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桥梁用橡胶制品的应用现状

摘要:针对橡胶制品在桥梁上的应用日趋广泛,总结了桥梁用橡胶制品在支座、伸缩缝、止水带、拉索减振、空心混凝土预制梁预制及防落梁装置中的应用及现状,并对将来的发展提出了看法。
 
关键词:桥梁工程,橡胶制品,伸缩装置
 
引言
橡胶是由异戊二烯组成的碳水化合物。由于橡胶材料具有可经受大的变形、应力-应变曲线呈高度非线性和不可压缩的力学特性,橡胶制品已广泛应用在航天、航运、建筑及机械等方面。
 
桥梁用支座、伸缩装置、止水带、拉索减振阻尼器、空心混凝土预制梁的芯模及防落梁装置中都有橡胶制品采用。下面分别介绍这些橡胶制品在桥梁上的应用现状及发展前景。
 
1橡胶支座
1.1板式橡胶支座
板式橡胶支座经过近四十多年的应用和改进,目前已成为国内公路与城市中、小跨径桥梁广泛采用的支座形式。板式橡胶支座除了在特殊条件下(寒冷地区以外),已经基本取代了以往桥梁上常用的油毡垫层、弧形钢板及钢筋混凝土摆柱支座等其他形式的支座。板式橡胶支座与其他形式支座相比,有着显著的优点:其构造简单,易于制造;成本低廉,仅为钢支座的25%;节省钢材,其用钢量仅为钢支座的6.5%;此外,板式橡胶支座还具有适用范围广、建筑高度低、养护工作量小等优点。
 
矩形和圆形支座的容许压应力为10MPa,适用于跨度较小的桥梁,均应按照JTGD62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范进行设计。公路桥涵不宜使用球冠橡胶支座或坡形橡胶支座。
 
1.2盆式橡胶支座
盆式橡胶支座是20世纪50年代末国外开发的一种桥梁支座。自从1977年在我国的烁河公路桥上采用2000kN盆式橡胶支座,迄今已有近30年的历史。由于盆式橡胶支座中的橡胶处于三向应力状态,具有承载力大、支座容许位移量大、转动灵活等优点,因而目前已广泛应用于我国公路大跨度桥梁,成为大跨径公路桥梁最主要的支座形式。
 
1.3减震橡胶支座
随着人们对橡胶性能的研究与认识的加深,利用橡胶的弹性和滞回特性已经开发了许多减震橡胶支座。如采用特殊配置的橡胶材料制成的高阻尼橡胶支座、在普通板式橡胶的支座中竖向足够硬后喷水养护,每天喷5次~6次,并用湿草包覆盖,养护时间7d。
 
3.2隧道衬砌混凝土(掺外加剂KIM)施工工艺
1)按国家现行标准的有关规定检验KIM混凝土用的水泥、集料、拌合水等;2)按《普通混凝土配合比设计规程》计算KIM混凝土配合比;3)按混凝土中水泥用量的2%确定KIM防水剂用量;4)将KIM防水剂与水泥、集料、拌合水一起倒入搅拌机中搅拌,KIM在搅拌机中的搅拌时间不应少于2.5min,在搅拌车中的搅拌时间不应少于10min;5)用搅拌好的KIM混凝土砌隧道内壁;6)养护:从KIM混凝土初凝到不会被浇水损坏时开始养护,每天浇水5次~6次,并用湿草包覆盖,养护时间14d。
 
4质量检测
1)KIM混凝土试块强度高于设计要求,抗渗指标达到了6级以上;2)经现场观察,祁临高速公路十三标段成王庄隧道衬砌混凝土及接缝处无渗漏现象。
 
5经济社会效益
经济效益:假如不解决隧道渗漏问题,一旦漏水以后,将难以彻底处治,易造成终生缺陷,而为了保证行车安全,则需要处理渗漏在路面上的积水、冻冰、以每日两个人工计,一年至少需工资1万元,如考虑隧道的寿命为50年,则该项费用达50万元。另一方面,混凝土防渗能力提高和接缝处理方法得当,可省去橡胶隔水板,若以每平方米橡胶板5元计,则每延米隧道可节省100元以上,这些费用也相当可观。
 
社会效益:保证了工程质量,交通流得以畅通和提高,给公众提供了高效、快捷、通畅的交通条件。
 
灌入铅棒制成的铅芯橡胶支座、在桥梁板式橡胶支座的基础上加上弧形钢板阻尼器改进而成的弧形钢板减震支座、利用橡胶核与重叠放置又相互滑动的带孔四氟薄板组成的回弹滑动隔震支座、限制桥梁上、下部相对位移,减小地震动力放大系数的抗震盆式支座、以及利用橡胶的弹性复位特性和其他耗能装置组成的组合减震支座等[2]。这些减震支座大都已经在实桥上应用,并取得了良好的减震效果。但由于设计计算较为复杂,所以应用还不广泛。长安大学已经做了一些铅芯橡胶支座标准化的工作,以期能够加快减震支座在桥梁上的应用。
 
2橡胶伸缩装置
采用橡胶伸缩装置来满足桥梁的变形和防水的功能要求,目前在国内、外桥梁工程中已得到广泛应用。这种装置主要是利用橡胶富有弹性、易于粘贴的特性。目前的规格化产品种类繁多,主要有以下几种:
 
2.1条状橡胶伸缩装置
条状橡胶伸缩缝由氯丁橡胶制成,其断面有A型、2孔条型、3孔条型、M型和W型等多种形式。通常当桥梁架设完成后,在梁端焊上角钢、涂上胶水,然后将橡胶嵌条强行嵌入,或用压板螺栓压住即可。由于单根橡胶嵌条的变形量有限,因此条状橡胶伸缩缝仅适用于伸缩量在20mm~60mm的中、小跨径桥梁。
 
2.2板式橡胶伸缩装置
板式橡胶伸缩缝利用橡胶伸缩体的剪切与拉压变形来适应梁体结构的相对位移。由橡胶体内预置的加强钢板,或由橡胶体下设置的梳齿形托板跨越梁端间隙;橡胶体两侧需预埋两块锚固钢板,通过螺栓与梁端连接。
 
板式橡胶伸缩缝平整美观,橡胶伸缩体具有良好的吸振作用与变形适用性;连接牢固可靠,维护保养及更换方便。板式橡胶伸缩缝的变形范围也较大,为30mm~300mm。
 
2.3组合式伸缩装置
组合伸缩装置由橡胶弹性体和型钢组合而成,多应用在伸缩量要求很大的大跨度桥梁上。组合伸缩装置有许多种形式,如双联组合伸缩装置、4联V型组合伸缩装置等。组合式伸缩装置虽然构造复杂,但可以根据变形量的需要进行调整。下面重点介绍我国自行研制的J-75型组合式大伸缩量桥梁伸缩装置,构造示意见图1。J-75型桥梁伸缩装置的主体是型钢和橡胶体的组合物。型钢形成的梁式系统和钢板控制箱用来承受车辆荷载,称之为支承机构;由钢件制作的操作杆和控制臂则牵动着梁式系统的位移,控制着伸缩装置的开闭,称为传动机构。橡胶弹性体作为密封装置,用以防止雨水和杂物侵入伸缩装置内部,保护钢构件和其他零部件不受损害。为了将伸缩装置牢固地锚固于梁端或桥台处,还需要设置一些锚固设施。
 
J-75型组合伸缩装置目前已完成系列化设计和生产,伸缩量范围为0mm~1040mm。此种伸缩装置的特点是坚固耐用。车辆冲击力小,可在-25℃~+60℃气温下使用,橡胶体拆卸更换很方便。此外,J-75型组合伸缩装置能够满足桥梁的多方向变形,即顺桥向变形、横桥向变形和垂直竖向变形。当伸缩装置两端产生不均匀变形时,即一端宽度大于另一端宽度时,仍能正常工作。由于具有这些性能,使得J-75组合伸缩装置不仅能够适用于正桥、平桥,而且可用于斜桥、弯桥和坡桥,其适用的最大纵坡限制为4%~6%,并可应用于斜交角(接缝方向与位移方向的交角)为45°~135°的桥梁[4]。除J-75组合伸缩装置外,市场上还有已经完成系列化设计生产的GQF型、XF型、C型、E型、F型、QMF型、SSFB型、SF型、SD型系列等模数式桥梁伸缩装置。
 
3橡胶止水带
橡胶止水带利用橡胶的高弹性和能够在各种荷载下产生弹性变形的特性,已经广泛应用在桥梁的施工缝和变形缝处,起到了坚固密封,有效地防止雨水漏进、渗进桥梁结构内部,确保桥梁的使用寿命,以及缓冲减震的作用。目前生产橡胶止水带的厂家很多,规格也很多。除了常规的E型、P型规格外,还有满足特殊要求的十字型、丁字型、斜度型和内外转角型产品。
 
4充气橡胶芯模
在橡胶芯模中充入压缩空气后,预制或现浇出符合要求的混凝土构件,特别适合于大跨径圆形或异形空心梁的预制。对混凝土小孔径孔的制作也可采用橡胶抽拔棒。
 
目前生产充气橡胶芯模和橡胶抽拔棒的厂家很多,产品规格多样化,并且已成系列化。充气橡胶芯模可多次重复使用,在桥梁制造中起了很重要的作用。
 
5橡胶减震(振)
近年来,利用橡胶来减小桥梁震(振)害的研究开展了很多,现已有不少科研技术成果运用到实桥上。
 
在纵向、横向的防震挡块靠近梁体一侧设置橡胶缓冲装置,可以使梁体撞击的时间延长,使动力特性不同的两相邻梁的最大变位差别减小、振动周期接近,缓冲梁体的碰撞从而达到减小甚至避免梁体在地震中的损害。
 
把橡胶减振圈放置在拉索的锚固端,利用高阻尼橡胶和拉索之间的摩擦以及橡胶自身的剪切变形粘滞阻尼耗能,从而使得拉索的振动尽快地停下来。橡胶减振圈结构简单、安装简单[5],需要根据减振目标单根拉索分别设计。日本多多罗大桥、我国的南浦大桥、铜陵桥、白沙洲等斜拉桥的拉索振动控制中都采用了橡胶减振圈。但是由于橡胶圈太接近锚固端,提供的阻尼十分有限,故一般应用于短索的振动控制。如果施工过程中拉索较大地偏离导筒中心,橡胶圈往往运行不到一年就产生开裂破碎。
 
6结语
随着桥梁建设事业的发展,橡胶制品在桥梁上的应用越来越广泛。但是,由于大多制品是裸露在大气中的,与臭氧直接接触,遭受风吹日晒雨淋,严重影响了其使用年限。
 
随着我国经济的发展,由于橡胶制品更换维修而中断交通引起的经济损失越来越大。我国现行的JTGD60-2004公路桥涵设计通用规范明确提出”桥梁桥涵结构的设计基准期为100年”,因此,研究开发更为耐久的桥梁用橡胶制品是今后的努力目标。

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