伸縮裝置病害對公路橋梁耐久性的影響機理研究

吳興祥 劉 杰

（四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610017）

0 引言

橋梁伸縮裝置是為滿足橋梁結構在溫度變化、車輛荷載、風荷載、混凝土收縮和徐變等因素影響下產生的縱向伸縮變形，在相鄰梁端、橋臺、梁的鉸接等構造斷開處設置的特殊結構物，是橋梁結構不可或缺的“關節(jié)”。伸縮裝置不僅要保證能自由伸縮，滿足承載和變形（梁端翹曲）要求，還應具有良好的密水性和排水性，同時應易于安裝、檢查和養(yǎng)護[1]。

在橋梁結構中，由于伸縮裝置設置在梁端等構造相對薄弱的部位，且直接承受車輛荷載反復作用，故伸縮裝置區(qū)域的不平整性，會導致伸縮裝置承受反復沖擊作用，使混凝土材料的韌性和抗沖擊性能減弱，進而導致伸縮裝置結構破損[2]。另一方面，外部不良環(huán)境（如雨水侵蝕）還將加速混凝土結構破損現(xiàn)象，并反作用于伸縮裝置，使其變形與破壞，增加了裝置區(qū)域的不平整性，形成惡性循環(huán)。此外，部分橋面積水通過伸縮裝置滲入梁體，不利于梁體承載，危及橋梁及行車安全。上述不良現(xiàn)象均嚴重影響橋梁結構的耐久性。

多年來的公路橋梁檢測數(shù)據(jù)表明，伸縮裝置病害具有發(fā)生頻次高、周期短等特征，且伸縮裝置的正常使用年限遠低于規(guī)范要求的最低15 年設計使用年限[3]。為了給減少伸縮裝置病害，提高后期養(yǎng)護維修效果提供理論依據(jù)，本文從伸縮裝置制造、設計、施工、試驗檢測、養(yǎng)護等環(huán)節(jié)入手，通過分析伸縮裝置病害成因，揭示不同病害對橋梁耐久性的影響機理。

1 橋梁伸縮裝置常見病害

經調研可知，我國高速公路或其他等級道路上常用的橋梁伸縮裝置有模數(shù)式、梳齒板式、板式橡膠及無縫式等[4]。伸縮裝置病害對橋梁結構的影響可劃分為四種情況：

（1）自身結構受損，承載功能降低或喪失；（2）加劇橋面不平整性；（3）伸縮功能降低或喪失；（4）密水性和排水性降低或喪失。

依據(jù)多條公路橋梁檢測數(shù)據(jù)，梳理了幾種常用伸縮裝置的常見病害，見表1，對應部分典型病害現(xiàn)場見圖1。

圖1 公路橋梁伸縮裝置的典型病害現(xiàn)場

表1 伸縮裝置常見病害匯總

2 伸縮裝置病害成因分析

伸縮裝置病害的產生主要源于三個層面：（1）與其自身構造、組成材料有關；（2）與設計選型、施工過程控制、橋址周邊環(huán)境（如氣溫變化、地質情況、水文情況等）有關；（3）受到車流量及重車比例的影響。當三種成因存在耦合、并發(fā)現(xiàn)象時，將加劇伸縮裝置的破壞引發(fā)病害的擴展。

2.1 制造原因

（1）生產前未結合項目實際情況對伸縮裝置結構進行專項設計計算，如高速公路未按公路I級驗算，城市高架橋未按城市A 級驗算；（2）伸縮裝置未進行疲勞驗算和變形驗算；（3）制造時人為降低伸縮裝置的板厚或壁厚；（4）原材料及關鍵外購組件的質量得不到保障；（5）錨固件、箱體的接焊接質量得不到保障；（6）零部件精度控制不到位。

2.2 檢驗原因

（1）伸縮裝置出廠前未嚴格按JT/T 327 進行檢驗；（2）進場檢驗過程只進行外觀、尺寸偏差、防水性能等常規(guī)參數(shù)的檢測，未進行變形性能、承載性能等決定伸縮裝置使用性能和力學性能的關鍵參數(shù)的檢測；（3）分段安裝后的對接縫未進行探傷檢測；（4）施工過程忽視對隱蔽工程的檢測；（5）交（竣）工驗收時僅限于表觀檢查，且整改不到位。

2.3 設計原因

（1）伸縮裝置選型不當；（2）溫差取值不當；（3）伸縮量設計時未考慮梁體收縮、徐變量的影響；（4）安裝預留槽口深度不夠；（5）伸縮裝置構造未考慮日照角度引發(fā)的橋面扇形運動。

2.4 施工原因

（1）施工前未對伸縮裝置的寬度和順直度進行檢查；（2）伸縮裝置寬度不夠或過大時未得到有效處理；（3）施工中未保障裝配式梁橋的梁端順直度；（4）未根據(jù)實際安裝溫度計算初始位移，并調整伸縮縫；（5）對于較寬的伸縮裝置需對接接長時，接頭處未增設鋼板加強，接縫處未按規(guī)定進行探傷；（6）模板選用不當、安裝不牢靠、遮擋不嚴密；（7）混凝土未振搗密實；（8）混凝土的配合比和鋼纖維的含量控制不好；（9）錨固區(qū)混凝土與瀝青路面銜接不合規(guī)；（10）混凝土未達到設計強度就開放交通。

2.5 養(yǎng)護原因

（1）未及時清理伸縮縫內的雜物；（2）未及時處治早期、輕微病害；（3）養(yǎng)護不到位，達不到防止病害擴展目的；（4）人為破壞。

綜上所述，在制造、試驗檢測、設計、施工、養(yǎng)護等環(huán)節(jié)中的偏差或其累積效應均能導致伸縮裝置產生病害。此外，超載、超速、維修更換不規(guī)范等因素也會加劇伸縮裝置病害的發(fā)展。

根據(jù)自卸車的實際工作運行情況，在環(huán)境溫度16℃，油液溫度23℃環(huán)境條件下進行了油液溫升試驗。第一階段自卸車持續(xù)運行約2.5h。第二階段自卸車停止運行，液壓系統(tǒng)自然冷卻1.5h。第三階段自卸車繼續(xù)運行約2h。

3 伸縮裝置病害對橋梁結構耐久性的影響機理

橋梁結構耐久性是指在設計確定的環(huán)境作用和養(yǎng)護、使用條件下，結構及其構件在設計使用年限內保持其安全性和適用性的能力[1]。作為橋梁結構的重要構造，伸縮裝置是影響其使用壽命的關鍵因素之一。伸縮裝置病害的存在，不僅改變了橋梁結構的環(huán)境作用和使用條件，還縮短了結構正常使用狀態(tài)下的工作周期，嚴重影響橋梁結構的耐久性。其影響機理具體表現(xiàn)在四個方面。

（1）使用壽命遠小于其設計使用年限。伸縮裝置自身結構受損導致其承載等功能降低或喪失，需要修復或更換，從而影響橋梁的正常使用。《公路橋梁伸縮裝置設計指南》（JTQX-2011-12-1）規(guī)定了伸縮裝置的設計壽命：鋼構件為40a，橡膠及高分子材料為15a，然而調研結果顯示基本達不到其設計壽命。本文引用某省800道橋梁伸縮裝置數(shù)據(jù)[7]，以伸縮裝置從投入使用到首次維修時間作為其使用壽命，對其使用壽命概率分布進行分析，結果見圖2。

圖2 伸縮裝置使用壽命概率分布圖

通過數(shù)據(jù)擬合可得出橋梁伸縮裝置使用壽命概率分布如式（1）所示。

式中：x——橋梁伸縮裝置的使用壽命；

y——對應橋梁伸縮裝置使用壽命的概率。

由圖2及式（1）可知，案例工程中，80%以上的橋梁伸縮裝置使用壽命為6～12a，而使用壽命超過12a 的概率不足5%。

此外，基于筆者參與的四川省雅西高速橋梁伸縮裝置維修項目，該案例工程從建成通車到首次進行大規(guī)模伸縮縫維修的時間間隔不足3a（2012年4月～2014年11月），且維修涉及到52.2%（總數(shù)為266）的橋梁及所有使用伸縮裝置類型，具體見表2。

表2 雅西高速伸縮縫處治統(tǒng)計表

（2）加劇橋面不平整性，加劇車輛荷載對梁端的沖擊效應。

考慮車-縫-橋動力響應的影響[8]，伸縮裝置的各組件常常處于拉（壓）-彎-剪-扭耦合受力狀態(tài)，局部的高應力、大變形不僅會導致伸縮裝置各組件的累積損傷和破壞，且在局部出現(xiàn)損傷和破壞后，車輛通過伸縮裝置的穩(wěn)定性會變差，進而加劇車-縫-橋耦合動力響應，導致車輛對伸縮裝置、橋梁的沖擊作用增大。形成伸縮裝置病害加劇車-縫-橋耦合動力響應，車-縫-橋耦合動力響應又反過來加速伸縮裝置、橋面鋪裝病害發(fā)展的惡性循環(huán)。

根據(jù)既有試驗數(shù)據(jù)[9]，伸縮縫本身的局部輪壓沖擊系數(shù)最大可達0.75。而伸縮裝置病害導致的橋面不平整，進一步增大了經過車輛對梁端的沖擊作用，使得梁端應力狀態(tài)復雜化，不僅增加了梁體受力，還反向加劇梁體病害的擴展，使得不利影響反復加劇。

（3）引起伸縮功能受限或喪失，導致橋梁結構不能正常變形。

伸縮裝置病害常致使局部混凝土脫落，填塞梁端，影響伸縮裝置密封性，導致伸縮縫功能受到限制或喪失，進而限制了橋梁結構的正常變形。嚴重時出現(xiàn)結構抵死，產生的附加應力使梁端、臺背混凝土破損、開裂。若抵死現(xiàn)象發(fā)生在橋梁彎道處，還易產生梁體位移，致使梁體與蓋梁擋塊擠壓，使橋墩承受橫向水平力而產生橫向裂縫。

筆者參與檢測的某橋梁，平面位于R-160圓曲線及其緩和曲線上，縱坡1.847%，上部結構為7m×16m預應力混凝土簡支小箱梁，橫向布設4片小箱梁，下部結構橋墩為鋼筋混凝土雙柱墩，橋臺為樁柱式橋臺，兩側橋臺處設置80型鋼伸縮裝置。檢測結果顯示，橋臺側梁端均與背墻有擠壓、抵死現(xiàn)象，防撞護欄偏位6cm（見圖3），部分限位塊被箱梁擠壓、破壞（見圖4），蓋梁存在豎向裂縫（見圖5），墩柱存在環(huán)向裂縫（見圖6）。

圖3 防撞護欄偏位

圖4 限位塊被箱梁擠壓、破壞

圖5 蓋梁裂縫展布圖

圖6 1#墩柱裂縫分布圖

經分析，排除基礎移動的可能性，主要原因為兩側橋臺處梁端與臺背擠壓導致在升溫作用下梁體無法沿線路方向自由伸長，由于梁體自重較重，梁體變形只能沿橫向釋放，使得梁體產生水平位移，在梁體與擋塊或限位塊擠壓、抵死時，帶動蓋梁、橋墩產生水平位移，在上部結構恒載及路面活載的共同作用下，使得墩柱底部產生水平裂縫，蓋梁靠近頂部位置產生豎向裂縫。

最近幾年，處于曲線上的城鎮(zhèn)匝道橋、高速匝道橋及山區(qū)彎道橋，由于伸縮裝置卡死、功能喪失、梁端擠壓而引發(fā)的梁體位移、破壞事件屢見不鮮，在有縱坡的情況下，發(fā)生的幾率更高。一旦出現(xiàn)，修復不僅困難，且周期較長。

（4）導致密水性與排水性降低或喪失，改變了橋梁的使用條件。

伸縮裝置密水性或排水性不良，雨水會侵蝕橋臺（見圖7）致使鋼構件銹蝕；或繼續(xù)下滲至墩臺基礎，引發(fā)基礎軟化，產生不均勻沉降。此外，雨水從梁端滲入梁體，導致梁體箱室積水，增加了梁體承受的恒載。若雨水滲入梁體裂縫，致使梁底出現(xiàn)泛白結晶現(xiàn)象，加速梁體劣化。

圖7 橋臺受水侵蝕

某高速主線跨線橋平面位于直線上，縱面位于i=+5.00%及i=-6.00%的凸型豎曲線內，上部結構為（25+2×30+25）m 預應力混凝土連續(xù)箱梁，檢測結果顯示伸縮縫阻塞且部分橡膠密封條破損，導致橋面雨水、灑水流至梁端和橋臺，并沿著梁底縱向裂縫延伸到跨中位置出現(xiàn)結晶（見圖8）。

圖8 梁底縱向裂縫伴結晶

4 結束語

通過對公路橋梁常用伸縮裝置常見病害的統(tǒng)計及成因分析，可以得出制造、設計、施工、試驗檢測及養(yǎng)護等環(huán)節(jié)中的偏差或其累積效應，均會導致伸縮裝置病害過早出現(xiàn)，使得伸縮裝置的維修或更換周期變短，嚴重影響了橋梁的正常使用，橋梁的耐久性得不到保障。綜上所述，得出以下幾點主要結論：

（1）某省800道橋梁伸縮裝置數(shù)據(jù)分析表明，橋梁伸縮裝置使用壽命超過12a的概率不足5%，而80%以上的橋梁伸縮裝置使用壽命為6～12a。

（2）錨固區(qū)混凝土開裂、破損、坑槽等病害加劇了橋面的不平整性，加劇了車輛荷載對梁端的沖擊效應；此外，車-縫-橋耦合動力響應加劇與伸縮裝置病害擴展會形成互促效應。

（3）型鋼間距過小、抵死等病害，會使伸縮裝置伸縮功能受限或喪失，容易導致梁端擠壓而引發(fā)梁體位移、破壞。這種病害在位于彎道或縱坡的橋梁上發(fā)生的幾率更大。

（4）橡膠條開裂、破損等病害，使伸縮裝置密水性與排水性降低或喪失，改變了橋梁的使用條件。