市政桥梁伸缩缝冲击荷载实验分析及创新技术实践

郑国栋

（大庆市城市管理事业发展中心，黑龙江 大庆 163000）

在建设市政桥梁时，需要开展冲击荷载实验，根据实验结果计算出该桥梁的最大车流量。后期市政桥梁开放通车后，实时管控过桥车辆的速度、重量，将车辆带来的冲击荷载始终控制在实验确定的最大值以下，从而显著降低伸缩缝因为遭受冲击荷载而出现破坏的概率。因此，做好伸缩缝冲击荷载实验和选择新型施工技术，就成为现阶段桥梁伸缩缝施工中必须要考虑的内容。

1 市政桥梁伸缩缝冲击荷载实验

1.1 市政伸缩缝跳车的缩尺实验模型

1.1.1 桥梁模型

按照1：30 的缩尺比例制作桥梁模型。该模型的主体材料为铝合金，主梁为槽型结构，总长度380cm，宽度为10.5cm，高度为5.0cm，梁底厚度为0.16cm，两侧壁厚0.2cm。桥梁模型共计三跨，均为简支梁。中间跨主梁在两侧各设计了一个端头，其中左侧端头为滚动轴承简支，右侧端头与垂直方向上的冲击力传感器相连。这样当车辆模型经过桥梁模型时，就可以检测到冲击荷载。另外，在主梁的侧梁中间预留了2cm 的水平缝，代表实际桥梁上的伸缩缝。

1.1.2 车辆模型

模型车分为金属车体和硅胶车轮两部分，总长度为15cm，宽度为6cm，轴距为9cm，轮距为7cm，车轮直径2.5cm。模型车的上方设有凹槽，可以放置金属块，后期根据实验要求增减金属块，通过调整模型的重量产生不同的冲击荷载。车轮采用偏软的硅胶，受到上部金属车体的压力作用，可以让硅胶车轮与模拟桥面保持一定的接触长度，从而更加接近真实状况下汽车的行驶状态。未加金属块的情况下，模型车总重量为5.1kg，此时橡胶车轮与模拟桥面的接触长度为6.2mm。

1.1.3 测试与动力系统

信号采集系统采用北京东方振动和噪声技术研究所的INV3018A 数据分析仪，采样频率取12.8kHz，冲击力传感器为PCB 压电式动态力传感器，加速度用扬州科动的压电式加速度传感器来测试。将细绳的一段绑在模拟车的前端，另一端绑在动力装置上，启动进步电机拉动细绳使模拟车前进。通过调节电机转速，使模型车的前进速度从0 加速到1m/s。

1.2 缩缝跳车实验工况

第一次伸缩缝跳车实验，条件为保持空车状态，伸缩缝为1.0mm，然后分别让模型车以0.1m/s、0.2m/s……1.0m/s 的速度通过伸缩缝，每次通过后记录下当前速度下前轮轮压峰值，即瞬时冲击荷载。第二次伸缩缝跳车实验，条件为保持空车状态，模型车速度为1m/s，然后调节伸缩缝的宽度，依次为0mm、0.5mm、1.0mm……3.0mm。同样记录每次通过时前轮轮压峰值，即瞬时冲击荷载。

1.3 实验结论

图1 是模型车在空车状态下保持1m/s 速度，分别驶过不同宽度伸缩缝时前轮轮压峰值的曲线图。由图可知，随着伸缩缝宽度的增加，模型车对模拟桥面产生的冲击荷载也相应的升高。图2 是模型车在空车状态下，保持伸缩缝宽度为1.0mm，分别以不同速度驶过伸缩缝时前轮轮压峰值的曲线图。由图可知，随着模型车的行驶速度不断加快，对模拟桥面产生的冲击荷载也相应的升高。

图1 伸缩缝宽度对模型车前轮轮压的影响

图2 模型车速度对伸缩缝跳车时冲击荷载的影响

用冲击系数来衡量车轮的冲击荷载，在四种典型伸缩缝宽度情况下，测得车辆前轮轮压的冲击系数，如图3所示。结合图4 中的曲线变化规律可以发现，最大轮压位置总是出现在距离伸缩缝端部4-6mm 的范围内。始终低于模拟车空载状态下硅胶轮胎与模拟桥面最大压痕（6.2mm）。由此可以判断，在模拟车的车轮刚驶过伸缩缝时，此时产生的冲击荷载达到峰值。根据这一特点，在市政桥梁的伸缩缝设计时，应重点加强伸缩缝两侧的抗冲击性能。

图3 不同伸缩缝宽度下的跳车冲击系数

图4 最大轮压位置与行车速度关系

2 基于冲击荷载实验结果控制伸缩缝施工技术

2.1 伸缩缝的选型及伸缩量的控制

2.1.1 伸缩缝的选型

在本次工程中，综合多种因素后最终选择了EJN250型伸缩缝，满足以下条件：最低抗拉强度为15N/mm2，最低抗剪强度2.0N/mm2，最小极限伸长率为400%。另外，锚固螺栓为316 型钢材，橡胶材料的剪切模量1.0N/mm2。

2.1.2 伸缩量的计算和控制

计算伸缩缝的伸缩量和准确控制，并根据安装时的气温调整安装间隙定位位置，然后采用专用的卡具将伸缩缝固定住。

2.2 切缝

在切缝机下面铺上一层护垫，这样当切缝机行走时才能防止破坏或者污染已经形成的油面。在预留槽两侧各铺一条宽度约为10cm 的布条，作用是盛放预留槽内的杂物。上述工作结束后，用水枪冲洗预留槽，待表面干燥后，使用水平仪检测两侧沥青路面的平整度是否达到相关标准。在符合规程的前提下开始沿着弹线进行切缝。保证切缝平直，完成切缝后要采用清水冲洗的方式，将缝隙内的杂物冲出。

2.3 开槽

开槽时使用风镐可以提升作业效率。按照施工图纸上的要求，开槽深度为15cm，完成开槽后将槽内的粉末、残渣等清理干净。如果清理时发现槽内预埋了钢筋，应当及时更改位置，避免造成破坏。现场施工人员观察两侧槽壁是否整齐，如果存在参差不齐的情况，需要使用手持工具进行抹平。处理期间，禁止现场施工人员或者车辆随意在缝槽两侧行走。

2.4 钻孔

钻孔前对伸缩缝进行定位检测，检测内容主要包括3 个方面：其一是平直度检测，整个伸缩缝的平直度最大允许误差为3mm，超过3mm 需要进行处理；其二是平整度监测，整个伸缩缝的平整度最大允许误差为2mm，超过2mm 需要进行处理；其三是伸缩缝上端面与两侧桥面的最大高度差为2mm，超过2mm 需要进行处理。在现场测量确定均满足要求后，按照施工图纸找到相应的位置进行打孔。

2.5 安装伸缩缝

当预留槽清理完成之后，即可在其上放置足够数量的方木。方木的长度控制在2.5m 左右，其断面尺寸为10cm×10cm，方木的放置间距控制在3-4m。检查方木是否稳定、牢固，确认无问题后，将伸缩缝平稳的放在方木上。检查伸缩缝是否挡住了预埋螺栓，如果位置冲突需要调整螺栓，最后将伸缩缝嵌入槽内。

2.6 填充材料浇筑

本次工程中主要使用环氧树脂自流平材料。现场施工人员检查预留槽的底部和两侧有无尘土、石子，使用水枪冲洗干净。待完全干燥以后，使用泡沫胶将伸缩缝的各个缝隙完全封堵，防止填充材料的渗漏。浇筑施工对温度也有特殊要求，为了保证施工顺利和提高填充效果，尽量选择在气温较低的凌晨一天内进行。将环氧树脂自流平材料装入到特定的容器中，将出口放在预留槽的一个底角上，缓缓注入材料，自动地充填整个预留槽。填充厚度以完全充填伸缩缝为宜，太薄或过厚都会影响伸缩缝的实际使用效果。

3 市政桥梁伸缩缝创新技术实践

3.1 T 型梁伸缩缝安装技术

混凝土部分施工完成后，根据施工图纸在表层的沥青混凝土上弹线画出伸缩缝的安装范围。将该范围内的沥青混凝土凿掉并将开凿面整平，最后将伸缩缝嵌入开凿的槽内。在实际施工时，为了保证伸缩缝的安装质量，需要将新型伸缩缝的部件分为A 块、B 块、C 块。在浇筑T 型梁端头混凝土之前，先安装A 块，通过螺钉E 把两个A 块固定在所需的位置上，使两个滑动面具有较高的精度。调整好以后，在钢钎维混凝土与桥面混凝土的接触面上预埋粗钢筋，然后用铁板D 把下边的伸缩缝盖严，再用油毛毡或防水塑料布把整个A 块和D 块盖严，以免混凝土污染伸缩缝的块件。这样采取混凝土浇筑和伸缩缝安装交替进行的方式，让伸缩缝与桥梁更好的融为一体，保证了结构安全。（图5）。

图5 新型伸缩缝的安装（单位：cm）

3.2 桥梁小变形伸缩缝中酮密封剂的优化设计

在桥梁小变形伸缩缝的安装时，可以选择硅酮密封剂，进一步提高伸缩缝结构的密封效果，进而达到延长使用寿命的目的。其应用优势主要体现在：首先，防水效果好。在潮湿环境或是降雨天气下，伸缩缝不渗水，避免了金属部件生锈腐蚀的问题；其次，耐候性好，在受到较大温差变化，或是长期受到阳光暴晒的情况下，此种材料不易老化，环境适应能力强，使用寿命长；再次，具有一定的变形恢复能力。在受到车辆冲击荷载后，可以在短时间内沿着荷载力的方向发生一定的位移与变形，之后又会快速地恢复原状。最后，温度稳定效果好，实验证明，硅酮密封胶在60℃的高温环境下不会出现流淌的情况，在-30℃的低温环境下也不会出现脆裂情况。

3.3 GTF 无缝伸缩缝、BEJ 弹性混凝土伸缩缝的应用

随着建筑市场的发展，一些新型材料和装置不断创新并推广使用。其中，GIF 无缝伸缩缝和BEJ 弹性混凝土伸缩缝是应用效果较好的两种。这类新型伸缩缝无论是在设计寿命上，还是在环境适应能力，以及行车稳定性等方面，均有自己的独特优势。但是由于技术、材料等方面的限制，目前市场价格还是较高，未来随着技术日益成熟，其价格也会逐渐降低，有望在市政桥梁中大规模使用。

4 结论

根据市政桥梁设计方案和施工要求开展伸缩缝冲击荷载实验，参考实验结果为伸缩缝的选型与安装提供指导。除了掌握伸缩缝安装要点外，还可以尝试一些新型技术，进一步提高伸缩缝的使用效果，进而优化市政桥梁的行车体验。