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伸缩缝装置中梁断裂成因分析

时间:2017-03-13 访问人数:

 

1  断裂的形式

在国内高速公路建设中,模数式伸缩缝占据伸缩缝用量的绝大多数,从伸缩量大小看,伸缩量在80~480 mm之间的各规格用量最大,占主导地位,按照行业观点及产品规格的确定方法,每80 mm为一个模数单位,伸缩量在80 mm以下的伸缩缝为单缝,伸缩量在160 mm以上为多缝,D160型伸缩缝有一根中梁相对应有一根支撑梁,以此每增加一个模数单元就会增加一根中梁和一根支撑梁,且这些支撑梁成一排布置,故称这种结构为排梁式结构,由于其使用量大,出现的问题也较多,但损坏的形式基本一致。通过观察分析,除混凝土破损外,中梁断裂是较为严重的一种损坏方式,其表现形式可分为早期、中期、晚期三个阶段,早期从中梁抖动开始,发展为中梁表面出现断裂裂纹,中期表现为中梁断裂,晚期表现为中梁断为数节且脱落。

2  断裂的发展过程

伸缩缝因加工质量及安装质量缺陷,一般在通车后1~2年时间内就会表现出来,因此,对于公路管养部门和伸缩缝施工企业在2年内定期巡检是非常重要的一件事情,现实中由于缺少定期巡检而使整道伸缩缝完全损坏需要更换的事实屡见不鲜,一方面是由于伸缩缝早期病害的不易发现和缺少专业的诊断知识,另一方面公路巡检范围偏离或次数偏少,待发现问题时已经到了中晚期,通过努力,我们发现中梁断裂的发展过程大致如下。

2.1  中梁振动异常

正常的伸缩缝当车辆通过时,会发出轮胎敲击钢梁时轻微声音,车辆通过后,中梁无明显抖动现象,若人脚站在中梁表面不会感觉到中梁跳动,早期损坏首先表现为中梁在车辆通过时发生抖动,这种抖动在人脚站在上面时感觉明显,声音异常而大,对于有多根中梁的伸缩缝,可根据车辆通过时每根梁的声音及有无抖动进行分析判断,若有异常应及时维修。

2.2  中梁上表面出现裂纹、断裂

中梁抖动现象若不及时发现维修,会在较短时间内,中梁上表面形成断面裂纹,在车辆载荷的反复冲击作用下,会在此裂纹处形成应力集中继而形成贯穿性裂缝。该裂缝位置出现在支撑梁与中梁连接断面处,断裂面较为齐整,但有较为明显的剪切撕裂痕迹。

2.3  中梁断裂为多段

中梁一旦断裂后,断裂处就变成了两段分别为一端简支的梁,中梁的受力体系发生变化,承载力下降,两段一端简支的梁会在支点断面处产生至少两倍的剪切应力,且变形挠度增大,一方面会使简支处快速断裂,另一方面改变了下一支撑体的受力状态,造成支撑体系的连续损坏,中梁断裂为数段,严重影响车辆行驶安全。

2.4  支撑梁变形、断裂

中梁断裂后,伴随着与支撑梁焊缝的开裂,完全脱落的中梁段或掉到桥下或成无约束状态在支撑梁上,车辆通过时,成无约束状态的支撑梁段会对下方的支撑梁产生更加强烈的冲击,在频繁车辆载荷的不断作用下,受冲击的面开始出现变形,突出的连接凸台逐渐变平,支撑梁在中部开始向下产生塑性变形,若支撑梁存在微裂纹或易产生应力集中部位,就会在这些地方裂缝甚至断裂。

中梁在一处出现上述损坏时,由于受力方式改变,加剧了紧邻支撑系统受力状态的恶化,其支撑梁所受的弯矩成倍增加,作用的竖向力加剧,超强的作用力会该使支撑系统产生相同的损毁,因此,我们经常会看到一根中梁会断为数节的原因,也使我们明白早期维修会使损失降到最低的重要性。

3  断裂原因分析

排梁式伸缩缝的支撑体系由支撑梁、承压支撑、压紧支撑、控制弹簧和位移箱组成,各梁之间的间隙由控制弹簧的压缩弹力调整,每根中梁相应有一套这样的系统,支撑梁由承压、压紧支撑成排列方式安装与同一个支撑箱内,因此,其受力状态除受力点作用于支撑梁上的位置不同外,受力状态均可简化为两端简支梁,为便于研究问题,文中以D160型伸缩缝受力状态进行分析,车辆通过伸缩缝时,作用于边梁上的力通过位移箱传递给桥梁结构体,而作用于中梁上的力有竖向力V和水平力P,中梁通过与支撑梁的连接处将力传递给支撑梁,竖向力V与水平力P等量传递给支撑梁,水平力在支撑梁与中梁连接处产生扭矩力M,支撑梁把力分解到两端的承压支承上,再由承压支承传给位移箱再传给桥梁结构体。

在正常情况下,由于支撑梁通过承压支承和压紧支承预压在位移箱内,当力传至支撑梁的支撑部位时,承压支承压缩,压紧支承的预压量来补充承压支承的压缩变形,也就是说,支撑梁在受到车辆荷载作用时,两端的支承应时刻处于压紧状态,若两端支承出现压紧失效,即预压力丧失,车辆通过时,支承块处震动过大造成支承脱落,支撑体系失效,中梁的支点距离加大2倍,载荷作用时变形挠度增大,应力增加,出现中梁断裂,原因如下:

3.1  中梁与支撑梁焊接缺陷

中梁材质为低碳合金钢,其强度标准符合Q345行业标准,早期的制作中,由于从业人员缺乏经验,在支撑梁选材上出现了认识上的错误,曾一度追求材料强度,而忽略了其焊接性能,选择了中碳材质的支撑梁,结果在焊接时就出现了焊接裂纹,导致焊缝开焊。

焊接过程应为伸缩缝加工过程的强制控制过程,除对焊接材料、焊缝要求、焊接工艺做要求外,焊接方式的选择很关键,为防止焊接夹渣、不密实、裂纹现象发生,应禁止采用电弧焊,有条件时可做焊缝探伤检验。

3.2  支撑梁的预压力过小

支撑梁靠两端的承压支承、压紧支承安装在位移箱内,安装时需预压缩压紧支承才能装入支撑梁,这个预压缩量在设计时要充分考虑,压缩量过大,支撑梁承受的压力也大,支撑梁与上下支承间的摩阻力也大,会直接影响控制弹簧调整中梁间隙的能力,过小会降低支撑块与支撑梁间的减震效果,甚至会使支撑梁与支承块之间在载荷作用时产生缝隙,损坏箱体及上下支撑块,若出现混凝土完好、支撑箱完好,而支撑块脱落,则多半是因为预压量过小,源于箱体内腔尺寸过大,另一个原因可能是支承块质量差,过早老化失去弹性。

3.3  安装缺陷

对应于伸缩缝的不同规格,其要求的预留槽尺寸有相应的要求,预留槽的尺寸在实际工程中即使不符合要求也可通过修复满足,但往往让大家忽略的是梁端间隙,间隙过小,高温天气可能出现梁体顶死,间隙过大,伸缩缝悬空无法安装,尤其是在近年的施工中,梁端间隙不符合要求的现象越来越突出,严重影响了伸缩缝的安装质量和使用寿命,经过观察发现,早期断梁的部位,大多是因位移箱前部悬空或前部混凝土缺失。

3.4  设计伸缩量偏小

模数式伸缩缝利用箱体与支撑梁之间的相互滑移运动满足桥梁的伸缩需要,支撑梁的滑移距离只要改变箱体长度,就可满足各种滑移量需要,但在实验中发现超过80 mm的梁间距会使车辆行驶震动明显,因此把80 mm作为一个模数单元,并把胶带的适应宽度和弹簧的压缩长度都以满足一个模数单位进行设计,对照毛勒公司设计的伸缩缝技术文件,每个模数单元的最大理论伸缩量可超40%,超过这个值就会受到限位限制,若仍不能满足桥梁伸缩需要,支撑梁就有可能拉出支撑箱。

有些桥梁在设计选用伸缩缝时,由于计算伸缩量与桥梁实际伸缩量误差过大,所选伸缩缝规格偏小,若在安装时仍不进行桥梁伸缩量复核计算,所安伸缩缝极有可能就会拉脱。

3.5  伸缩缝过载使用

超重车辆和交通流量过大也是造成伸缩缝早期损坏的原因之一,近年来随着经济的不断发展,重载车辆增多,车流量过大现象突出,给公路路面及路面设施造成的损坏增大,伸缩缝所面临的超负荷运行状态日益严重,中梁在车辆重载荷的反复作用力下,疲劳寿命缩短,伸缩缝支撑元件弹性寿命降低,出现早期损坏的概率增加。

4  断裂预防措施

4.1  支撑梁与中梁焊接

支撑梁与中梁为正交伸缩缝时成正交焊接,如为斜交缝时,支撑梁与中梁成斜交焊接,焊接时必须采用定位焊接,其方法是把伸缩缝组装起来(即预装),确定各部件位置后,先采取固定定位后,解除预装再进行加固焊接,为保证焊接质量及焊接强度,在支撑梁凸台(与中梁接触处)两侧 20×45°的焊接破口,焊接时两侧交替焊接,完成角焊要求。

4.2  支撑箱控制

影响预压量的尺寸为箱体高度,在箱体加工时要严格控制内腔高度尺寸,使其符合设计要求,同时加强对关键尺寸的检验力度,确保产品合格。

4.3  支承原件控制

选择好的企业及其产品,索取产品的检验报告和合格证,必要时进行抽检,并按照支承原件尺寸复核或重新更改设计图纸。

4.4  检查梁端预留间隙

对预留槽及梁端间隙进行检验,对不符合安装条件的地方要进行修整,尤其是梁端间隙过大支撑箱悬空的地方,要制定修整方案,可采取加筋支模重新浇筑砼,切不可以泡沫板填塞代替混凝土。

4.5  混凝土浇筑

浇筑混凝土时优先保证箱体底部混凝土密实填满,使箱体底部无悬空,但在浇筑混凝土时还要防止混凝土进入支撑箱内部,以免造成伸缩失效。