桥梁设计中伸缩装置的计算与选择摘要: 在选定桥梁伸缩装置时, 考虑因素较多, 但一般将温度变化引起的伸缩量和混凝土的收缩、变引起的伸缩量作为确定伸缩装置类型和规格的主要依据, 而将其他因素引起的伸缩量以及因桥梁结构型式或布置所产生的附加伸缩量作校核用, 并主要在设置伸缩装置的富余量时予以考虑。
关键词: 桥梁; 伸缩装置; 伸缩量; 梁体; 混凝土; 变形正文桥梁伸缩装置是为保证车辆通过桥面, 并满足桥面变形的需要, 而在桥梁梁端之间、梁端与桥台之间或桥梁的铰接位置设置的装置。
它应能适应由于温度变化、混凝土收缩和徐变, 桥梁墩台的沉降和梁端转动等引起的变形, 并保证桥面平顺、行车舒适。
构件虽小, 但它是桥面、路面刚、柔两部分的连接体, 受汽车冲击、温度变化的影响较大,往往易引起行车颠簸, 因此, 桥梁伸缩装置的好坏直接影响着车的高速、安全、舒适和畅通。
1 设计伸缩装置考虑的主要因素在设计中, 选择合适的伸缩装置首先应确定好伸缩量范围, 主要考虑以下几方面因素:1.1 温度变化影响;1.2 混凝土桥梁的干燥收缩和徐变影响;1.3 各种荷载引起的桥梁结构的挠曲;1.4 由于制动力引起的支座位移影响;1.5 由于纵坡大而引起的桥梁活动端垂直变位影响;1.6 斜桥和弯桥的接缝方向的变位影响;1.7 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、安装后的预加应力及预应力损失等影响。
伸缩装置伸缩量计算值确定后, 直接影响对伸缩装置尺寸选择, 若伸缩装置尺寸选择不合理,又直接影响伸缩装置使用效果。
同时选择伸缩装置尺寸时还应考虑梁、板间伸缩缝间隙量大小, 以保证伸缩装置与梁、板两端有充分锚固, 以求达到最佳使用效果。
2 温度变化引起的伸缩量（见末尾详细）伸缩装置安装时的温度, 一般居于最高有效温度Tmax 和最低有效温度Tmin 之间, 在温度影响下, 伸缩装置会产生伸长和收缩, 其变位量可按下式计算:Δlt=( Tmax- Tmin) αlΔlt+=( Tmax- Tset) αlΔlt-=( Tset- Tmin) αl3 混凝土收缩和徐变引起的伸缩量时刻t0 至t 时域内混凝土收缩引起的梁体的收缩量Δls 可按下式计算: Δls=∈( t, t0) l，收缩系数∈( t, t0) 可按下式计算:∈( t, t0)=∈( t∞, t0)β，时刻t0 至t 时域内混凝土徐变引起梁体的收缩可按下式计算△Lc= δp／Ee·ω·L ·β（公式详见末尾尾页）对非整体浇筑或非通长布置预应力钢筋( 束)的桥梁结构或构件, 轴向应力σp 可取整个梁体各梁段内的加权轴向应力。
分段施工桥梁的混凝土收缩和徐变应按分段施工的梁长分别计算其加权收缩系数和徐变系数:（公式见末尾）有关徐变系数等数据的计算可详细查阅《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》。
4 设计实例4.1 设计资料。
单排双柱柔性墩、埋置式双肋桥台。
4.1.1 上部构造: 5 孔25m预应力混凝土简支梁桥, 5 孔一联, 桥面连续。
中墩皆为板式橡胶支座, 仅在两侧桥台设活动支座。
桥台处设伸缩缝。
4.1.2 桥面宽度: 净10.25+2×0.5m。
4.1.3 设计荷载: 汽车一超20 级; 挂车一120。
4.1.4 支座型号: 板式橡胶支座: 250mm×350mm×57mm。
四氟板式橡胶支座: 250mm×350mm×59mm。
4.1.5 下部构造: 墩柱与桩均为25号混凝土;Ⅱ级钢筋。
4.1.6 气温条件: 当地月平均最高气温为30℃,月平均最低气温为0℃, 简支梁安装, 桥面连续、伸缩安装等施工温度为10～20℃。
4.2 分析计算。
本桥墩台的纵向水平力有温度影响力、混凝土收缩及徐变影响力、支座摩阻力及汽车制动力, 其中除支座摩阻力由桥台承受外, 其余各力均按集成刚度法分配给各支座及墩顶。
4.2.1 按规范JTJ021- 89 第2·2·4 条, 装配式钢筋混凝土收缩影响力, 按相当于降温5～10℃的影响力计入, 此处取10℃。
混凝土的徐变效应可按规范JTJ023- 85 附录四计算。
计算温度升高为30℃- 10℃=20℃, 下降为20℃- 0℃=20℃。
混凝土温度下降、收缩、徐变均属同一性质,三者之和相当于降温10℃+20℃+20℃=50℃。
由此引起的上部结构缩短, 本桥情况是两端向中部缩,故中部必有一不动点S·P·(Stagnant Point) , 设其离0 号台的距离为x, 按下式计算:以上计算x 可参阅《墩台与基础》; 集成刚度的计算可参阅规范JTJ024- 85 附表6.11。
各墩的支座顶, 由于上部结构混凝土收缩、徐变及温度引起的水平力采用下式计算:P=桥墩距·距离·支座顶集成刚度C桥台上为活动支座, 由于上部结构混凝土收缩、徐变影响及温度变化, 在桥台上引起支座摩阻力。
4.2.2 温度上升变化影响力在各墩上的分配。
温度上升使上部结构伸长, 本桥情况是两端向外伸展, 中间亦有一温度变化不动点S·P·, 计算同上。
求出其位于0 号台以右63、66m, 温升为30℃-10℃=20℃, 即C=0.00001×20=0.0002。
4.2.3 桥梁上部结构在温度变化、混凝土收缩及徐变作用下, 不动点S·P·在0 号桥台以右63.66m, 5 号台以左61.34m。
伸缩缝在0 号台将大于5 号台, 故伸缝设计以0 号台为准。
由于混凝土收缩、徐变及温降, 伸缩缝安装以后, 拉开量为: 63.66×0.00001×50=0.0318m=32mm由于温度上升, 伸缩缝安装后, 合拢量为: 63.66×0.0002=13mm。
安装完成后, 如不立即出现高温, 则随着混凝土收缩、徐变的完成, 合拢量可以部分抵消, 故这个因素在设计伸缩缝时不考虑。
由制动力引起的伸缩缝拉开( 开口量) 或合拢( 闭口量) 为: 1 号墩支座顶制动力/1 号墩与其支座的串联刚度=±6mm。
0 号台伸缩缝的拉开量、合拢量合计: Δ=(32+6)+(13+6)=57mm。
伸缩缝计算拉开量Δ1+Δ3=32+6=38mm伸缩缝计算合拢量Δ2+Δ3=13+6=19mm根据上述位移量和各种伸缩装置的具体规格, 原则上可选用矩形或组合式橡胶条型, BF- 80型、GQF-C80 型及各类相应规格的板式橡胶伸缩装置, 但应优先考虑施工安装时预压或预拉比较方便的伸缩装置。
但目前实际工程中由于该类伸缩装置构造上的原因, 初期预压难度较大, 常不预压, 当然, 这样安装的伸缩装置极易遭破坏。
考虑到多方面因素影响, 在选择伸缩装置规格时, 对上述基本伸缩量取约30%的富裕度, 则设计伸缩量为: (1+30%)×87=74.1mm。
相应地, 设计拉开量( 开口量) 为38×(1+30%)=49.4mm, 设计合拢量( 闭口量) 为19×(1+30%)=24.7mm。
上述伸缩装置如选择衡水宝力工程橡胶有限公司的GQF-C80 型, 则由于计算拉开量大于允许拉开量, 计算合拢量小于允许合拢量。
所以, 在安装伸缩缝时, 应进行预压。
最小预压量: 49.4- 80/2=9.4mm( 计算拉开量减允许拉开量) ; 最大允许预压量: 80/2- 24.7=15.3mm( 允许合拢量减计算合拢量) 。
根据GQF-C 型伸缩装置的设计图纸,GQFC80型伸缩装置的最大宽度amax=160mm, 最小宽度amin=80mm, 这样, 在10～20℃范围内施工安装的定值为: (160+80) /2- (15.3+9.4) /2=107.65mm, 即只须保证安装宽度107.65mm, 伸缩装置就能正常工作。
以上若选择橡胶式或组合式橡胶伸缩装置,则其预压比较困难( 要想预拉几乎不可能) 。
5 结语目前在设计中比较常选用的大多数类型的伸缩装置属于依靠橡胶条( 块) 的伸展和收缩来实现变位的。
一般来说, 橡胶条( 块) 的抗变形( 抗拉或抗压) 能力较差, 在周期性应力, 特别是高循环应力的长期作用下, 很容易损坏。
因此, 在实际设计中就需要精确计算桥梁结构的伸缩量, 并考虑一定的富余量, 这样才能保证伸缩装置在今后运营中始终处于良好的工作状态。
参考文献[1]JTJ023- 85. 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范.[2]姚玲森.桥梁工程.北京: 人民交通出版社, 1985.[3]金城棣.结构静力学( 下册) .北京: 人民交通出版社, 1982.[4]许尚江.浅谈桥梁弹塑体伸缩缝, 广东公路交通,1997( 增刊) .作者简介: 董擘(1978～) , 男, 吉林省白山市人, 助理工程师; 徐宁(1979～) , 男, 山东省平度县人, 助理工程师。
伸缩量的计算影响梁体伸缩量大小的主要因素有两种：气温变化引起的伸缩量(△Lt)；混凝土的徐变、干燥收缩引起的伸缩量(△Lc+△Ls)，两者的计算公式分别为：△L t=(T max -T min)· a·L△L+=(T max -T set)· a·L△L-=(T set -T min)· a·L式中，△L t为温度变化引起的伸缩量；△L+、△L-分别为温度升高或降低引起的伸缩量；T max为设计最高环境温度；T min为设计最低环境温度；T set为设置伸缩装置时温度； a为膨胀系数(钢梁为12×l0～，混凝土为10×10-。
)；L为桥梁跨径。
△Ls=2O×10-5·L ·β△Lc= δp／Ee·ω·L ·β式中，△Ls、△Lc分别为由于干燥收缩和徐变引起的梁的收缩量；Ee为混凝土的弹性模量(33000MPa)；δp为由于预应力等引起的平均轴向力：ω为混凝土的徐变系数；β为徐变、干燥收缩的递减。