀及轴向加工误差偏大的情况，很容易导致某一根支撑梁的转动受阻，从而使得伸缩缝产生极大的内应力。因此，转轴式伸缩缝对零部件的机加工精度及装配精度要求极高，这就极大地提高了加工难度和生产成本。

剪力弹簧式桥梁伸缩缝虽然加工组装简单，制造工艺难度低。但是，实际运行过程中存在着缝宽调整能力不足的情况（图3）；转轴式桥梁伸缩缝虽然利用几何原理解决了缝宽不均匀的情况（图4），但是对零部件的机加工精度及装配精度要求极高，生产成本大，这也极大地限制了它在实际工程中的应用。

3 等距变位式伸缩缝

结合两者的优点，本文提出一种新结构形式的桥梁伸缩缝：等距变位式桥梁伸缩缝。图5所示为等距变位式桥梁伸缩缝示意图。

图5 等距变位式桥梁伸缩缝示意图

等距变位式桥梁伸缩缝支撑系统与缝宽调整系统也是相对独立的：支撑梁通过支撑吊架与中梁连接，边梁与支撑箱连接；调整梁通过调整吊架与中梁连接。等距变位式桥梁伸缩缝支撑系统与剪力弹簧式相同，这使得它继承了剪力弹簧式伸缩缝支撑系统牢固，不易损坏的优点，同时，相对独立的支撑系统与缝宽调整系统使得两者可以分开独立加工，这也极大地降低了加工和组装难度以及生产成本；等距变位式桥梁伸缩缝缝宽调整系统与转轴式伸缩缝相似，联动的缝宽调整方式从根本上解决了缝宽不均匀的问题，而且采用分段式设计，缝宽调整系统联数的多少可以根据桥梁伸缩量和支撑箱间距灵活组合，这进一步降低了加工组装难度。

图6 某大桥等距变位式桥梁伸缩缝

图6所示为某大桥上安装的等距变位式桥梁伸缩缝实物图。从图6可以可以看出，各个单缝之间缝宽比较均匀，各缝具体缝宽如图7所示。

图7 某大桥等距变位式伸缩缝各缝具体缝宽

由图7可以看出，单缝最大缝宽为38.2 mm，最小缝宽为36.3 mm。最大缝宽与最小缝宽差值为1.9 mm小于2 mm，这表明等距变位式桥梁伸缩缝在实际运行过程中的各缝缝宽误差完全满足JT/T327—2004中对大位移伸缩缝的要求，其缝宽调整能力完全满足要求[6]。

4 结论

通过对剪力弹簧式、转轴式两种大位移伸缩缝中常用的结构形式优劣的对比，提出了一种新的结构形式：等距变位式伸缩缝。实际运行结果表明：该形式伸缩缝兼具剪力弹簧式结构简单，受力清晰，加工组装难度低，成本低和转轴式伸缩缝缝宽调整能力强的优点。