对桥梁的伸缩装置设计分析

邵转吉 沈荣华

1 设计考虑的因素

温度变化是影响伸缩量的主要因素，钢筋混凝土桥及预应力混凝土桥需考虑其徐变及收缩，根据当地温度变化范围和安装支座时的温度来计算伸缩量、混凝土的徐变、收缩的缩短量，从而在设计时使得整个伸缩装置结构的设计更为合理。

1)温度变化。温度变化是影响伸缩量的主要因素。由于温度使桥梁内部温度分布不均匀会引起大跨径桥梁端部产生角变位，一般跨径比值较小，可不予考虑;大跨径桥梁，设计时应予考虑。

2)混凝土的徐变和收缩。钢筋混凝土桥及预应力混凝土桥需考虑其徐变及收缩。徐变量按梁在预应力作用下的弹性变形乘以徐变系数φ=2求得。收缩量以温度下降20℃来换算，应当考虑安装时混凝土的徐变和收缩已完成的部分，为此应将全部徐变和收缩量乘以折减系数β。表1中的β值可供设计时参考。徐变的龄期是以施加预应力后的时间计算，收缩是以浇筑混凝土以后到安装时的全部龄期计算，设置伸缩装置后施加的预应力需另加。

表1 β值

3)各种荷重所引起的桥梁挠度。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。如果梁比较高，且伴有振动的情况，应格外注意。由于加宽桥面而要设置纵向伸缩装置时，跨中挠度较大，还应注意在振动时变位随时间变化的相位差。

4)地震影响使构造物发生变位。地震对伸缩装置的变位影响比较复杂，目前还难以把握，在设计伸缩装置时一般不予考虑;但如有可靠资料能算出地震对桥梁墩台的下沉、回转、水平移动及倾斜量时，在设计时给以考虑当然更好。

5)纵坡对变位的影响。纵坡较大的桥，通常施工时把活动支座作成水平的，因而在支座位移时在路面产生了一个垂直差(Δd)，其值为水平位移乘以纵坡(tanθ)，在变位较小的情况下可不予考虑，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。

6)斜桥及曲线桥的变位。斜桥及曲线桥在发生支承移动方向的变位ΔL时，便有在桥端线方向的变位ΔS及垂直于桥端线方向的变位 Δd:Δd=ΔLsinθ，ΔS=ΔLcosθ。其中，θ为倾斜角;ΔL为伸缩量。把沿支座移动方向的位移ΔL称作伸缩缝，把垂直于桥梁线的位移Δd称作梁端伸缩缝。由于平行于桥端线ΔS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。

2 设计计算方法

2.1 温度变化的伸缩量

根据当地温度变化范围和安装支座时的温度来计算伸缩量(ΔLt)、混凝土的徐变、收缩的缩短量;其他次要因素是用一定的安全值在构造上给以考虑，同时还应算出由于施工时，温度变化的修正量，一般计算如下:ΔLt=(Tmax－Tmin)γ·L，ΔL+=(Tmax－Tset)γ·L，ΔL－=(Tset－Tmin)γ·L。其中，ΔLt为温度变化引起的伸缩量;ΔL+为温度升高引起的梁的伸长量;ΔL－为温度降低引起的梁的伸缩量;Tmax为设计最高环境温度;Tmin为设计最低环境温度;Tset为设置伸缩装置时的温度;γ为膨胀系数，钢梁为12×10－6，混凝土为 10 ×10－6。

2.2 混凝土徐变及干燥引起的收缩量

对钢筋混凝土桥必须考虑由于混凝土的干燥收缩引起的梁的伸缩量，对预应力混凝土桥则必须考虑由于混凝土的徐变及干燥收缩所引起的梁的收缩量，求干燥收缩量要换算成温度下降量。徐变变形量是根据持续应力作用在桥体上时，由持续应力所产生的弹性变形量乘以徐变系数来求得。根据我国《公路桥涵设计通用规范》第2.2.4条规定，混凝土的收缩影响可作为温度的额外降低考虑。安装伸缩缝装置的时期，通常也就是徐变及干燥收缩以某种程度进行的时期，如能确切把握这段时期，则在设计时予以考虑是有利的。这种情况下，如果把混凝土的徐变及干燥收缩从某一时间算起的收缩量和从开始算起的全部收缩量之比作为递减系数(β)，那么由某一龄期算起的残余收缩量可以用全部收缩量乘以递减系数(β)来求得。ΔLs=Δt×γ×L×β，ΔLc=δρ/Ee×φ×L×β。其中，ΔLs为由于干燥收缩引起的梁的收缩量;ΔLc为由于徐变引起的梁的收缩量;Ee为混凝土的弹性模量，取33 000 MPa;δρ为由于预应力等引起的平均轴向应力;φ为混凝土的徐变系数，一般φ=2.0;β为徐变、干燥收缩的递减系数。

实际采用的伸缩量应考虑一定的安全值，如W型伸缩装置，宽65 mm，初压缩量20 mm。

3 结语

1)小跨径的中小桥(如20 m以内的)宜不设伸缩缝。支座采用固定式橡胶支座，让墩台的弹性变形和台后的土抗力来抵抗温度应力(因变形长度在10 m以内伸缩量一般在5 mm以内)。也可以在路面及桥面铺装摊铺完了，再沿原缝开一条宽2 cm深3 cm～5 cm的假缝，内填以沥青麻絮或其他可塑性材料以防面龟裂。2)中、小桥宜采用W型伸缩装置，它具有以下一些优点:a.伸缩体与铁件连接可不用胶水，而利用橡胶本身的预压密封防水;b.构件尺寸小，相应材料用量省，施工方便，造价低;c.温度伸缩变形发挥橡胶弹性材料性能。在外荷作用下则充分利用拱形结构的优势。3)从实践和有关资料来看，不论W型、V型、空心板型的橡胶体都可使用。毛病不在胶体本身，而是在整个伸缩装置结构的设计是否合理。西德毛勒公司的伸缩装置，近几年应用较多的TST伸缩装置设计比较合理，在行车时它具有较高的刚度，在温度变化时又变形灵活。4)从目前已经施工的伸缩装置来看，板式伸缩装置的平整度较好，其原因是胶体内不仅加入了足够数量的钢板以增加变形体的刚度，而且又有足够数量的铆钉使伸缩体同桥梁变形体的联结比较牢固，不至于像原来空心板橡胶伸缩缝那样易于脱出。而且改善了施工工艺，注意到施工时的安装温度，其定位值A易于控制。经实桥施工几年来的考验效果良好，其缺点是变形似欠灵活。据有关方面介绍每延米须施加2.5 t的压力方能达到其设计缩短值，而且价格比较贵。

［1］JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范［S］.

［2］JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［3］李杨海.公路桥梁伸缩装置实用手册［M］.第2版.北京:人民交通出版社，2007.