CN114991000B - 一种简支梁桥伸缩缝结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于桥梁施工技术领域，具体涉及一种简支梁桥伸缩缝结构及其设计方法。本发明根据先简支后桥面连续桥梁在桥面连续附近区域混凝土铺装经常开裂现象，提出了通过在桥面连续处一定范围采用高弹高粘性沥青混合料代替混凝土铺装的发明思路，该材料具有较好的韧性，能很好的防止开裂和鼓包，同时又保持了整个桥面铺装层是连续的，使得行车舒适性大大提高，因此提供了一种采用高弹高粘性层设计的伸缩缝结构及其设计方法，本发明提供的设计方法设计高弹高粘性层的长度，该方法能有效避免管养单位因桥面连续附近混凝土铺装周期性开裂而反复维修施工，有效减少施工带来的建筑垃圾和施工造成的交通管制。

Description

一种简支梁桥伸缩缝结构及其设计方法

技术领域

本发明属于桥梁施工技术领域，具体涉及一种简支梁桥伸缩缝结构及其设计方法。

背景技术

简支梁桥因其施工简单、快速、受力明确的优点，在中小跨径桥梁中占据绝对主导地位。然而，这类型桥梁有一个十分明显的缺点，沿桥纵向主梁与主梁之间存在接缝，而这个接缝的存在导致行车的舒适性大大降低。同时，由于这个接缝的存在时常导致跳车的存在，严重的影响行车安全。且由于长期承受车辆冲击荷载，接缝处经常发生破坏。因此，将多跨简支梁桥做成主梁断开、桥面连续的结构形式已经变成了常用的做法。这种做法由于整个桥面铺装层是连续的，使得行车舒适性大大提高。但是由于在车辆移动荷载的作用下，该处常常要承受负弯矩，使得桥面在该处存在角度突变。因此，从既有的该类型桥梁养护结果来看，该处桥面常常会出现横向裂缝，服役2-5年就必须进行更换，极大的增加了养护工作。因此，为了解决这个问题，本发明提出了一种简支梁桥伸缩缝结构及其设计方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种简支梁桥伸缩缝结构及其设计方法，具体技术方案如下：

一种简支梁桥伸缩缝结构，包括：

伸缩缝，所述伸缩缝设置在简支梁桥相邻两个桥跨之间；

加劲板，所述加劲板设置在伸缩缝处并固定在简支梁桥的预制梁上；

高弹高粘性层，所述高弹高粘性层设置在加劲板上，并且与简支梁桥的原有桥面铺装层持平。

优选地，所述高弹高粘性层与加劲板之间设置有润滑层。

优选地，所述加劲板与简支梁桥的预制梁之间设置有润滑层。

优选地，所述加劲板的长度为b，所述高弹高粘性层的长度为c，所述b和c大于伸缩缝的宽度，并且b<c且b≥2Δ，其中Δ为简支梁桥相邻两跨相邻两端的间距。

伸缩缝结构的设计方法，设计高弹高粘性层的长度为c，c的取值取决于高弹高粘性层的最大允许应变值ε_rx，实际活载和温差在高弹高粘性层中产生的最不利应力ε_max＝ε_q+ε_T，根据ε_max≤ε_rx求解c的值，其中，ε_q为防撞墙自重和运营期活载在高弹高粘性层中产生的应变；ε_T为温差在高弹高粘性层中产生的应变。

优选地，所述活载在高弹高粘性层中产生的应变ε_q的计算方法如下：

防撞墙自重和运营期活载在简支梁桥支座处产生的转角θ，则：

式中P_k为考虑冲击系数后的活载集中力；q为防撞墙自重与考虑冲击系数后的活载均布力的和，x为P_k作用位置距简支梁桥初始支座支点的距离，L为计算跨径，EI为考虑铺装层刚度贡献时梁的刚度；

当时，

令外悬臂的转角也为θ_max，则相邻桥跨梁端间距Δ将变为Δ+2a(1-cosθ_max)，ε_q的计算方式如下：

其中，a为桥跨外悬臂的长度。

优选地，所述温差在高弹高粘性层中产生的应变ε_T的计算方式如下：

假设整体温差为T，受相邻简支梁桥固定支座约束，当梁的截面相同时，由温差产生的变形将在L+2a+Δ段内均匀产生，令温度产生的变形只发生在高弹高粘性层的长度c范围内，此时温差产生的应变为ε_Tmax，均匀发生在相邻简支梁桥固定支座约束之间梁体时为ε_Tj，则：

其中，α_h为主梁材料线膨胀系数，α_g为高弹高粘性层的材料线膨胀系数；则ε_Tj＜ε_T＜ε_Tmax；

当降温时实际活载和温差在高弹高粘性层中产生的最不利应力最大，忽略活载影响，则：

优选地，通过ε_max≤ε_rx的条件求解c值大小，取(6)式计算，经变换得：

本发明的有益效果为：本发明根据先简支后桥面连续桥梁在桥面连续附近区域混凝土铺装经常开裂现象，提出了通过在桥面连续处一定范围采用高弹高粘性沥青混合料代替混凝土铺装的发明思路，该材料具有较好的韧性，能很好的防止开裂和鼓包，同时又保持了整个桥面铺装层是连续的，使得行车舒适性大大提高，因此提供了一种采用高弹高粘性层设计的伸缩缝结构及其设计方法，本发明提供的设计方法设计高弹高粘性层的长度，该方法能有效避免管养单位因桥面连续附近混凝土铺装周期性开裂而反复维修施工，有效减少施工带来的建筑垃圾和施工造成的交通管制。同时本发明提及的伸缩缝结构构造简单，施工便捷，费用低，具有很高的推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明的伸缩缝结构示意图；

图2为本发明的简支梁桥结构示意图；

图3为本发明的伸缩缝的设计原理图；

其中，1-加劲板，2-高弹高粘性层，3-润滑层，4-伸缩缝，5-预制梁，6-组合材料层，7-简支梁桥支座，71-固定支座，72-滑动支座，8-桥面铺装层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如图1所示，一种简支梁桥伸缩缝结构，包括：

伸缩缝4，所述伸缩缝4设置在简支梁桥相邻两个桥跨之间；

加劲板1，所述加劲板1设置在伸缩缝4处并固定在简支梁桥的预制梁5上；

高弹高粘性层2，所述高弹高粘性层2设置在加劲板1上，并且与简支梁桥的原有桥面铺装层8持平。

其中，高弹高粘性层2与加劲板1之间可以设置有润滑层3。加劲板1与简支梁桥的预制梁5之间设置有润滑层3。加劲板1的长度为b，所述高弹高粘性层2的长度为c，所述b和c大于伸缩缝4的宽度，并且b<c且b≥2Δ，其中Δ为简支梁桥相邻两跨相邻两端的间距。

加劲板1具有一定韧性，能防止活载作用下高弹高粘性层2在预制梁5端Δ长度范围凹陷和掉落，高弹高粘性层2与加劲板1粘结后可在简支梁桥的预制梁5的顶板上滑动或弯曲变形，其变形不受预制梁5的顶板的约束。高弹高粘性层2的厚度为8-15cm，通常为10cm，采用高弹高粘性沥青混合料，其刚度可以忽略，亦即假设高弹高粘性层2不提供刚度。从上至下的高弹高粘性层2、加劲板1、润滑层3或者从上至下的高弹高粘性层2、润滑层3、加劲板1、润滑层3组合成组合材料层6，本发明采用组合材料层6代替原来简支梁桥的桥面铺装层8，可以有效避免简支梁桥的桥面在伸缩缝处开裂。

本发明在桥面伸缩缝4一定范围将原来由混凝土制成的桥面铺装层8更换成一种容许应变ε_rx更大的组合材料层6来实现，假设更换高弹高粘性层2的宽度为c，如图1所示，高弹高粘性层2用来承受荷载和满足变形要求，劲性板1用于支撑高弹高粘性层2，防止高弹高粘性层2从伸缩缝4中挤出或掉落，润滑层3用来确保高弹高粘性层2和劲性板1能在预制梁5顶板上自由滑动或弯曲变形。

本发明的伸缩缝结构的设计方法，如图3所示，设计高弹高粘性层的长度为c(即以组合材料层6代替原由混凝土制成的桥面铺装层8的长度)，c的取值取决于高弹高粘性层2的最大允许应变值ε_rx，实际活载和温差在高弹高粘性层2中产生的最不利应力ε_max＝ε_q+ε_T，根据ε_max≤ε_rx求解c的值，其中，ε_q为防撞墙自重和运营期活载在高弹高粘性层2中产生的应变；ε_T为温差在高弹高粘性层2中产生的应变。

其中，活载在高弹高粘性层2中产生的应变ε_q的计算方法如下：

防撞墙自重和运营期活载在简支梁桥支座7处产生的转角θ，则：

式中P_k为考虑冲击系数后的活载集中力；q为防撞墙自重与考虑冲击系数后的活载均布力的和，x为P_k作用位置距简支梁桥初始支座支点的距离，L为计算跨径，EI为考虑桥面铺装层刚度贡献时梁的刚度；

当时，

令外悬臂的转角也为θ_max，则相邻桥跨梁端间距Δ将变为Δ+2a(1-cosθ_max)，ε_q的计算方式如下：

其中，a为桥跨外悬臂的长度。由于活载作用产生θ_max时(见图2)，其转角较小，Δ长度的弧长将变为c，可变形范围更大，近似于平滑弧形，其作用影响更小，可忽略ε_q的影响。

温差在高弹高粘性层2中产生的应变ε_T的计算方式如下：

假设整体温差为T，受相邻简支梁桥固定支座71约束，当梁的截面相同时，由温差产生的变形将在L+2a+Δ段内均匀产生，令温度产生的变形只发生在高弹高粘性层2的长度c范围内，此时温差产生的应变为ε_Tmax，均匀发生在相邻简支梁桥固定支座71约束之间梁体时为ε_Tj，则：

其中，α_h为主梁材料线膨胀系数，α_g为高弹高粘性层的材料线膨胀系数；

则ε_Tj＜ε_T＜ε_Tmax；

当降温时实际活载和温差在高弹高粘性层中产生的最不利应力最大，忽略活载影响，则：

通过ε_max≤ε_rx的条件求解c值大小，取(6)式计算，经变换得：

在没有应用本发明的伸缩缝结构及设计方法时，如图2所示，某二级公路桥梁，上构为预应力混凝土先简支后桥面连续空心板，跨径组合为3×20m，空心板高95cm，宽124cm，横桥向共10片空心板，桥面总宽13m，桥面铺装厚10～12cm，桥面铺装层8为C50混凝土。空心板计算跨径为L＝19.44m，外悬臂a＝28cm，相邻两跨两端间距Δ＝4cm，上部结构及支座布置见图2，图2中两端的0号台和3号台均为滑动支座72，1号墩的支座包括固定支座71和滑动支座72，2号墩的2个支座均为固定支座71。假设整体温差为T，受1号墩的固定支座71和2号墩的固定支座71约束，当梁的截面相同时，由温度产生的变形将在L+2a+Δ段内均匀产生，由于伸缩缝4处的桥面铺装层8为薄弱区域，该区域变形ε_T将比其他部位大，令变形只发生在伸缩缝4处桥面铺装层8范围，此时应变为ε_Tmax，均匀发生在1号墩的固定支座71和2号墩的固定支座71约束之间梁体时为ε_Tj，则：

显然，ε_Tj＜ε_T＜ε_Tmax。

当降温时桥面伸缩缝4处最不利，活载和温度均产生拉应变，ε_max＞ε_q+ε_Tj，则：

令外悬臂a转角也为θ_max，则相邻桥跨梁端间距将变为Δ+2a(1-cosθ_max)，显然2a(1-cosθ_max)将由伸缩缝4处的桥面铺装层8和预制梁5的悬臂段上的桥面铺装层8共同承担，但由于伸缩缝4处的桥面铺装层8为薄弱部位，弯曲变形将主要由伸缩缝4处桥面铺装层8来承担，这时的弯曲转点可假设为O点，则防撞墙自重和运营期活载在高弹高粘性层2中产生的应变ε_q采用以下公式计算：

对于2号墩处桥面伸缩缝4处，则ε_q＝23με。

T＝20℃，通过(10)式计算得到降温时ε_Tj＝200με，通过(9)式计算得到ε_Tmax＝3000με。

ε_q+ε_Tj＝223με＜ε_max＝ε_q+ε_Tmax＝3000με。

C50混凝土容许应变(按标准强度计算)为74με，ε_max＞223με＞ε_rx＝74με，进一步证实桥面伸缩缝4处的混凝土的桥面铺装层8将出现开裂想象的必然性，且温度应变比活载的大。

对于1号墩处桥面伸缩缝4处，ε_q＝23με，降温T＝20℃，通过(10)式计算得到降温时ε_Tj＝200με，通过(9)式计算得到ε_Tmax＝10⁵με。

ε_q+ε_Tj＝223με＜ε_max＝ε_q+ε_Tmax＝10⁵με。

桥面铺装层8的C50混凝土容许应变(按标准强度计算)为74με，ε_max＞223με＞ε_rx＝74με，也证实桥面伸缩缝4的混凝土的桥面铺装层8将出现开裂想象的必然性。

另外，由于伸缩缝4处的桥面铺装层8厚度h仅为10cm左右，与预制梁5的高度H＝95cm相差较大，伸缩缝4处为薄弱部位，由于Δ通常为4～8cm，活载作用产生θ_max时，切点O(见图2)的转角也接近θ_max，Δ的弯曲弧长很短，近似折线状，特别是超载作用，极易造成混凝土的桥面铺装层8疲劳开裂。因此，采用本发明可以有效避免混凝土的桥面铺装层8开裂的情况。

本发明在某二级公路的3×20m先简支后桥面连续空心板桥梁上进行了应用，采用高弹高粘性层2为沥青混合料，在0℃时，高弹高粘性层2的容许应变值为1.2％，即ε_rx＝12000με。

对于2号墩处桥面伸缩缝4处(图2)，根据本发明提供的伸缩缝4的特性，T＝20℃时，通过(8)式可计算得c≥17mm。

鉴于Δ＝40mm，考虑到加劲板1的搭接构造要求b≥2Δ＝80mm，为避免组合材料层6与两端的混凝土的桥面铺装层8结合面脱离，考虑一定范围的组合材料层6底面与混凝土的预制梁5顶板粘结提高抗剪强度，因此c可取200mm，b取100mm。因此可将2号墩处桥面伸缩缝4处200mm范围的混凝土的桥面铺装层8更换为本发明的组合材料层6，即由上至下依次为高弹高粘性层2、加劲板1，且在高弹高粘性层2与加劲板1之间设置有润滑层3，在加劲板1与简支梁桥的预制梁5之间设置有润滑层3。

对于1号墩处桥面伸缩缝4(图2)，T＝20℃时，通过(8)式可计算得c≥330mm。

取c＝400mm可满足要求，同时b≥2Δ＝80mm，因此可将1号墩处桥面伸缩缝4处400mm范围混凝土的桥面铺装层8更换为组合材料层6，b也取300mm。

本发明根据先简支后桥面连续桥梁在桥面伸缩缝4处的混凝土的桥面铺装层8经常开裂现象，对伸缩缝4处的混凝土的桥面铺装层8开裂进行了理论计算，通过对计算结果进行分析，提出了通过在桥面伸缩缝4处一定范围采用组合材料层6代替混凝土的桥面铺装层8的构想，该材料具有较好的韧性，能很好的防止开裂和鼓包，同时又保持了整个桥面铺装层8是连续的，使得行车舒适性大大提高。该方法能有效避免管养单位因桥面连续附近混凝土的桥面铺装层8周期性开裂而反复维修施工，有效减少施工带来的建筑垃圾和施工造成的交通管制。同时本文提及的方法结构构造简单，施工便捷，费用低，具有很高的推广价值。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (2)

1.一种简支梁桥伸缩缝结构的设计方法，其特征在于，所述简支梁桥伸缩缝结构包括：

伸缩缝，所述伸缩缝设置在简支梁桥相邻两个桥跨之间；

加劲板，所述加劲板设置在伸缩缝处并固定在简支梁桥的预制梁上；

高弹高粘性层，所述高弹高粘性层设置在加劲板上，并且与简支梁桥的原有桥面铺装层持平；

设计高弹高粘性层的长度为c，c的取值取决于高弹高粘性层的最大允许应变值ε_rx，实际活载和温差在高弹高粘性层中产生的最不利应力ε_max＝ε_q+ε_T，根据ε_max≤ε_rx求解c的值，其中，ε_q为防撞墙自重和运营期活载在高弹高粘性层中产生的应变；ε_T为温差在高弹高粘性层中产生的应变；

所述活载在高弹高粘性层中产生的应变ε_q的计算方法如下：

防撞墙自重和运营期活载在简支梁桥支座处产生的转角θ，则：

式中P_k为考虑冲击系数后的活载集中力；q为防撞墙自重与考虑冲击系数后的活载均布力的和，x为P_k作用位置距简支梁桥初始支座支点的距离，L为计算跨径，EI为考虑铺装层刚度贡献时梁的刚度；

当时，

令外悬臂的转角也为θ_max，则相邻桥跨梁端间距Δ将变为Δ+2a(1-cosθ_max)，ε_q的计算方式如下：

其中，a为桥跨外悬臂的长度；

所述温差在高弹高粘性层中产生的应变ε_T的计算方式如下：

假设整体温差为T，受相邻简支梁桥固定支座约束，当梁的截面相同时，由温差产生的变形将在L+2a+Δ段内均匀产生，令温度产生的变形只发生在高弹高粘性层的长度c范围内，此时温差产生的应变为ε_Tmax，均匀发生在相邻简支梁桥固定支座约束之间梁体时为ε_Tj，则：

其中，α_h为主梁材料线膨胀系数，α_g为高弹高粘性层的材料线膨胀系数；则ε_Tj＜ε_T＜ε_Tmax；

当降温时实际活载和温差在高弹高粘性层中产生的最不利应力最大，忽略活载影响，则：

通过ε_max≤ε_rx的条件求解c值大小，取(6)式计算，经变换得：

2.根据权利要求1所述的一种简支梁桥伸缩缝结构的设计方法，其特征在于：所述加劲板的长度为b，所述高弹高粘性层的长度为c，所述b和c大于伸缩缝的宽度，并且b<c且b≥2Δ，其中Δ为简支梁桥相邻两跨相邻两端的间距。