基于监测数据的梁式桥伸缩缝病害研究

张丽娟

（辽宁省公路勘测设计公司 沈阳市 110166）

基于监测数据的梁式桥伸缩缝病害研究

张丽娟

（辽宁省公路勘测设计公司 沈阳市 110166）

桥梁伸缩缝装置作为桥梁的重要组成部分，决定了一座桥梁的行车平顺性，更是桥梁结构耐久性的重要影响因素之一。因此，对桥梁伸缩缝装置的病害监测及维护保养是十分必要的一项工作。在实际桥梁结构中，伸缩缝装置直接暴露在环境中，极易因受到环境因素的影响而减弱其工作性能。根据陆中湾大桥伸缩缝的检测情况，对现有的伸缩缝病害进行研究，并对其现有状态进行评估，提出维护建议。

陆中湾大桥；伸缩缝；病害

近年来，我国国民经济高速发展，成功超越日本，成为世界第二大经济体。伴随着国民经济的增长，我国的基础设施建设也加快了步伐，其中桥梁作为基础设施的重要组成部分，也在以千座的速度增加。与桥梁建设发展相对应的是设计理念的提升。在以往，往往是一座桥梁出现明显的症状时，方才对其进行检修，不仅仅严重影响了交通，还会导致巨大的维护费用。随着桥梁健康监测的出现，工程师们开始能够对桥梁病害进行预先发现和及时处理，大大减少了桥梁的运营成本。而桥梁伸缩装置作为桥梁设计、施工、养护及管理中最容易被忽视的薄弱环节，往往最易发生病害而影响桥梁结构的使用功能。按照《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2015，伸缩缝的设计使用年限15年，也是极易损坏构件。桥梁伸缩装置在桥梁结构中的作用巨大，起到了调节上部结构的联结以及调节由于活载、环境特征以及桥梁建筑材料的物理性能引起的位移的作用，是桥梁结构的重要附属结构。若其发生了破坏，会直接影响桥梁结构的行车平顺性，进而会引起很大的车辆冲击荷载，严重恶化行车状况，影响桥梁结构的耐久性，会急剧降低桥梁结构的使用寿命。

1　梁式桥伸缩缝病害成因

1.1设计原因

（1）桥梁的桥面板端部刚度不足，翼板较薄且横向联系较弱，桥面板受到汽车荷载作用，将会导致桥梁结构变形过大而致使伸缩装置破坏。伸缩装置的锚固件与主梁的连接部分很少，大部分均安置于桥面铺装层中，因此达不到刚性锚固的要求，在汽车荷载的作用下，容易导致焊接处开裂从而导致其脱落，桥梁受力将不易传递，从而微小的变形可能会扩展成大的位移，进一步导致桥梁混凝土粘结力失效。

（2）伸缩量的计算不够准确，在对伸缩装置进行安装时，未全面考虑实际安装温度对伸缩装置的影响，当伸缩装置本身不具备或很难具备调整初始位移量以适应安装温度位移的要求时，选型不当是造成伸缩装置破坏的主因。

（3）对伸缩装置两侧的后浇混凝土、铺装层材料及梁段部伸缩装置基座的设计未按照规范规定严格要求，或未选用合适的材料和构造，致使防水设施不完备，发生漏水、溢水等情况，进一步对锚固部件产生腐蚀，对梁端和支座造成严重侵蚀。

1.2施工原因

（1）在对伸缩缝进行安装的过程中，未对其施工工艺采取足够的重视，没有严格地按照施工工艺的标准和安装工序进行施工，致使桥面板间的实际伸缩间距与设计相比有较大误差，导致在投入实际使用后，伸缩装置很快便发生损坏；

（2）混凝土的制作及浇筑没有达到设计要求，达不到设计的强度要求，使混凝土桥面板无法承受车辆荷载的强烈冲击；或是现浇混凝土的后期养护未达到要求，致使后浇混凝土模板发生漏浆，从而导致伸缩装置的间隙发生阻塞或顶死，最后致使伸缩装置发生早期破坏；

（3）安装开口时，预留的伸长量不足，使橡皮条被拉断，桥面的雨水将会下漏，从而致使支座等金属构件发生锈蚀，同时台背与梁头处掉进的杂物将挤坏台背和梁头；

（4）安装闭口时，预留的压缩量不足，混凝土面板间距压缩时，将会挤死伸缩装置，并挤坏混凝土，使路面出现坑槽而发生破坏。

1.3管理维护原因

（1）未对掉入伸缩装置中的各类杂物进行及时清理，使得伸缩缝被堵塞，达不到设计的伸缩量。伸缩装置和后浇注材料将逐渐老化，对其的维修亦不够及时和充分，从而使破坏状况不断恶化，最终导致了伸缩装置整体损坏。

（2）超载现象过于严重，尤其是夜间，导致桥梁的伸缩量超出伸缩装置的限值，对伸缩装置的有效使用和耐久性产生了严重的威胁；一些外部因素如火灾、地震等的发生也会对养护管理作用造成巨大阻碍。

2　基于监测数据的混凝土梁桥伸缩缝病害成因分析

2.1工程背景

某项目上某大桥（以下简称“桥梁”）跨越陆中湾，河宽80m，河两岸兼机耕路。桥梁上部结构为先简支后连续先张预应力空心板，四跨一联，共两联，跨径组合为8×20m，斜交95°，桥面设单向纵坡-0.122%。桥梁分别在0#、4#、8#墩台处设置伸缩缝，其中0#、8#桥台采用60梳形缝伸缩缝，4#桥墩采用80梳形缝伸缩缝。全桥支座均采用Φ200× 53TCYB球冠圆板式橡胶支座，桥梁墩台采用桩柱结构型式。

2.2桥梁病害总体情况

（1）4号墩顶左、右幅伸缩缝纵向变形过大，左幅为14.6cm，右幅为14.3cm（设计值为2cm，安装时实测值为4.0～4.1cm）。

（2）右幅0号台伸缩缝宽度太小，为1.4cm（设计值2cm，安装时实测值为3.0～3.1cm）。

（3）大部分支座存在剪切变形现象。

2.3伸缩缝病害情况

该桥采用梳形伸缩缝，共设置3道伸缩缝，分别位于0号桥台、4号桥墩和8号桥台处。其中，0号、8号台采用60梳形伸缩缝，4号墩采用80梳形伸缩缝。当安装温度为20℃时，设计安装定位值A= 21mm。

现场伸缩缝观测图片如图2所示：

根据现场实测的伸缩缝宽度变化值可知，0号台左幅伸缩缝宽度一直在2cm上下变动，较稳定，与设计值吻合，但小于初始安装值（3.0～3.1cm）。右幅伸缩缝宽度在0.5cm上下变动，较稳定，小于设计值（2cm）及初始安装值（3.0～3.1cm）。8号桥台左右幅伸缩缝宽度均在2cm左右变化，较稳定，与设计值吻合，但小于初始安装值（3.0～3.1cm）。4号桥墩左右幅伸缩缝宽度在10～15cm左右变化，远大于设计值（2cm）及初始安装值（4.0～4.1cm）。

2.4伸缩缝原设计计算

2.4.14#桥墩80梳形伸缩缝计算

（1）由温度变化产生的位移量

①20℃安装后的伸长量：

②20℃安装后的收缩量：

（2）由混凝土干燥收缩产生的位移量

（3）由混凝土徐变产生的位移量

式中：φ—混凝土徐变系数；

式中：Ah—构件混凝土截面面积为5574cm2。

μ—与大气接触的截面周边长度471.2cm。

取相对湿度为80%，混凝土加载龄期14d，查《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》混凝土名义徐变系数表，得：

（4）总伸缩量

（5）计算伸缩缝安装定位值

根据以上计算结果，选择80梳形伸缩缝，则：

安装后梁的伸长量：ΔLt=16mm

安装后梁的缩短量：ΔLt+ΔLs+ΔLc=24+8.0 +14.4=46.4mm

为了使橡胶伸缩条在型钢内始终保持受压，并考虑到橡胶在长期受压过程中的徐变影响，因此给予一定预压缩量W=10～15mm，本计算中取W= 13mm，则伸缩缝的安装定位值：

2.4.20#、8#桥台60梳形伸缩缝计算

（1）由温度变化产生的位移量

①20℃安装后的伸长量：

②20℃安装后的收缩量

（2）由混凝土干燥收缩产生的位移量

（3）由混凝土徐变产生的位移量：

（4）总伸缩量

（5）计算伸缩缝安装定位值

根据以上计算结果，选择60梳形伸缩缝，则：

安装后梁的伸长量：ΔLt=8mm

安装后梁的缩短量：ΔLt+ΔLs+ΔLc=12+4+ 7.2=23.2mm

式中：φ—混凝土徐变系数：

式中：Ah—构件混凝土截面面积为5574cm2；

μ—与大气接触的截面周边长度471.2cm。

取相对湿度为80%，混凝土加载龄期14d，查《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》混凝土名义徐变系数表，得：

为了使橡胶伸缩条在型钢内始终保持受压，并考虑到橡胶在长期受压过程中的徐变影响，因此给予一定预压缩量W=10～15mm，本计算中取W= 13mm，则伸缩缝的安装定位值：

3　监测数据分析

3.1伸缩缝监测分析

2011年发现桥梁伸缩缝异常后，按每周1次的频率对桥梁进行监测，截止目前，共计监测179次。对2011～2014年典型月份的监测数据进行图表列举。

从图3和图4可知，右幅桥梁4#伸缩缝发生位移时间较早，位移量呈减少趋势；左幅桥梁位移量呈增加趋势。

3.2病害成因分析

3.2.1对原伸缩缝设计的合理性进行核查

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》对本桥进行核查，其结果如下：

成桥全桥梁体伸长量：

成桥全桥梁体缩短量：

则全桥的总伸缩量为：

设计中采用2个60伸缩缝，1个80伸缩缝，则其总伸缩量为：

因此该桥的伸缩缝设置满足全桥梁体的伸缩要求。

3.2.2成因分析

（1）原设计伸缩变形零点考虑2、6号墩顶设置固定锚栓的影响，但桥梁检测报告中描述，施工时未按设计要求在2、6号墩顶设置锚栓，致使变形零点发生变化，进而导致整联上部结构向桥台一侧移动。

（2）影响整联上部结构向桥台一侧移动的另一个因素是桥梁下部墩台的纵向水平抗推刚度。纵向水平抗推刚度包含3部分：板式橡胶支座、墩台柱身、桩基础，本桥变形零点两侧的板式橡胶支座设置完全一致，可不予以考虑；另外桩基础截面的圆直径大于柱直径而且周边有土地限制，可近似认为对纵向水平抗推刚度影响也一致。所以主要是墩柱本身的纵向水平刚度问题。

墩台柱纵向水平刚度：

式中：n—一联的墩柱个数；

E—混凝土弹性模量；

I—墩柱的惯性矩；

h—墩柱的自由高度。

影响水平抗推刚度的最大因素就是h3，变形零点河心一侧的墩柱高度大于河岸一侧。桥梁的变形零点偏向于两侧桥台，造成集中4号墩顶集中了不可逆反的缩短变形，经过长期的积累，4号墩顶伸缩缝变形超过伸缩缝的变形能力，进而发生伸缩缝拉开的病害情况。

4　结论和建议

4.1目前的病害处理手段

一般而言，桥梁伸缩装置的维修包括局部维修与整体维修，应根据实际情况进行分析，确定导致伸缩装置破坏的成因，进而有的放矢，制定有针对性的维修方案。

（1）伸缩装置由后浇混凝土质量问题引起局部破坏，则应凿除有问题的混凝土，并按照设计要求，严格按照施工规范重新浇注混凝土；

（2）若伸缩装置是因为锚固系统的焊接质量问题而引起局部破坏，则应凿除有问题的混凝土，并按照设计要求，重新焊接后浇混凝土；

（3）若伸缩装置是因计算不准确或选型不当等原因而引起整体破坏，则应考虑对伸缩装置进行更换。

4.2伸缩缝装置病害处理措施

（1）1、4号墩顶伸缩缝更换为160型

根据目前桥梁运行情况来看，桥面整体平整度较好，无裂缝、破损、车辙，两边桥头无跳车，桥梁的沉降对桥梁的运行没产生过多的不利影响，建议目前仅对伸缩缝进行更换处理。

（2）继续监测，分析墩台沉降的发展情况，再确定是否进行承载力补强。

根据监测结果显示，桥台相对于4号墩沉降量在-23.0～-33.2cm，沉降量远超出桥梁沉降的要求，但根据近8个月的观察，墩顶沉降变化相对较小，桥墩沉降的趋势也并非持续向下。建议下一步对桥梁墩台顶标高继续监测，若监测结果显示沉降仍在持续，需对基础承载力进行补强处理。

根据地勘资料，桥位处地质有17m左右厚度的亚砂土土层硬壳层，承载力达225kPa，可以采用增加静压桩的形式，在对正常交通影响不大的情况下，以提高基础的承载力。

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［6］ CROCETTI R，EDLUND B.Fatigue performance of modular bridge expansion joints.

Expansion Joint Disease Research in Beam Bridge Based on the Monitoring Date

ZHANG Li-juan
（Liaoning Highway Surveying and Designing Company，Shenyang 110006，China）

As an important constituent part of bridge，the expansion joint device of bridge determines the driving comfort of the bridge.It is even one of important influencing factors of bridge durability of structure. Therefore，disease monitoring and maintenance of expansion joint device of bridge is a necessary work.In practical bridge structure，the expansion joint device is directly exposed in the environment，and its working performance is reduced easily due to the influence of environmental factor.According to the inspection condition of expansion joint of Luzhong Bay Bridge，the research on the existing disease of expansion joint is made，the evaluation on its current state is performed，and maintenance suggestions are put forward.

Luzhong Bay Bridge；Expansion joint；Disease

U443.31

B

1673-6052（2016）03-0047-05

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.03.015