伸缩装置病害对公路桥梁耐久性的影响机理研究

2022-07-28吴兴祥

四川水泥 2022年7期

吴兴祥刘杰

（四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川成都 610017）

0 引言

桥梁伸缩装置是为满足桥梁结构在温度变化、车辆荷载、风荷载、混凝土收缩和徐变等因素影响下产生的纵向伸缩变形，在相邻梁端、桥台、梁的铰接等构造断开处设置的特殊结构物，是桥梁结构不可或缺的“关节”。伸缩装置不仅要保证能自由伸缩，满足承载和变形（梁端翘曲）要求，还应具有良好的密水性和排水性，同时应易于安装、检查和养护[1]。

在桥梁结构中，由于伸缩装置设置在梁端等构造相对薄弱的部位，且直接承受车辆荷载反复作用，故伸缩装置区域的不平整性，会导致伸缩装置承受反复冲击作用，使混凝土材料的韧性和抗冲击性能减弱，进而导致伸缩装置结构破损[2]。另一方面，外部不良环境（如雨水侵蚀）还将加速混凝土结构破损现象，并反作用于伸缩装置，使其变形与破坏，增加了装置区域的不平整性，形成恶性循环。此外，部分桥面积水通过伸缩装置渗入梁体，不利于梁体承载，危及桥梁及行车安全。上述不良现象均严重影响桥梁结构的耐久性。

多年来的公路桥梁检测数据表明，伸缩装置病害具有发生频次高、周期短等特征，且伸缩装置的正常使用年限远低于规范要求的最低15 年设计使用年限[3]。为了给减少伸缩装置病害，提高后期养护维修效果提供理论依据，本文从伸缩装置制造、设计、施工、试验检测、养护等环节入手，通过分析伸缩装置病害成因，揭示不同病害对桥梁耐久性的影响机理。

1 桥梁伸缩装置常见病害

经调研可知，我国高速公路或其他等级道路上常用的桥梁伸缩装置有模数式、梳齿板式、板式橡胶及无缝式等[4]。伸缩装置病害对桥梁结构的影响可划分为四种情况：

（1）自身结构受损，承载功能降低或丧失；（2）加剧桥面不平整性；（3）伸缩功能降低或丧失；（4）密水性和排水性降低或丧失。

依据多条公路桥梁检测数据，梳理了几种常用伸缩装置的常见病害，见表1，对应部分典型病害现场见图1。

图1 公路桥梁伸缩装置的典型病害现场

表1 伸缩装置常见病害汇总

2 伸缩装置病害成因分析

伸缩装置病害的产生主要源于三个层面：（1）与其自身构造、组成材料有关；（2）与设计选型、施工过程控制、桥址周边环境（如气温变化、地质情况、水文情况等）有关；（3）受到车流量及重车比例的影响。当三种成因存在耦合、并发现象时，将加剧伸缩装置的破坏引发病害的扩展。

2.1 制造原因

（1）生产前未结合项目实际情况对伸缩装置结构进行专项设计计算，如高速公路未按公路I级验算，城市高架桥未按城市A 级验算；（2）伸缩装置未进行疲劳验算和变形验算；（3）制造时人为降低伸缩装置的板厚或壁厚；（4）原材料及关键外购组件的质量得不到保障；（5）锚固件、箱体的接焊接质量得不到保障；（6）零部件精度控制不到位。

2.2 检验原因

（1）伸缩装置出厂前未严格按JT/T 327 进行检验；（2）进场检验过程只进行外观、尺寸偏差、防水性能等常规参数的检测，未进行变形性能、承载性能等决定伸缩装置使用性能和力学性能的关键参数的检测；（3）分段安装后的对接缝未进行探伤检测；（4）施工过程忽视对隐蔽工程的检测；（5）交（竣）工验收时仅限于表观检查，且整改不到位。

2.3 设计原因

（1）伸缩装置选型不当；（2）温差取值不当；（3）伸缩量设计时未考虑梁体收缩、徐变量的影响；（4）安装预留槽口深度不够；（5）伸缩装置构造未考虑日照角度引发的桥面扇形运动。

2.4 施工原因

（1）施工前未对伸缩装置的宽度和顺直度进行检查；（2）伸缩装置宽度不够或过大时未得到有效处理；（3）施工中未保障装配式梁桥的梁端顺直度；（4）未根据实际安装温度计算初始位移，并调整伸缩缝；（5）对于较宽的伸缩装置需对接接长时，接头处未增设钢板加强，接缝处未按规定进行探伤；（6）模板选用不当、安装不牢靠、遮挡不严密；（7）混凝土未振捣密实；（8）混凝土的配合比和钢纤维的含量控制不好；（9）锚固区混凝土与沥青路面衔接不合规；（10）混凝土未达到设计强度就开放交通。

2.5 养护原因

（1）未及时清理伸缩缝内的杂物；（2）未及时处治早期、轻微病害；（3）养护不到位，达不到防止病害扩展目的；（4）人为破坏。

综上所述，在制造、试验检测、设计、施工、养护等环节中的偏差或其累积效应均能导致伸缩装置产生病害。此外，超载、超速、维修更换不规范等因素也会加剧伸缩装置病害的发展。

根据自卸车的实际工作运行情况，在环境温度16℃，油液温度23℃环境条件下进行了油液温升试验。第一阶段自卸车持续运行约2.5h。第二阶段自卸车停止运行，液压系统自然冷却1.5h。第三阶段自卸车继续运行约2h。

3 伸缩装置病害对桥梁结构耐久性的影响机理

桥梁结构耐久性是指在设计确定的环境作用和养护、使用条件下，结构及其构件在设计使用年限内保持其安全性和适用性的能力[1]。作为桥梁结构的重要构造，伸缩装置是影响其使用寿命的关键因素之一。伸缩装置病害的存在，不仅改变了桥梁结构的环境作用和使用条件，还缩短了结构正常使用状态下的工作周期，严重影响桥梁结构的耐久性。其影响机理具体表现在四个方面。

（1）使用寿命远小于其设计使用年限。伸缩装置自身结构受损导致其承载等功能降低或丧失，需要修复或更换，从而影响桥梁的正常使用。《公路桥梁伸缩装置设计指南》（JTQX-2011-12-1）规定了伸缩装置的设计寿命：钢构件为40a，橡胶及高分子材料为15a，然而调研结果显示基本达不到其设计寿命。本文引用某省800道桥梁伸缩装置数据[7]，以伸缩装置从投入使用到首次维修时间作为其使用寿命，对其使用寿命概率分布进行分析，结果见图2。

图2 伸缩装置使用寿命概率分布图

通过数据拟合可得出桥梁伸缩装置使用寿命概率分布如式（1）所示。

式中：x——桥梁伸缩装置的使用寿命；

y——对应桥梁伸缩装置使用寿命的概率。

由图2及式（1）可知，案例工程中，80%以上的桥梁伸缩装置使用寿命为6～12a，而使用寿命超过12a 的概率不足5%。

此外，基于笔者参与的四川省雅西高速桥梁伸缩装置维修项目，该案例工程从建成通车到首次进行大规模伸缩缝维修的时间间隔不足3a（2012年4月～2014年11月），且维修涉及到52.2%（总数为266）的桥梁及所有使用伸缩装置类型，具体见表2。

表2 雅西高速伸缩缝处治统计表

（2）加剧桥面不平整性，加剧车辆荷载对梁端的冲击效应。

考虑车-缝-桥动力响应的影响[8]，伸缩装置的各组件常常处于拉（压）-弯-剪-扭耦合受力状态，局部的高应力、大变形不仅会导致伸缩装置各组件的累积损伤和破坏，且在局部出现损伤和破坏后，车辆通过伸缩装置的稳定性会变差，进而加剧车-缝-桥耦合动力响应，导致车辆对伸缩装置、桥梁的冲击作用增大。形成伸缩装置病害加剧车-缝-桥耦合动力响应，车-缝-桥耦合动力响应又反过来加速伸缩装置、桥面铺装病害发展的恶性循环。

根据既有试验数据[9]，伸缩缝本身的局部轮压冲击系数最大可达0.75。而伸缩装置病害导致的桥面不平整，进一步增大了经过车辆对梁端的冲击作用，使得梁端应力状态复杂化，不仅增加了梁体受力，还反向加剧梁体病害的扩展，使得不利影响反复加剧。

（3）引起伸缩功能受限或丧失，导致桥梁结构不能正常变形。

伸缩装置病害常致使局部混凝土脱落，填塞梁端，影响伸缩装置密封性，导致伸缩缝功能受到限制或丧失，进而限制了桥梁结构的正常变形。严重时出现结构抵死，产生的附加应力使梁端、台背混凝土破损、开裂。若抵死现象发生在桥梁弯道处，还易产生梁体位移，致使梁体与盖梁挡块挤压，使桥墩承受横向水平力而产生横向裂缝。

笔者参与检测的某桥梁，平面位于R-160圆曲线及其缓和曲线上，纵坡1.847%，上部结构为7m×16m预应力混凝土简支小箱梁，横向布设4片小箱梁，下部结构桥墩为钢筋混凝土双柱墩，桥台为桩柱式桥台，两侧桥台处设置80型钢伸缩装置。检测结果显示，桥台侧梁端均与背墙有挤压、抵死现象，防撞护栏偏位6cm（见图3），部分限位块被箱梁挤压、破坏（见图4），盖梁存在竖向裂缝（见图5），墩柱存在环向裂缝（见图6）。

图3 防撞护栏偏位

图4 限位块被箱梁挤压、破坏

图5 盖梁裂缝展布图

图6 1#墩柱裂缝分布图

经分析，排除基础移动的可能性，主要原因为两侧桥台处梁端与台背挤压导致在升温作用下梁体无法沿线路方向自由伸长，由于梁体自重较重，梁体变形只能沿横向释放，使得梁体产生水平位移，在梁体与挡块或限位块挤压、抵死时，带动盖梁、桥墩产生水平位移，在上部结构恒载及路面活载的共同作用下，使得墩柱底部产生水平裂缝，盖梁靠近顶部位置产生竖向裂缝。

最近几年，处于曲线上的城镇匝道桥、高速匝道桥及山区弯道桥，由于伸缩装置卡死、功能丧失、梁端挤压而引发的梁体位移、破坏事件屡见不鲜，在有纵坡的情况下，发生的几率更高。一旦出现，修复不仅困难，且周期较长。

（4）导致密水性与排水性降低或丧失，改变了桥梁的使用条件。

伸缩装置密水性或排水性不良，雨水会侵蚀桥台（见图7）致使钢构件锈蚀；或继续下渗至墩台基础，引发基础软化，产生不均匀沉降。此外，雨水从梁端渗入梁体，导致梁体箱室积水，增加了梁体承受的恒载。若雨水渗入梁体裂缝，致使梁底出现泛白结晶现象，加速梁体劣化。