橋梁伸縮縫研究現(xiàn)狀綜述

董 晨

(江西理工大學(xué) 土木與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

0 前 言

伸縮裝置最早起源于歐洲，20世紀(jì)60年代傳入美國，起初并沒有針對伸縮裝置的統(tǒng)一規(guī)范，許多伸縮裝置未能達(dá)到性能臨界狀態(tài)即出現(xiàn)病害。20世紀(jì)90年代后期，歐美等發(fā)達(dá)國家大量的伸縮裝置產(chǎn)生破壞，產(chǎn)生了巨額的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用并嚴(yán)重影響了正常的交通運(yùn)營，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，這一現(xiàn)象引起了學(xué)者們的重視。近年來，隨著我國橋梁建設(shè)的不斷發(fā)展，伸縮縫處的損壞問題變得日益突出，給人們的行車安全帶來了巨大隱患，也嚴(yán)重影響了橋梁的使用壽命。因此，學(xué)者對橋梁伸縮縫展開了大量的研究。

1 伸縮縫的類型研究

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，交通流日趨復(fù)雜化，大量高等級公路和特大型公路橋梁相繼建成，橋梁的類型也逐漸向長大化發(fā)展，這就要求橋梁伸縮裝置在保證結(jié)構(gòu)合理的同時還要滿足大位移量的需求[1]。因此，滿足大位移量需求、各項(xiàng)性能良好的各類橋梁伸縮縫裝置應(yīng)運(yùn)而生。鐵明亮[2]，張一卓[3]對板式橡膠伸縮裝置的疲勞破壞現(xiàn)象進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)板式橡膠伸縮裝置的正常設(shè)計(jì)使用壽命受限于錨固區(qū)混凝土的疲勞壽命，其開裂和破碎主要是由于預(yù)埋錨固鋼筋的開焊和錨固螺栓剪斷所造成。楊濤[4]提出了改性瀝青橋梁伸縮縫-無縫式橋梁伸縮裝置，對該伸縮裝置的性能進(jìn)行分析，驗(yàn)證其可適用性，并提出改進(jìn)方法。喻聰聰[5]以湘潭三橋毛勒伸縮裝置為基礎(chǔ)，運(yùn)用有限元模擬及動力測試實(shí)驗(yàn)研究不同參數(shù)對毛勒伸縮裝置受力的影響，結(jié)合實(shí)際車流量評估了其疲勞壽命，并給出毛勒伸縮裝置的設(shè)計(jì)改進(jìn)和養(yǎng)護(hù)意見。雷浪[6]提出一種通過樹脂混凝土將伸縮裝置與梁體直接粘結(jié)錨固的新型EMR混凝土伸縮縫,研究發(fā)現(xiàn)，該混凝土性能優(yōu)良，與普通混凝土的粘結(jié)能力良好，且疲勞性能優(yōu)異，具有廣泛的工程應(yīng)用前景。Ma等[7]提出一種創(chuàng)新型的淺埋組合式橋梁伸縮縫，其錨固深度比傳統(tǒng)伸縮縫減少40%～50%，從而很好地適應(yīng)了實(shí)際工程中的滑閘快速施工方法。文中研究了水平與豎向疲勞加載后的載荷-撓度關(guān)系，發(fā)現(xiàn)該種伸縮縫表現(xiàn)出更好的疲勞性能，但隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，焊接接頭的疲勞損傷累積增加。支撐桿對中心梁的約束作用減弱，伸縮裝置的整體剛度降低。王勇等[8]，方園[9]針對模數(shù)式伸縮裝置常用的4種異型鋼形式進(jìn)行分析，結(jié)果表明E型鋼的受力性能最優(yōu)，而C型鋼使錨固區(qū)混凝土主拉應(yīng)力最大，但脫離位移最小，Z型鋼使主拉應(yīng)力最小。方園還研究了伸縮縫不同參數(shù)對鋼梁及混凝土受力的影響，并提出Z型鋼的修改方案，取得了較好的效果。張緯[10]研究車輛荷載對模數(shù)式及梳齒板式伸縮縫受力的影響，發(fā)現(xiàn)模數(shù)式伸縮縫在向輪壓荷載作用下一般不會發(fā)生強(qiáng)度破壞，且增加焊縫的飽滿度可以提高疲勞壽命，而梳齒板式伸縮縫錨固區(qū)混凝土及螺栓易發(fā)生破壞，且應(yīng)盡量使用非懸臂式。陽初[11]總結(jié)了橋梁伸縮裝置破壞原因，并以廣東某橋?yàn)槔?，研究伸縮裝置各部分的使用壽命，結(jié)果表明，錨固區(qū)混凝土最先發(fā)生破壞。

2 伸縮縫力學(xué)特征研究

許多學(xué)者對橋梁伸縮縫展開了受力分析研究，找出其受力的薄弱環(huán)節(jié)，從而進(jìn)行伸縮縫處的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改善伸縮縫的受力特性，以延長橋梁伸縮縫的使用壽命。章偉[12]，林云等[13]制作了橋梁伸縮縫跳車縮尺實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究車輛通過橋梁伸縮縫時的沖擊荷載。結(jié)果表明，沖擊荷載與伸縮縫寬度和小車速度呈線性增加關(guān)系，但隨小車質(zhì)量的增大而減小，且峰值往往出現(xiàn)在伸縮縫端部4～6 mm。Stamatopoulos[14]開發(fā)了一個疲勞壽命預(yù)測模型，用于通過螺栓連接的單支撐復(fù)合材料橋梁伸縮縫的時程動態(tài)分析。張?zhí)煊璧萚15]用有限元模型模擬分析了毛勒式橋梁伸縮裝置在車輛荷載作用下的應(yīng)力時程，并估算了其疲勞壽命。Chaallal等[16]進(jìn)行了一項(xiàng)開創(chuàng)性的嘗試，基于這種方法建立了橋梁伸縮裝置的S-N曲線和疲勞應(yīng)力表達(dá)式，然后將其擴(kuò)展到在支撐桿周圍焊接有U形箍筋的模數(shù)式伸縮裝置[17]。丁勇[18]提出了分布式彈簧-阻尼單元的計(jì)算方法研究車輪經(jīng)過伸縮縫時的豎向動荷載。研究發(fā)現(xiàn)，輪載沖擊系數(shù)超過了規(guī)范設(shè)計(jì)值，與橋梁伸縮縫寬度成正相關(guān)，但沖擊系數(shù)最大值發(fā)生在中等車速時。2018年，針對這一問題，丁勇認(rèn)為分布式彈簧-阻尼單元只是將伸縮縫結(jié)構(gòu)簡化為單自由度的彈簧質(zhì)量體系，無法準(zhǔn)確反映伸縮縫結(jié)構(gòu)的動力特性，故提出一種三維的車輛-橋梁-模數(shù)式伸縮縫耦合振動分析方法。發(fā)現(xiàn)提高輪胎面的預(yù)拉應(yīng)力及支撐剛度可減小沖擊系數(shù)。此外，車輛的不對稱振動會導(dǎo)致左右輪沖擊系數(shù)不同[19]。Emily等[20]介紹了一種新型橋梁伸縮縫的分析模型，該模型在橋梁接縫縱向運(yùn)動中提供了一個預(yù)測模型，即考慮了支撐桿的移動余量，從而預(yù)測整個預(yù)期位移范圍內(nèi)的接頭力-位移特性和中心梁間距行為，提高了預(yù)測組件和關(guān)節(jié)移動的準(zhǔn)確性。此外，然后通過接頭的全尺寸實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證了該模型的實(shí)用性。賀志勇等[21]，鄒毓穎[22]對模數(shù)式伸縮縫各部件受力性能和疲勞壽命進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)中梁支座焊縫處應(yīng)力最大，最易產(chǎn)生破壞。減小橫梁間距和行車速度，提高焊縫飽滿度和混凝土強(qiáng)度，可有效改善受力情況，提高使用壽命。鄒毓穎還發(fā)現(xiàn)水平與豎向輪載共同作用下伸縮縫上的應(yīng)力結(jié)果明顯比單方向輪載作用結(jié)果更大。王立成等[23]對模塊式橋梁伸縮裝置在不同荷載幅值作用下進(jìn)行了疲勞破壞實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，伸縮縫支撐梁和中心梁的殘余應(yīng)力隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加而增大，且提高荷載幅值將直接提高殘余應(yīng)變的增長速度。Lima等[24]，Roeder[25]和Guo等[26]對公路橋梁中的伸縮縫進(jìn)行了檢查調(diào)查發(fā)現(xiàn)，與其他類型的封閉伸縮縫不同，模數(shù)式伸縮裝置在承受車輛荷載時會產(chǎn)生較大的膨脹變形，且這種變形主要是由于車輛加速和制動產(chǎn)生的水平推力造成的，是伸縮裝置疲勞破壞的主要原因。并提出了橋梁伸縮的幾種缺陷類型及維護(hù)方法。周圣蘭等[27]研究了錨固區(qū)混凝土與鋪裝層間的脫粘病害。研究表明，當(dāng)荷載緊貼橋面鋪裝與錨固區(qū)混凝土的相交線上時，粘結(jié)界面所受應(yīng)力最大，且隨著鋪裝層彈性模量的增大，荷載壓力值與水平力系數(shù)的減小，界面所受應(yīng)力減小。Chang等[28]通過比較各種類型膨脹節(jié)的疲勞性能，對延長使用壽命的方法提出了幾點(diǎn)建議。Caczinski等[29]和Crocetti等[30]通過對橋梁伸縮裝置的一系列實(shí)驗(yàn)研究，提出了一種提高疲勞性能設(shè)計(jì)方法。

3 結(jié)語與展望

目前，橋梁伸縮縫的破壞主要是由于受到車輛沖擊荷載及疲勞荷載作用，且破壞的部位主要集中于錨固區(qū)的混凝土，從而可以通過在錨固區(qū)混凝土添加纖維材料的方式提高混凝土的耐久性能。雖然我國在橋梁伸縮縫錨固區(qū)混凝土的制作中已經(jīng)廣泛應(yīng)用了鋼纖維及聚丙烯等纖維材料，但關(guān)于纖維材料的摻量、種類等的研究還相對缺乏，故研究不同纖維材料、纖維種類、纖維摻量等對于混凝土力學(xué)性能、耐久性及混凝土裂縫發(fā)展的影響，尤其是對混凝土抗沖擊、抗疲勞性能的影響以及纖維材料對約束混凝土裂縫發(fā)展的作用，具有良好的研究前景，以期能夠得到性能更優(yōu)的纖維增強(qiáng)混凝土，提高橋梁伸縮縫的使用壽命。

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