浅谈桥梁伸缩缝的设计计算与选型
浅谈桥梁伸缩缝的设计计算与选型
一、概述
随着交通事业的发展，特别是高速公路、高架道路、立交桥的大量出现，道路桥梁车辆通行量的增大，车辆速度的加快，对桥梁伸缩装置的要求越来越高，就桥梁整体来说，桥梁伸缩装置不再是无足轻重的部分，它在承重、伸缩、防水等方面所具有的功能，会直接影响到桥梁的整体功能及寿命。近年来桥梁伸缩缝的破坏成为高等级公路桥梁的一大病害，如广深高速公路刚通车几个月，就开始更换维修所有桥梁伸缩缝，极影响了该路正常使用，市梅林至观澜高速公路通车不到一年，且交通量远远没到设计要求，而全线100%伸缩缝不同程度都遭到破坏，面临着全部更换和维修，其主要原因不外乎以下几点：设计选型不当，施工安装质量差、伸缩缝本身质量差等，因此，市机场至荷坳高速公路指挥部在伸缩缝订货中特别重视，先后参观考察了全国各大生产厂家产品在地区的运营状况，并招集各大厂家以及国外产品代理商共聚一堂，介绍其产品性能及其运用情况，本人作为市机荷高速公路设计代表参加了这次产品介绍会，并参与了该线全部桥梁伸缩缝的计算，现就综合各厂家的产品，综合这几年的设计施工谈一谈。
（一）桥梁伸缩缝的设计计算
桥梁伸缩装置在设计、型式选定上，桥梁伸缩量的计算是十分重要的，影响梁体伸缩量的大小，主要有二种主要因素：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）。其它如受日光照射，梁体上、下缘的温度不同而产生挠曲，梁端会发生转角变位；跨径大的梁体一侧受日光照射，也会发生一些变位；但这部分变位量一般较小，在设计上无考虑的必要，一般作为预留量和构造上的需要量考虑。
1、温度变化引起的伸缩量
规定应用的温度围（Tmin，Tmax是指使用地区的最低及最高气温），并根据安装时温度（Tset）计算梁的伸长量和收缩量。
△Lt=（Tmax-Tmin）γ·L
△L+=（Tmax-Tset）γ·L
△L-=（Tset-Tmin）γ·L
式中△Lt ——温度变化引起的伸缩量
△L+ ——温度升高引起的梁的伸长量
△L- ——温度降低引起的梁的伸缩量
Tmax ——设计最高环境温度
Tmin ——设计最低环境温度
Tset ——设置伸缩装置时温度
γ——膨胀系数（钢梁为12×10-6，混凝土为10×10-6）
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》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。如对于整体浇筑的混凝土结构的收缩影响，对于一般地区相当于温度降低20℃。
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上递减系数（β）来求得。
△Ls=△t×γ×L×β
△Lc=δρ/Ee×φ×L×β
式中△Ls ——由于干燥收缩引起的梁的收缩量
△Lc ——由于徐变引起的梁的收缩量
Ee ——混凝土的弹性模量（33000MPa）
δρ——由于预应力等引起的平均轴向应力
φ——混凝土的徐变系数（一般φ=2.0）
β——徐变、干燥收缩的递减系数（见表一）
混凝土徐变、干燥收缩的递减系数--表一
3、简易估算法
伸缩量原则上是按照现场条件计算，计算时比较复杂，因此除特别寒冷地区，特别设计外，均可采用简易估算法，在简易估算法中，在温度变化取10%的多余值（见表二）
伸缩量简易估算表表二
β—混凝土徐变、干燥收缩的递减系数，L—伸缩梁长，以米计。
4、算例
每林至观澜高速公路大发埔互通立交2号匝道桥。
结构形式：钢筋混凝土连续梁（17+2×21+17m）。
伸缩梁长：全桥仅在桥台处设缝，支座均为纵向活动支座，墩高相等，因此取伸缩零点为桥中，即伸缩梁长=（17+2×2+17）=38m。
温度变化：△t=-5℃～+40℃
混凝土线胀系数：γ=0.00001
混凝土干燥收缩递减系数：β=0.4（混凝土浇筑后三个月安装）
混凝土弹性模量 Ec=330000MPa
干燥收缩按降温20°计算（根据《公路桥涵设计通用规》第2.2.4条—取定）。
伸缩缝安装定位时的温度规定20℃
计算：
①由温度变化产生的位移量
△Lt=（Tmax-Tmin）·γ·L=[40-（-5）]×0.00001×38000=17.1mm
20℃安装伸缩装置时，安装后的伸长量
△L+=（Tmax-Tset）·γ·L
=（40-20）×0.00001×38000=7.6mm
安装后的缩短量
△L-=（Tset-Tmin）·γ·L
=[20-（-5）]×0.00001×38000=9.5mm
②由于混凝土干燥收缩产生的位移量
△Ls=△T·γ·L·β
=20×0.00001×38000×0.4=3.04mm
③由于混凝土徐变产生的位移量
钢筋混凝土结构不计
由以上计算所得总伸缩量为：
△L=△Lt+△Ls=17.1+3.04=20.14mm
④用简易计算法计算
△L=（0.44+0.2×β）×L =（0.44+0.2×0.4）×38 =19.76mm
40℃修正量0.055×L/3=0.55×38/3=0.7mm
总计△L=19.76+0.7=20.46mm
通过以上两种方法计算，其结果基本一致，因此对于一般桥梁设计推荐采用简易计算法。
二、桥梁伸缩缝的选型
计算完成后，接着要根据伸缩量对伸缩装置选型，而所选的伸缩装置是否合理直接影响到桥面的平整和美观性，行车的舒适性，桥梁结构的耐久性等，为之，作为桥梁的整体，它是不可忽视的一个部分，因此，在设计中有必要选一种理想的伸缩装置，以其达到满足桥梁使用要求。然而，国外生产伸缩缝厂家较多，其产品型号、性能、质量各不相同，因此，真正选一种比较合适的伸缩装置较难，现将本人所掌握的资料综合各厂家产品谈一谈，以供大家选择伸缩缝参考。
目前，国桥梁伸缩装置较多使用以下类型：组合伸缩装置；板式橡胶伸缩装置；埋设式伸缩装置。
（一）组合伸缩装置
1、大位移量伸缩装置
这种装置构造简单，伸缩性能好，具有机械和自然性能，该装置橡胶条机械物理性能和小位移伸缩缝一样。这种伸缩缝由几个相同模数组成，在伸缩量大或小的时候，只要换去支承梁的长度，增加或减少橡胶条和型钢，就可组成不同伸缩量的伸缩装置，目前这类伸缩装置种类较多，但一般都存在一个主要问题，即施工安装优劣直接影响到伸缩装置的使用。现将国外几种大位移量伸缩装置主要性能列表如下，以供参
②主要性能
国外大位移量伸缩装置主要性能
2、小位移量伸缩装置
这种伸缩装置是一种由两条钢梁嵌装橡胶条组成的机械系统，粘结桥梁与伸缩装置的是由合成弹性体及混合填料组成的材料。这种类型的伸缩缝目前国有两家厂生产，中外合资常熟沃森、波曼生产SE-300～500；EFE-400系列，交通部新津筑路机械厂生产BEJ系列，机荷高速公路东段桥梁大部分选用BEJ系列，现就BEJ的特点性质介绍如下：
①特点：BEJ伸缩缝主要由三种材料组成：1、树脂混合物；2、钢梁；3、EPDM伸缩嵌条。BEJ伸缩缝可适用大围的平面位移和剪切，并能在垂直方向实现一定的位移，所以能适合于众多的桥面系统，以及各种不同横断面的桥面和各种不同形状的防护栏。
BEJ伸缩缝可在现场由熟练的操作工人进行安装，安装施工非常简便。
②性能：Britflex树脂混合物，这种树脂是弹性的，比普通的环氧树脂和胶结性水泥材料牢固，更不易破坏，不管是在夏季还是在冬季，安装都能很快地粘结固化，并在浇注三小时后开放交通。这种材料不仅具有弹性，同样也具有很高的硬度，并且非常耐磨，具有很高的软化温度，即使在最炎热的天气里也不会软化，其弹性使它在与各材料粘结后，不会收缩开裂。不受桥面和其它联接材料的不同热膨胀系数的影响的全围可靠的粘结，使车辆通过时轮胎的压力扩散到一个较宽的区域，从而有效地防止机械联接局部疲劳而引起的破坏。该材料具有很高的塑性，在20℃时其拉伸延伸率为275%，即使在-15℃时它也还具有200%的延伸率。
③钢梁：是一种挤压成型的复杂截面钢梁，由低炭钢制成，在生产制作阶段已作了防腐处理，在防护栏等曲面处可以容易作到与防护栏一致。钢梁可用焊接方式加工成任意长度，从而安装时使伸缩缝与桥面拱度一致。焊接部位在浇注树脂混合料时被树脂保护起来，暴露部分也由于车轮的磨擦而使其免受腐蚀。
④EPDM伸缩嵌条：该嵌条具有最好的强度、弹性和耐老化性能，最重要的是嵌条能使车辆通过时平滑过渡，不会产生跳车现象而影响行车舒适性。
（二）板式橡胶伸缩装置
该种伸缩装置最初应用时首先存在的一个显著问题是使用周期短，易老化，橡胶体本身存在抗老化耐低温问题，目前国厂家生产的橡胶体一般都选用氯丁胶和三元乙丙胶，基本解决了这个问题，然而由于锚固等原因出现橡胶条弹跳，引起周围混凝土破坏分离问题非常严重。根据梅林至观澜高速公路运用情况，100%出现上述情况，因此，建议高等级公路尽可能少用或不用板式橡胶伸缩缝。
（三）埋入式伸缩缝（无缝伸缩缝）
该缝是以具有防水性能以及具有与其衔接铺装相同磨损性能的铺装材料作为主要材料的伸缩装置。目前国主要有TST无缝伸缩缝，WABO系列无缝伸缩缝，其主要特点：
1、安装迅速——本伸缩装置不仅可在新建桥上应用，也可在维修更换旧伸缩缝时使用，其安装速度快，数小时后即可通车。
2、行车平稳——由于本伸缩缝由特殊的混合弹性材料组成，无间隙接口，完全依靠弹性材料的流动，填平构件中碎石及进行间隙调整，从而提供了一个可变形、光滑、防水的伸缩缝接头。因此，彻底避免了以往伸缩缝的跳车现象，确保行车平稳。
3、施工简单——由于本伸缩缝结构合理，免除了锚固和部件的移动带来的麻烦，不仅施工方便，也降低了施工成本。
4、防水性佳——本伸缩装置应用的弹性材料本身具有防水功能，且有极高的粘合性，可确保与桥面铺装层粘结，不会产生裂口，从而达到防水效果。
无缝伸缩缝适宜应用在伸缩位移50mm以下的中小型桥梁。
无缝伸缩缝在国外应用较多，目前在用较少，处于试用阶段，随着时间的推移，如果在国试用可行的话，在中小型桥梁设计中，应当首推无缝伸缩缝。
桥梁伸缩缝施工方案
施工准备
1、伸缩缝的进场与存放情况
（1）按照设计图纸提出的不同型号、长度、密封橡胶件的类别及安装时的宽度等要求进行伸缩装置的购置和装配。
（2）伸缩装置预先在工厂组装好，由专门的设备包装后运送工地。装配好的伸缩装置在出厂前，生产厂家按图纸要求的安装尺寸，用夹具固定，以便保持图纸需要的宽度并分别标出重量、吊点位置。若组合式伸缩装置过长受运输长度限制或别的其他原因时，经监理工程师批准，在工厂试组装后，可以分段组装运输，但模数式伸缩装置必须在工厂组装。
（3）用于该分项工程的伸缩缝材料已按计划进场，伸缩装置运到工地存放时均垫设高度距地面至少30cm并用彩条布覆盖好，确保其不受损坏，现已满足开工的要求。
2、钢纤维混凝土设计供应情况
我部按照相关技术要求，委托完成伸缩缝浇筑所用C40钢纤维混凝土配合比的设计，伸缩缝施工时所用钢纤维混凝土的提供方。C40钢纤维混凝土配合比如下表所示：
钢纤维砼设计配合比（附表3）
3、施工开始前，施工技术人员熟悉、理解设计图纸以及相关的施工规，并与施工人员一起到施工现场与设计图纸一一核对，找出所施工路段桩号、各类构造物及各类型伸缩缝设置地点，同时做好施工设备及材料的进场工作。
六、施工工艺和方法
桥梁伸缩装置安装对行车的平稳性起着重要作用，因此安装伸缩安装是一项重要而细致的工作，为保证伸缩装置的平稳性和使用的耐久性，保证施工质量，必须严格按照施工工艺精心施工，保证满足产品的实际使用性能。
1、施工工艺流程图