模數(shù)式橋梁伸縮裝置病害總結(jié)與預(yù)防策略

陳 昌 柏

(上海大學(xué),上海 200444)

橋梁伸縮裝置的主要作用是調(diào)節(jié)由車輛荷載環(huán)境特征和橋梁建筑材料的物理性能所引起的橋梁上部結(jié)構(gòu)之間的位移并實現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)結(jié)。其中模數(shù)式橋梁伸縮裝置是國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的一種，可通過模數(shù)組拼成不同型號，是由異型鋼主梁、邊梁、防水膠條、錨環(huán)、彈性元件等結(jié)構(gòu)焊接組裝而成。作為一種特殊的橋梁材料，雖然相對橋梁整體來說伸縮裝置部分的造價很低，僅為橋梁結(jié)構(gòu)總造價的1%左右，但是，在眾多橋梁損壞中約有16%發(fā)生在伸縮裝置處，伸縮裝置的維修成本占到了橋梁總維修成本的20%左右[1]，因此，解決橋梁伸縮裝置的病害問題已經(jīng)成為當(dāng)前橋梁工程設(shè)計施工和養(yǎng)護作業(yè)中的關(guān)鍵點。

1 模數(shù)式伸縮裝置的項目全壽命周期劃分

研究模數(shù)式伸縮裝置的病害問題需要從該材料的全壽命周期入手進行分析，才能準確的找出病害原因并制定相應(yīng)的解決方案。根據(jù)該類項目的工作流程，將其壽命周期劃分為5個階段，具體劃分及相關(guān)工作要點見表1。

表1 模數(shù)式伸縮裝置全壽命周期劃分

以上5個階段既是模數(shù)式伸縮裝置的全壽命周期工作流程的分解，也是病害防治的第一步。任何一種病害問題的源頭均隱藏在某一個或幾個階段之中，工作流程的劃分能夠為病害問題的應(yīng)對與防治指明方向。

2 模數(shù)式伸縮裝置存在的主要病害問題

在查閱相關(guān)文獻以及對國內(nèi)大量使用的模數(shù)式伸縮裝置進行調(diào)研總結(jié)后，將主要存在的模數(shù)式伸縮裝置病害問題歸納為以下幾種。

2.1 槽口混凝土的開裂、破壞現(xiàn)象

槽口混凝土開裂、破壞是最為常見的病害問題之一，混凝土養(yǎng)護時間不足、強度低、抗裂性不足、未足量添加鋼纖維等外加料均可導(dǎo)致該現(xiàn)象。

2.2 模數(shù)式伸縮裝置出現(xiàn)縫口擠死或拉伸過度現(xiàn)象

在設(shè)計階段，模數(shù)式伸縮裝置選型過小，或安裝時預(yù)留縫口尺寸不合理以及橋體存在結(jié)構(gòu)性問題等均可導(dǎo)致縫口擠死或拉伸過度。

2.3 異型鋼邊梁、中梁形變、斷裂現(xiàn)象

鋼材型號不達標甚至使用焊接鋼材且焊接不規(guī)范、錨固環(huán)與預(yù)埋筋焊接不規(guī)范、安裝時伸縮裝置高于槽口混凝土面層高度等問題均可能導(dǎo)致異型鋼的嚴重變形、斷裂現(xiàn)象。

2.4 彈性元件出現(xiàn)滑脫現(xiàn)象

D160及以上多縫模數(shù)式伸縮裝置的彈性元件滑脫可導(dǎo)致位移箱損壞、中梁支撐效果喪失。該現(xiàn)象通常因彈性元件缺乏限位裝置、位移箱組裝存在缺陷或橋體產(chǎn)生縱向位移導(dǎo)致。

2.5 防水密封膠條出現(xiàn)漏水或砂石等堆積現(xiàn)象

防水密封膠條防水性能不足，或伸縮裝置拉伸過度超過了最大伸縮量時均有可能導(dǎo)致防水密封膠條受損失效。同時部分防水密封條缺乏自清潔設(shè)計，由過往車輛帶來的泥砂、石屑等雜物將伸縮裝置淤死, 會導(dǎo)致伸縮裝置失去伸縮功能[2]。

2.6 兩側(cè)護欄底部出現(xiàn)漏水現(xiàn)象

漏水現(xiàn)象是由于模數(shù)式伸縮裝置缺乏有效的排水功能或未在端頭處設(shè)置翹起段所導(dǎo)致的。

2.7 車輛通過時的噪聲過大

噪聲主要是由車輛通過橋梁伸縮裝置時產(chǎn)生的振動導(dǎo)致的。安裝時平整度不達標易導(dǎo)致噪聲過大問題。

3 模數(shù)式伸縮裝置病害原因分析

模數(shù)式伸縮裝置的作用決定了其工作環(huán)境的復(fù)雜性，影響這個環(huán)境的因素來自于多個方面，其中包含了材料自身性能、安裝施工、橋體結(jié)構(gòu)、外部自然環(huán)境等。同一種病害的現(xiàn)象往往背后隱藏著不同的原因，結(jié)合模數(shù)式伸縮裝置五階段全壽命周期模型對國內(nèi)大量模數(shù)式伸縮裝置的安裝維護項目進行總結(jié)后，現(xiàn)將病害原因從材料、施工、外部三個方面做歸納分類。

3.1 材料原因

3.1.1模數(shù)式伸縮裝置的選型問題

選型問題多存在于設(shè)計階段，由于設(shè)計時對伸縮量預(yù)估不足，在選型時選取的規(guī)格小，無法滿足實際需要。這一問題出現(xiàn)后，一定會導(dǎo)致縫口擠死或過度拉伸現(xiàn)象的發(fā)生。

3.1.2異型鋼邊梁、中梁用料不達標

主材用料不達標易導(dǎo)致裝置本身荷載承載能力不足。同時若伸縮裝置高于槽口混凝土高度，則可能導(dǎo)致異型鋼側(cè)翻，嚴重時可能導(dǎo)致異型鋼斷裂。

3.1.3防水密封膠條性能不達標

模數(shù)式伸縮裝置選用防水密封膠條時應(yīng)滿足JT/T 327—2016公路橋梁伸縮裝置的各項要求，保證水密性、耐腐蝕性等各項性能達標。

3.1.4未采用有效的限位裝置預(yù)防彈性元件的滑脫現(xiàn)象

由于不均勻沉降等結(jié)構(gòu)性問題導(dǎo)致的伸縮縫處產(chǎn)生縱向位移等現(xiàn)象可導(dǎo)致彈性元件的滑脫，該問題雖出現(xiàn)頻率較低，一旦發(fā)生應(yīng)引起重視，可采用加裝有效的限位裝置等方法避免重復(fù)性損壞。

3.2 施工原因

3.2.1混凝土強度不達標，或因趕工期等原因?qū)е碌酿B(yǎng)護時間不足

模數(shù)式伸縮裝置施工處于整個項目末期階段，槽口又為現(xiàn)澆混凝土，趕工期等情況可能導(dǎo)致養(yǎng)護時間未到便提前通車，此舉會嚴重影響混凝土結(jié)構(gòu)強度。

3.2.2安裝完成后，模數(shù)式伸縮裝置與槽口混凝土面層高差過大

若伸縮裝置低于槽口混凝土面層，會增大車輛駛過時的豎向荷載。若伸縮裝置高于槽口混凝土面層，車輛駛過時則會對邊梁產(chǎn)生行車向的沖擊力，極易導(dǎo)致異型鋼形變甚至破壞。

3.2.3預(yù)埋筋與橫穿筋配置不合理，或槽口未進行鑿毛處理

由于槽口為現(xiàn)澆混凝土，與預(yù)制梁板的錨固依賴預(yù)埋筋和橫穿筋實現(xiàn)，若其配置不合理，可導(dǎo)致槽口受力性能達不到設(shè)計強度，影響裝置的使用壽命。

3.3 其他原因

由于橋梁結(jié)構(gòu)等因素，如不均勻沉降等導(dǎo)致伸縮縫的伸縮范圍超過模數(shù)式伸縮裝置的伸縮范圍，可導(dǎo)致伸縮裝置的損壞。同時在沿海等腐蝕性強的地區(qū)未選用特殊型材均可導(dǎo)致模數(shù)式伸縮裝置病害問題。

4 模數(shù)式伸縮裝置病害防治辦法

由于我國環(huán)境差異大、工程實際施工水平參差不齊等原因，尚沒有系統(tǒng)的模數(shù)式伸縮裝置病害防治辦法。在此結(jié)合實際應(yīng)用提出“五階段全壽命周期模數(shù)式伸縮裝置病害防治策略”，該策略包含全部五個應(yīng)用環(huán)節(jié)所涉及的病害隱患防治方法，并歸納為材料設(shè)計生產(chǎn)階段和安裝施工及養(yǎng)護階段兩個具體環(huán)節(jié)，以下提供具體方案。

4.1 材料設(shè)計生產(chǎn)階段

4.1.1合理選型

在設(shè)計階段應(yīng)充分考慮影響伸縮量的各項因素。影響模數(shù)式伸縮裝置伸縮量的原因有氣溫的變化、混凝土的收縮與徐變、負荷所引發(fā)的橋梁扭曲變形、縱坡的影響、彎橋與斜橋的變位[3]。設(shè)計階段是整個伸縮裝置工程的開始階段也是進行理論計算最為方便的階段，伸縮量計算時還應(yīng)留有伸縮量增大系數(shù)，該系數(shù)通常取值為1.2～1.4。同時還應(yīng)考慮交通流量、地貌特征等條件的影響，從而決定是否需采用耐腐型鋼等特殊材質(zhì)及設(shè)計以滿足不同項目特征的需要。因此，在設(shè)計階段避免選型不合理問題，確保所選材料型號能夠滿足實際伸縮量要求，所選裝置滿足項目特殊性需要，是預(yù)防病害的第一步。

4.1.2選擇優(yōu)質(zhì)主材

模數(shù)式伸縮裝置的異型鋼邊梁、中梁作為主材，應(yīng)根據(jù)項目所在地年最低氣溫選擇相應(yīng)鋼材。依據(jù)JT/T 327—2016公路橋梁伸縮裝置的要求，最低日平均氣溫高于0 ℃的可選用Q345B型鋼，最低日平均氣溫在-20 ℃～0 ℃之間的可選用Q345C型鋼，最低日平均氣溫在-20 ℃以下的可選用Q345D型鋼。如在沿海等腐蝕性較高的地區(qū)，應(yīng)選用耐腐鋼材。

4.1.3重視輔材與組裝質(zhì)量

模數(shù)式伸縮裝置的主要輔材包括防水橡膠條、中梁、位移箱、彈性元件、錨環(huán)等。在部分要求使用進口材料的模數(shù)式伸縮裝置項目中，通常只有異型鋼邊梁、中梁等主材采用進口鋼材，相關(guān)輔料往往不受重視，原裝進口的更是鳳毛麟角。但實際上，由于輔料或組裝導(dǎo)致的模數(shù)式伸縮裝置病害問題占總量的1/2以上，因此重視輔材與組裝質(zhì)量十分重要，應(yīng)確保各組件滿足JT/T 327—2016公路橋梁伸縮裝置的規(guī)范要求。常被忽略的質(zhì)量問題有防水膠條應(yīng)采用滿足相關(guān)規(guī)范的三元乙丙橡膠等優(yōu)質(zhì)材料，杜絕使用再生膠或粉碎的硫化橡膠等。

4.1.4針對特殊的項目需要采用具有針對性功能的模數(shù)式伸縮裝置

統(tǒng)一的產(chǎn)品往往無法滿足不同項目的復(fù)雜特征。例如針對地質(zhì)情況較為復(fù)雜的項目，尤其是出現(xiàn)過位移箱內(nèi)彈性元件滑脫現(xiàn)象的養(yǎng)護工程，應(yīng)選用采取了有效的限位裝置來預(yù)防彈性元件滑脫位移的模數(shù)式伸縮裝置。在重要的交通節(jié)點處，同時可采用模塊化設(shè)計的相關(guān)產(chǎn)品，從而達到無需封路的情況下即可實現(xiàn)裝置維修的效果，避免封路帶來的交通壓力與經(jīng)濟損失。

4.2 安裝施工及養(yǎng)護階段

4.2.1槽口標準化整改

模數(shù)式伸縮裝置安裝前，槽口能否達到圖紙要求取決于多個因素，例如預(yù)制梁預(yù)埋筋情況、預(yù)留槽口尺寸以及中上面層施工過程中對槽口的保護工作是否完善等。在上面層施工前，應(yīng)用枕木土工布等對槽口予以保護，伸縮裝置安裝前應(yīng)對槽口進行清理并鑿毛，并保證澆筑前槽口內(nèi)無遺落雜物。

4.2.2計算合理的預(yù)留縫尺寸

模數(shù)式伸縮裝置安裝時應(yīng)嚴格控制縫口預(yù)留伸縮量。由于施工現(xiàn)場條件所限，考慮多種因素的預(yù)留縫計算難以實現(xiàn)?；跍囟仁歉鱾€影響因素中影響程度最高的一種，安裝時可以采用溫度為指標來快速判斷合理的預(yù)留伸縮量。預(yù)留伸縮量首先應(yīng)測定實際形變量，再由選用伸縮裝置的型號計算得出，具體計算方法如下：

首先查詢模數(shù)式伸縮裝置工作的溫度范圍(Tmin,Tmax分別是指項目所在地的最低及最高氣溫)，并根據(jù)安裝時溫度(Tset)計算梁端的伸長量和收縮量。

ΔLt=(Tmax-Tmin)γ×L

(1)

ΔL+=(Tmax-Tset)γ×L

(2)

ΔL-=(Tset-Tmin)γ×L

(3)

其中，ΔLt為當(dāng)?shù)販囟茸兓鸬淖畲笊炜s量；ΔL+為安裝溫度下溫度升高時所導(dǎo)致的最大伸長量；ΔL-為安裝溫度下溫度降低時所導(dǎo)致的最大收縮量；Tmax為項目所在地最高環(huán)境溫度；Tmin為項目所在地最低環(huán)境溫度；Tset為安裝伸縮裝置時溫度；γ為膨脹系數(shù)(鋼梁為12×10-6，混凝土梁為10×10-6)[4]。

實際安裝時，伸縮量為0～Emaxmm的伸縮裝置預(yù)留縫寬度Eset應(yīng)為：

(4)

其中，Emax為模數(shù)式伸縮裝置的理論最大伸縮量；Eset為安裝時的預(yù)留縫尺寸。

縫口預(yù)留伸縮量直接影響模數(shù)式伸縮裝置在正常情況下的工作狀態(tài)，該值偏差過大可能導(dǎo)致正常工作情況下仍會出現(xiàn)膠條過度拉伸或縫口擠死現(xiàn)象。

4.2.3安裝時保證各項細節(jié)質(zhì)量達標

模數(shù)式伸縮裝置的安裝施工是病害預(yù)防的重要環(huán)節(jié)。安裝施工過程中有多個細節(jié)應(yīng)予以重視，下面列舉施工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

1)模數(shù)式伸縮裝置安裝時應(yīng)保證縱向平整度達標，用3 m直尺測量時，偏差應(yīng)在3 mm以內(nèi)。

2)預(yù)埋筋、橫穿筋應(yīng)嚴格按照圖紙進行施工，橫穿鋼筋與錨固筋焊接時應(yīng)保障焊接質(zhì)量達標。如遇預(yù)埋筋傾倒等問題應(yīng)及時調(diào)整、加固。

3)為了能夠提高伸縮縫的使用效果,在混凝土材料選擇時, 需要選擇具備抗高溫、抗?jié)B、抗凍、抗鹽酸性能的材料。建議采用C50鋼纖維混凝土，可在槽口內(nèi)設(shè)置鋼筋網(wǎng)片用于槽口混凝土抗裂。澆筑前應(yīng)將聚苯乙烯泡沫板嚴密塞入預(yù)留梁端預(yù)留間隙內(nèi), 以防止混凝土澆筑時出現(xiàn)漏漿[5]。澆筑時應(yīng)保證振搗密實，嚴格按照混凝土養(yǎng)護時間規(guī)范進行養(yǎng)護工作。

4)對于部分工期緊急的項目，應(yīng)提前針對工期做好應(yīng)急方案，如采用外加劑等，并由具有資質(zhì)的相關(guān)檢測機構(gòu)出具相應(yīng)的混凝土配合比報告，以滿足施工要求。

4.2.4優(yōu)化安裝時的高差控制

澆筑混凝土?xí)r應(yīng)對模數(shù)式伸縮裝置與槽口混凝土面層高差進行控制?！豆饭こ藤|(zhì)量檢驗評定標準》規(guī)定，模數(shù)式伸縮裝置安裝與橋面高差的允許偏差為2 mm。根據(jù)多個實際安裝項目的調(diào)研可發(fā)現(xiàn)，通常情況下應(yīng)保證現(xiàn)澆混凝土槽口面層高度高于伸縮裝置高度1 mm左右，同時，應(yīng)盡量避免伸縮裝置高度高于混凝土面層高度，此舉可有效避免車輛駛過時對邊梁產(chǎn)生的沖擊力，延長使用壽命。

5 結(jié)語

模數(shù)式伸縮裝置因其特殊的結(jié)構(gòu)特點，一旦維修，就需要半幅封路，不僅對交通造成很大的壓力，同時也增加了安全風(fēng)險。盡管導(dǎo)致模數(shù)式伸縮裝置病害的原因是多樣的，但是只要方法得當(dāng)也可以“藥到病除”?！拔咫A段全壽命周期模數(shù)式伸縮裝置病害防治策略”包含的全過程病害防治步驟從設(shè)計入手，合理選材并遴選合格供應(yīng)商，通過高質(zhì)量施工和完善的養(yǎng)護最終實現(xiàn)病害的有效防治，這是應(yīng)對模數(shù)式伸縮裝置的各類病害問題、提升橋梁工程質(zhì)量、降低養(yǎng)護成本、保障交通系統(tǒng)正常運行的有效措施，并希望對新建、養(yǎng)護等各類工程提供參考。