橋梁伸縮裝置

淺析橋梁伸縮裝置摘要：本文主要介紹橋梁伸縮裝置的分類，影響伸縮裝置伸縮量的基本因素，國內(nèi)外伸縮裝置伸縮量的計(jì)算公式和方法。1緒論伸縮裝置是橋梁的重要構(gòu)件。是為使車輛平穩(wěn)通過橋梁并滿足結(jié)構(gòu)變形要求的需要，在橋面伸縮接縫處設(shè)置的各種裝置的總稱。又簡稱伸縮縫。伸縮縫裝置直接承受車輪荷載作用和直接受到大氣、磨耗、油污、雨水泥沙等環(huán)境污染,其性能好壞直接影響行車效果。因此,設(shè)計(jì)人員如何選擇性能良好的伸縮縫裝置是極其重要的問題,尤其對彎、坡、斜、寬橋梁更為突出,因此必須選擇能夠保證具有滿足縱向、橫向、豎向一定錯(cuò)位的結(jié)構(gòu)形式,并在錯(cuò)位情況下摩擦阻力要小,又能保證伸縮縫自由、位移均勻。但以前很多種伸縮縫裝置、橫向位移等性能有限,有些根本不具備這些性能。交通部對公路中的十大通病，把橋梁伸縮縫的早期破壞也列為了一次重點(diǎn)解決的問題。因此按伸縮量來分類，大致分為以下三種:大位移伸縮縫（伸縮量△L＞100mm）中位移伸縮縫（伸縮量△L＝50～100mm）小位移伸縮縫（伸縮量△L＜50mm）目前我國的橋梁伸縮裝置按使用的材料和用途可以分為五類：純橡膠式、板式、組合式橡膠伸縮縫和模數(shù)支承式伸縮縫。板式伸縮裝置的伸縮體由橡膠、鋼板或角鋼組成，適用于伸縮量≤60mm以下的普通橋梁；組合式伸縮裝置的伸縮體由橡膠板和鋼托板組合而成，適用于伸縮量≤120mm的普通橋梁；模數(shù)式伸縮縫伸縮體采用整體成型的異形鋼材制成，由邊梁、中梁、橫梁、位移控制系統(tǒng)、密封橡膠帶等構(gòu)件組成，適用于各種彎、坡、斜、寬橋梁。模數(shù)式伸縮裝置可按一定模數(shù)任意組拼，從80mm的單縫到1200mm的多縫，當(dāng)伸縮量≥1200mm時(shí)，可按設(shè)計(jì)要求在工廠加工制造。另外，TST彈塑體伸縮縫完全能夠滿足伸縮量在50mm以下公路橋梁在縱，橫，豎三方面的伸縮變形要求。近年的新型無縫橋僅適用于中小跨徑的橋梁。2影響因素及計(jì)算方法2.1溫度變化在橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，溫度效應(yīng)是不容忽視的因素。橋梁結(jié)構(gòu)長期暴露在自然環(huán)境中，經(jīng)受著各種自然條件的影響，其中，受吸收和釋放太陽輻射熱，周圍空氣溫度的波動(dòng)以及大氣流動(dòng)等因素的影響.橋梁結(jié)構(gòu)的溫度在不斷變化。同時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)自身起外表面還通過反射，逆輻射，并受空氣對流的影響與周圍環(huán)境時(shí)刻進(jìn)行著熱能的交換。另外，是橋體內(nèi)溫度分布不均勻，由于受到太陽照射，橋梁上、下溫度不同而產(chǎn)生撓度，橋梁端部有時(shí)發(fā)生旋轉(zhuǎn)變位?？鐝奖容^大的梁一側(cè)受到太陽照射，橋體只有一側(cè)溫度上升，有時(shí)也發(fā)生變位，但一般因?yàn)檫@樣的變位量小，所以在設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮的必要。溫度變化會引起梁體的膨脹與收縮。為便于計(jì)算分析和實(shí)際應(yīng)用，習(xí)慣上將橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的溫度變化細(xì)分為兩部分:線性溫度變化(體系溫度)和非線性溫度變化(溫度梯度)。其中，線性溫度變化引起的橋梁結(jié)構(gòu)的伸縮量占結(jié)構(gòu)全部伸縮量的絕大部分。非線性溫度變化雖在結(jié)構(gòu)內(nèi)部會產(chǎn)生相當(dāng)?shù)膽?yīng)力和一定的變形，但應(yīng)力變化是主要的，變形量卻相對較小。因此，在橋梁的設(shè)計(jì)中一般不考慮非線性溫度變化，往往是在上述公式計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上增加一定的富余量來確定伸縮裝置.伸縮裝置安裝時(shí)的溫度,一般居于最高有效溫度和最低有效溫度之間,在溫度影響下,其變位量可按下式計(jì)算:溫度變化引起梁體的總的伸縮量溫度變化引起的梁體的伸長量溫度變化引起的梁體的收縮量式中，、——當(dāng)?shù)刈罡?、最低有效氣溫值，按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60-2004）取用，如表2-1；、——預(yù)設(shè)的安裝溫度范圍的上限值和下限值；——梁體混凝土材料線膨脹系數(shù)，對混凝土材料，，對鋼結(jié)構(gòu)，；——計(jì)算一個(gè)伸縮裝置伸縮量所采用的梁體長度，視橋梁長度分段及支座布置情況而定。2.2混凝土收縮、徐變的影響混凝土的收縮徐變是混凝土材料本身所固有的一種特性，是一種高度隨機(jī)的現(xiàn)象，它受許多主客觀因素的影響，如混凝土的水灰比，坍落度，空氣含量，水泥品種，混凝土中細(xì)集料的比例，構(gòu)件厚度，溫度，相對濕度，混凝土加載齡期，持荷時(shí)間和混凝土強(qiáng)度等?；炷恋氖湛s和徐變在初期發(fā)展較快，逐步減緩，約經(jīng)過1-2年的時(shí)間基本趨于穩(wěn)定。對于混凝十橋梁，在伸縮量計(jì)算時(shí)均必須考慮混凝土收縮引起的變位;對預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，還必須考慮由于混凝土徐變及干燥收縮引起的梁的收縮。混凝土的收縮和徐變在一般設(shè)計(jì)中以相應(yīng)的收縮系數(shù)和徐變系數(shù)予以反映?；炷恋氖湛s和徐變主要有下列規(guī)律：（1）隨水灰比增長而增加；（2）高強(qiáng)度等級水泥的收縮較大；（3）增加填充集料可減小收縮、徐變，并隨集料的種類、形狀及顆粒組成的不同而異；（4）收縮徐變在凝結(jié)初期比較快，以后逐漸遲緩，但仍延續(xù)很長時(shí)間；（5）環(huán)境濕度大的收縮、徐變小，干燥地區(qū)收縮、徐變大。原規(guī)范對整體澆筑、分段澆筑和裝配式的混凝土結(jié)構(gòu)，其收縮采用等效降溫的方法予以處理。這是一種簡化的近似方法，其值偏小。在《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62-2004)中，規(guī)定的混凝土收縮應(yīng)變和徐變系數(shù)的計(jì)算公式是根據(jù)1990年《CEB-FIP模式規(guī)范》提供的公式經(jīng)適當(dāng)簡化處理得到的。（1）收縮效應(yīng)混凝土隨時(shí)間而干縮，會影響橋梁的受力和變形。影響混凝土收縮的主要因素是水灰比和骨料含量。據(jù)保守估計(jì)，混凝土橋的長期收縮約為m，其中一半產(chǎn)生在橋建成的100天內(nèi)。時(shí)刻至?xí)r域內(nèi)混凝土收縮引起的梁體的收縮量，可按下式計(jì)算:式中:——伸縮裝置安裝完成時(shí)梁體混凝土齡期至收縮終了時(shí)混凝土齡期之間的混凝土收縮應(yīng)變，可按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60-2004）表6.2.7或附錄F采用。（2）徐變效應(yīng)徐變是混凝土終生都發(fā)生的彈塑性變形。時(shí)刻至?xí)r域內(nèi)混凝土徐變引起梁體的收縮可按下式計(jì)算:式中：——伸縮裝置安裝完成時(shí)梁體混凝土齡期至徐變終了時(shí)混凝土齡期之間的混凝土徐變系數(shù)，可按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60-2004）表6.2.7或附錄F采用;——由預(yù)應(yīng)力（扣除相應(yīng)階段預(yù)應(yīng)力損失）引起的截面重心處的法向壓應(yīng)力，當(dāng)計(jì)算的梁為簡支梁時(shí)，可取跨中截面與1/4跨徑截面的平均值；當(dāng)梁體為連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)時(shí)，可取若干有代表性截面的平均值，具體計(jì)算公式參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2002)；——梁體混凝土彈性模量，按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60-2004)表3.1.5采用。2.3各種荷載的影響橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營過程中,經(jīng)?；虺掷m(xù)受到結(jié)構(gòu)自身重力、預(yù)加應(yīng)力、土的重力及土側(cè)壓力、混凝土的收縮和徐變、基礎(chǔ)變位、汽車(包括其產(chǎn)生的沖擊力和制動(dòng)力及其引起的土側(cè)壓力)、人群荷載、溫度、雪荷載和地震等荷載的作用?；钶d、恒載等會使橋梁端部發(fā)生角變位，而使伸縮裝置產(chǎn)生垂直、水平及角變位。彎橋的汽車離心力會導(dǎo)致伸縮裝置的橫向搓動(dòng)。如果梁比較高，且伴有振動(dòng)的情況，應(yīng)格外注意，梁的剛度和梁端位移、撓度的關(guān)系。在伸縮裝置處，相鄰結(jié)構(gòu)物的相對變位是個(gè)問題。地震荷載的實(shí)際作用情況比較復(fù)雜，但在條件許可，掌握各方資料比較充分的情況下，還是應(yīng)創(chuàng)造條件，盡可能作比較仔細(xì)的分析。然而，要考慮橋墩和橋臺的下沉、旋轉(zhuǎn)、水平位移、以及來自傾斜所造成的伸縮裝置的變位，這些可以根據(jù)基礎(chǔ)地基的調(diào)查結(jié)果和基礎(chǔ)工程的結(jié)構(gòu)，事先在設(shè)計(jì)中考慮算定。墩臺承受的縱向水平力有:溫度影響力、混凝土收縮及徐變影響力、臺后土側(cè)壓力、支座摩阻力及汽車制動(dòng)力。豎直力有:結(jié)構(gòu)自身重力、活載自重、汽車沖擊力、雪荷載。橋側(cè)壓力有:主要是風(fēng)荷載。由制動(dòng)力引起的板式橡膠支座剪切變形而導(dǎo)致的伸縮縫開口量或閉口量，其值可按或可按下式計(jì)算，式中：—分配給支座的汽車制動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)值；—支座橡膠層總厚度；—支座橡膠剪變模量（按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60-2004）第8.4.1條采用）；—支座平面毛面積。2.4縱坡的影響橋梁梁端伸縮裝置處于縱向坡度上而又水平向安裝時(shí)，伴隨著梁體的伸縮，伸縮裝置除在水平向變位外，在豎向還有一垂直錯(cuò)位，垂直錯(cuò)位的量值為水平變位值乘以橋梁的縱向坡度。對于伸縮量較小的中小橋梁和縱向坡度不大的橋梁，垂直錯(cuò)位的存在對伸縮裝置的影響不大，但對組合鋼橋變位大且縱坡也大的情況下，設(shè)計(jì)伸縮裝置的形式就應(yīng)認(rèn)真對待。由于大多數(shù)伸縮裝置主要是考慮單一方向的變位設(shè)計(jì)的，因此，數(shù)值較大的垂直向錯(cuò)位的存在極易損壞伸縮裝置，這在橋梁縱向坡度大或伸縮量大時(shí)應(yīng)特別注意。2.5斜橋及曲線橋的影響對斜橋及曲線橋在發(fā)生支承移動(dòng)方向的變位時(shí)，便有在橋端線方向的變位及垂直于橋端線方向的變位：式中：—傾斜角；—伸縮量。把沿支座移動(dòng)方向的位移稱作伸縮縫，把垂直于橋梁線的位移稱作梁端伸縮縫。由于平行于橋端線的位移而使伸縮裝置在平面上受扭，產(chǎn)生剪應(yīng)力，在設(shè)計(jì)時(shí)必須注意。同時(shí)，還應(yīng)注意支座的約束條件及墩臺形式的不同所產(chǎn)生的影響。某些斜橋的端跨采用不等跨梁長導(dǎo)致伸縮縫不等量變形等。2.6其他可能出現(xiàn)的因素影響如伸縮裝置安裝施工誤差加工產(chǎn)生的誤差,安裝后的預(yù)應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力損失的影響。要想準(zhǔn)確計(jì)算其它伸縮量，是比較困難，設(shè)計(jì)中應(yīng)留有足夠富裕量，以便選擇的伸縮裝置規(guī)格能完全滿足梁體伸縮變形的要求。從以往經(jīng)驗(yàn)得出：當(dāng)不考慮安裝溫度變化時(shí)富裕量按基本伸縮量的30%考慮。也就是在計(jì)算伸縮量時(shí)應(yīng)乘以伸縮量增大系數(shù)。值在德國規(guī)范和《公路橋梁伸縮裝置》一書內(nèi)取為1.3，在《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD62-2004）中定為1.2～1.4，可根據(jù)各種不利因素及可能出現(xiàn)的有利因素選擇。3其它各國的伸縮量計(jì)算方法3.1美國：式中：—伸縮量；L—梁體有效長度。3.2德國：式中：—由有效溫度（一般為﹣15°C～+35°C）引起的伸縮量；—梁體的上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)變形，梁體的下沉、轉(zhuǎn)動(dòng)變形引起的伸縮量；—混凝土干縮引起的伸縮量；—由徐變引起的伸縮量。3.3日本：式中：—系數(shù)，因地方不同而不同。式中：—材料線膨脹系數(shù)；—橋長；—橋梁設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，所設(shè)定最高氣溫（幾十年一遇）；—橋梁設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，所設(shè)定最低氣溫（幾十年一遇）。按照日本道路公團(tuán)的標(biāo)準(zhǔn)，伸縮余量是基本伸縮量（溫度伸縮量＋干縮、徐變的伸縮量）的20％＋10mm。伸縮余量中基本伸縮量的20％因橋而異。結(jié)論目前伸縮縫問題的研究、探討和改進(jìn)已引起國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注，伸縮量的準(zhǔn)確計(jì)算，伸縮縫的合理選型及施工安裝質(zhì)量的好壞，直接影響橋梁本身安全和交通運(yùn)輸業(yè)的經(jīng)濟(jì)。因此從多方面分析影響伸縮量的因素和計(jì)算方法，有助于研制新產(chǎn)