一种新型的高桩码头伸缩缝结构设计
徐小梅 张敏 陈国良
摘要：本文针对现有伸缩缝构造技术的不足，提出一种控制高桩码头分段横向相对位移的伸缩缝结构。这种新型结构形式构造简单、施工方便，适应结构变形能力较强，能够很好地应用于码头伸缩缝的设置。
关键词：高桩码头；横向相对位移；伸缩缝
中图分类号：U655.4 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2016）03-0044-03
为了降低高桩码头上部结构遭受温差时的温度应力，减小结构的破损，一般将高桩码头的上部结构分成若干结构段，结构段与结构段之间设置伸缩缝，使相邻结构段之间可以产生相对变位，用来释放温度应力。目前常用的变形缝一般有两种形式：悬臂梁板式和简支梁板式。悬臂梁板式存在跨度小、横向排架数量多、施工不便的缺点，简支梁板式存在支座构造复杂、横向抗侧移能力较差的缺点。因此本文提出一种新型的伸缩缝结构型式，可以更好的控制码头的相对位移。
1码头伸缩缝现状
为了降低高桩码头上部结构遭受温差时的温度应力，减小结构的破损，一般将高桩码头的上部结构分成若干结构段，结构段与结构段之间设置伸缩缝，使相邻结构段之间可以产生相对变位，用来释放温度应力。
目前常用的变形缝一般有两种形式：悬臂梁板式和简支梁板式。悬臂梁板式伸缩缝把结构分段的两端做成悬臂式结构，为了防止相邻两段在悬臂端的水平位移不一致，造成轨道错牙，变形缝在平面上做成凹凸型。此种变形缝的优点是对不均匀沉降的适应性强；缺点是设变形缝的一跨跨度小，增加了横向排架的数量，而且悬臂部分一般需采用现浇，施工不便。简支梁板式是在两个结构分段之间设置简支跨，在简支梁的两端设置变形缝。这种结构必须采取适当措施以保证简支梁的梁端能自由滑动和转动。其优点是结构简单，施工方便，横向排架数量少；缺点是简支结构的支座构造复杂，横向抗侧移能力较差。
尽管悬臂式和简支式伸缩缝结构均有各自的构造形式及相应的特点，然而，这两种常规的伸缩缝结构形式都存在一些不可回避的缺陷。在实际应用中，常常出现预留伸缩缝不能满足结构变形的情况，致使伸縮缝处产生了不同程度的开裂和挤碎，甚至发生门机轨挤弯的情况，影响了码头的正常运行。
为了提高码头的正常使用寿命，减少日常维护费用，针对现有伸缩缝构造技术的不足，本文提出一种控制高桩码头分段横向相对位移的伸缩缝结构。这种新型结构形式构造简单、施工方便，适应结构变形能力较强，能够很好地应用于码头伸缩缝的设置。
2新型伸缩缝设计与构造
本文提出的新型结构伸缩缝结构方案综合了常规的简支式与悬臂式伸缩缝的构造特点，直接将纵梁搁置在下横梁的预留U形槽内，阻止了纵梁过大的侧向位移，提高其抗侧移能力，通过一些构造措施保证纵梁稳定可靠及自由伸缩，消除了简支式伸缩缝抗侧移能力差的缺点。同时，设置伸缩缝的跨度与其余跨度一致，码头纵向布置更加均匀，从而避免了悬臂式伸缩缝悬臂跨度小、排架数量多的缺陷。
这种新型高桩码头分段的伸缩缝主要由倒T型横梁、纵梁、面板、密封带以及弹塑性填充层组成，整个结构相对倒T型横梁中心线对称设置。其中，倒T型横梁包括下横梁和上横梁，面板包括预制面板和现浇面板两层。新型伸缩缝的构造示意图见图1-1所示。
在此构造中，下横梁采用预制构件，上横梁为现浇构件。为了保证横梁的受力要求，并能够较好地约束纵梁的横向位移，在倒T型梁下横梁上的纵梁搁置处设置u型槽，且伸缩缝处下横梁净高度（即U型槽底面至T型梁底面的距离）与其余跨下横梁的截面高度相同。换句话说，在纵梁搁置处两侧设置类似于牛腿的堵头，或是在纵梁搁置处外沿下横梁长度均设置等高的混凝土堵头，前者称之为间断式堵头（图2-2（a）），后者成为连续型堵头（图2-2（b）），堵头高度即为u型槽深度。同时，为了保证纵梁的温度膨胀变形，需要在纵横梁之间留有一定间距，故此处下横梁的宽度应比其余跨的下横梁宽，其具体宽度要根据预留缝隙的值、纵梁的搁置宽度以及纵梁的温度变形值确定。此处的连接构造见图2-3所示。
2.1U型槽堵头设计
U型槽堵头采用图5-2（a）所示的间断式时，其设计方法类似牛腿设计。牛腿按承受的竖向荷载合力作用点至牛腿根部柱边缘水平距离a的不同分为两类：a>h0时为长牛腿，按悬臂梁进行设计：a≤h0时为短牛腿，按一变截面悬臂深梁设计。此处，h0为牛腿根部的有效高度。
U型槽堵头采用图5-2（b）所示的连续型堵头时，需要保证堵头受侧向力时的局部受压能力。若满足局部受压要求，则不需配置间接；若不满足，则要配置钢筋网片或螺旋箍等间接钢筋，并进行验算。
2.2T型横梁的设计
T型横梁作为重要的受力构件，不仅要承受横向水平力，而且承受纵梁以及面板传来的竖向力。T型横梁一般通过弹性支撑梁法进行计算，在此简化体系中，下部基桩被视为上部横梁的弹性支撑。依据这种方法将横梁所受的弯矩、剪力等内力确定后，通过T型混凝土梁的正截面受弯和斜截面受剪进行配筋设计。
2.3纵横梁支座选型
前文提出的新型伸缩缝结构形式是针对倒T型横梁形式，但是这一设计思路同样适用于矩形和花篮形横梁形式，只是将u型槽设置在桩帽上，其余均相同。
为了保证变形缝处纵梁能够自由伸缩变形，必须合理设置支座。参照当前桥梁工程中应用的支座类型，可以选择一些适用于码头上部结构纵横梁的支座形式。当前，桥梁工程中的支座类型有以下几种：①钢支座；②混凝土支座（混凝土铰支座）。③铅支座，由硬铅构成传力部分的支座形式。④聚四氟乙烯支座（滑动支座）。⑤橡胶支座。对于本章新型伸缩缝体系中纵横梁之间的支座类型。这几种支座类型均能有所应用。对于处于腐蚀严重的海洋港工环境下的码头结构，耐久性能好是选择支座的必须条件，同时构造要力求简单。因此，采用上述的四氟乙烯滑板支座和橡胶支座均有很大的优势。支座可根据《公路混凝土结构设计规范》进行详细设计和计算。
2.4U型槽构造
在此伸缩缝连接构造中，U型槽是一个关键部位，其可靠性与耐久性关系到整个结构的正常使用及安全。U型槽的长度取为上横梁边缘至同侧下横梁边缘的距离，宽度略宽于纵梁宽度，深度则需能够约束纵梁的侧向位移，有足够的侧向刚度，一般需高出纵梁支座取20-30 cm左右。
纵梁或面板侧向受到较大的水平力时，纵梁则会产生一定的侧移，纵梁侧面将与横梁接触而受到纵梁传来的水平力，那么在U型槽侧面和纵梁侧面预埋等高的钢板则会保证两者接触时混凝土不受损伤，提高其耐久性。也就是说，在u型槽侧边和纵梁侧面与U型槽接触部位均预埋钢板保护混凝土不受损伤，也可采用型钢代替钢板，如槽钢或是角钢等，但要保证预埋件在这些部位均连续布置。
2.5顶部密封带构造
如图5-1所示，在上横梁顶部封盖密封带，防止水分和外部侵蚀物质渗入预留的缝隙中，起到一定防护作用。密封带可以选择橡胶带或其它具有良好变形性能的材料，其外部形式采用实心凹型，凹进尺寸与上横梁一致，便于很好地固定在上横梁顶部而不易移位。通过利用橡胶良好的压缩及回弹性能，有效提高结构适应变形的能力。
密封带应在纵横梁及预制面板布置完成后沿上横梁全长铺装。首先将与密封带接触的混凝土部分清除干净，上横梁表面整平，保证表面整洁无污，而后将密封带的两侧凹形堵头嵌入上横梁与纵梁间的缝隙内，并保证橡胶带与面板、上横梁紧密连接。密封橡胶带的顶面厚度以能够连接两端凹形堵头为宜，不宜太厚，防止造成面层下沉。
2.6弹塑性层的选型与实施
为了确保路面平整无缝隙，在行车时不致产生冲击、振动等，有良好的舒适性，本新型伸缩缝结构采用无缝连接伸缩缝构造。如图5-1所示，在密封带顶部铺装一层具有良好变形能力和承载能力的弹塑性体，能够很好地适应温度膨胀变形，并能承受码头面上过往车辆的轮压。
伸缩缝的无缝连接应具备几项基本性能：
2.6.1防止缝料外溢
在气温较高时混凝土板会产生膨胀变形，若填缝材料本身压缩性能和热稳定性差，则会发生流淌并从连接缝中溢出，同时在车轮的碾压下，外溢出的填缝料压粘在缝的两侧，影响码头表面的平整和面容；
2.6.2防止杂质嵌入
若所采用的填缝料抗嵌入能力差，则杂质容易嵌入缝内，从而会导致接缝胀缩性能减弱甚至丧失，使板面产生拱胀和断裂。
对于水泥路面，分割缝的填缝材料经历了最初的焦油，沥青，PVC胶泥，预制胶条，改性沥青，氯丁橡胶，焦油聚氨酯，聚氨酯，改性聚氨酯，有机硅，聚硫橡胶以及许多性质优良的高分子材料等。但对于伸缩缝，其宽度比水泥路面的分割缝宽，因此有必要在一些弹塑性体中添加一些能够承受外部荷载的骨料，如石子等。基于此，本伸缩缝选择近年来开发应用的TST碎石弹塑性体作为填缝材料。TST碎石弹塑性体是指将特制的弹塑性复合材料TST加热熔融后，灌人经过清洗加热的碎石中，即形成了TST碎石弹性伸缩缝。
3新型伸缩缝结构优势及应用前景
采用这种新型伸缩缝构造形式能够很好地适应各种工况，与传统的分缝形式相比具有明显的优势，从而使伸缩缝施工简便、性能可靠，很好地满足变形及设计要求。
与简支梁板式结构相比，这种橡胶式伸缩缝结构相对于横梁中心对称设置，不再需要为设置伸缩缝而减小跨度，相应地减少了横向排架的数量，缩短工期，节约成本。其次，本伸缩缝将纵梁下端搁置于下横梁u型槽内，可以阻止码头水平方向的位移不一致，并提高其抗侧移刚度。与传统的凹凸缝结构形式相比，解决了传统凹凸缝伸缩缝制作、安装困难的问题，具有结构简单，施工方便，不易损坏等良好性能。
此类新型伸缩缝结构中的纵横梁支座传力可靠，有利于结构自由伸缩。在横梁顶部全长设置橡胶密封带，大大增强了结构承受变形的能力。此外，在橡胶带上填充TST碎石弹塑性体，与前后码头面铺装形成连续体，形成平整无缝的码头路面，行车时不致产生冲击、振动等，舒适洼较好。TST碎石弹塑性填充层具有良好的防水性能，能够有效防止纵横梁支座受到雨水浸泡或侵蚀而影响其使用寿命。TST弹塑性体良好的变形性能能够很好地适应各个方向的变形，不致出现裂缝等影响结构耐久性的缺陷，延长结构的使用寿命，减少维护费用。
4小结
本文提出了新型伸缩缝构造形式，融合了简支式和悬臂式两种伸缩缝结构的优点，又避免了它们各自的缺点。这种构造形式不但结构简单，施工方便，而且承受变形能力非常强，不易损坏，可以普遍應用于高桩码头伸缩缝设计。
