公路橋頭鉸接搭板裝置可行性研究

鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院 王 磊 劉孝明 李博識 涂家明

公路橋頭鉸接搭板裝置可行性研究

鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院 王 磊 劉孝明 李博識 涂家明

有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，目前我國公路總里程已超過400萬km，其中高等級公路里程約占10.2%。伴隨著公路交通的快速發(fā)展，公路工程建設(shè)中存在的問題也日益增加，橋頭跳車作為一個(gè)常見問題，嚴(yán)重影響了公路行車的安全性與舒適性。本文，筆者提出了一種新型的橋頭鉸接搭板裝置，對于防止橋頭跳車具有顯著成效。

一、橋頭跳車的成因及危害

1.橋頭跳車的成因。橋頭跳車是指橋臺臺背填料在自重和行車荷載的作用下，產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致車輛行駛到此處產(chǎn)生跳動(dòng)的現(xiàn)象。隨著公路等級的提高，人們對行車的安全性及舒適性的要求也越來越高。從目前已投入使用的公路的運(yùn)營狀況來看，在橋涵構(gòu)造物與道路的連接部位普遍存在橋頭跳車現(xiàn)象，不僅影響了公路行車的舒適性，也無法保證公路行車的安全性。因此，如何有效治理橋頭跳車已成為高等級公路養(yǎng)護(hù)及管理中亟待解決的一個(gè)問題。

2.橋頭跳車的危害。其危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）降低了行車的舒適性與安全性。高速行駛的車輛經(jīng)過橋頭時(shí)，會產(chǎn)生跳動(dòng)現(xiàn)象，影響司機(jī)和乘客的行車舒適性，嚴(yán)重時(shí)還會引發(fā)重大交通事故。

（2）增加了公路養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。為了保證公路良好的使用狀況，需要對出現(xiàn)的臺階進(jìn)行及時(shí)維修、養(yǎng)護(hù)，不僅耗費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力，也產(chǎn)生了不良的社會影響。

（3）降低了路面和橋梁的使用壽命。由于沉降差造成的臺階，使得車輛通過時(shí)產(chǎn)生跳動(dòng)和沖擊，從而對橋梁和路面造成附加的沖擊荷載，加速了橋頭路面的破壞。

二、橋頭跳車治理措施

1.傳統(tǒng)治理措施。傳統(tǒng)的公路橋梁橋頭跳車的治理措施主要有：

（1）堆載預(yù)壓法。此方法主要是加速橋臺臺背填料的固結(jié)，減小其次固結(jié)沉降量，從而減小橋頭伸縮縫兩側(cè)的沉降差。

（2）橋頭搭板法。通過設(shè)置搭板來緩和其沉降不均勻所帶來的沉降差。

（3）土工格柵法。此方法主要是利用土工布將上部荷載均勻地傳遞到下部土基和橋臺，從而減小伸縮縫處的沉降差。

（4）地基加固法。采用水泥攪拌樁、擠密砂樁、碎石樁來減小臺背填料的沉降量，進(jìn)而減小由于不均勻沉降帶來的沉降差。

（5）注漿法。通過鉆孔，利用注漿設(shè)備，運(yùn)用液壓、氣壓和電化學(xué)原理，將漿液分1層均勻地注入地層中，漿液以填充、滲透和擠密等方式排出土顆粒間裂隙中的水分和空氣，并占據(jù)土顆粒間的空間，使路基孔隙比減小，強(qiáng)度提高。

2.新型治理方案。在橋頭裝設(shè)自適應(yīng)鉸接搭板裝置，可以有效防止橋頭跳車現(xiàn)象發(fā)生。

（1）鉸接搭板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。橋頭跳車產(chǎn)生的根本原因是橋臺兩側(cè)沉降不均勻，傳統(tǒng)的處理方法多是采取一系列的措施來減小臺背填料的后期沉降量，進(jìn)而減小橋臺兩側(cè)的沉降差，這些方法雖然對緩解橋頭跳車問題有一定的作用，但是臺兩側(cè)會產(chǎn)生沉降差。此外，在搭板與路面交接處還會產(chǎn)生二次跳車現(xiàn)象。經(jīng)驗(yàn)表明，只注重改善臺背填料的性質(zhì)不能從根本上解決問題，突破以往減小橋頭兩側(cè)沉降差的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，采用可活動(dòng)的自適應(yīng)鉸接搭板裝置，并利用裝置本身的重力及行車荷載來消除橋頭沉降差所帶來的臺階，以達(dá)到自動(dòng)適應(yīng)沉降差的目的，為解決橋頭跳車問題提供了一種新的技術(shù)和施工方法。自適應(yīng)鉸接搭板裝置主要包括橋面搭板、路面搭板、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)軸螺釘、橋面搭板固定錨釘5部分。其中橋面搭板有預(yù)留孔，供錨釘通過并與橋面固定，路面搭板與橋面搭板通過轉(zhuǎn)軸鉸接，轉(zhuǎn)軸兩側(cè)內(nèi)部預(yù)留有螺紋通過轉(zhuǎn)軸螺釘固定。連接完成的裝置中路面搭板是活動(dòng)的，可以像合頁一樣自由轉(zhuǎn)動(dòng)，自動(dòng)適應(yīng)橋頭與路堤的差異沉降，從而消除沉降差帶來的臺階，始終保持橋頭路面的連續(xù)性和平滑性；同時(shí)，避免了傳統(tǒng)方法解決橋頭跳車問題時(shí)造成的重復(fù)維修現(xiàn)象，而且其對沉降差的大小并無具體要求，因此也降低了橋臺臺背填料壓實(shí)度的要求。自適應(yīng)鉸接搭板裝置如圖1所示。

圖 1 自適應(yīng)鉸接搭板裝置

從圖1可知，該裝置可根據(jù)車道的寬度進(jìn)行調(diào)整，與單個(gè)車道同寬，一般取3.5 m或3.75 m，然后將上述裝置并排鋪設(shè)在整個(gè)行車道，彼此之間相互獨(dú)立。此外，該裝置便于規(guī)?；a(chǎn)，能降低生產(chǎn)和施工成本。

（2）數(shù)值模擬計(jì)算。根據(jù)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式，運(yùn)用大型通用有限元軟件ABAQUS對路面搭板工況進(jìn)行模擬。模型寬3.5 m，長1.2 m，厚25 mm，楔形體長0.6 m。模型選用Q235低碳鋼材料，材料密度為7 800 kg/m3，楊氏模量為210 GPa，泊松比為0.3。考慮到結(jié)構(gòu)在行車荷載作用下的應(yīng)力和彈性應(yīng)變，故單元網(wǎng)格劃分采用C3D4四結(jié)點(diǎn)線性單元體。由于后軸軸載一般占車輛總重的2/3～3/4，故僅考慮后軸對路面搭板的作用；考慮最不利荷載情況，將車輪荷載簡化為2個(gè)0.3 m×0.3 m的矩形均布荷載作用于板長中央，軸距為2.3 m，采用不同軸載分別作用。以1輛載重100 t的雙軸雙輪組車輛通過該裝置，假設(shè)其軸載為80 t，當(dāng)80 t軸載作用時(shí)，Mises應(yīng)力和豎向位移分布云如圖2所示，最大Mises應(yīng)力和最大豎向位移如圖3所示。

圖 2 80 t軸載作用時(shí)Mises應(yīng)力和豎向位移分布云

圖 3 最大Mises應(yīng)力和最大豎向位移

從圖2中可以看出，在80 t軸載作用下，路面搭板兩側(cè)的轉(zhuǎn)軸插孔處首先發(fā)生了應(yīng)力集中，出現(xiàn)了最大應(yīng)力值，其次就是車輪作用處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力，而最大豎向位移值出現(xiàn)在輪載作用處，繼而呈盆狀向外擴(kuò)散。從圖3中可以看出，最大豎向位移和最大Mises應(yīng)力與軸載呈線性關(guān)系。由于車輛為雙軸雙輪組，故單軸分配軸載為40 t，由圖3可以看出，搭板的最大豎向位移為0.21 mm，最大Mises應(yīng)力為86 MPa，而Q235的屈服應(yīng)力為235 MPa，遠(yuǎn)大于其最大Mises應(yīng)力，因此搭板能夠正常工作。

三、結(jié)論

1.在車輛荷載的作用下以及臺背填料的后期固結(jié)沉降中，路面與橋臺的沉降差會繼續(xù)增大，此時(shí)路面搭板的楔形體只有端部與路面接觸，以使路面所受壓強(qiáng)增大。但是，在車輛荷載的重復(fù)作用下，路面搭板會產(chǎn)生一定的疲勞變形。該裝置在一定程度上利用了該疲勞變形，使得楔形體底面重新與路面接觸，故路面所受壓強(qiáng)又變?yōu)樵瓉淼拇笮　?/p>

2.由于自適應(yīng)鉸接搭板裝置的主要材料為鋼材，在外界環(huán)境中難免會受到雨水侵蝕和空氣氧化，因此應(yīng)在搭板靠近路面的一側(cè)涂刷防銹油漆，以提高其耐久性；而轉(zhuǎn)軸在橋面搭板和路面搭板的不斷作用下會產(chǎn)生微量的疲勞變形，并出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，因此應(yīng)定期對其進(jìn)行檢查。

3.由于在橋面和路面過渡部分設(shè)置了足夠的長度，因此對行車舒適性影響較?。辉撗b置在工廠提前制作完成，只需進(jìn)行現(xiàn)場安裝，安裝后即可放行通車。因此，該方法比傳統(tǒng)施工方法縮短了約80%的工期，減少了路面維護(hù)過程中對交通的阻斷時(shí)間；對路面所做的改造較少，而且不會影響伸縮縫的正常工作，因此對路面的二次破壞?。徊捎米赃m應(yīng)鉸接裝置，搭板可根據(jù)沉降差進(jìn)行自行調(diào)節(jié)，從而避免了重復(fù)維修。