桥梁伸缩装置

浅析桥梁伸缩装置摘要：本文主要介绍桥梁伸缩装置的分类，影响伸缩装置伸缩量的基本因素，国内外伸缩装置伸缩量的计算公式和方法。1绪论伸缩装置是桥梁的重要构件。是为使车辆平稳通过桥梁并满足结构变形要求的需要，在桥面伸缩接缝处设置的各种装置的总称。又简称伸缩缝。伸缩缝装置直接承受车轮荷载作用和直接受到大气、磨耗、油污、雨水泥沙等环境污染,其性能好坏直接影响行车效果。因此,设计人员如何选择性能良好的伸缩缝装置是极其重要的问题,尤其对弯、坡、斜、宽桥梁更为突出,因此必须选择能够保证具有满足纵向、横向、竖向一定错位的结构形式,并在错位情况下摩擦阻力要小,又能保证伸缩缝自由、位移均匀。但以前很多种伸缩缝装置、横向位移等性能有限,有些根本不具备这些性能。交通部对公路中的十大通病，把桥梁伸缩缝的早期破坏也列为了一次重点解决的问题。因此按伸缩量来分类，大致分为以下三种:大位移伸缩缝（伸缩量△L＞100mm）中位移伸缩缝（伸缩量△L＝50～100mm）小位移伸缩缝（伸缩量△L＜50mm）目前我国的桥梁伸缩装置按使用的材料和用途可以分为五类：纯橡胶式、板式、组合式橡胶伸缩缝和模数支承式伸缩缝。板式伸缩装置的伸缩体由橡胶、钢板或角钢组成，适用于伸缩量≤60mm以下的普通桥梁；组合式伸缩装置的伸缩体由橡胶板和钢托板组合而成，适用于伸缩量≤120mm的普通桥梁；模数式伸缩缝伸缩体采用整体成型的异形钢材制成，由边梁、中梁、横梁、位移控制系统、密封橡胶带等构件组成，适用于各种弯、坡、斜、宽桥梁。模数式伸缩装置可按一定模数任意组拼，从80mm的单缝到1200mm的多缝，当伸缩量≥1200mm时，可按设计要求在工厂加工制造。另外，TST弹塑体伸缩缝完全能够满足伸缩量在50mm以下公路桥梁在纵，横，竖三方面的伸缩变形要求。近年的新型无缝桥仅适用于中小跨径的桥梁。2影响因素及计算方法2.1温度变化在桥梁结构的设计中，温度效应是不容忽视的因素。桥梁结构长期暴露在自然环境中，经受着各种自然条件的影响，其中，受吸收和释放太阳辐射热，周围空气温度的波动以及大气流动等因素的影响.桥梁结构的温度在不断变化。同时，桥梁结构自身起外表面还通过反射，逆辐射，并受空气对流的影响与周围环境时刻进行着热能的交换。另外，是桥体内温度分布不均匀，由于受到太阳照射，桥梁上、下温度不同而产生挠度，桥梁端部有时发生旋转变位。跨径比较大的梁一侧受到太阳照射，桥体只有一侧温度上升，有时也发生变位，但一般因为这样的变位量小，所以在设计时没有考虑的必要。温度变化会引起梁体的膨胀与收缩。为便于计算分析和实际应用，习惯上将桥梁结构产生的温度变化细分为两部分:线性温度变化(体系温度)和非线性温度变化(温度梯度)。其中，线性温度变化引起的桥梁结构的伸缩量占结构全部伸缩量的绝大部分。非线性温度变化虽在结构内部会产生相当的应力和一定的变形，但应力变化是主要的，变形量却相对较小。因此，在桥梁的设计中一般不考虑非线性温度变化，往往是在上述公式计算结果的基础上增加一定的富余量来确定伸缩装置.伸缩装置安装时的温度,一般居于最高有效温度和最低有效温度之间,在温度影响下,其变位量可按下式计算:温度变化引起梁体的总的伸缩量温度变化引起的梁体的伸长量温度变化引起的梁体的收缩量式中，、——当地最高、最低有效气温值，按《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）取用，如表2-1；、——预设的安装温度范围的上限值和下限值；——梁体混凝土材料线膨胀系数，对混凝土材料，，对钢结构，；——计算一个伸缩装置伸缩量所采用的梁体长度，视桥梁长度分段及支座布置情况而定。2.2混凝土收缩、徐变的影响混凝土的收缩徐变是混凝土材料本身所固有的一种特性，是一种高度随机的现象，它受许多主客观因素的影响，如混凝土的水灰比，坍落度，空气含量，水泥品种，混凝土中细集料的比例，构件厚度，温度，相对湿度，混凝土加载龄期，持荷时间和混凝土强度等。混凝土的收缩和徐变在初期发展较快，逐步减缓，约经过1-2年的时间基本趋于稳定。对于混凝十桥梁，在伸缩量计算时均必须考虑混凝土收缩引起的变位;对预应力混凝土桥梁，还必须考虑由于混凝土徐变及干燥收缩引起的梁的收缩。混凝土的收缩和徐变在一般设计中以相应的收缩系数和徐变系数予以反映。混凝土的收缩和徐变主要有下列规律：（1）随水灰比增长而增加；（2）高强度等级水泥的收缩较大；（3）增加填充集料可减小收缩、徐变，并随集料的种类、形状及颗粒组成的不同而异；（4）收缩徐变在凝结初期比较快，以后逐渐迟缓，但仍延续很长时间；（5）环境湿度大的收缩、徐变小，干燥地区收缩、徐变大。原规范对整体浇筑、分段浇筑和装配式的混凝土结构，其收缩采用等效降温的方法予以处理。这是一种简化的近似方法，其值偏小。在《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)中，规定的混凝土收缩应变和徐变系数的计算公式是根据1990年《CEB-FIP模式规范》提供的公式经适当简化处理得到的。（1）收缩效应混凝土随时间而干缩，会影响桥梁的受力和变形。影响混凝土收缩的主要因素是水灰比和骨料含量。据保守估计，混凝土桥的长期收缩约为m，其中一半产生在桥建成的100天内。时刻至时域内混凝土收缩引起的梁体的收缩量，可按下式计算:式中:——伸缩装置安装完成时梁体混凝土龄期至收缩终了时混凝土龄期之间的混凝土收缩应变，可按《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）表6.2.7或附录F采用。（2）徐变效应徐变是混凝土终生都发生的弹塑性变形。时刻至时域内混凝土徐变引起梁体的收缩可按下式计算:式中：——伸缩装置安装完成时梁体混凝土龄期至徐变终了时混凝土龄期之间的混凝土徐变系数，可按《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）表6.2.7或附录F采用;——由预应力（扣除相应阶段预应力损失）引起的截面重心处的法向压应力，当计算的梁为简支梁时，可取跨中截面与1/4跨径截面的平均值；当梁体为连续梁或连续刚构时，可取若干有代表性截面的平均值，具体计算公式参照《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)；——梁体混凝土弹性模量，按《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)表3.1.5采用。2.3各种荷载的影响桥梁结构在运营过程中,经常或持续受到结构自身重力、预加应力、土的重力及土侧压力、混凝土的收缩和徐变、基础变位、汽车(包括其产生的冲击力和制动力及其引起的土侧压力)、人群荷载、温度、雪荷载和地震等荷载的作用。活载、恒载等会使桥梁端部发生角变位，而使伸缩装置产生垂直、水平及角变位。弯桥的汽车离心力会导致伸缩装置的横向搓动。如果梁比较高，且伴有振动的情况，应格外注意，梁的刚度和梁端位移、挠度的关系。在伸缩装置处，相邻结构物的相对变位是个问题。地震荷载的实际作用情况比较复杂，但在条件许可，掌握各方资料比较充分的情况下，还是应创造条件，尽可能作比较仔细的分析。然而，要考虑桥墩和桥台的下沉、旋转、水平位移、以及来自倾斜所造成的伸缩装置的变位，这些可以根据基础地基的调查结果和基础工程的结构，事先在设计中考虑算定。墩台承受的纵向水平力有:温度影响力、混凝土收缩及徐变影响力、台后土侧压力、支座摩阻力及汽车制动力。竖直力有:结构自身重力、活载自重、汽车冲击力、雪荷载。桥侧压力有:主要是风荷载。由制动力引起的板式橡胶支座剪切变形而导致的伸缩缝开口量或闭口量，其值可按或可按下式计算，式中：—分配给支座的汽车制动力标准值；—支座橡胶层总厚度；—支座橡胶剪变模量（按《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）第8.4.1条采用）；—支座平面毛面积。2.4纵坡的影响桥梁梁端伸缩装置处于纵向坡度上而又水平向安装时，伴随着梁体的伸缩，伸缩装置除在水平向变位外，在竖向还有一垂直错位，垂直错位的量值为水平变位值乘以桥梁的纵向坡度。对于伸缩量较小的中小桥梁和纵向坡度不大的桥梁，垂直错位的存在对伸缩装置的影响不大，但对组合钢桥变位大且纵坡也大的情况下，设计伸缩装置的形式就应认真对待。由于大多数伸缩装置主要是考虑单一方向的变位设计的，因此，数值较大的垂直向错位的存在极易损坏伸缩装置，这在桥梁纵向坡度大或伸缩量大时应特别注意。2.5斜桥及曲线桥的影响对斜桥及曲线桥在发生支承移动方向的变位时，便有在桥端线方向的变位及垂直于桥端线方向的变位：式中：—倾斜角；—伸缩量。把沿支座移动方向的位移称作伸缩缝，把垂直于桥梁线的位移称作梁端伸缩缝。由于平行于桥端线的位移而使伸缩装置在平面上受扭，产生剪应力，在设计时必须注意。同时，还应注意支座的约束条件及墩台形式的不同所产生的影响。某些斜桥的端跨采用不等跨梁长导致伸缩缝不等量变形等。2.6其他可能出现的因素影响如伸缩装置安装施工误差加工产生的误差,安装后的预应力及预应力损失的影响。要想准确计算其它伸缩量，是比较困难，设计中应留有足够富裕量，以便选择的伸缩装置规格能完全满足梁体伸缩变形的要求。从以往经验得出：当不考虑安装温度变化时富裕量按基本伸缩量的30%考虑。也就是在计算伸缩量时应乘以伸缩量增大系数。值在德国规范和《公路桥梁伸缩装置》一书内取为1.3，在《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）中定为1.2～1.4，可根据各种不利因素及可能出现的有利因素选择。3其它各国的伸缩量计算方法3.1美国：式中：—伸缩量；L—梁体有效长度。3.2德国：式中：—由有效温度（一般为﹣15°C～+35°C）引起的伸缩量；—梁体的上部结构和下部结构变形，梁体的下沉、转动变形引起的伸缩量；—混凝土干缩引起的伸缩量；—由徐变引起的伸缩量。3.3日本：式中：—系数，因地方不同而不同。式中：—材料线膨胀系数；—桥长；—桥梁设计寿命内，所设定最高气温（几十年一遇）；—桥梁设计寿命内，所设定最低气温（几十年一遇）。按照日本道路公团的标准，伸缩余量是基本伸缩量（温度伸缩量＋干缩、徐变的伸缩量）的20％＋10mm。伸缩余量中基本伸缩量的20％因桥而异。结论目前伸缩缝问题的研究、探讨和改进已引起国内外专家学者的关注，伸缩量的准确计算，伸缩缝的合理选型及施工安装质量的好坏，直接影响桥梁本身安全和交通运输业的经济。因此从多方面分析影响伸缩量的因素和计算方法，有助于研制新产