橋梁伸縮縫破壞機理與修補措施探討

王 淵 徐紫祎 張文濤 冀 飛 安 斌

(1. 陜西交通控股集團有限公司 西安 710061；2.長安大學材料科學與工程學院 西安 710061；3.陜西交通控股集團有限公司綏定分公司 榆林 718500)

引言

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟持續(xù)增長，基礎配套設施建設不斷完善，作為跨越結構的橋梁也得到了迅速發(fā)展。橋梁伸縮縫是公路橋梁上部結構中的重要組成部分之一，其主要作用在于能有效調(diào)節(jié)由車輛荷載和橋梁上部建筑材料所引起的橫向位移和應力變形[1]，對保證橋梁結構穩(wěn)定、行車安全等具有非常重要的應用意義。然而，隨著公路橋梁服役時間的不斷增加，在惡劣的自然環(huán)境[2]、不斷增加的交通量和車輛高速超載等多種因素的共同作用下，伸縮縫過渡區(qū)混凝土會出現(xiàn)不同程度的收縮徐變、不均勻沉降，進而直接導致橋梁伸縮縫裝置受到破壞，影響車輛通行的舒適性和安全性，降低公路橋梁整體使用壽命，增加橋梁維修養(yǎng)護費用[3]。因此，深入研究橋梁伸縮縫的破壞形式、破壞機理以及影響因素，對指導橋梁伸縮縫前期施工和日常管理維護，保障高速公路沿線橋梁的行車安全具有重要指導意義。

基于此,本文介紹了橋梁伸縮縫的類型，總結橋梁伸縮縫的主要破壞形式和破壞機理，從設計施工、材料和養(yǎng)護管理等方面對伸縮縫損壞的原因進行探討，從結構和材料兩個方面提出橋梁伸縮縫的修復措施，并分別分析不同結構和不同材料的性能優(yōu)劣，旨在為橋梁伸縮縫的深入研究提供借鑒和參考。

1 伸縮縫類型

橋梁伸縮縫裝置是為了能夠充分滿足目前公路橋梁主體變形需要，在橋梁結構端部之間、梁端與橫梁端部橋臺之間或者在橋梁的交接位置上設置的一種變形技術裝置，要求其能在平行與垂直于橋梁橫向中軸線的兩個方向上，均能實現(xiàn)自由伸縮變形[4]，是目前城市道路或高速公路橋梁工程結構中必不可缺的一個重要技術裝置。我國主要將伸縮縫分為五類：對接式伸縮縫、鋼制支承式伸縮縫、橡膠式伸縮縫、模數(shù)支承式伸縮縫和無縫式伸縮縫[5]，其具體分類及特點如表1。

表1 橋梁伸縮縫類型及特點

2 伸縮縫破壞形式與機理

作為橋梁之間的紐帶，伸縮縫裝置既受到橋梁收縮膨脹的反復作用，還需要承受移動的車輛荷載及其產(chǎn)生的沖擊力。此外，伸縮縫裝置長期暴露在惡劣的自然環(huán)境中，受到雨水侵蝕沖刷和灰塵污染堵塞等作用，導致其耐久性下降，在多種因素相互作用下，橋梁伸縮縫極易斷裂造成自身結構破損，并直接引起梁板及其他橋面鋪裝保護層的破壞，影響橋梁使用壽命。因此，伸縮縫裝置是橋梁結構中較易破損的構件。

橋梁伸縮縫的常見破壞形式可分為兩類：裝置損壞，如止水帶的損壞、橡膠條的斷裂、螺栓的破壞、密封膠條老化與脫落[7]，以及鋼構件焊接部位的損壞等；錨固區(qū)混凝土的破壞，如混凝土變形、開裂、剝落、松散露出鋼筋或預埋筋[8]等。

研究表明[9]，橋梁伸縮縫裝置的破壞通常是從過渡區(qū)混凝土的破壞開始的。當車輛行駛在路面上，車輛輪胎壓在伸縮縫上時，其內(nèi)部荷載應力通過錨固系統(tǒng)傳遞到兩側過渡區(qū)混凝土上，再傳遞到連接在兩側的梁板上，并由此產(chǎn)生一定的變形。當車輛高速行駛過后，有一個相對應力快速釋放的過程，該過程會產(chǎn)生一定的內(nèi)應力。車輛輪壓越大，上述過程產(chǎn)生的內(nèi)應力也越大。由于過渡區(qū)混凝土與橋面鋪裝層之間剛柔相接，兩種材料模量差異大，同時伸縮縫裝置、過渡區(qū)混凝土與橋面之間很難完全鋪平，存在一定的高度差，因此，當車輛快速通過時，不平整的橋面會導致錨固系統(tǒng)和過渡區(qū)混凝土的受力瞬間增大，在反復的車輛瞬時荷載沖擊作用下，錨固裝置會產(chǎn)生振動變形，與過渡區(qū)混凝土相互剝離，最終全部結構遭到破壞。

3 伸縮縫破壞原因

3.1 設計施工方面

在進行伸縮縫設計時，對伸縮縫結構設計認識不足、選型不當，未對梁端部進行慎重考慮，導致伸縮縫在反復荷載壓力作用下遭到破壞；未對橋梁伸縮縫裝置兩側的錨固區(qū)混凝土和橋梁鋪裝層材料的強度、結構和配合比等作出嚴格的技術要求或相關規(guī)定，導致伸縮縫在運行過程中整體使用性能受到影響，無法正常工作。在工程施工設計過程中，為追求工期短，對相關施工工藝技術標準的貫徹落實程度不足；鋼焊接構件和螺栓緊固件等相關材料質量不達標，導致黏結部位容易松動甚至脫落；對填充材料澆筑不密實，導致在拆開模板時就存在蜂窩、空洞的現(xiàn)象，如果施工后期養(yǎng)護措施不到位，強度將無法達到工程設計中的要求，導致伸縮縫在還未達到使用壽命時就已經(jīng)被破壞。

3.2 材料方面

材料自身性能不足、在自然環(huán)境中老化和橋梁構件自身焊接不良等也可能會引起伸縮縫的損壞。傳統(tǒng)的修補材料黏結強度低，新老混凝土材料黏結后的界面易發(fā)生開裂；錨固區(qū)混凝土的整體抗沖擊性能、抗疲勞性能和使用耐久性能明顯不足，導致伸縮縫裝置在還未完全達到規(guī)定的設計使用壽命時就可能出現(xiàn)嚴重破壞；修補混凝土膠凝材料用量過少、骨料不潔凈等，導致混凝土強度不夠，在車輛荷載作用下，引起橋面鋪裝層產(chǎn)生大量裂縫、剝落和整體結構的破碎；在不中斷交通的條件下進行施工，車橋耦合擾動會影響混凝土強度的形成，造成不利影響，容易引起橋梁伸縮縫局部或整體結構的破壞。除此之外，橡膠材料在長期使用過程中的老化、緊固件與材料間的焊接不當，會直接導致結構中的應力傳遞不暢，致使橋梁伸縮裝置連接處發(fā)生開焊、斷裂。

3.3 養(yǎng)護管理方面

后期的維護管理或者養(yǎng)護不當也可能會造成橋梁伸縮縫的嚴重損壞。對于原有伸縮縫裝置中出現(xiàn)的磨損劣化和老化等現(xiàn)象，如果沒有定期進行安全檢查和及時更換，就容易導致構件發(fā)生剝落甚至脫落，從而造成額外的沖擊應力并影響其他正常構件的使用壽命；對于伸縮縫裝置內(nèi)的一些雜質未及時清理干凈，會導致原有伸縮縫的伸縮量無法及時達到實際設計中的效果；防水、排水口等設施以及設備的不到位，加之日以繼夜的車輛外力沖擊易導致原有伸縮縫出現(xiàn)老化或者變形，直接導致部分原有橋梁鋼制構件生銹腐蝕，加速結構的破壞進程[10]；接縫處凹凸不平，車輛沖擊力變大，也能引起伸縮縫裝置的嚴重破損。

因此，伸縮縫裝置在安裝施工和養(yǎng)護過程中應注意以下幾點：

(1)在設計階段，應合理選擇伸縮縫裝置的類型，要求其能夠有效滿足橋梁上部結構之間的橫向位移，能夠有效抵抗車輛輪胎的磨損與機械碰撞，確保車輛行駛平穩(wěn)。

(2)在施工準備階段，應嚴格按照行業(yè)規(guī)范要求施工，若發(fā)現(xiàn)施工設備和條件不完全滿足要求，應立即停止施工，待條件滿足后再進行施工操作。

(3)選擇合適的過渡區(qū)錨固修補材料，能同時滿足強度高、快速開放交通、黏結性能高和耐久性能優(yōu)良的要求。

(4)在安裝伸縮縫裝置前，必須進行打毛處理，并徹底清掃干凈所有預留槽內(nèi)的混凝土壁。

(5)澆筑混凝土后，要等待其強度達到滿足道路設計性能的要求后，才能開放道路交通。

(6)要及時清理伸縮裝置中的雜物，對于已經(jīng)發(fā)生損壞或者已經(jīng)老化的伸縮裝置構件等也要及時進行維修、拆除或進行日常更換。

4 修復措施

4.1 結構

目前，國內(nèi)外對原有公路橋梁伸縮縫裝置采用的修復結構如圖1，修復方法主要是[11]：先徹底鑿開原有公路橋梁伸縮縫裝置過渡區(qū)已嚴重破損的填充材料，拆除已經(jīng)損壞的伸縮縫裝置，然后重新清理原有損壞橋梁伸縮裝置和內(nèi)部預留槽，清除留有的雜物，接著重新安裝新的橋梁伸縮縫裝置，進行伸縮裝置的焊接等工作，之后再將新的修復材料一次性全部澆筑在伸縮縫過渡區(qū)預留槽內(nèi)，收光抹平，養(yǎng)護一段時間后即可開放交通。但這種橋梁伸縮縫修復方法所獲得的結構在本質上來說應該是屬于一種單層橋梁修復主體結構，橋梁主體結構與后期修復的結構之間并沒有直接構成有機修復整體，無法充分實現(xiàn)橋梁協(xié)同受力，易導致病害的出現(xiàn)。

圖1 伸縮縫修復結構

因此，研究人員針對伸縮縫的修復結構進行了更為深入的研究。王凱等[12]根據(jù)功能/結構一體化設計理念，引入功能梯度概念，提出將混凝土表面鑿成凹凸點陣的粗糙表面，然后將超高韌性混凝土和微膨脹高強混凝土以及傳統(tǒng)的修復混凝土，分上下兩層分別澆筑在預留槽內(nèi)，前兩種材料共同抗壓受拉從而形成功能梯度組合修復層，可減少伸縮縫上層混凝土開裂的可能性，從而可大幅提高材料的斷裂韌性和抗沖擊性能，減少混凝土裂縫、斷裂等病害的發(fā)生。郭永智等[13]在超高性能混凝土的上層澆筑纖維混凝土，得到雙層錨固混凝土結構，可徹底解決新舊混凝土黏結不良的問題和伸縮縫的不密實問題，能有效提高混凝土的抗凍性和抗裂性。

4.2 材料

目前常用在橋梁伸縮縫的修復材料主要是環(huán)氧樹脂混凝土、纖維增強混凝土和快硬早強水泥混凝土以及各種納米水泥基復合材料[14]。橋梁混凝土修復的技術難度主要體現(xiàn)在時間的限制、修復材料對施工養(yǎng)護的溫度敏感性以及其自身的使用耐久性等。

4.2.1 環(huán)氧樹脂混凝土

環(huán)氧樹脂是一種同時含有兩個及兩個以上環(huán)氧基團的新型高分子環(huán)氧低聚物，環(huán)氧基團可以與其他化學固化劑發(fā)生反應形成熱固性產(chǎn)物，具有優(yōu)異的力學性能和耐熱性能。目前應用最為廣泛的環(huán)氧樹脂是雙酚A型環(huán)氧樹脂，其分子結構見圖2，兩末端的環(huán)氧基團提供黏結性能，苯環(huán)提供力學性能。因此，雙酚A型環(huán)氧樹脂混凝土具有結構強度高、穩(wěn)定性好、黏結性好等優(yōu)點，被廣泛應用在各種工程領域中,但其固化反應對環(huán)境要求較高,且耐紫外老化能力差,因此當被用作修補材料時,該種材料主要是用于裂縫灌漿和接縫損壞修補。

圖2 雙酚A型環(huán)氧樹脂的分子結構

4.2.2 纖維增強混凝土

纖維增強混凝土是指纖維和水泥材料組成的復合材料。水泥混凝土的主要缺點是：抗拉性能低、脆性大，纖維的優(yōu)點是：抗拉性能高、抗堿性好，二者共同配合使用時性能可以互補，得到抗彎拉性能、抗裂性能和抗沖擊性能良好的纖維增強混凝土材料，可提高路面的韌性，減少開裂的可能性。此外，還可在此基礎上通過復配其他快速修補劑或者聚合物材料，得到性能更優(yōu)的快速修復材料。目前主要用于修復結構的纖維混凝土主要有鋼纖維混凝土、碳纖維混凝土和聚丙烯纖維混凝土等[15]。纖維增強混凝土自身的力學性能及耐磨性能優(yōu)良，但作為修補材料，還應滿足新老混凝土黏結性能高、早期強度發(fā)展快的要求，這靠單一的纖維改性是遠遠不夠的，同時纖維材料的價格往往比較昂貴，經(jīng)濟性不佳。

4.2.3 快硬早強型特種水泥混凝土

與普通硅酸鹽水泥相比，特種水泥是指一些具有獨特性能、能發(fā)揮特殊作用的水泥。目前常用在城市道路橋梁伸縮縫快速修補工程中的特種水泥品種主要有硫鋁酸鹽水泥、磷酸鎂水泥和高鋁水泥等。硫鋁酸鹽水泥除自身具有快硬早強的特征外，還具有一定的膨脹性，同時，其抗凍性和低溫硬化性能優(yōu)良，可用于冬季施工工程。磷酸鎂水泥用作道路修補材料是近年來比較熱門的技術話題，其早期強度高，與鋼筋和舊混凝土的整體黏結性能強，相容性好，被廣泛應用在城市道路主干道、高速公路破碎路面的快速修復搶修。然而，這種材料的價格昂貴，且脆性大，容易造成路面板橫向或縱向上的斷裂以及板底之間的斷裂。高鋁水泥是比較典型的快硬早強型特種水泥，具有快硬、高強、耐磨、抗腐蝕、耐熱的獨特性能，但不能用在堿性環(huán)境[16]，也不宜與其他水泥共同使用，常常用在緊急搶修工程。

5 結語

(1)伸縮縫裝置屬于我國現(xiàn)代橋梁結構中的基本結構，主要形式可以分為對接式、鋼制支承式、橡膠式、模數(shù)支承式和無縫式，本文對其各自特點和適用范圍進行了闡述。

(2)橋梁伸縮縫病害的形成原因有很多方面，一旦伸縮縫被破壞，將來就會嚴重影響行車舒適性和交通安全性。因此，必須從橋梁工程設計施工、材料和形式結構的選擇以及橋梁養(yǎng)護管理等各個方面都加以深入考慮，綜合措施防治，以有效減少公路橋梁伸縮縫的病害，提高行車舒適性和公路橋梁公共服務設施質量，增加公路橋梁的使用壽命。

(3)可以從結構和材料兩方面著手對伸縮縫進行修復。修復結構可分為單層結構和雙層結構，常用的修復材料有環(huán)氧樹脂混凝土、纖維增強混凝土和快硬早強型特種水泥混凝土，應該同時綜合考慮橋梁整體結構和各種材料的使用性能，使得伸縮縫裝置能在較短時間內(nèi)完成安裝更換，為有效保障我國高速公路橋梁行車的安全可靠奠定堅實基礎。