上海城市梁桥型钢伸缩装置损坏保持性分析

改造者：梁远路 李 莉 陈 长

上海城市梁桥型钢伸缩装置损坏保持性分析

改造者：梁远路 李 莉 陈 长

伸缩缝是桥梁的重要构件，它能保证桥梁正常受力，从而保障桥梁的安全和耐久性。本文对上海市城市桥梁中梁式桥的伸缩缝发展规律进行分析，发现螺帽松动、钢材料翘曲变形、伸缩量异常和伸缩缝异常声响等对桥梁安全、服务性能和耐久性影响较大的损坏类型得到了更大的重视，而缝内沉积物阻塞、接缝处跳车等相对不重要的部位没有得到充分地维修。然而缝内沉积物阻塞、接缝处跳车等部位虽然对结构安全影响小，却会影响养护资金的效益。本文在对构件损坏保持情况进行分析的基础上，提出相对不重要部位的损坏会对重要损坏造成影响，养护资金的分配应该考虑各部位之间的联系。

伸缩缝是桥梁的重要组成构件，它能满足温度变化时桥梁纵向膨胀和收缩变形，从而大幅降低温度应力对梁式构件的影响。伸缩缝处于梁端构造薄弱部位，直接承受车辆冲击荷载，因此也极容易损坏。伸缩缝破坏一方面影响行车安全和行车舒适，加速了支座和墩台的病害发展，影响结构的耐久性，甚至会危及梁板，导致单板受力，产生安全隐患。然而伸缩装置由于其可更换性等原因，常常在设计和施工中被忽视。但是可更换并不代表易更换，更不代表更换过程中的经济性。更换过程会阻断交通，更换后迫于通行压力也不能实施很好的养护，造成装置强度不足。可以说，每一次更换都会带来巨大的经济损失。

伸缩装置损坏的现状和经济影响

伸缩缝维修的间接成本包含车辆运营成本、时间延迟成本、安全事故成本、环境保护成本、人员伤亡成本和相关产业损失成本等。若伸缩缝完全损坏，则需要整体更换，其代价将十分高昂。以滨州黄河公路大桥为例，常规施工方法下更换一次伸缩缝造成的经济损失高达百万元以上。

有文献研究表明，按照当代大桥设计寿命一百年计算，更换周期为20年的伸缩装置在全寿命周期的成本为其初始安装成本的13倍，而更换周期为10年的伸缩装置在全寿命周期的成本为其初始安装成本的28倍。

有实践表明，作为桥梁结构次要部件的桥梁伸缩装置易损难修，在桥涵养护资金投入中占据相当比重，在高车速、重交通、大流量的复杂交通环境下该问题尤为突出。

由此可见，对伸缩缝的合理设置与维护，能带来可观的经济效益。然而现实中，伸缩缝的合理设置和维护并不尽如人意。伸缩缝温度取值不合理，导致伸缩量计算不准确，是导致伸缩缝损坏的关键因素。桥面和伸缩装置内的石子、泥沙等杂物未能及时认真地进行清扫，影响了伸缩装置的正常变形，桥面铺装和伸缩装置老化，接缝处桥面凹凸不平，维修又不充分，都加剧了伸缩装置的破坏。

上海市面临桥梁服役年限增长，交通流量、重车过桥数量的不断增加的情况，加上环境因素的作用，上海市桥梁伸缩缝在可预期的将来，发生损坏的概率也会增加。对上海市城市梁桥型钢伸缩装置的现状和历史情况进行分析，得其损坏发生和保持规律，能指导其未来养护资金的使用，从而减少其全寿命周期的费用。

上海城市桥梁伸缩缝管理现状

上海市采用BMS（Breidge Management System，桥梁管理系统）对桥梁进行管理，管理的业务流程如图1所示。

图1 上海市桥梁养护业务流程图

由图1可知，桥梁构件的日常养护、大中修和加固措施的制定很大程度上依赖于其评价状况。上海市采用的是《城市桥梁养护技术规范》（CJJ99-2003）中的桥梁评价模型，用BCI（Bridge Condition Index，桥梁状况指数）来表示桥梁的状态。该模型将桥梁划分成不同层次的构件（第一层为桥面系、上部结构、下部结构，第二层是构件大类，第三层是具体损坏类型），每一层的满分都是一百分，通过扣分制得到每一层的评分，然后用分层加权的方法得到总分。统计桥梁损坏的时候，按照心理学上人最容易直观判断将具体损坏按无、轻微、严重三个级别进行统计。

伸缩缝是桥梁系统损坏最为频繁的构件之一，上海市BMS中的数据也印证了这一点。依据《城市桥梁养护技术规范》（CJJ99-2003），将伸缩缝划分为7个损坏单项，每个单项的具体扣分值如表1所示。

表1 伸缩缝构件大类具体损坏单项扣分值表

图2 上海市城市梁桥型钢伸缩缝缝内沉积物阻塞历年损坏情况

图3 上海市城市梁桥型钢伸缩缝接缝处跳车历年损坏情况

图4 上海市城市梁桥型钢伸缩缝螺帽松动历年损坏情况

图5 上海市城市梁桥型钢伸缩缝伸缩量异常历年损坏情况

由于上海市的BMS中仅纳入了城市桥梁的数据，其中近90％的桥都是梁桥（总计2305座桥，2048座梁式桥，截至2014年），而大部分桥梁的伸缩装置都是型钢（模数式）类型，因此本文的分析限于城市梁桥的型钢伸缩装置。

上海市城市梁桥型钢伸缩缝几种典型的损坏类型缝内沉积物损坏、接缝处跳车、螺帽松动和伸缩量异常历年损坏比例变化情况如图2-图5所示。

从图2-图5可知，缝内沉积物阻塞是伸缩缝构件大类中损坏比例最大、损坏最为严重的单项，其“少量”和“严重”损坏的比例一直比较稳定，接缝处跳车的损坏比例有降低的趋势，但是仍然较大，螺帽松动和伸缩缝异常的损坏比例逐年下降最后保持到一个较低的水平。通过表1可以看到，缝内沉积物阻塞和接缝处跳车是扣分值较低的单项，螺帽松动和伸缩缝异常是扣分值较高的单项，扣分较低的单项没有得到足够重视，损坏情况不容乐观，扣分较高的单项得到了较大的重视，损坏情况不断好转。这是因为目前桥梁管理的核心是安全管控，因此对桥梁安全影响较大的构件比较重视，而构件的损坏对桥梁服务性能、长期经济性的影响并没有充分的关注，这也反映了我国桥梁管理的现实水平。

有研究表明，缝内沉积物阻塞长期保持比较严重的状态，依然有可能对桥梁安全造成严重威胁。阻塞的伸缩缝丧失了自由涨缩的能力，容易在在相邻的主梁或主梁与桥台之间产生推力，严重的甚至发生主梁的顶起或桥台背墙的开裂，存在门式框架的桥梁还可能在弯矩最大处发生结构的断裂，从而严重危害桥梁的安全。为了衡量对安全影响不大的构件损坏对桥梁的长期影响，需要对这些构件的历史数据进行更细致的分析。随机抽取上海市8座梁桥缝内沉积物阻塞历年变化情况（表2）可以看到，有的桥梁损坏一旦出现就很快被修复，有的桥梁损坏一旦出现就一直保持下去，损坏比例相对稳定是一种动态平衡。宏观上养护维修一直在进行，但个别桥梁维修不及时。由图2可知，上海城市梁桥型钢伸缩缝中，常年存在相当比例严重阻塞的伸缩缝，要定量分析这些伸缩缝中长期保持有损坏状态的数量，就需要定义一种损坏保持性指标。

损坏保持性的衡量

表2 上海梁式桥伸缩缝接缝内沉积物阻塞历年损坏情况部分查询结果

损坏发生后保持未修理的时间越长，则相应的服务性能下降时间越长，且如果长期未修复而导致损坏程度增加，则又会增加修复的费用。基础设施的服务性能，全寿命周期的养护费用均与损坏的保持程度有关，建立损坏保持性的量化指标，能帮助分析设施服务性能的变化和指导全寿命周期的养护资金分配。此外，如果及时发现，及时养护，则损坏保持的时间也少，因此损坏保持性指标也可以作为衡量养护工作效果的参考指标。

本文定义的损坏保持性指标δ为从有损坏记录的年份起，有损坏的年份数量与总年份数量之比，即

这里，有损坏是指发生轻微损坏或严重损坏。不对轻微损坏和严重损坏做严格区分是因为对损坏的统计是人工进行的，评判的标准也不是定量的，为了降低评价的误差和强调有无损坏质的区别，损坏保持性指标的计算以有无损坏为根本依据。从定义中可以看出，损坏保持性的计算屏蔽了从未出现该类损坏的桥梁，因为该类桥梁很难定义其损坏的保持性。对此，我们可以统计从未出现某类损坏的桥梁比例（记为k），该比例可以表征日常养护条件下桥梁该部位保持完好状态的能力，1-k表示计算损坏保持性系数涉及的桥梁比例。

损坏保持性指标δ取值最小为0（不能取到），表示损坏一旦出现就被修复，而且难以再出现损坏；δ取值最大为1（可以取到），表示损坏一旦出现就没有被修复。δ取值越小，表示养护工作强度越大，养护效果越好，δ取值越大，表示该类损坏越未得到重视。

型钢伸缩装置的损坏保持性

经计算，接缝内沉积物阻塞的损坏保持性系数为0.77，从未发生该类损坏的桥梁比例为0.07，这意味着出现该损坏后的十年中，平均有8年是继续有损坏的状态，仅有7％的桥梁未出现过此类损坏。再统计其损坏保持性系数的分布（图6），可以看到取值为1的数量较多，说明该类损坏一旦发生，就没有很及时地修复。其他单项的损坏保持性系数（从未发生该类损坏的桥梁比例）为，螺帽松动0.35（0.91），接缝处铺装碎边0.57（0.33），接缝处跳车0.49（0.39），钢材料翘曲变形0.39（0.87），伸缩量异常0.56（0.75），伸缩缝异常声响0.40（0.80）。

螺帽松动会使伸缩缝在行车荷载作用下松脱、翘起，造成较大的行车振动和噪声，会使局部渗水和积水，加速支座的老化和钢筋的锈蚀。从单项值扣分较高的螺帽松动保持性系数分布（图7）可以看出，它与缝内沉积物阻塞呈现完全相反的特征，损坏保持性系数低的数量较多，从来没有发生过螺帽松动的桥梁占比高达91％。

图6 缝内沉积物阻塞损坏保持性系数的分布

图7 螺帽松动损坏保持性系数的分布

表4 缝内沉积物阻塞与伸缩缝其他损坏的关联表

可以看到，不太重要的构件，如扣分值较低的缝内沉积物阻塞损坏保持性系数较高，而较为重要的构件，如螺帽松动，其损坏保持性系数较低，从来没有发生过该类损坏的桥梁比例也较高。

分析表明，上海城市梁桥型钢伸缩缝缝内沉积物阻塞的情况长期大量存在，极有可能对桥梁的长期性能造成不良影响，这种情况需要得到整治。

缝内沉积物阻塞与伸缩缝其他单项的关系

伸缩缝的各部位是一个有机整体，其中任何一部分的损坏都可能导致伸缩缝的整体损坏。

由过往车辆带来的泥砂、石屑等杂物将伸缩装置淤死，会导致伸缩装置失去伸缩功能，预留的伸缩缝过小会导致两侧梁板过度挤压，使接缝处材料凸起破损，从而产生跳车。为了揭示伸缩缝内各部分的内在联系，需要对它们进行相关性分析。卡方检验是一种用途很广的计数资料的假设检验方法，主要是比较两个及两个以上样本率（构成比）以及两个分类变量的关联性分析。为了衡量没被重视的伸缩缝缝内沉积物阻塞与其它单项的联系，本文采用标准的卡方检验四格表，对2014年度数据量较大的接缝处铺装碎边、接缝处跳车和橡胶块老化做了卡方检验。标准的卡方检验四格表要求表中（表3）a、b、c、d的值均大于5，构造的卡方变量因为标准四格表自由度=（行数-1）×（列数-1），衡为1，故不查表，用3.841和6.635两个数判断即可：

χ2〈3.841则P〉0.05，相差不显著

3.841≤χ2〈3.841则0.05≥P〉0.01，相差显著

χ2〉6.635则P≤0.01，相差非常显著

P为甲乙两组来自同一总体的概率。

表3 标准χ2检验四格表

表4可以按照表3的模板拆分成3个标准的四格表，卡方检验的结果如表5所示。

表5 卡方检验的结果

结果表明，缝内沉积物阻塞对接缝处跳车有明显的影响。桥头跳车会带来诸多不良影响，如使车辆不得不降低车速，降低通行能力；使驾驶员和乘车者感到颠簸不适、心情不快、易疲劳；造成载货物特别是易碎、贵重物的损坏；严重跳车会造成翻车、追尾等交通事故；跳车产生的水平和垂直冲击力会对路面、路基和桥梁结构物产生进一步的损坏，增加养护维修费用和管理上的难度等。实际上，发生缝内沉积物阻塞的桥梁（2014年数据，总数1016座）同时存在伸缩量异常的有124座，概率为12.2％，缝内沉积物不阻塞（2014年数据，总数344座）同时存在伸缩量异常的有4座，概率为1.2％。从数据量较小的伸缩量异常依然可以看出，缝内沉积物阻塞会明显增加发生伸缩量异常的几率。也就是说，缝内沉积物阻塞还会影响到伸缩缝其他损坏类型，经常清理缝内沉积物还能降低伸缩缝其他部位发生损坏的几率。

结语

伸缩缝在桥梁养护资金中占据相当比重，对伸缩缝的合理养护，延长其寿命能带来可观的经济效益。缝内沉积物阻塞是对桥梁安全影响较小的伸缩装置损坏单项，其损坏情况长期未得到整治，这种情况持续下去有可能导致主梁断裂等严重损坏。缝内沉积物阻塞与接缝处跳车、伸缩量异常有显著的相关性，对缝内沉积物进行及时清理，不仅能降低它本身对桥梁安全、服务性能和长期经济性的不良影响，还能降低其他单项发生损坏的概率和对桥梁的不利影响。因此，养护资金分配时应注意到不太重要的构件与其他构件的关联以及它本身严重损坏的长期保持可能对桥梁造成的影响。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.23.022