刚性伸缩结构设计与分析

李 路

(中铁四局集团有限公司设计研究院，安徽 合肥 230023)

0 引 言

桥梁伸缩装置是公路桥梁路面的重要组成部分，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，以及桥梁上部结构在荷载作用下所引起的桥梁伸缩变位，以保证桥上车辆通行的安全性和舒适性。

桥梁伸缩装置应能同时满足将作用其上的荷载可靠地传递到桥梁主体结构上，又能适应桥梁必要的变位需求。

当前，桥梁伸缩装置[1]的类型繁多，按其传力形式以及构造特点可以分为：对接式、钢制支撑式、橡胶组合剪切式、模数支撑式、无缝式等。

除常规伸缩装置外，为了满足特殊结构的需要，结构工程师根据伸缩缝的特点，结合实际工程需要，充分发挥想象力，从而设计出能够满足结构伸缩需求的一系列伸缩装置，如成功应用在嘉绍大桥的刚性铰[2]，以及玛格巴-模数伸缩装置。受其启发，在实际工程设计中根据工程特点设计出具有一定伸缩功能同时能够传递弯矩与剪力的刚性伸缩装置。

1 工程概况

某主跨为1-120 m提篮式拱桥，分为主桥及人行辅桥如图 1所示。桥梁主桥部分为单跨120 m的提篮式拱桥，按双向六车道城市支路标准进行设计，设计速度30 km/h，实际设计中汽车荷载按照城-A级进行设计，主桥全宽31.8 m。主桥采用中承式钢箱拱桥，主桥拱圈为双肋单箱单室变截面钢箱拱。主拱肋分为钢箱拱肋和实心矩形预应力混凝土(拱脚至下横梁之间)两部分。人行辅桥分为两部分，第一部分采用开口截面，通过工字型挑臂与主桥相连。第二部分为钢箱截面，立面采用1.7次抛物线。人行辅桥梁高为1 m，宽度为变宽设计，由跨中2.5 m渐变至梁端6.5 m。为减小钢箱段的受力，降低梁高，人行辅桥钢箱梁段中间部位支撑于拱圈上设置的挑梁上。组成人行辅桥的两部分之间通过伸缩装置进行连接。

图1 1-120m钢箱拱桥桥型布置图

2 结构设计

在人行辅桥开口部分与箱型部分之间设置接缝，并在相应的端部设置支座，支座支撑在由主桥桥面系伸出的箱形挑臂上，其支座布置如图 2所示。

图2 接缝处支座布置

根据接缝处支座布置形式建立全桥整体模型，计算得出在不同荷载组合下支座反力情况,见表1。

表1 接缝处支座反力汇总表

可见，在正常使用情况下开口侧支座存在支座负反力，开口侧负反力相对于箱形侧的支座反力较小，因此考虑在此处设置一伸缩装置，如此既能满足结构在此处的伸缩要求，又能传递剪力，从而解决开口侧拉压支座价格昂贵以及支座定期检测和更换的问题。通过在开口一侧设置一长70 cm箱形插销，箱形插销长84 cm宽40 cm，箱形辅桥为单向三室结构，在中室上下设置加劲，加劲面与插销面均设置四氟滑板以保证两者在顺桥向能够自由滑动，在侧面设置支挡，支挡面与插销竖面之间设置橡胶垫块，从而起到约束开口侧的横向位移，伸缩装置立面及断面如图3所示。

图3 伸缩装置布置图

3 静力计算

建立人行辅桥刚性伸缩装置ANSYS局部模型，在接缝处开口部分辅桥出现最大负反力以及最大反力的工况下，对插销及箱形辅桥支撑体系进行计算分析。

3.1 工况一：开口部分辅桥出现最大反力

在工况一时，插销部分的应力及竖向变形如图4所示。

图4 工况一插销部分mises应力与竖向变形

由图4可以看出，在工况一时，插销部分处最大应力为155 MPa，位于支撑位置处，其余部分应力水平相对较低；插销部分悬臂端部与根部相对位移为1.41 mm，满足设计要求。

在工况一时，支撑位置的应力及竖向变形如图5所示。

图5 工况一支撑位置mises应力与竖向变形

由图5可以看出，在工况一时，对应插销位置处箱形辅桥加劲处最大应力为75.9 MPa，该处竖向最大变形为0.14 mm，满足设计要求。

3.2 工况二：开口部分辅桥出现最大负反力

在工况二时，插销部分应力及竖向变形如图6所示。

图6 工况二插销部分mises应力与竖向变形

由图6可以看出，在工况二时，插销部分处最大应力为59.9 MPa，位于支撑位置处，其余部分应力水平相对较低；插销部分悬臂端部与根部相对位移为0.54 mm，满足设计要求。

在工况二时，支撑位置应力及竖向变形如图7所示。

图7 工况二支撑位置mises应力与竖向变形

由图7可以看出，在工况一时，对应插销位置处箱形辅桥加劲处最大应力为33.0 MPa，该处竖向最大变形为0.12 mm，满足设计要求。

由此可见，该结构能够满足接缝处的受力特性，而由于插销与支撑处的自由行程相对较大，因此亦能满足结构伸缩需求。

4 结束语

综上，该项目根据接缝处结构受力特点，设计的刚性伸缩装置不仅能够满足结构伸缩要求，而且能够通过箱形侧的较大的正反力，抵消开口侧辅桥处的负反力。该做法即可以省去采用原始伸缩装置所遇到的疲劳老化问题，又能免除拉压或抗震支座的需要更换的烦恼。