大位移模數(shù)式伸縮縫病害監(jiān)測(cè)與防治

摘要 伸縮縫是橋梁的重要附屬部位，其性能對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全和使用壽命至關(guān)重要。文章以廣東省江順特大橋長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，系統(tǒng)梳理并分析了該橋服役8年來(lái)超大位移模數(shù)式伸縮縫出現(xiàn)的典型病害，通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)行超大位移模數(shù)式伸縮縫運(yùn)行至失效養(yǎng)護(hù)策略的弊端，可為科學(xué)制定大跨度公路橋梁伸縮縫的最優(yōu)養(yǎng)護(hù)策略提供一定的參考和依據(jù)。

關(guān)鍵詞 橋梁工程；江順大橋；大位移模數(shù)式伸縮縫；健康監(jiān)測(cè)；養(yǎng)護(hù)維修策略

中圖分類號(hào) U445.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）05-0106-04

0 引言

伸縮縫是橋梁結(jié)構(gòu)的重要附屬部位，用以調(diào)節(jié)橋梁因溫度變化、車輛荷載、混凝土收縮和徐變等因素產(chǎn)生的變形[1]。然而，由于車輛荷載的反復(fù)沖擊、使用環(huán)境惡劣等原因，伸縮縫實(shí)際使用壽命往往遠(yuǎn)小于其設(shè)計(jì)值，過(guò)早出現(xiàn)失效現(xiàn)象。江陰大橋、潤(rùn)揚(yáng)大橋和蘇通大橋在服役僅3～4年后便出現(xiàn)橋梁伸縮裝置過(guò)度磨損和局部破壞等病害[2]。伸縮縫病害不僅影響橋梁主體結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命，還會(huì)給車輛正常行駛帶來(lái)較大的安全隱患。2021年11月11日，廣澳高速K53+700段便因橋梁伸縮裝置損壞導(dǎo)致1人重傷、4人輕傷的交通事故[3]。因此，開展橋梁伸縮縫病害的監(jiān)測(cè)與防治，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

當(dāng)前，橋梁伸縮縫病害監(jiān)測(cè)主要有兩種方式：以目視為主的人工檢查和基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的伸縮縫性能評(píng)估[4]。我國(guó)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTG 5120—2021）[5]根據(jù)橋梁跨徑大小將公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢查等級(jí)劃分為I、II、III級(jí)，規(guī)定對(duì)伸縮縫進(jìn)行不同頻次的日常巡查、經(jīng)常檢查和定期檢查。人工檢查的主要缺點(diǎn)在于檢查工作耗時(shí)費(fèi)力，且難以量化伸縮縫病害的嚴(yán)重程度。為此，趙煜等[6]建議采用層次分析法和專家咨詢對(duì)不同類型橋梁伸縮縫的損傷調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，以定量評(píng)估伸縮縫的破損程度。隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的伸縮縫性能評(píng)估得到了更多學(xué)者的關(guān)注。Ni等[7]率先采用香港汀九橋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立伸縮縫位移與主梁溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以評(píng)估該橋適應(yīng)溫度變化的伸縮性能；鄧揚(yáng)等[8]以潤(rùn)揚(yáng)大橋148 d監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，研究溫度、交通荷載和風(fēng)速對(duì)橋梁伸縮縫性能的影響，研究結(jié)果表明：溫度、交通荷載與橋梁伸縮縫位移具有顯著的相關(guān)性，而風(fēng)速對(duì)伸縮縫位移的影響可忽略不計(jì)。類似研究方法相繼用于東海大橋、蘇通大橋等大跨度橋梁伸縮縫的性能評(píng)估中[9-12]。為更精準(zhǔn)預(yù)測(cè)汀九橋的伸縮性能，Ni等[13]采用泛化能力更強(qiáng)的貝葉斯線性模型表征伸縮縫位移與主梁溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系；Zhang等[14]結(jié)合貝葉斯動(dòng)態(tài)線性模型和馬爾可夫鏈，用于識(shí)別橋梁伸縮縫性能的劣化過(guò)程；楊奕等[4]從伸縮縫累計(jì)位移、溫度-位移相關(guān)性、異常檢測(cè)評(píng)估等三個(gè)方面評(píng)估了大位移伸縮縫的服役性能，并提出了定量化的評(píng)價(jià)指標(biāo)。但是，橋梁伸縮位移由溫度、交通荷載、混凝土收縮和徐變等多種機(jī)理耦合驅(qū)動(dòng)，如何通過(guò)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)識(shí)別橋梁伸縮縫病害還有待進(jìn)一步研究。

該文以廣東江順特大橋運(yùn)維實(shí)踐為例，介紹現(xiàn)行大跨度橋梁伸縮縫病害監(jiān)測(cè)的三級(jí)檢查機(jī)制，系統(tǒng)梳理并分析江順大橋服役8年來(lái)伸縮縫的典型病害、成因及維修歷史，探討大橋運(yùn)營(yíng)初期伸縮裝置運(yùn)行至失效（run-to-failure）的維護(hù)策略，為更科學(xué)地制定大跨度橋梁伸縮縫的養(yǎng)護(hù)策略提供一定的參考和依據(jù)。

1 工程背景

1.1 橋梁概況

江順大橋[如圖1（a）所示]位于廣東省江門市境內(nèi)，橫跨西江，是“廣佛江快速通道”的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工程。該橋全長(zhǎng)2 287 m，主橋?yàn)殡p塔雙索面鋼-混凝土混合梁斜拉橋，全長(zhǎng)1 172 m，主跨700 m，為廣東省跨度最大的斜拉橋。該橋于2014年6月6日完成主橋全線貫通，并于2015年6月27日建成通車，至今已連續(xù)安全運(yùn)營(yíng)超過(guò)八年。

1.2 伸縮裝置

橋梁伸縮縫可分為對(duì)接式、鋼制式、橡膠式、模數(shù)式和無(wú)縫式等[2]。模數(shù)式伸縮裝置因其傳力機(jī)制明確、使用性能較好，廣泛應(yīng)用于大跨度公路橋梁中。江順大橋在主橋和引橋連接處共設(shè)置4道大位移模數(shù)式伸縮裝置[如圖1（b）和（c）所示]，分別位于順德側(cè)左幅、順德側(cè)右幅、江門側(cè)左幅和江門側(cè)右幅。每道伸縮裝置由2個(gè)邊梁型鋼、18個(gè)中梁型鋼、13個(gè)工字鋼支承橫梁組成。支承橫梁一端與主橋位移箱剛性連接，另一端與引橋位移箱內(nèi)的球形支座連接，每道伸縮裝置共包括19個(gè)縫隙，每個(gè)縫隙縱向位移介于0～80 mm，設(shè)計(jì)的縱向最大伸縮量為1 520 mm，豎向轉(zhuǎn)角為±0.02 Rad，平面內(nèi)轉(zhuǎn)角為±0.01 Rad。伸縮裝置均錨固在橋面C50纖維混凝土保護(hù)層內(nèi)。江順大橋大位移模數(shù)式伸縮裝置如圖2所示：

1.3 伸縮縫病害監(jiān)測(cè)

江順大橋?yàn)閱慰卓鐝酱笥?50 m的公路特大橋。根據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》），其養(yǎng)護(hù)檢查等級(jí)為Ⅰ級(jí)。因此，江順大橋管理部門針對(duì)伸縮縫病害制定了每天1次日常巡查、每月1次經(jīng)常檢查、每年1次定期檢查的三級(jí)人工檢查制度。相關(guān)檢查內(nèi)容及流程如圖3所示。

2 伸縮縫病害及維修

2.1 病害

截至2018年9月30日的日常巡查、經(jīng)常檢查和定期檢查，江順大橋伸縮縫性能一直保持良好，伸縮裝置僅出現(xiàn)零星的螺栓松動(dòng)或脫落[如圖4（a）所示]、防水橡膠帶破損[如圖4（b）所示]等事件，并在橋梁日常養(yǎng)護(hù)中得以及時(shí)修復(fù)，伸縮裝置一直未出現(xiàn)大面積病害。然而，自2018年10月31日以來(lái)，大橋管養(yǎng)技術(shù)人員在伸縮縫經(jīng)常檢查過(guò)程中相繼發(fā)現(xiàn)位移控制系統(tǒng)中的剪切彈簧老化破損[如圖4（c）所示]等病害，且這種病害隨著時(shí)間推移迅速惡化，進(jìn)而出現(xiàn)位移控制系統(tǒng)連接件斷裂[如圖4（d）所示]、位移控制單元整體斷裂脫落事件[如圖4（e）所示]，其中以江門側(cè)病害尤為明顯。截至2019年5月31日，江門側(cè)剪切彈簧破損比例已高達(dá)22%，順德側(cè)剪切彈簧破損比例為17%。此后，車輛通過(guò)江門側(cè)伸縮縫陸續(xù)傳出異響及異常振動(dòng)事件。大橋管養(yǎng)技術(shù)人員通過(guò)高清內(nèi)窺鏡發(fā)現(xiàn)位于位移箱內(nèi)的橫梁上支承已出現(xiàn)嚴(yán)重破損[如圖4（f）所示]。此外，支承系統(tǒng)彈性元件也密集出現(xiàn)偏位[如圖4（g）所示]或脫落[如圖4（h）所示]、吊架斷裂[如圖4（i）所示]、型鋼間距不均[如圖4（j）所示]等病害。截至2020年10月31日，江門側(cè)位移控制系統(tǒng)剪切彈簧破損比例已高達(dá)68%，且江門左側(cè)伸縮縫4根中梁型鋼出現(xiàn)彎曲變形[如圖4（k）所示]，而順德側(cè)伸縮縫剪切彈簧破損比例也高達(dá)53%。

2.2 維修

鑒于江順大橋伸縮縫病害日趨嚴(yán)重，且位移控制系統(tǒng)中的剪切彈簧、支承系統(tǒng)中的彈性支承等橡膠材質(zhì)部件已超過(guò)其設(shè)計(jì)使用年限（均為5年），江順大橋管理部門于2021年1—6月組織工程技術(shù)人員對(duì)伸縮縫進(jìn)行專項(xiàng)維修（如圖5所示，該維修工作原計(jì)劃于2020年1月進(jìn)行，因新冠疫情延宕一年）。主要維修工作如下：更換全部剪切彈簧2 552件、焊接斷裂位移控制系統(tǒng)連接件102件，更換全部型鋼上下彈性支承1 872件、維修焊接吊架196件，更換全部橫梁上支承104件，更換橡膠止水帶315 m，并對(duì)發(fā)生銹蝕的中梁型鋼和橫梁進(jìn)行除銹并刷防腐涂料，防止構(gòu)件進(jìn)一步銹蝕。

需要提及的是，在隨后的伸縮縫病害監(jiān)測(cè)過(guò)程中，江順大橋管養(yǎng)技術(shù)人員相繼發(fā)現(xiàn)一些新更換的剪切彈簧在使用不到一年便出現(xiàn)損壞等現(xiàn)象。相較于舊的剪切彈簧，新更換的彈簧失效時(shí)間大大提前，其中以江門左側(cè)伸縮縫較為突出。這一方面可能是由于江順大橋服役之初車流量不大、車輛荷載較小，而現(xiàn)今車流量較大且不乏一些重載車輛（江順大橋服役之初日均車流量?jī)H約2萬(wàn)輛，到2023年8月已達(dá)日均6萬(wàn)輛）；另一方面可能是由于江順大橋位移控制系統(tǒng)和支承系統(tǒng)的橡膠制彈性元件出現(xiàn)大面積損壞而未得到及時(shí)修復(fù)，導(dǎo)致中梁型鋼、支承橫梁等伸縮縫關(guān)鍵部件產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形，使得江順大橋模數(shù)式伸縮縫自由、均勻伸縮功能局部受限，縫寬較大處的剪切彈簧長(zhǎng)期處于高應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，容易出現(xiàn)過(guò)早失效現(xiàn)象。一些研究表明，車輛通過(guò)模數(shù)式伸縮縫的荷載沖擊系數(shù)與伸縮縫縫寬成正比[15-17]；若縫寬從40 mm擴(kuò)大到80 mm，車輛荷載沖擊系數(shù)將放大4～6倍[18]。因此，管養(yǎng)單位應(yīng)在橋梁養(yǎng)護(hù)維修決策過(guò)程中認(rèn)真貫徹《規(guī)范》規(guī)定的“預(yù)防為主，防治結(jié)合”的養(yǎng)護(hù)理念，提前更換即將全面失效的伸縮裝置易損零部件，避免中梁型鋼、支承橫梁等關(guān)鍵零部件發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形。

3 結(jié)語(yǔ)

該文以廣東省江順特大橋8年運(yùn)維實(shí)踐為例，系統(tǒng)梳理并分析了大位移模數(shù)式伸縮縫病害監(jiān)測(cè)的三級(jí)人工檢查機(jī)制、典型病害、運(yùn)行至失效維修策略的弊端，以期為科學(xué)制定大跨度橋梁伸縮縫的最優(yōu)養(yǎng)護(hù)維修策略提供一定的參考和依據(jù)。主要研究結(jié)論如下：

（1）江順大橋大位移模數(shù)式伸縮縫性能總體良好，運(yùn)營(yíng)8年來(lái)僅出現(xiàn)密封系統(tǒng)橡膠止水帶破損、位移控制系統(tǒng)老化失效、支承系統(tǒng)連接件損壞等病害，未見(jiàn)錨固區(qū)混凝土破損、中梁型鋼斷裂、支撐橫梁顯著變形等嚴(yán)重病害。

（2）相較于舊的剪切橡膠彈簧，更換后的彈簧呈現(xiàn)明顯的過(guò)早失效現(xiàn)象，這可能與位移控制系統(tǒng)和支承系統(tǒng)中的彈性元件失效后未得到及時(shí)修復(fù)有關(guān)。

因此，橋梁管養(yǎng)部門在進(jìn)行大位移模數(shù)式橋梁伸縮縫日常養(yǎng)護(hù)時(shí)應(yīng)認(rèn)真貫徹《規(guī)范》規(guī)定的“預(yù)防為主，防治結(jié)合”的養(yǎng)護(hù)理念，提前更換即將全面失效的伸縮縫易損零部件，避免引致中梁型鋼、支承橫梁等關(guān)鍵部件發(fā)生嚴(yán)重塑性變形，進(jìn)而影響伸縮縫調(diào)節(jié)橋梁因溫度等因素產(chǎn)生變形的能力。

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