伸縮縫裝置中梁斷裂成因分析

伸縮縫裝置中梁斷裂成因分析歡迎丁裁1斷裂的形式在國內(nèi)高速公路建設(shè)中，模數(shù)式伸縮縫占據(jù)伸縮縫用量的絕大多數(shù)，從伸縮量大小看，伸縮量在80?480mm之間的各規(guī)格用量最大，占主導(dǎo)地位，按照行業(yè)觀點(diǎn)及產(chǎn)品規(guī)格的確定方法，每80mm為一個模數(shù)單位，伸縮量在80mm以下的伸縮縫為單縫，伸縮量在160mm以上為多縫，D160型伸縮縫有一根中梁相對應(yīng)有一根支撐梁，以此每增加一個模數(shù)單元就會增加一根中梁和一根支撐梁，且這些支撐梁成一排布置，故稱這種結(jié)構(gòu)為排梁式結(jié)構(gòu)，由于其使用量大，出現(xiàn)的問題也較多，但損壞的形式基本一致。通過觀察分析，除混凝土破損外，中梁斷裂是較為嚴(yán)重的一種損壞方式，其表現(xiàn)形式可分為早期、中期、晚期三個階段，早期從中梁抖動開始，發(fā)展為中梁表面出現(xiàn)斷裂裂紋，中期表現(xiàn)為中梁斷裂，晚期表現(xiàn)為中梁斷為數(shù)節(jié)且脫落。2斷裂的發(fā)展過程伸縮縫因加工質(zhì)量及安裝質(zhì)量缺陷，一般在通車后1~2年時間內(nèi)就會表現(xiàn)出來，因此，對于公路管養(yǎng)部門和伸縮縫施工企業(yè)在2年內(nèi)定期巡檢是非常重要的一件事情，現(xiàn)實(shí)中由于缺少定期巡檢而使整道伸縮縫完全損壞需要更換的事實(shí)屢見不鮮，一方面是由于伸縮縫早期病害的不易發(fā)現(xiàn)和缺少專業(yè)的診斷知識，另一方面公路巡檢范圍偏離或次數(shù)偏少，待發(fā)現(xiàn)問題時已經(jīng)到了中晚期，通過努力，我們發(fā)現(xiàn)中梁斷裂的發(fā)展過程大致如下。2.1中梁振動異常正常的伸縮縫當(dāng)車輛通過時，會發(fā)出輪胎敲擊鋼梁時輕微聲音，車輛通過后，中梁無明顯抖動現(xiàn)象，若人腳站在中梁表面不會感覺到中梁跳動，早期損壞首先表現(xiàn)為中梁在車輛通過時發(fā)生抖動，這種抖動在人腳站在上面時感覺明顯，聲音異常而大，對于有多根中梁的伸縮縫，可根據(jù)車輛通過時每根梁的聲音及有無抖動進(jìn)行分析判斷，若發(fā)現(xiàn)中梁有異常，應(yīng)及時維修。2.2中梁上表面出現(xiàn)裂紋、斷裂中梁抖動現(xiàn)象若不及時發(fā)現(xiàn)維修，會在較短時間內(nèi)，中梁上表面形成斷面裂紋，在車輛載荷的反復(fù)沖擊作用下，會在此裂紋處形成應(yīng)力集中繼而形成貫穿性裂縫，通過觀察發(fā)現(xiàn)，該裂縫位置都出現(xiàn)在支撐梁與中梁連接斷面處，斷裂面較為齊整，但有較為明顯的剪切撕裂痕跡。2.3中梁斷裂為多段中梁一旦斷裂后，斷裂處就變成了兩段分別為一端簡支的梁，中梁的受力體系發(fā)生變化，承載力下降，兩段一端簡支的梁會在支點(diǎn)斷面處產(chǎn)生至少兩倍的剪切應(yīng)力，且變形撓度增大，一方面會使簡支處快速斷裂，另一方面改變了下一支撐體的受力狀態(tài)，造成支撐體系的連續(xù)損壞，中梁斷裂為數(shù)段，嚴(yán)重影響車輛行駛安全。2.4支撐梁變形、斷裂中梁斷裂后，伴隨著與支撐梁焊縫的開裂，完全脫落的中梁段或掉到橋下或成無約束狀態(tài)在支撐梁上，車輛通過時，成無約束狀態(tài)的支撐梁段會對下方的支撐梁產(chǎn)生更加強(qiáng)烈的沖擊，在頻繁車輛載荷的不斷作用下，受沖擊的面開始出現(xiàn)變形，突出的連接凸臺逐漸變平，支撐梁在中部開始向下產(chǎn)生塑性變形，若支撐梁存在微裂紋或易產(chǎn)生應(yīng)力集中部位，就會在這些地方裂縫甚至斷裂。中梁在一處出現(xiàn)上述損壞時，由于受力方式改變，加劇了緊鄰支撐系統(tǒng)受力狀態(tài)的惡化，其支撐梁所受的彎矩成倍增加，作用的豎向力加劇，超強(qiáng)的作用力會該使支撐系統(tǒng)產(chǎn)生相同的損毀，因此，我們經(jīng)常會看到一根中梁會斷為數(shù)節(jié)的原因，也使我們明白早期維修會使損失降到最低的重要性。3斷裂原因分析排梁式伸縮縫的支撐體系由支撐梁、承壓支撐、壓緊支撐、控制彈簧和位移箱組成，各梁之間的間隙由控制彈簧的壓縮彈力調(diào)整，每根中梁相應(yīng)有一套這樣的系統(tǒng)，支撐梁由承壓、壓緊支撐成排列方式安裝與同一個支撐箱內(nèi)，因此，其受力狀態(tài)除受力點(diǎn)作用于支撐梁上的位置不同外，受力狀態(tài)均可簡化為兩端簡支梁，為便于研究問題，文中以D160型伸縮縫受力狀態(tài)進(jìn)行分析，車輛通過伸縮縫時，作用于邊梁上的力通過位移箱傳遞給橋梁結(jié)構(gòu)體，而作用于中梁上的力有豎向力V和水平力P，中梁通過與支撐梁的連接處將力傳遞給支撐梁，豎向力V與水平力P等量傳遞給支撐梁，水平力在支撐梁與中梁連接處產(chǎn)生扭矩力M，支撐梁把力分解到兩端的承壓支承上，再由承壓支承傳給位移箱再傳給橋梁結(jié)構(gòu)體（見圖1）。在正常情況下，由于支撐梁通過承壓支承和壓緊支承預(yù)壓在位移箱內(nèi)，當(dāng)力傳至支撐梁的支撐部位時，承壓支承壓縮，壓緊支承的預(yù)壓量來補(bǔ)充承壓支承的壓縮變形，也就是說，支撐梁在受到車輛荷載作用時，兩端的支承應(yīng)時刻處于壓緊狀態(tài)，若兩端支承出現(xiàn)壓緊失效，即預(yù)壓力喪失，車輛通過時，支承塊處震動過大造成支承脫落，支撐體系失效，中梁的支點(diǎn)距離加大2倍，載荷作用時變形撓度增大，應(yīng)力增加，出現(xiàn)中梁斷裂，分析原因主要有以下幾點(diǎn)。3.1中梁與支撐梁焊接缺陷中梁材質(zhì)為低碳合金鋼，其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)符合Q345行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，早期的制作中，由于從業(yè)人員缺乏經(jīng)驗(yàn)，在支撐梁選材上出現(xiàn)了認(rèn)識上的錯誤，曾一度追求材料強(qiáng)度，而忽略了其焊接性能，選擇了中碳材質(zhì)的支撐梁，結(jié)果在焊接時就出現(xiàn)了焊接裂紋，導(dǎo)致焊縫開焊。焊接過程應(yīng)為伸縮縫加工過程的強(qiáng)制控制過程，除對焊接材料、焊縫要求、焊接工藝做要求外，焊接方式的選擇很關(guān)鍵，為防止焊接夾渣、不密實(shí)、裂紋現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)禁止采用電弧焊，有條件時可做焊縫探傷檢驗(yàn)。3.2支撐梁的預(yù)壓力過小如前所述，支撐梁靠兩端的承壓支承、壓緊支承安裝在位移箱內(nèi)，安裝時需預(yù)壓縮壓緊支承才能裝入支撐梁，這個預(yù)壓縮量在設(shè)計時要充分考慮，壓縮量過大，支撐梁承受的壓力也大，支撐梁與上下支承間的摩阻力也大，會直接影響控制彈簧調(diào)整中梁間隙的能力，過小會降低支撐塊與支撐梁間的減震效果，甚至?xí)怪瘟号c支承塊之間在載荷作用時產(chǎn)生縫隙，損壞箱體及上下支撐塊，若出現(xiàn)混凝土完好、支撐箱完好，而支撐塊脫落，則多半是因?yàn)轭A(yù)壓量過小，源于箱體內(nèi)腔尺寸過大，另一個原因可能是支承塊質(zhì)量差，過早老化失去彈性。3.3安裝缺陷對應(yīng)于伸縮縫的不同規(guī)格，其要求的預(yù)留槽尺寸有相應(yīng)的要求，預(yù)留槽的尺寸在實(shí)際工程中即使不符合要求也可通過修復(fù)滿足，但往往讓大家忽略的是梁端間隙，間隙過小，高溫天氣可能出現(xiàn)梁體頂死，間隙過大，伸縮縫懸空無法安裝，尤其是在近年的施工中，梁端間隙不符合要求的現(xiàn)象越來越突出，嚴(yán)重影響了伸縮縫的安裝質(zhì)量和使用壽命，經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)，早期斷梁的部位，大多是因位移箱前部懸空或前部混凝土缺失（如圖2）。從圖2可看出，支撐梁的上下支承位于箱體前部，也就是說，箱體前部承載著主要部分力的傳遞，若前部懸空就會使力傳遞出現(xiàn)斷裂，無法正常把力傳給梁體，其結(jié)果可想而知。3.4設(shè)計伸縮量偏小模數(shù)式伸縮縫利用箱體與支撐梁之間的相互滑移運(yùn)動滿足橋梁的伸縮需要，支撐梁的滑移距離只要改變箱體長度，就可滿足各種滑移量需要，但在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)超過80mm的梁間距會使車輛行駛震動明顯，因此把80mm作為一個模數(shù)單元，并把膠帶的適應(yīng)寬度和彈簧的壓縮長度都以滿足一個模數(shù)單位進(jìn)行設(shè)計，對照毛勒公司設(shè)計的伸縮縫技術(shù)文件，每個模數(shù)單元的最大理論伸縮量可超40%，超過這個值就會受到限位限制，若仍不能滿足橋梁伸縮需要，支撐梁就有可能拉出支撐箱。有些橋梁在設(shè)計選用伸縮縫時，由于計算伸縮量與橋梁實(shí)際伸縮量誤差過大，所選伸縮縫規(guī)格偏小，若在安裝時仍不進(jìn)行橋梁伸縮量復(fù)核計算，所安伸縮縫極有可能就會拉脫。3.5伸縮縫過載使用超重車輛和交通流量過大也是造成伸縮縫早期損壞的原因之一，近年來隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，高速公路的運(yùn)能和運(yùn)力矛盾突出，重載車輛增多，車流量過大現(xiàn)象突出，給公路路面及路面設(shè)施造成的損壞增大，伸縮縫所面臨的超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)日益嚴(yán)重，中梁在車輛重載荷的反復(fù)作用力下，疲勞壽命縮短，伸縮縫支撐元件彈性壽命降低，出現(xiàn)早期損壞的概率增加。4斷裂預(yù)防措施4.1支撐梁與中梁焊接支撐梁與中梁為正交伸縮縫時成正交焊接，如為斜交縫時，支撐梁與中梁成斜交焊接，焊接時必須采用定位焊接，其方法是把伸縮縫組裝起來（即預(yù)裝），確定各部件位置后，先采取固定定位后，解除預(yù)裝再進(jìn)行加固焊接，為保證焊接質(zhì)量及焊接強(qiáng)度，在支撐梁凸臺（與中梁接觸處）兩側(cè)倒2045的焊接破口，焊接時兩側(cè)交替焊接，完成角焊要求。4.2支撐箱控制影響預(yù)壓量的尺寸為箱體高度，在箱體加工時要嚴(yán)格控制內(nèi)腔高度尺寸，使其符合設(shè)計要求，同時加強(qiáng)對關(guān)鍵尺寸的檢驗(yàn)力度，確保產(chǎn)品合格。4.3支承原件控制選擇好的企業(yè)及其產(chǎn)品，索取產(chǎn)品的檢驗(yàn)報告和合格證，必要時進(jìn)行抽檢，并按照支承原件尺寸復(fù)核