大位移模数式桥梁伸缩装置病害分析与预防

杨素霞

（山西省交通新技术发展有限公司，山西 太原 030012）

桥梁伸缩装置是为了避免桥梁上部结构在车辆荷载、气温变化及混凝土收缩徐变等因素作用下产生明显位移破坏而在桥面两梁端之间及梁端与桥台背墙之间设置的可以自由伸缩的装置[1]，简称为伸缩缝。随着桥梁建设事业的迅速发展，各种大跨径桥梁不断涌现，相应的大位移伸缩装置也随之应运而生。相比小位移伸缩装置，大位移伸缩装置零部件多，生产制作复杂，安装困难，加之所处环境复杂，承受车轮荷载和反复冲击作用，是桥梁整个结构中最为薄弱且最易受损坏的构件[2]，其病害除了表现为小型伸缩缝可能出现的橡胶防水带开裂损坏、伸缩缝堵塞、混凝土局部剥落等，还会出现梁体断裂、支座损坏、伸缩不均匀、梁体扭曲等维修困难的病害，严重影响着行车舒适度和安全性。

本文以山西临吉高速公路壶口黄河特大桥为背景实例，阐述了大位移桥梁伸缩装置常见的重要病害，结合产品设计、工程施工实际及运营期的各种情况，综合分析了这些病害产生的原因，力求找到避免大位移桥梁伸缩装置产生病害的预防措施。

图1 山西临吉高速公路壶口黄河特大桥

图2 病害现象——中梁断裂

1 案例背景介绍

山西临吉高速公路壶口黄河特大桥于2012年12月30日建成通车。壶口黄河特大桥是临吉高速公路的重点控制性工程，全长757 m，总投资1.7 亿元，横跨309 国道及黄河，连接晋陕两省，被誉为“黄河最高桥”。该桥除小缝（GQF80、GQF160）外，共设计有4道大缝（GQF480），型式均为伸缩量480 mm的模数式伸缩缝。该桥梁在通车运行后小型伸缩缝均运行较好但是大位移伸缩缝在运营后的第2年即2014年开始，就不断出现不同程度的损坏。并且在接下来的几年里，每年都有缝出现不同程度的损坏，严重的时候，出现二次病害。

2 大位移伸缩装置病害类型

壶口黄河特大桥的伸缩装置是国内伸缩装置行业内极具生产、设计及施工经验的企业所供应，安装严谨，所以并未出现所谓的混凝土脱落、焊点脱焊、防水带脱落损坏等低等病害，主要病害形式表现为大位移伸缩缝典型严重病害，即中梁的断裂（如图2所示）。这种病害维修的困难，不仅体现在施工上，更重要的是对于运营中的桥梁公路而言，交通管制投入大，而且存在很大的危险性，一旦发生交通事故极有可能对人员生命造成危害。

3 大位移伸缩装置病害原因分析

壶口黄河特大桥伸缩装置采用的结构是传统格梁结构的模数式伸缩缝（如图3和图4所示）。格梁模数式伸缩装置的特点是一根中梁异型钢正交固结在1 根横梁上，所以对于GQF480 缝，缝数为6，承重系统就有5 根中梁异型钢各自正交固结在相应的5 根支承横梁上，2 根边梁异型钢各自正交固结在放置横梁的支承位移箱上。支承横梁兼着支承中梁和调节位移的双重作用，梁体伸缩时，通过支承梁之间位移控制弹簧的压缩变形来传力，实现对缝宽均匀性的控制。另外由于每根中梁对应着一根横梁，所以位移量越大，每个支承箱内需要设置的支承横梁就越多，相应的位移控制弹簧也会越多，支承箱的体积也越大。这种情况不仅会增加成本，还会使得梁端的安装空间不足。

图3 GQF480 格梁模数式伸缩装置示意图

图4 GQF480 格梁模数式伸缩装置俯视图

近两年来，在对该桥伸缩缝的维修过程中，通过对该伸缩缝结构形式的分析，破坏形式出现的深入探究以及大桥运营情况的深入了解，总结出了大位移伸缩缝出现中梁断裂这种严重病害的几种原因。

3.1 设计不够严谨，选型不合适

正如一些专家所建议，格梁模数式伸缩缝适用于伸缩量400 mm 以内的情况[3]，该桥设计的伸缩量为480 mm，本身已超出了该形式伸缩装置的适用范围，加之位移箱间距过大，加速了伸缩缝病害的产生。对于格梁模数式伸缩缝，当伸缩量较大时，位移箱中横梁数量及位移箱体积增大，占据了相邻位移箱的间距，导致安装困难，而浇筑的混凝土总量就会相应减少，致使伸缩缝与桥梁连接不牢固，在外部荷载尤其是车辆冲击作用下，极易造成伸缩缝的损坏。在该桥梁伸缩缝的设计中，考虑到该因素，在设计位移箱间距的时候，将位移箱的间距扩大到了1.9 m已保证浇筑混凝土的量。另一方面，在探究损坏中梁附近的下部结构时发现，其邻近的位移箱底与混凝土开裂，支撑梁滑动片脱落，位移箱下支座部分发生了位移，其中一个支座与其支撑的横梁彻底脱离，致使支承横梁与中梁的连接失效，进而导致支撑点变大，在反反复复的荷载作用下，中梁最终发生断裂（如图5所示）。

图5 位移箱中弹性元件损坏现象

3.2 交通车流量和载重大

临吉高速公路是山西和陕西两省的连接通道，随着全国范围内交通运输业的发展，此路线的车流量也在不断增大，给伸缩缝的服役带来了一定的威胁。壶口黄河特大桥伸缩缝于大桥建成通车的2年后发生首次病害。病害位置发生在山西省通向陕西省的一侧方向上，在维修过程中，对其损坏原因进行了大量的考察研究，除伸缩缝本身结构存在缺陷外，还有其他一些重要因素。

根据调研，2012年以来，山西的煤炭大量运往陕西，煤炭载重车的流通量不断增大，此幅公路不断遭受着大载重量车辆的反复冲击作用。加之从隧道出来进入此桥时要经过一段很长距离的下坡路，货车司机满载货物往往不愿在该路段减速。在交通流量大、超速超载严重及各种自然因素影响下，伸缩缝的受损机率大大增加。

3.3 季节性温差大

自2014年以来，壶口黄河特大桥的大位移伸缩缝先后出现了4 次损坏，而且损坏均发生在寒冷的冬季，这与该桥所处的自然环境尤其是气温环境有很大的关系。壶口黄河特大桥地处山西省，且在黄河处，年温差大。夏季温度高，桥梁混凝土热胀，相应的伸缩缝会收缩，但是在伸缩量设计足够的情况下，并不会产生破坏，但是一到冬季，由于季节性温差大，混凝土剧烈收缩，伸缩缝所受拉力不断增大，梁端间距也随之增大，支座极易被拉脱，进而导致支承横梁失效，中梁断裂。

4 公路桥梁伸缩装置病害的危害

公路桥梁伸缩装置是桥梁结构中关键而又最易受损的构件，一旦损坏，不仅会失去其本身调控伸缩量的作用，还会引起跳车、行车不适，轻则损坏车辆，重则将会造成生命财产的损失。由于对病害缝进行维修时，拆除困难，不同的病害需要采取不同的措施，技术难度高，加之在运营道路上进行施工，需要进行安全管制，所以经济投入大，危险系数高。据统计，对伸缩量480 mm 的伸缩缝进行维修，每延米的价格比新装缝要高出一倍多。所以伸缩缝的维修将造成极大的经济浪费和严重的交通阻塞，交通管理不善时还可能造成交通事故，给工程质量、效益管理带来诸多不便，给人民的生命财产带来极大危害，而且维修质量差，质量无法保证，极有可能出现二次病害。

5 大位移伸缩装置病害预防措施

如前所述，伸缩缝病害的危害极大，严重阻碍了交通公路建设和经济发展，所以从根本上避免和预防伸缩缝病害的产生变得尤为重要。引发伸缩缝病害的因素有许多，但概括来讲主要来自于3个方面：a）设计不合理，选型不合适；b）安装工艺不合理，施工质量控制不严格；c）后期养护管理不到位。要想从根本上解决伸缩缝的病害问题，确保车辆通过伸缩缝时行车的舒适、安全，就必须结合病害形成的原因，在这3个方面做到严把关，采取正确有效的预防措施。

5.1 选择合适形式和伸缩量的桥梁伸缩缝

在设计伸缩装置结构时，需要结合多方面的因素综合考虑，包括公路工程的性质、桥梁的类型以及交通量的大小，并经过详细正确的伸缩量计算[4]，做出合适的选择，包括伸缩缝的类型和伸缩量选择。就山西省而言，大部分公路都是重载公路，伸缩缝的选型变得尤为重要，需根据公路桥梁的具体情况选择最佳结构形式的伸缩缝。正如背景案例中的壶口黄河特大桥，如果将采用的格梁式伸缩缝的位移箱间距缩小到1.5 m以下或者改用等距变位桥梁伸缩装置，结局将大不一样。

5.2 规范安装工艺，重视安装质量

在导致桥梁伸缩缝病害的多种因素中，施工安装工艺不合理也是极其重要的因素之一。由于桥梁伸缩装置的安装属于桥梁架设过程中最后的工序，工期要求紧，加之很多不断涌现的小企业缺乏安装技术和经验，对伸缩缝的安装工艺不重视，只注重表面，忽视了施工质量。对一个优秀的施工队伍而言，在伸缩缝的安装施工中，不仅要重视施工现场管理，更要严格按照规范要求来作业。

首先，在安装伸缩缝以前，对预留槽的清理要彻底，对于不合格的预留槽应及时向业主反映，采取应有的措施，保证伸缩缝的正确安放。有些小企业不具备经验，对预留槽的质量无法把控，或者缺乏责任心，加上赶工期，不注重预留槽开挖的重要性，直接影响到后期的安装工作和伸缩缝的运营质量。例如某高速公路通车两年后就发生伸缩缝的严重病害现象，在维修过程中发现此缝在安装时梁端间隙过大，位移箱部分处于悬空状态，通车后在复杂环境条件作用下，箱内支座很快就被破坏，最终导致横梁支承失效，中梁断裂。如果在施工时能及时解决此缺陷，采用牛腿支撑的方式将位移箱支起或直接浇筑混凝土缩小梁端间距，就不会出现早期病害现象。

其次，在安装伸缩缝过程中，从切缝、刨缝、放缝、调平、锚固、浇筑混凝土、养生各个环节要严格把控质量，保证伸缩缝的正确安装。特别需要注意的是伸缩缝在锚固前要根据安装时的实际气温灵活调整缝宽。就山西地区而言，很多伸缩缝工程都是在十月份前后进行施工，气温逐渐下降，很多缝安装时未将缝的预留宽度调宽，导致第二年夏天温度较高时伸缩缝出现顶死的病害。

5.3 加强运营期的养护管理

随着交通运输业的不断发展，车辆载重大速度快成了普遍现象，给桥梁养护工作带来了极大的挑战。日常保养、预防性保养可以大大降低伸缩缝的受损速度，延长其使用寿命。在伸缩缝的日常养护中应加强以下几点：

a）定期对伸缩缝进行维护保养，及时清理伸缩缝中的杂土、垃圾，保证其本身的伸缩功能；b）发现构件损坏、混凝土破损等病害问题要及时进行维修处理，以免扩大破损力度和范围，影响行车安全，造成安全隐患；c）严格控制进入公路桥梁上的超载车辆，尤其要加强对于夜间行车的管理，规范行驶规则，尽量降低超载快速车辆对桥梁伸缩缝使用耐久性的威胁。

6 结语

以山西临吉高速公路壶口黄河特大桥为实例，探究了大位移桥梁伸缩缝的严重病害问题。从调查和分析可知，设计、施工和养护管理任何一个环节出现缺陷或不足，都会影响到伸缩缝的使用寿命，甚至引发病害，对生命财产造成威胁。所以，有必要在伸缩缝的设计、施工和养护管理方面提高要求，采取相应的病害预防措施，以保证伸缩缝的正常服役和车辆的安全行驶。