1、风陵渡黄河大桥伸缩缝维修方案2011 年 9 月 28 日风陵渡黄河大桥伸缩缝维修方案 第 1 页山西省高速公路开发有限公司晋南机械化养护中心 | 风陵渡黄河大桥伸缩缝维修方案一、 基本情况风陵渡黄河大桥的 3 道桥梁伸缩，均采用西安自力交通制品有限公司的 J-75 型 D240D400D480 装置。 1999 年 12 月对大桥南桥头的 D400 装置进行了改造维修，2001 年 1 月对 D240D480 装置进行了改造维修。在大桥的长期运营中，截至目前，3 道伸缩缝均出现不同程度病害。其中北桥台 D240 伸缩缝，主体结构基本完整，仅横梁下方支座及密封橡胶条出现不同程度的老化。其余两道
2、伸缩缝主要病害如下：1、横梁下方的支座脱空，偏压、甚至掉落。导致横梁底部支撑不平整，存在着一定的间隙。使得车辆经过时产生较大的震动及噪声，对伸缩缝的冲击较大。2、车辆对伸缩缝过大的震动，进一步加剧支座脱空、偏压，同时也使位于每组横梁内的摇臂的转动销脱落，久而久之，造成摇臂脱落，使得各纵梁无法协调变形，丧失伸缩缝功能，南桥头伸缩缝最为严重，甚至有 2-3 根操纵杆已经掉落。3、南桥头 D400 缝有一条纵梁断裂，更加剧了车辆对伸缩缝的震动。造成装置出现问题的主要原因有以下几点：1、大桥运营后至今混凝土的收缩徐变导致桥梁长度减小，造成风陵渡黄河大桥伸缩缝维修方案 第 2 页山西省高速公路开发有限公
3、司晋南机械化养护中心 | 伸缩缝间隙逐年增大；2、99 年对 D400 缝进行维修改造时，横梁长度加长值有些小，且计算方法存在一定缺陷。3、伸缩缝本身在长期使用过程中，橡胶弹性体逐渐老化，弹性性能降低，造成伸缩缝的传动机构不能有效传递。二、1999-2001 年期间伸缩缝维修概况1999 年 12 月对 D400 装置进行了改造维修，2001 年 1 月，对D240D480 装置进行了改造维修。改造维修的基本概念，就是对D240D400D480 装置的横梁进行加长更换， D240 的横梁由 640变为 828（加长 188） ，D400 的横梁由 960 变为 1130(加长 170)，D48
4、0 的横梁由 1120 变为 1390（加长 270） 。三、2011 年 7 月西安自力公司提出的改造措施2011 年西安自力交通制品有限公司针对该三条伸缩缝的病害提出了以下改造措施：1、对 D240 装置D240 装置的横梁上次加长后对应的 B 值最大可达到290+240=530，现有实测 B 值最大为 410（2008 年 12 月 2 日-8） ，两者相差 120 毫米，理论上，还可以满足温度再下降到约-20时的风陵渡黄河大桥伸缩缝维修方案 第 3 页山西省高速公路开发有限公司晋南机械化养护中心 | 伸缩量，因此，这次，D240 横梁不再更换。本次计划更换橡胶密封条 12.5 米 6
5、个，相关压块压条螺栓252 套，修补箱体底下混凝土空洞 3 处，利用橡胶密封条打开的机会，清理箱体内杂物，对油漆脱落等防腐处理进行加强，全面检查支撑机构、传动机构工作情况，更换上支座及下支座各 32 套及其余需要更换的零部件。2、对 D480 装置D480 装置的横梁上次加长后对应的 B 值最大可达到620+400=1100，现有实测 B 值最大为 940（2008 年 12 月 2 日-8） ，两者相差 160 毫米，理论上，还可以满足温度再下降到约-20时的伸缩量，因此，这次，D480 横梁不再更换。本次计划更换橡胶密封条 12.5 米 6 个，相关压块、压条、螺栓504 套，更换上支座及
6、固定圈 40 套，更换下支座及固定圈 40 套，修补箱体底下混凝土空洞 5 处，利用橡胶密封条打开的机会，清理箱体内杂物，对油漆脱落等防腐处理进行加强，全面检查支撑机构、传动机构工作情况，必要时，更换传动机构零部件。3、对 D400 装置D400 装置的横梁上次加长后对应的 B 值最大可达到 890，现有实测 B 值最大为 870（2008 年 12 月 2 日-8） ，两者相差 20 毫米，显然，D400 横梁必须再更换。D400 装置的横梁长度已经明显不能满足桥梁梁端间隙增大的要求，需要更换。在保持装置已埋填混凝土不变动的情况下，施工难风陵渡黄河大桥伸缩缝维修方案 第 4 页山西省高速公路
7、开发有限公司晋南机械化养护中心 | 度较大。我方计划再次采用类似 1999 年 12 月 D400 的改造方案，将横梁长度再加长一些。但横梁长度的加长受 2 个条件的限制，一是太长施工时无法装入，二是要防止夏天气温最高时，横梁太长会使伸缩装置两端的梁体出现“顶牛”现象。本次以表二中 1999 年 7月 26 日的数据（38，实测 D400 装置的 B 值最小值为 580）为依据，横梁可加长 580-320=260，由于上次已经加长 170，故本次需要再加长 260-170=90 毫米。又考虑到 2011 年 7 月的测量数据，说明D400 的最小 B 值，已经恢复不到 1999 年 7 月 2
8、6 日的数据，故决定本次将横梁再加长 130 毫米。四、D400 伸缩缝传动原理本桥伸缩缝采用杠杆位移的原理，利用传动机构保证各纵梁间的协调变形。其传动机构由摇臂、操纵杆组成。以标准的 D400 缝为例，其摇臂与操纵杆之间的相对关系如下图：风陵渡黄河大桥伸缩缝维修方案 第 5 页山西省高速公路开发有限公司晋南机械化养护中心 | 当伸缩缝的位移量为 0 和 400mm 时，传动机构达到运动范围的极限状态，操纵杆的角度达到最大值 14o。摇臂位移 7mm。当伸缩缝的位移量为 200mm 时，此时操纵杆处于运动范围中间，其角度为0（垂直于横梁） ，此时摇臂位移为 6mm。标准的 D400 伸缩缝构造
9、图如下：风陵渡黄河大桥伸缩缝维修方案 第 6 页山西省高速公路开发有限公司晋南机械化养护中心 | 当伸缩缝位移量为 0 时，此时梁端间隙 320mm，从上图可看出，横梁与箱体之间每端尚有 35mm 的余量才会发生顶牛，换句话说，只有当梁端间隙小于 320-70=250mm 时，伸缩缝会发生顶牛现象。当伸缩缝位移量为 400 时，此时梁端间隙 720mm，横梁单端距风陵渡黄河大桥伸缩缝维修方案 第 7 页山西省高速公路开发有限公司晋南机械化养护中心 | 箱体边缘 120mm，支座宽度 80mm，也就是说单端还有 40mm 的富余量，只有当梁端间隙达到 800mm 时，横梁才会脱空。五、目前 D4
10、00 伸缩缝的实际状态目前 D400 伸缩缝是 99 年改造的，当时改造是将原标准的D400 伸缩缝的横梁由 960mm 加长至 1130mm（加长 170mm） 。同时纵梁也相应加宽 170mm。1 当时摇臂长度确定方法当时参考 D400 标准缝按照比例关系，确定摇臂长度，如下示意图：其计算方法是，横梁长度为 960 时，上图中的y=6.5mm，x=284mm 。当横梁加长 170mm 时，摇臂座板间的距离由原先的 768mm 增加了 170mm 即 938mm，按照如下的比例关系确定风陵渡黄河大桥伸缩缝维修方案 第 8 页山西省高速公路开发有限公司晋南机械化养护中心 | 摇臂长度：=6.5
11、2849382=8122(8002)2解得 x=366.2mm，y=8.29mm。因此确定摇臂长度为 366mm。2 当时横梁与操纵杆交点位置的确定方法初步推测当时同样也是按照比例关系确定各横梁与操纵杆交点位置。其推算方法如下：当伸缩间隙增大 170mm 时，假设图中上摇臂位置相对不变，下摇臂则伸长 170mm，而第四根横梁伸长 170*0.8=136mm，第三根伸长 170*0.6=102mm，第二根横梁为 170*0.4=68mm，第一根横梁为170*0.2=34mm。按照上述方法确定各交点的位置第一根横梁为419+34=453mm，第二根为 460+65=525mm，第三根为500+10
12、2=602mm，第四根为 541+136=677mm。3 现场实际尺寸验证现场测量目前 D400 伸缩装置的实际尺寸如下：摇臂长度 366mm，第一根横梁与操纵杆交点为 450mm，第二根为 525mm，第三根为 600mm，第四根为 675mm。实际测量尺寸与上述推导结果较为吻合，说明当初是采用上述方法计算的。4 当初计算方法的缺点风陵渡黄河大桥伸缩缝维修方案 第 9 页山西省高速公路开发有限公司晋南机械化养护中心 | 按照比例关系进行计算，目的是使的摇臂与操作杆转动灵活，基本与 D400 标准缝运动范围相同。然而上述计算仅考虑比例关系，忽视了摇臂与操纵杆相对位置的影响。1）摇臂长度在计算摇
13、臂长度的公式中，按照计算结果 366mm 来确定操纵杆的位置。由于摇臂转动角度很小，其在水平方向上的投影长度依然是 366mm,因此操纵杆在水平方向的投影长度为：938-366-366=206mm。而理想 D400 缝此时的投影长度为 200mm。由此导致当伸缩缝位移 200mm 时，操纵杆及摇臂并不在运动范围的正中间。造成伸缩缝位移量为 0mm 和 400mm 时，角度不相等。其示意图如下：2）操纵杆与横梁交点位置采用比例关系确定的方法是错误的，当上述摇臂尺寸确定之后，按照上图很容易确定出操纵杆的角度。为了充分利用横梁长度，使风陵渡黄河大桥伸缩缝维修方案 第 10 页山西省高速公路开发有限公
14、司晋南机械化养护中心 | 其达到最大位移量时，各横梁均达到其跨径的最大值。此时各横梁距箱体的距离都是相等的。据此便可定出操纵杆与各横梁的交点。确定的示意图如下：伸缩量为 400mm 时的状态（梁端间隙为 890mm）伸缩量为 0mm 时的状态（梁端间隙为 490mm）风陵渡黄河大桥伸缩缝维修方案 第 11 页山西省高速公路开发有限公司晋南机械化养护中心 | 当横梁加长 170 后，相应的梁端间隙由原先的 320-720mm 变化为 490-890mm。当梁端间隙为 490mm 时，单边还有 35mm 才会顶牛。当梁端间隙为 890mm 时，单边还有 40mm 余量才会发生支座脱空。然而实际上
15、99 年改造 D400 伸缩缝按照比例关系，忽视了操纵杆的角度。其伸缩缝并未达到上述理想状态。以实际测量尺寸为依据，分别绘制出梁端间隙为 890mm 和 490mm 时的示意图如下：实际伸缩缝梁端间隙 490mm 状态从上图看出，当梁端间隙为 490mm 时，横梁与箱体已经相交，最大长度为 14mm，此时已经发生 “顶牛” 现象，有当间隙大于490+14=504mm 时，才不会发生顶牛，但此时已没有任何余量。若考虑单端 35mm 的余量，实际伸缩缝的最小允许间隙为 574mm。风陵渡黄河大桥伸缩缝维修方案 第 12 页山西省高速公路开发有限公司晋南机械化养护中心 | 实际伸缩缝梁端间隙 890
16、mm 状态从上图看出，当梁端间隙为 890mm 时，部分支座已经脱空，支座宽度 80mm，而图中最小接触长度为 68mm，只有当间隙小于890-（ 80-68）=578mm 时，才不会发生脱空，但此时已没有任何余量。若考虑单端 40mm 的余量，实际伸缩缝的最大允许间隙为838mm。由此可见，目前的 D400 伸缩缝实际允许范围仅为 575-838mm之间。通过查阅管理处近年来观测资料，最大缝宽为 870mm，考虑到实际测量是白天完成的，晚上气温相对更低，间隙也就更大。因此实际上该伸缩缝已经无法满足使用要求。这也是 D400 伸缩缝较其余两道伸缩缝更容易损坏的主要原因。风陵渡黄河大桥伸缩缝维修
17、方案 第 13 页山西省高速公路开发有限公司晋南机械化养护中心 | 六、本次改造方案本次改造参考西安自力公司提出的改造方案，对 D240 及 D480伸缩缝更换胶条及橡胶支座。对 D400 伸缩缝横梁加长。参考近年来梁端间隙的资料，梁端间隙基本在 580-870 之间变化，99 年梁端间隙最小达 580mm，而自 06 年以来气温最高时，梁端最小间隙均在 653-683 之间，最大间隙则在 826-870 之间。最小间隙 最大间隙1997 7641998 7801999 581 2006 653 8572007 683 8262008 667 8702009 668 868本次横梁考虑加长 9
18、0mm，这样伸缩缝的活动范围便为 580-980mm 之间。即使出现 99 年的极小值即 580mm，单端还有 35mm的余量，而 08 年极大值，还有 120mm 的余量。1、 加长横梁后的摇臂长度确定参考标准 D400 伸缩缝模型，其横梁长度为 960mm，本次加长后的横梁长度为 1220mm。当伸缩缝位移达 400mm 时，此时操纵杆角度达到最大，而当位移 200mm 时，操纵杆角度最小，为 0 度，说明当伸缩缝位移达 400mm 时操纵杆在横梁方向的投影长度为200mm。其计算模型如下图：风陵渡黄河大桥伸缩缝维修方案 第 14 页山西省高速公路开发有限公司晋南机械化养护中心 | 此时摇
19、臂在 x 方向的投影长度为：（768+170+90-200）/2=414，其在 y 方向的投影长度则为： ，800 81222002=6.5因此摇臂的长度为 ，因此，取摇臂长度为4142+6.52=414.05414mm。2、加长横梁后的伸缩缝状态按照摇臂长度 414mm，采用上图中操作杆角度不变，此时各横梁距箱体的距离相等，按照相应比例关系便可确定出相应位置。由此确定伸缩缝如下图：风陵渡黄河大桥伸缩缝维修方案 第 15 页山西省高速公路开发有限公司晋南机械化养护中心 | 3 伸缩缝各构件截面尺寸的拟定1）摇臂原 D400 伸缩缝摇臂如下图：风陵渡黄河大桥伸缩缝维修方案 第 16 页山西省高速
20、公路开发有限公司晋南机械化养护中心 | 本次摇臂增加了 90mm，总的长度为 414mm，由于摇臂受力基本属于悬臂状态，长度增加势必造成摇臂座板处受力增大，因此拟打算通过修改界面尺寸的方法来改善受力。将原实心截面改为工字型截面，其截面尺寸如下图：其截面面积由原先的 3600mm2 变为 2800mm2。2）横梁及纵梁等构件横梁除了长度增加外，其截面构造形式仍与原先相同，操纵杆长度及截面形式均不变，本次横梁加长 90mm，平均每片纵梁加宽22.5mm 取 22mm，因此纵梁宽度为 140mm，其余截面形式不变。风陵渡黄河大桥伸缩缝维修方案 第 17 页山西省高速公路开发有限公司晋南机械化养护中心 | 七、施工方案1）准备工作：准备原材料、工具、人员、资金等。2）对 D240 及 D480 伸缩缝进行更换橡胶条及支座等工作。3）D400 缝的施工：半幅封闭施工，拆除半幅的中纵梁、割掉箱体内的隔板，将横梁取出，清理箱体内渣，放入新的横梁，修补箱体，安装摇臂、操作杆等，安装纵梁、橡胶条等。同样方法施工另半幅，最后焊接中纵梁。4）本项目预计工期约为 30 天。
