无缝式桥梁伸缩缝技术研究

王文炳

（安徽省高速公路试验检测科研中心有限公司，安徽 合肥 230601）

近年来，伴随着公路桥梁里程的不断攀升，桥梁伸缩缝技术也在不断的发展和日益的成熟。伸缩缝是桥梁结构中为了满足桥面变形而设置，虽然伸缩缝占有非常小的体积比例，但确发挥着极其重要的作用。

桥梁在营运过程中会产生各种运动，包括由环境温度湿度变化引起的运动、蠕变收缩产生的应变、动静载预应力产生的轴向和弯曲应变、车辆行驶等外部条件产生的动态荷载引起的运动，以及长期地面沉降引起的位移。而伸缩缝的作用即是用于减缓由此产生的运动，提高车辆行驶的舒适性，并为桥梁提供一个完整的表面。

然而，桥梁伸缩缝也是桥梁结构中的一个薄弱环节，易于破坏，且破坏后较难维修，降低了整个桥梁的使用寿命。据统计，在整个桥梁的维修过程中，其中由桥梁伸缩缝破坏引起的维修费用占到了整个桥梁维修费用的7%～25%。

1 桥梁无缝伸缩缝的特点

在国内桥梁伸缩缝大致可分为6 大类。即填塞对接式、嵌固对接式、橡胶板式、钢制支承式、模数式和无缝式。其中表1 为国内几类伸缩缝装置的特点。通过比较无缝式桥梁伸缩缝在解决好材料高低温性能的冲突后，具有广泛的应用前景。

表1 国内几类主要伸缩缝装置的特点

无缝式桥梁伸缩缝在国外又名沥青填充式桥梁伸缩缝（APJ），是指在桥梁端部的伸缩间隙内涂刷界面粘结材料，再填充无缝伸缩缝材料，经压实后与路面形成连续体，通过接缝处的材料变形来吸收梁体的伸缩，同时提供对车辆的支撑。

2 桥梁无缝伸缩缝的研究进展

2.1 桥梁无缝伸缩缝材料的研究进展

桥梁无缝伸缩缝材料主要由粘结剂和骨料组成。目前国内外主要的研究偏重于粘结剂组分，而粘结剂的组成主要由沥青和各类改性剂经过改性而成。

第一代粘结剂采用了吹氧沥青，第二代采用了单元改性沥青来逐步取代吹氧沥青，第三代采用了多元复合式改性沥青。为此，国内外学者研制出了第四代粘结料GTF ( 高弹塑体) 和TST ( 弹塑体) ，相对与前三代粘结剂而言，能在一定程度上同时兼顾高低温、渗透和粘结性能的对立，能够适用于水平位移＜50mm，竖向位移＜1.5mm 的桥梁伸缩缝。

高分子聚合体改性沥青属TST 桥梁无缝伸缩缝，具有粘结性强，弹性大、韧性好的特点。混合料由高分子聚合物沥青粘合剂和经筛选的单一尺寸的石料混合而成，它的力学特点是承受瞬时荷载与高频振动时完全显示弹性，而在低频缓力的作用下，则完全显示塑性[1,2]。

笔者利用高掺量的橡胶粉改性SBS 沥青作为无缝伸缩缝材料的胶结料，同时利用2.36mm～4.75mm 橡胶颗粒部分替代石料，通过优化级配，复合改性制备出了高性能的无缝伸缩缝材料。并对制备出的高弹改性沥青进行三大指标试验和动态剪切流变试验，以及对制备出的高性能无缝伸缩缝材料进行路用性能试验、动态模量试验。结果表明，20%橡胶粉掺量制备出的高弹改性沥青软化点达到88℃，高温下的抗变形能力和低温下的应力能力都得到了不同程度的改善，且改性后的沥青具有很好的频率、温度敏感性，抗老化能力和使用寿命也得到了提高。采用SMA 骨架密实型结构，通过合理的橡胶颗粒掺量（9.2%体积掺量），制备出的高性能无缝伸缩缝材料，动稳定度达到6316 次/mm，低温应变达到7796μm/m，可同时兼顾材料的高温抗车辙能力和低温应变能力。

2.2 桥梁无缝伸缩缝结构的研究进展

桥梁无缝伸缩缝的结构是影响材料性能发挥的重要因素，合理的结构可以有效的延长伸缩缝的使用寿命，因此对伸缩缝结构的研究尤为关键。

桥梁接缝协会表明，沥青填充式伸缩缝（APJ） 的典型尺寸为500mm 宽，100mm 深，在最低设计温度下保证不开裂的允许位移是20mm。ASTM D6297-01 规定了APJ 最小的标准背台尺寸为50*500mm，最大的允许位移为25mm。

熊强等人应用有限元分析软件ABAQUS 对一种新型的无缝伸缩缝结构进行了应力分析，这种结构如图3.2 所示，分析结果表明：在标准荷载下，该伸缩缝结构可满足60mm以下伸缩量的桥涵的要求[3]。

图1 优化的伸缩缝结构

图2 连续式弹塑性伸缩缝断面示意图

一直以来，沥青填充式桥梁伸缩缝只能用于小位移量的道路桥梁伸缩缝，而近年来桥梁伸缩缝的生产技术有很大的改进，出现新的沥青填充式桥梁伸缩缝结构，能够用于位移量更大的桥梁，可以满足100mm 的伸缩量。在新西兰已研发出新型的APJ 结构，可用于伸缩量在100mm 以下的桥梁，其结构如图3.3 所示。S9 位移量为100mm，最大缝宽为65mm；S7 位移量70mm，最大缝宽为45.5mm 。这种外加的弹簧结构能很大程度分散伸缩缝位移引起水平方向的应力集中问题，从而不易出现裂纹破坏。

3 结论与建议

3.1 结论

近年来对无缝伸缩缝技术的研究也在不断完善，无论从材料单一角度还是从结构单一角度，均很难满足目前无缝伸缩缝的使用要求。

对于中小桥梁而言，无缝式桥梁伸缩缝具有广泛的应用前景，在未来的道路桥梁建设中将发挥越来越重要的作用。

3.2 建议

针对目前桥梁无缝伸缩缝的研究现场，提出如下建议：

1） 在伸缩缝伸缩量的设计上要考虑周全，特别是使用区域的气候条件；2） 对于伸缩缝材料的性能需要进一步的研究，以制备出高性能的无缝伸缩缝材料；3） 对于伸缩缝材料的结构需要进一步优化，单纯从材料角度并不能满足实际道路桥梁的要求，从而拓展伸缩缝材料的使用范围和使用年限；4） 对于伸缩缝结构的服役性能也需要进一步的探索。