TST弹塑体伸缩缝在拼宽桥上的设计与应用

2016-10-21林峰

铁道勘察 2016年2期

关键词：型钢弹性桥梁

林　峰

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉　430063)

TST弹塑体伸缩缝在拼宽桥上的设计与应用

林峰

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063)

TST桥梁弹性伸缩缝是一种适合小尺寸级别伸缩量的新型伸缩缝，对于非常规桥梁伸缩缝，在一定使用范畴内可以起到替代常规伸缩缝的作用。通过理论计算，并结合实际安装施工后的现场监测数据验证以及后期维护的跟踪观测，证明TST伸缩缝在此类用途中工作正常，效果良好。

TST弹性伸缩缝拼宽桥应用

在城市立交桥建设中，经常会碰到互通立交规划扩展之后，前期已经建成的高架桥梁与后期的桥梁需要做拼宽处理，完成匝道，以实现全互通的功能。这时，桥梁拼宽产生的新老桥之间的结构衔接问题就成为难点。

彩虹快速路是杭州“一环三纵五横”快速路网中的“五横”之一，连接之江大桥，沟通富阳—滨江—萧山。建成后，将成为缓解滨江内部交通，联系主城区的便捷快速通道。

既有时代大道高架主桥为2004年建设，与彩虹快速路在彩虹互通处连接，本段工程处于彩虹互通北段连接线。新建桥(见图1)是时代大道主桥高架的拼宽部分，为连续箱梁，箱梁拼宽宽度由9.96 m至3.5 m不等，而且呈不规则变化，后期箱梁主要通过调节箱室横向宽及悬臂的长度来满足其所需宽度。采用单箱单室结构，梁高1.6 m。连续箱梁采用预应力结构设计，顶板厚25 cm，底板厚22 cm，腹板由45～65 cm厚渐变。拼宽段下部结构采用门式墩，与既有主桥桩位、墩位错开。

图1　拼宽桥平面(单位：m)

1　伸缩缝类型及对比

1.1传统的伸缩缝形式

传统设计在此位置通常采用型钢伸缩缝(见图2)，其优点在于产品成熟，易于采购，成本较经济。缺点在于，在既有桥上纵向预埋、安装困难，产品质量参差不齐，安装工艺及安装质量难以统一，连接处型钢在大车流或大荷载长期作用下容易产生基础破碎、型钢起翘等问题[1]，如杭州艮山西路运河拼宽桥，后期反复产生各种问题。

图2　型钢伸缩缝

1.2新型TST桥梁弹性伸缩缝形式

TST是弹塑体拼音字母的前三个字母。它是一种兼具弹性和塑性的复合材料，主要由高分子聚合物和沥青等组成。

TST桥梁弹性伸缩缝利用TST在高温下的流动性，浇入预先放在槽口的碎石上，拌和后压平，使其和桥面及路面高度持平，利用其半刚半柔的特性，替代传统伸缩缝的作用。

受力原理分析：

对于TST伸缩缝来说，TST材料本身主要承受横向应力，碎石主要承受竖向应力[2，3]。也就是TST材料承受拉力和剪力，骨料主要承受压力。TST将碎石粘结在一起，以满足协同、均匀的收缩变形要求。当外界温度变化引起梁体自身长度伸缩时，TST伸缩缝会表现出塑性特征；当有车辆通过时，TST伸缩缝又表现出弹性特征。TST的技术指标如表1。

表1　TST的技术指标

TST桥梁弹性伸缩缝的主要特点如下。

(1)从自身性能特性方面来说：TST能吸收各方向的振动，能进行各个方向的变形，而且阻尼性高，对桥梁整体的减振有利，能够满足坡桥、弯桥、宽桥和斜桥横纵竖三个方向的伸缩及变形的要求。

(2)从施工和后期维护方面来说：TST构造简单，施工极其快速且方便，无需在梁端预埋锚固钢筋或安装专门的伸缝构件，直接拌和铺设即可，冷却后，几个小时之内就可使用。TST耐用，养护少(相比异型钢伸缩缝，平时无需经常关注边角混凝土破损及型钢起翘等养护内容)，造价也不高。若因破损需修复，无需中断交通，可局部封闭施工，经济效益和社会益显著。

(3)从实际使用效果上来说：TST拌和料直接平铺在桥梁接缝处，与左右桥面铺装形成整体，桥面平整无间隙，与在此处有缝的桥相比，行车更平稳、舒适，噪声小，振动小。因TST本身不透水且耐酸碱腐蚀，同时接缝与桥面铺装连成整体，所以桥面密封防水性好，可从源头上杜绝桥下“水帘洞”的问题。

2　适用范围

TST伸缩缝可用于-25 ℃至+70 ℃地区，适用于伸缩量在50 mm以下的城市立交桥、高架桥、公路桥梁等桥梁伸缩缝。

3　桥梁横向变形计算

根据既有桥的实际情况和拼宽桥的设计尺寸，需要先计算[4，5，6]出两幅桥伸缩缝所需要的总伸缩量。

3.1计算条件

(1)主体：既有主桥；

(2)伸缩梁长(1/2桥长)：L=16.6 m；

(3)温度变化范围：-15～+40 ℃；

(4)砼线膨胀系数：a=1.0E-05；

(5)收缩应变：∈∞=2.0E-04；

(6)徐变系数：δc=2；

(7)弹性模量：Ec=3.45E+04 MPa；

(8)收缩徐变的折减系数：β=0.3；

(9)预应力截面平均应力：σp=0 MPa；

(10)伸缩装置的安装温度：Tset=20 ℃。

3.2计算

(1)梁体因温度变化产生的伸缩量为

Δlt=a×(t2-t1)×L×1 000=9.13mm

(2)温度升高引起的伸长量

(3)温度降低引起的缩短量

(4)砼收缩引起的缩短量

(5)砼徐变引起的梁体缩短量

(6)因车辆荷载作用梁体挠曲使伸缩装置开口产生的位移

R=0.04L=0.7 mm

总伸长量=Δlt加=3.32 mm；

总缩短量=Δlt减+Δls+Δlx=6.8 mm；

基本伸缩量=总伸长量+总缩短量=10 mm；

提高系数β提高30%后为13 mm；

注:提高系数β可取1.2～1.4。

同理，拼宽桥最宽处为8.5 m，提高后的基本伸缩量=3 mm。

所以，既有桥与拼宽桥提高后的总伸缩量为16 mm。

4　TST形式及选型

按桥梁纵坡坡度，TST伸缩缝的结构形式可分为：Ⅰ型和Ⅱ型。

Ⅰ型TST适用于纵坡小于3%的桥梁伸缩接缝；Ⅱ型TST适用于纵坡大于等于3%的桥梁接缝，且同时须设置钢筋和膨胀螺栓等措施。

按设置形式分，可分为普通型(见图3)和优化型(见图4)。

图3　普通形式截面

图4　优化形式截面(单位：mm)

普通型为早期形式，优化型为近期考虑实际运营期间情况而优化的形式。

TST尺寸[7]实际设置中可参考表2选型。

5　TST实际应用

TST浇筑后能与两侧既有桥面层实现非常平顺的无缝链接，实际行车时过TST伸缩缝时基本没有颠簸与振动，能够在满足拼宽桥梁与老桥之间变形变位条件的前提下，最大化提升行车舒适感。

表2　伸缩装置结构尺寸　mm

伸缩缝安装完成后，在拼宽桥横桥向外侧防撞墙上与TST靠老桥侧一端各设置一监测点，监测一天内的桥梁横向变位。从实际监测数据结果分析(见图5)，TST伸缩缝安装完成后，仅桥梁恒载作用下，伸缩缝一天的工作变位差不大于7 mm，小于16 mm，且TST表面基本平整，没有明显隆起或凹陷。说明TST伸缩缝已经参与桥梁整体受力与变形作用，且工作状况良好。

在后期运营中，因材料寿命或极端外力作用，若TST伸缩缝有破损，修补也非常迅速，对于破损区域切割清理后，直接灌浇TST混合料即可，浇筑之后几个小时即可通车，能够将妨碍交通的影响降低到最低程度。