斜梁式伸縮裝置的位移控制

侯若敬

（1、衡水中鐵建工程橡膠有限責任公司，河北 衡水053000 2、河北省路橋減振降噪技術創(chuàng)新中心，河北 衡水053000）

1 概述

伸縮裝置是橋梁中的重要附屬結(jié)構(gòu)，主要用來調(diào)節(jié)橋梁因氣溫變化、混凝土收縮和徐變、不均勻沉降、車輛沖擊等作用所產(chǎn)生的變形，防止橋面雨水和路面殘渣進入橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部，并保證車輛能夠平穩(wěn)的通行。模數(shù)式伸縮裝置是一種廣為采用的橋梁伸縮裝置，由邊梁、中梁、支承梁、位移傳動系統(tǒng)和密封橡膠帶等構(gòu)件組成。模數(shù)式伸縮裝置可以根據(jù)實際情況增加中梁鋼和密封橡膠帶個數(shù)，從而增大伸縮裝置的位移適應能力，一般用于伸縮量大于160mm 的橋梁。根據(jù)結(jié)構(gòu)和位移控制原理的不同，模數(shù)式伸縮裝置可分為格柵式、直梁式和斜梁式等。斜梁式模數(shù)伸縮裝置是一種創(chuàng)新型的伸縮裝置，屬于大位移量伸縮裝置。它不僅能夠滿足橋梁橫向、縱向以及豎向形變的需要，同時也滿足當今社會對橋梁建設安全、舒適、耐用等特點的要求。

2 斜梁式伸縮裝置的結(jié)構(gòu)形式和功能特點

2.1 結(jié)構(gòu)形式

斜梁式伸縮裝置主要由邊梁、中梁、吊鉤、支承梁、密封橡膠帶、滑動彈簧、滑動支承、位移箱及錨板等部件構(gòu)成。邊梁將伸縮裝置安全可靠的錨固到混凝土或鋼結(jié)構(gòu)上；中梁將垂直向和水平向的車輛負荷傳遞到兩邊梁，通過邊梁將負荷傳遞到梁體結(jié)構(gòu)上；被支撐的活動的中梁，根據(jù)梁縫大小的變化均勻的開合；密封橡膠帶與中梁或邊梁之間提供水密性的及永久性的連接，能夠做到徹底防水。結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，實物如圖2 所示。

2.2 功能特點

2.2.1 簡單高效的控制機構(gòu)

與格柵式模數(shù)伸縮裝置相比，斜梁式模數(shù)伸縮裝置將一組支承箱內(nèi)由一根支承梁支撐所有中梁的想法變?yōu)楝F(xiàn)實。同時，該伸縮裝置采用的是四連桿控制機構(gòu)，這種控制機構(gòu)可以適應橋梁結(jié)構(gòu)的三維方向運動、轉(zhuǎn)動以及交通荷載的同步傳遞，并且不需要附加任何控制元件來實現(xiàn)運動。

圖2 斜梁式伸縮裝置實物圖

2.2.2 等距運動

采用幾何的剛性控制的原理方法，可確保伸縮縫均勻伸縮（彈性控制伸縮縫伸縮不均勻）。中梁通過滑動支承部件可以在支承梁上滑動。通過支承梁的幾何排列，中梁的位置可以被有效的控制，這樣，中梁與中梁之間、邊梁與中梁之間的間隙能夠保證始終均等，從而避免因梁與梁之間不等距造成的橋面跳車現(xiàn)象。

2.2.3 防水、牢固性能好

由于該伸縮裝置邊梁與中梁、中梁與中梁之間的密封橡膠帶與型腔緊密嵌合，從而達到徹底防水的效果。同時，該伸縮裝置的密封橡膠帶錨固牢靠，即使密封橡膠帶拉伸至150mm 時也不會脫落。并且，當車輪碾壓在夾有石子或其它雜物的密封橡膠帶上時，也能夠保證密封橡膠帶不會脫落。

2.2.4 維修方便

該伸縮裝置由于本身結(jié)構(gòu)的原因，具有更簡潔快速的所有部件的可更換性。當伸縮裝置的易損彈性控制元件或中梁出現(xiàn)損壞需要更換時，不需要中斷交通就能夠進行維修或更換。同時，即使將伸縮裝置的數(shù)根中梁同時拆除，也不會影響伸縮裝置的控制機構(gòu)。

2.2.5 抗震能力強

隨著近些年地震的頻發(fā)，開始對易發(fā)生地震地區(qū)的橋梁抗震能力提出了更高的要求！雖然，目前橋梁設計者們針對如何提高橋梁主體結(jié)構(gòu)抗震能力已經(jīng)有了解決方案。但是，針對橋梁結(jié)構(gòu)保護附件產(chǎn)品（伸縮裝置）如何在地震發(fā)生后能夠正常工作，尚未尋求到更好地解決方案。

與一般震動相比，地震引起的橋梁結(jié)構(gòu)位移更大、更復雜，僅為了保護結(jié)構(gòu)不受破壞而加裝更大型伸縮裝置是不必要的。斜梁式模數(shù)伸縮裝置設計了一個臨界破壞點裝置，從而達到保護橋梁結(jié)構(gòu)的目的。

當?shù)卣鸢l(fā)生時，伸縮裝置保險箱內(nèi)設計的臨界破壞點裝置可以將動能轉(zhuǎn)換成勢能，將地震產(chǎn)生的能量釋放，并會在臨界破壞點時強行破壞錨固水泥砼及瀝青砼。當?shù)卣鸾Y(jié)束后，伸縮裝置保險箱內(nèi)設計的臨界破壞點裝置便將勢能轉(zhuǎn)換成動能，伸縮裝置復位成正常工作狀態(tài)。因此，在發(fā)生地震時使用該伸縮裝置仍可以保證緊急車輛能夠順利通行。

2.2.6 服役時間長

只要能夠及時并且專業(yè)的對該伸縮裝置進行維護保養(yǎng)，該伸縮裝置主體的正常使用壽命在40 年以上，其中不可更換部件的正常使用壽命在100 年以上。

2.2.7 適用范圍廣

與格柵式模數(shù)伸縮裝置和梳齒板式伸縮裝置相比，斜梁式模數(shù)伸縮裝置適用于伸縮量不低于160mm 的所有橋梁工程。特別適用于懸索、斜拉形柔性結(jié)構(gòu)橋梁、橋梁拼寬、互通匝道弧度較大的橋梁工程，以及地震頻發(fā)地區(qū)的橋梁工程。

3 斜梁式伸縮裝置的位移控制

3.1 位移控制機理

斜梁式伸縮裝置的位移控制系統(tǒng)由支承梁、中梁、滑動彈簧和滑動支承構(gòu)成，支承梁大致平行布置，且與橋梁縱軸線有一定夾角（約20°）斜向布置。位移控制機理是由斜向布置的搖擺支承梁實現(xiàn)，該搖擺支承梁在伸縮縫的鋼箱梁側(cè)可旋轉(zhuǎn)，在伸縮縫的另一側(cè)既可轉(zhuǎn)動，也可沿其軸向滑動。每個位移箱只設一根支承梁。斜梁式伸縮裝置的平面圖見圖3。

圖3 斜梁式伸縮裝置平面圖

支承梁一端與主橋鋼箱梁連接，只可在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動可看作鉸接（固定端)；另一端與引橋砼梁連接，可沿縱橋向滑動以及在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動（活動端）。中梁通過吊鉤箍在支承梁上，中梁與支承梁之間設置可滑移的支承，并施加預壓力，以減弱構(gòu)件的振動，避免構(gòu)件之間發(fā)生碰撞，見圖4。

圖4 中梁吊鉤組件

當主橋和引橋發(fā)生相對變位時，支承梁繞其鉸接端發(fā)生水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動，中梁也隨著支承梁的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生變位。由于導梁的橫向限制作用，中梁不能自由地進行橫向運動，只能沿著支承梁發(fā)生滑移。在伸縮裝置安裝時，各中梁是等間距布置的。因此，按照幾何上的等比例關系，伸縮裝置伸長或縮短后各中梁應仍是等間距的，斜梁式伸縮裝置的設計正是基于此原理。

3.2 位移等距驗算

當伸縮裝置逐漸伸長或縮短時，各中梁先是保持不動，隨著伸縮量的增大或縮小，各中梁上的支撐體會先后發(fā)生滑移，帶動中梁運動。中梁和支承梁可視為剛性構(gòu)件，各中梁為平行布置，參考圖5，當位移發(fā)生變化時，支承梁產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)，各中梁之間的間隙發(fā)生變化，利用幾何關系可知，各間隙是相同的，也就是縫寬相同。

圖5 斜梁式伸縮裝置位移示意

4 結(jié)論

由于構(gòu)造原因，斜梁式伸縮裝置各中梁并不同時發(fā)生滑移，需要驅(qū)動力足夠大時，即達到了支座與支承梁及中梁的最大摩擦力，支座將沿支承梁滑移。無論伸縮裝置是伸長還是縮短，越靠近伸縮縫活動端（引橋端）的伸縮縫單元越容易發(fā)生滑移，越靠近伸縮縫固定端（主橋端）的伸縮縫單元越不容易發(fā)生滑移。

影響縫寬均勻性的因素有滑動材料摩擦系數(shù)、支座預壓力、支座抗剪切剛度，這些反映的是伸縮裝置構(gòu)件的材料特性和加工、安裝工藝，其中的預壓力是為了保證構(gòu)件之間的可靠連接、減弱構(gòu)件的振動而施加的。因此，對支座的材料以及伸縮裝置整體制作精度要求極高。

斜梁式伸縮裝置代表著全球最先進、最可靠、易維護且超長壽命的橋梁結(jié)構(gòu)附件產(chǎn)品。