公路桥梁梳齿板伸缩缝应用分析及优化设计

杨素霞，姜京伟

（山西省交通新技术发展有限公司，山西 太原 030012）

随着我国公路桥梁建设的发展，各种类型的桥梁伸缩装置大量涌现，但应用最广泛的是模数式伸缩装置和梳齿板式伸缩装置。其中，梳齿板式伸缩装置是在传统锯齿形伸缩缝的基础上通过改进发展而来的，为模块式结构[1]，由若干组标准模块与附件组成。标准模块主要由活动梳齿板（跨缝板）、固定梳齿板和多向变位铰组成，模块之间相互独立。附件包括不锈钢滑板、橡胶止水带、锚固螺栓等组成部分。活动梳齿板采用跨越式，用连接锚栓在桥梁一端与桥面连接；固定齿板锚固在另一端的桥面上，底部用不锈钢板形成滑移面，活动齿板与固定齿板形成阴阳梳齿，满足桥梁的承载和伸缩需要。梳齿板伸缩装置凭借其特有的安装深度浅、表面平整性好、行车舒适等优点，在国内公路桥梁上的应用越来越广。然而在长期的实践应用中，梳齿板式伸缩装置普遍出现了断齿、钢板脱落、锚固螺栓断裂等病害，分析其病害产生的原因，从而改进我们的产品，减少或杜绝重复维修、更换伸缩装置，对于降低梳齿板服役成本，提高其使用寿命，使其更好地为我们服务变得尤为急切和重要。

1 梳齿板式伸缩装置常用类型

对各类梳齿板式伸缩装置的调查结果显示，目前国内的多向变位梳齿板式伸缩装置根据其变位单元的差异，应用较广的主要有转轴式（图1[2]）和支座式（图2）两大类。

1.1 转轴式多向变位梳齿板伸缩装置

转轴式多向变位梳齿板伸缩装置（图1）是目前公路桥梁上应用比较广的一种梳齿板伸缩缝，其多向变位铰由变位块、转动变位铰（钢制转轴）、转动控制座及支撑托架组成。当梁体发生转动或车轮碾压高频振动时，转动变位铰配合变位块以转轴为中心在转轴间产生转动，使装置紧贴梁端满足桥梁转动的需求。

图1 转轴式多向变位梳齿板伸缩装置结构示意图

1.2 支座式多向变位梳齿板伸缩装置

支座式多向变位梳齿板伸缩缝（图2）是另一种应用较为广泛的梳齿板伸缩缝，其多向变位铰由上、下两个U型螺栓构件、碗型支座、型钢箱体及箱内设置的橡胶件组成。上U型螺栓构件锚固在活动板上，下U型螺栓构件与上U型构件环扣后锚固在型钢箱上，箱体与预埋筋焊接相连。在型钢箱内设置橡胶件，起到缓冲减震和稳固支座的作用。当梁体发生转动角时，缝体通过嵌在橡胶件内的碗型支座来适应梁体的转动变化。

图2 支座式多向变位梳齿板伸缩缝

2 多向变位梳齿板式伸缩装置的病害与原因分析

如前所述，多向变位梳齿板式伸缩装置因其行车舒适、安装深度浅、表面平整性好等优点，短时间内在国内桥梁中得到了较大程度的推广应用，尤其是浙江省，梳齿板式伸缩装置在各类型伸缩装置中所占份额极大[3]。然而，大量应用的背后也衍生出了一系列的问题：

a）螺栓松动、螺帽缺失。图3为某梳齿板伸缩缝螺栓松动、螺帽缺失现场图，从图中可清楚看出，该段活动板多向变位装置上的锚固螺栓已损坏，螺帽已丢失。

图3 梳齿板伸缩装置 螺栓损坏

图4 梳齿板伸缩装置板体脱落

b）钢板脱落。螺栓松动后，锚固失效，若不及时进行维修，在往来车辆的反复冲击作用下，很快就会导致钢板脱落（图4）。而钢板的脱落往往是在车辆通过缝体时，突然弹出，给行车安全带来极大的威胁。据报道，杭州某大桥梳齿板伸缩缝由于螺栓松动，钢板反弹，导致一辆行驶中的小车坠入江中；安徽省也报道过诸如钢板反弹导致车辆翻车的事件，更严重的会造成车辆油箱破裂，引发火灾、爆炸等灾难。

多向变位梳齿板伸缩缝在应用的早期除了会出现以上所述的集中典型病害以外，还会出现诸如螺栓断裂、混凝土破碎、梳齿挤死或断裂等现象[4]。究其根本原因，除设计时对缝体多向伸缩量计算不科学（导致梳齿挤死），安装时锚固螺栓安装不规范、混凝土表面平整度不达标以外，很重要的一个原因是当前多向变位梳齿板伸缩缝的结构设计存在弊端。众所周知，由于梳齿板伸缩缝为浅埋设设置，所以混凝土的浇筑无法让缝体与梁体很好地连接，活动板与缝体的连接紧靠螺栓连接。这种连接方式对于周而复始受温度变化和车辆冲击作用的钢板来说连接力本身就很弱，加之梳齿板缝锚固螺栓是现场焊接或人工种植，如果施工工艺控制不严，极易造成螺杆的垂直度不达标，导致钢板的锚固不坚实。活动板约束力不足，在荷载的反复作用下，螺栓发生疲劳损坏，梳齿疲劳断裂，最终导致钢板松动弹出缺失。

3 增强型梳齿板伸缩装置

多向变位梳齿板伸缩装置过早地出现病害给人们的出行安全带来了极大的危害，而各种病害的处理和缝体的维修并不像预料的那么简单易操作，给各大养护单位和业主单位带来了极大的困扰。浙江省、安徽省、山西省等多个省市不得不将病害梳齿板缝进行改型处理，将整座桥的梳齿板缝更换为技术成熟的模数缝，造成了极大的经济浪费，也给梳齿板缝的市场推广应用造成了极大的负面影响。所以，能否从根本上改变当前梳齿板伸缩装置的结构缺陷对于梳齿板伸缩缝的长久发展至关重要，对于伸缩缝的研发和生产厂家能否赢得更高的市场份额，提高市场竞争力变得尤为急切。

针对当前梳齿板伸缩缝约束不足，与桥梁连接薄弱这个致命缺陷上出发，对其进行改进，研究设计出一种活动齿端压紧板式伸缩装置（图5）。

图5 活动齿端压紧板式伸缩装置

活动齿端压紧板式伸缩装置，顾名思义，是在活动齿板上设置了压紧装置，该装置可以对活动板产生一定的约束力，防止伸缩装置在反复荷载作用下发生螺栓松动，缝体失效的现象，期望有效提高梳齿板伸缩装置的使用寿命。

该形式的伸缩装置延续了多向变位梳齿板伸缩装置浅埋设、行车舒适、多向变位等优点，采用单元式结构，如图5所示，每个单元主要由活动齿板、固定齿板、齿端压紧位移箱及锚固件组成。为防止螺栓松动，在齿板下方螺栓上设置隔震橡胶板起到隔震及防止螺栓松动的作用。为达到约束活动板的目的在活动齿板下方设置压紧位移箱，通过压紧滑动块、压紧螺栓将活动齿板压紧在滑动面上，压紧滑动块上部为四氟板，与压紧位移箱顶面的不锈钢面形成滑移面。活动齿板在移动过程中，通过压紧螺栓带动压紧滑动块在压紧位移箱内滑动，压紧螺栓于压紧滑动块之间形成的压紧力确保活动齿板始终与不锈钢板压紧。在活动齿板后方设置橡胶密封条，在预紧力的作用下，胶条始终与活动齿板紧密结合，起到密封道路雨水通过伸缩装置落入桥梁梁端下方。

4 结论

本文对多向变位梳齿板式伸缩装置的常用结构形式进行介绍，指出梳齿板式伸缩装置常见的早期病害主要是锚固螺栓松动失效，进而导致板块缺失，或是齿板断裂。而各种病害发生的根本原因在于梳齿板伸缩缝的缝体锚固螺栓强度不足，活动齿板的约束不足，在反复的荷载作用下最终破坏失效。为从根本上解决病害问题，延长梳齿板式伸缩装置的使用寿命，本文提出了活动齿端压紧板式的结构形式，在螺栓处设置橡胶垫块，在减震的同时可避免或减少螺栓的松动；在活动齿板上设置压紧位移箱，对板体施加压紧力，增加对活动齿板的约束力，防止其出现疲劳破坏。这种活动齿端压紧板式的伸缩装置从病害问题的源头出发，对梳齿板式伸缩缝的结构进行改进设计，有望提高梳齿板伸缩装置的服役寿命，更好地保障公路桥梁的行车安全。