桥梁伸缩缝破坏机理与修补措施探讨

王 渊 徐紫祎 张文涛 冀 飞 安 斌

(1. 陕西交通控股集团有限公司 西安 710061；2.长安大学材料科学与工程学院 西安 710061；3.陕西交通控股集团有限公司绥定分公司 榆林 718500)

引言

近年来，随着我国国民经济持续增长，基础配套设施建设不断完善，作为跨越结构的桥梁也得到了迅速发展。桥梁伸缩缝是公路桥梁上部结构中的重要组成部分之一，其主要作用在于能有效调节由车辆荷载和桥梁上部建筑材料所引起的横向位移和应力变形[1]，对保证桥梁结构稳定、行车安全等具有非常重要的应用意义。然而，随着公路桥梁服役时间的不断增加，在恶劣的自然环境[2]、不断增加的交通量和车辆高速超载等多种因素的共同作用下，伸缩缝过渡区混凝土会出现不同程度的收缩徐变、不均匀沉降，进而直接导致桥梁伸缩缝装置受到破坏，影响车辆通行的舒适性和安全性，降低公路桥梁整体使用寿命，增加桥梁维修养护费用[3]。因此，深入研究桥梁伸缩缝的破坏形式、破坏机理以及影响因素，对指导桥梁伸缩缝前期施工和日常管理维护，保障高速公路沿线桥梁的行车安全具有重要指导意义。

基于此,本文介绍了桥梁伸缩缝的类型，总结桥梁伸缩缝的主要破坏形式和破坏机理，从设计施工、材料和养护管理等方面对伸缩缝损坏的原因进行探讨，从结构和材料两个方面提出桥梁伸缩缝的修复措施，并分别分析不同结构和不同材料的性能优劣，旨在为桥梁伸缩缝的深入研究提供借鉴和参考。

1 伸缩缝类型

桥梁伸缩缝装置是为了能够充分满足目前公路桥梁主体变形需要，在桥梁结构端部之间、梁端与横梁端部桥台之间或者在桥梁的交接位置上设置的一种变形技术装置，要求其能在平行与垂直于桥梁横向中轴线的两个方向上，均能实现自由伸缩变形[4]，是目前城市道路或高速公路桥梁工程结构中必不可缺的一个重要技术装置。我国主要将伸缩缝分为五类：对接式伸缩缝、钢制支承式伸缩缝、橡胶式伸缩缝、模数支承式伸缩缝和无缝式伸缩缝[5]，其具体分类及特点如表1。

表1 桥梁伸缩缝类型及特点

2 伸缩缝破坏形式与机理

作为桥梁之间的纽带，伸缩缝装置既受到桥梁收缩膨胀的反复作用，还需要承受移动的车辆荷载及其产生的冲击力。此外，伸缩缝装置长期暴露在恶劣的自然环境中，受到雨水侵蚀冲刷和灰尘污染堵塞等作用，导致其耐久性下降，在多种因素相互作用下，桥梁伸缩缝极易断裂造成自身结构破损，并直接引起梁板及其他桥面铺装保护层的破坏，影响桥梁使用寿命。因此，伸缩缝装置是桥梁结构中较易破损的构件。

桥梁伸缩缝的常见破坏形式可分为两类：装置损坏，如止水带的损坏、橡胶条的断裂、螺栓的破坏、密封胶条老化与脱落[7]，以及钢构件焊接部位的损坏等；锚固区混凝土的破坏，如混凝土变形、开裂、剥落、松散露出钢筋或预埋筋[8]等。

研究表明[9]，桥梁伸缩缝装置的破坏通常是从过渡区混凝土的破坏开始的。当车辆行驶在路面上，车辆轮胎压在伸缩缝上时，其内部荷载应力通过锚固系统传递到两侧过渡区混凝土上，再传递到连接在两侧的梁板上，并由此产生一定的变形。当车辆高速行驶过后，有一个相对应力快速释放的过程，该过程会产生一定的内应力。车辆轮压越大，上述过程产生的内应力也越大。由于过渡区混凝土与桥面铺装层之间刚柔相接，两种材料模量差异大，同时伸缩缝装置、过渡区混凝土与桥面之间很难完全铺平，存在一定的高度差，因此，当车辆快速通过时，不平整的桥面会导致锚固系统和过渡区混凝土的受力瞬间增大，在反复的车辆瞬时荷载冲击作用下，锚固装置会产生振动变形，与过渡区混凝土相互剥离，最终全部结构遭到破坏。

3 伸缩缝破坏原因

3.1 设计施工方面

在进行伸缩缝设计时，对伸缩缝结构设计认识不足、选型不当，未对梁端部进行慎重考虑，导致伸缩缝在反复荷载压力作用下遭到破坏；未对桥梁伸缩缝装置两侧的锚固区混凝土和桥梁铺装层材料的强度、结构和配合比等作出严格的技术要求或相关规定，导致伸缩缝在运行过程中整体使用性能受到影响，无法正常工作。在工程施工设计过程中，为追求工期短，对相关施工工艺技术标准的贯彻落实程度不足；钢焊接构件和螺栓紧固件等相关材料质量不达标，导致黏结部位容易松动甚至脱落；对填充材料浇筑不密实，导致在拆开模板时就存在蜂窝、空洞的现象，如果施工后期养护措施不到位，强度将无法达到工程设计中的要求，导致伸缩缝在还未达到使用寿命时就已经被破坏。

3.2 材料方面

材料自身性能不足、在自然环境中老化和桥梁构件自身焊接不良等也可能会引起伸缩缝的损坏。传统的修补材料黏结强度低，新老混凝土材料黏结后的界面易发生开裂；锚固区混凝土的整体抗冲击性能、抗疲劳性能和使用耐久性能明显不足，导致伸缩缝装置在还未完全达到规定的设计使用寿命时就可能出现严重破坏；修补混凝土胶凝材料用量过少、骨料不洁净等，导致混凝土强度不够，在车辆荷载作用下，引起桥面铺装层产生大量裂缝、剥落和整体结构的破碎；在不中断交通的条件下进行施工，车桥耦合扰动会影响混凝土强度的形成，造成不利影响，容易引起桥梁伸缩缝局部或整体结构的破坏。除此之外，橡胶材料在长期使用过程中的老化、紧固件与材料间的焊接不当，会直接导致结构中的应力传递不畅，致使桥梁伸缩装置连接处发生开焊、断裂。

3.3 养护管理方面

后期的维护管理或者养护不当也可能会造成桥梁伸缩缝的严重损坏。对于原有伸缩缝装置中出现的磨损劣化和老化等现象，如果没有定期进行安全检查和及时更换，就容易导致构件发生剥落甚至脱落，从而造成额外的冲击应力并影响其他正常构件的使用寿命；对于伸缩缝装置内的一些杂质未及时清理干净，会导致原有伸缩缝的伸缩量无法及时达到实际设计中的效果；防水、排水口等设施以及设备的不到位，加之日以继夜的车辆外力冲击易导致原有伸缩缝出现老化或者变形，直接导致部分原有桥梁钢制构件生锈腐蚀，加速结构的破坏进程[10]；接缝处凹凸不平，车辆冲击力变大，也能引起伸缩缝装置的严重破损。

因此，伸缩缝装置在安装施工和养护过程中应注意以下几点：

(1)在设计阶段，应合理选择伸缩缝装置的类型，要求其能够有效满足桥梁上部结构之间的横向位移，能够有效抵抗车辆轮胎的磨损与机械碰撞，确保车辆行驶平稳。

(2)在施工准备阶段，应严格按照行业规范要求施工，若发现施工设备和条件不完全满足要求，应立即停止施工，待条件满足后再进行施工操作。

(3)选择合适的过渡区锚固修补材料，能同时满足强度高、快速开放交通、黏结性能高和耐久性能优良的要求。

(4)在安装伸缩缝装置前，必须进行打毛处理，并彻底清扫干净所有预留槽内的混凝土壁。

(5)浇筑混凝土后，要等待其强度达到满足道路设计性能的要求后，才能开放道路交通。

(6)要及时清理伸缩装置中的杂物，对于已经发生损坏或者已经老化的伸缩装置构件等也要及时进行维修、拆除或进行日常更换。

4 修复措施

4.1 结构

目前，国内外对原有公路桥梁伸缩缝装置采用的修复结构如图1，修复方法主要是[11]：先彻底凿开原有公路桥梁伸缩缝装置过渡区已严重破损的填充材料，拆除已经损坏的伸缩缝装置，然后重新清理原有损坏桥梁伸缩装置和内部预留槽，清除留有的杂物，接着重新安装新的桥梁伸缩缝装置，进行伸缩装置的焊接等工作，之后再将新的修复材料一次性全部浇筑在伸缩缝过渡区预留槽内，收光抹平，养护一段时间后即可开放交通。但这种桥梁伸缩缝修复方法所获得的结构在本质上来说应该是属于一种单层桥梁修复主体结构，桥梁主体结构与后期修复的结构之间并没有直接构成有机修复整体，无法充分实现桥梁协同受力，易导致病害的出现。

图1 伸缩缝修复结构

因此，研究人员针对伸缩缝的修复结构进行了更为深入的研究。王凯等[12]根据功能/结构一体化设计理念，引入功能梯度概念，提出将混凝土表面凿成凹凸点阵的粗糙表面，然后将超高韧性混凝土和微膨胀高强混凝土以及传统的修复混凝土，分上下两层分别浇筑在预留槽内，前两种材料共同抗压受拉从而形成功能梯度组合修复层，可减少伸缩缝上层混凝土开裂的可能性，从而可大幅提高材料的断裂韧性和抗冲击性能，减少混凝土裂缝、断裂等病害的发生。郭永智等[13]在超高性能混凝土的上层浇筑纤维混凝土，得到双层锚固混凝土结构，可彻底解决新旧混凝土黏结不良的问题和伸缩缝的不密实问题，能有效提高混凝土的抗冻性和抗裂性。

4.2 材料

目前常用在桥梁伸缩缝的修复材料主要是环氧树脂混凝土、纤维增强混凝土和快硬早强水泥混凝土以及各种纳米水泥基复合材料[14]。桥梁混凝土修复的技术难度主要体现在时间的限制、修复材料对施工养护的温度敏感性以及其自身的使用耐久性等。

4.2.1 环氧树脂混凝土

环氧树脂是一种同时含有两个及两个以上环氧基团的新型高分子环氧低聚物，环氧基团可以与其他化学固化剂发生反应形成热固性产物，具有优异的力学性能和耐热性能。目前应用最为广泛的环氧树脂是双酚A型环氧树脂，其分子结构见图2，两末端的环氧基团提供黏结性能，苯环提供力学性能。因此，双酚A型环氧树脂混凝土具有结构强度高、稳定性好、黏结性好等优点，被广泛应用在各种工程领域中,但其固化反应对环境要求较高,且耐紫外老化能力差,因此当被用作修补材料时,该种材料主要是用于裂缝灌浆和接缝损坏修补。

图2 双酚A型环氧树脂的分子结构

4.2.2 纤维增强混凝土

纤维增强混凝土是指纤维和水泥材料组成的复合材料。水泥混凝土的主要缺点是：抗拉性能低、脆性大，纤维的优点是：抗拉性能高、抗碱性好，二者共同配合使用时性能可以互补，得到抗弯拉性能、抗裂性能和抗冲击性能良好的纤维增强混凝土材料，可提高路面的韧性，减少开裂的可能性。此外，还可在此基础上通过复配其他快速修补剂或者聚合物材料，得到性能更优的快速修复材料。目前主要用于修复结构的纤维混凝土主要有钢纤维混凝土、碳纤维混凝土和聚丙烯纤维混凝土等[15]。纤维增强混凝土自身的力学性能及耐磨性能优良，但作为修补材料，还应满足新老混凝土黏结性能高、早期强度发展快的要求，这靠单一的纤维改性是远远不够的，同时纤维材料的价格往往比较昂贵，经济性不佳。

4.2.3 快硬早强型特种水泥混凝土

与普通硅酸盐水泥相比，特种水泥是指一些具有独特性能、能发挥特殊作用的水泥。目前常用在城市道路桥梁伸缩缝快速修补工程中的特种水泥品种主要有硫铝酸盐水泥、磷酸镁水泥和高铝水泥等。硫铝酸盐水泥除自身具有快硬早强的特征外，还具有一定的膨胀性，同时，其抗冻性和低温硬化性能优良，可用于冬季施工工程。磷酸镁水泥用作道路修补材料是近年来比较热门的技术话题，其早期强度高，与钢筋和旧混凝土的整体黏结性能强，相容性好，被广泛应用在城市道路主干道、高速公路破碎路面的快速修复抢修。然而，这种材料的价格昂贵，且脆性大，容易造成路面板横向或纵向上的断裂以及板底之间的断裂。高铝水泥是比较典型的快硬早强型特种水泥，具有快硬、高强、耐磨、抗腐蚀、耐热的独特性能，但不能用在碱性环境[16]，也不宜与其他水泥共同使用，常常用在紧急抢修工程。

5 结语

(1)伸缩缝装置属于我国现代桥梁结构中的基本结构，主要形式可以分为对接式、钢制支承式、橡胶式、模数支承式和无缝式，本文对其各自特点和适用范围进行了阐述。

(2)桥梁伸缩缝病害的形成原因有很多方面，一旦伸缩缝被破坏，将来就会严重影响行车舒适性和交通安全性。因此，必须从桥梁工程设计施工、材料和形式结构的选择以及桥梁养护管理等各个方面都加以深入考虑，综合措施防治，以有效减少公路桥梁伸缩缝的病害，提高行车舒适性和公路桥梁公共服务设施质量，增加公路桥梁的使用寿命。

(3)可以从结构和材料两方面着手对伸缩缝进行修复。修复结构可分为单层结构和双层结构，常用的修复材料有环氧树脂混凝土、纤维增强混凝土和快硬早强型特种水泥混凝土，应该同时综合考虑桥梁整体结构和各种材料的使用性能，使得伸缩缝装置能在较短时间内完成安装更换，为有效保障我国高速公路桥梁行车的安全可靠奠定坚实基础。