基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的梁式橋伸縮縫病害研究

張麗娟

（遼寧省公路勘測設(shè)計公司 沈陽市 110166）

基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的梁式橋伸縮縫病害研究

張麗娟

（遼寧省公路勘測設(shè)計公司 沈陽市 110166）

橋梁伸縮縫裝置作為橋梁的重要組成部分，決定了一座橋梁的行車平順性，更是橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的重要影響因素之一。因此，對橋梁伸縮縫裝置的病害監(jiān)測及維護保養(yǎng)是十分必要的一項工作。在實際橋梁結(jié)構(gòu)中，伸縮縫裝置直接暴露在環(huán)境中，極易因受到環(huán)境因素的影響而減弱其工作性能。根據(jù)陸中灣大橋伸縮縫的檢測情況，對現(xiàn)有的伸縮縫病害進行研究，并對其現(xiàn)有狀態(tài)進行評估，提出維護建議。

陸中灣大橋；伸縮縫；病害

近年來，我國國民經(jīng)濟高速發(fā)展，成功超越日本，成為世界第二大經(jīng)濟體。伴隨著國民經(jīng)濟的增長，我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也加快了步伐，其中橋梁作為基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，也在以千座的速度增加。與橋梁建設(shè)發(fā)展相對應(yīng)的是設(shè)計理念的提升。在以往，往往是一座橋梁出現(xiàn)明顯的癥狀時，方才對其進行檢修，不僅僅嚴重影響了交通，還會導(dǎo)致巨大的維護費用。隨著橋梁健康監(jiān)測的出現(xiàn)，工程師們開始能夠?qū)蛄翰『M行預(yù)先發(fā)現(xiàn)和及時處理，大大減少了橋梁的運營成本。而橋梁伸縮裝置作為橋梁設(shè)計、施工、養(yǎng)護及管理中最容易被忽視的薄弱環(huán)節(jié)，往往最易發(fā)生病害而影響橋梁結(jié)構(gòu)的使用功能。按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》JTG D60-2015，伸縮縫的設(shè)計使用年限15年，也是極易損壞構(gòu)件。橋梁伸縮裝置在橋梁結(jié)構(gòu)中的作用巨大，起到了調(diào)節(jié)上部結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)以及調(diào)節(jié)由于活載、環(huán)境特征以及橋梁建筑材料的物理性能引起的位移的作用，是橋梁結(jié)構(gòu)的重要附屬結(jié)構(gòu)。若其發(fā)生了破壞，會直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的行車平順性，進而會引起很大的車輛沖擊荷載，嚴重惡化行車狀況，影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，會急劇降低橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命。

1　梁式橋伸縮縫病害成因

1.1設(shè)計原因

（1）橋梁的橋面板端部剛度不足，翼板較薄且橫向聯(lián)系較弱，橋面板受到汽車荷載作用，將會導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)變形過大而致使伸縮裝置破壞。伸縮裝置的錨固件與主梁的連接部分很少，大部分均安置于橋面鋪裝層中，因此達不到剛性錨固的要求，在汽車荷載的作用下，容易導(dǎo)致焊接處開裂從而導(dǎo)致其脫落，橋梁受力將不易傳遞，從而微小的變形可能會擴展成大的位移，進一步導(dǎo)致橋梁混凝土粘結(jié)力失效。

（2）伸縮量的計算不夠準確，在對伸縮裝置進行安裝時，未全面考慮實際安裝溫度對伸縮裝置的影響，當伸縮裝置本身不具備或很難具備調(diào)整初始位移量以適應(yīng)安裝溫度位移的要求時，選型不當是造成伸縮裝置破壞的主因。

（3）對伸縮裝置兩側(cè)的后澆混凝土、鋪裝層材料及梁段部伸縮裝置基座的設(shè)計未按照規(guī)范規(guī)定嚴格要求，或未選用合適的材料和構(gòu)造，致使防水設(shè)施不完備，發(fā)生漏水、溢水等情況，進一步對錨固部件產(chǎn)生腐蝕，對梁端和支座造成嚴重侵蝕。

1.2施工原因

（1）在對伸縮縫進行安裝的過程中，未對其施工工藝采取足夠的重視，沒有嚴格地按照施工工藝的標準和安裝工序進行施工，致使橋面板間的實際伸縮間距與設(shè)計相比有較大誤差，導(dǎo)致在投入實際使用后，伸縮裝置很快便發(fā)生損壞；

（2）混凝土的制作及澆筑沒有達到設(shè)計要求，達不到設(shè)計的強度要求，使混凝土橋面板無法承受車輛荷載的強烈沖擊；或是現(xiàn)澆混凝土的后期養(yǎng)護未達到要求，致使后澆混凝土模板發(fā)生漏漿，從而導(dǎo)致伸縮裝置的間隙發(fā)生阻塞或頂死，最后致使伸縮裝置發(fā)生早期破壞；

（3）安裝開口時，預(yù)留的伸長量不足，使橡皮條被拉斷，橋面的雨水將會下漏，從而致使支座等金屬構(gòu)件發(fā)生銹蝕，同時臺背與梁頭處掉進的雜物將擠壞臺背和梁頭；

（4）安裝閉口時，預(yù)留的壓縮量不足，混凝土面板間距壓縮時，將會擠死伸縮裝置，并擠壞混凝土，使路面出現(xiàn)坑槽而發(fā)生破壞。

1.3管理維護原因

（1）未對掉入伸縮裝置中的各類雜物進行及時清理，使得伸縮縫被堵塞，達不到設(shè)計的伸縮量。伸縮裝置和后澆注材料將逐漸老化，對其的維修亦不夠及時和充分，從而使破壞狀況不斷惡化，最終導(dǎo)致了伸縮裝置整體損壞。

（2）超載現(xiàn)象過于嚴重，尤其是夜間，導(dǎo)致橋梁的伸縮量超出伸縮裝置的限值，對伸縮裝置的有效使用和耐久性產(chǎn)生了嚴重的威脅；一些外部因素如火災(zāi)、地震等的發(fā)生也會對養(yǎng)護管理作用造成巨大阻礙。

2　基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的混凝土梁橋伸縮縫病害成因分析

2.1工程背景

某項目上某大橋（以下簡稱“橋梁”）跨越陸中灣，河寬80m，河兩岸兼機耕路。橋梁上部結(jié)構(gòu)為先簡支后連續(xù)先張預(yù)應(yīng)力空心板，四跨一聯(lián)，共兩聯(lián)，跨徑組合為8×20m，斜交95°，橋面設(shè)單向縱坡-0.122%。橋梁分別在0#、4#、8#墩臺處設(shè)置伸縮縫，其中0#、8#橋臺采用60梳形縫伸縮縫，4#橋墩采用80梳形縫伸縮縫。全橋支座均采用Φ200× 53TCYB球冠圓板式橡膠支座，橋梁墩臺采用樁柱結(jié)構(gòu)型式。

2.2橋梁病害總體情況

（1）4號墩頂左、右幅伸縮縫縱向變形過大，左幅為14.6cm，右幅為14.3cm（設(shè)計值為2cm，安裝時實測值為4.0～4.1cm）。

（2）右幅0號臺伸縮縫寬度太小，為1.4cm（設(shè)計值2cm，安裝時實測值為3.0～3.1cm）。

（3）大部分支座存在剪切變形現(xiàn)象。

2.3伸縮縫病害情況

該橋采用梳形伸縮縫，共設(shè)置3道伸縮縫，分別位于0號橋臺、4號橋墩和8號橋臺處。其中，0號、8號臺采用60梳形伸縮縫，4號墩采用80梳形伸縮縫。當安裝溫度為20℃時，設(shè)計安裝定位值A(chǔ)= 21mm。

現(xiàn)場伸縮縫觀測圖片如圖2所示：

根據(jù)現(xiàn)場實測的伸縮縫寬度變化值可知，0號臺左幅伸縮縫寬度一直在2cm上下變動，較穩(wěn)定，與設(shè)計值吻合，但小于初始安裝值（3.0～3.1cm）。右幅伸縮縫寬度在0.5cm上下變動，較穩(wěn)定，小于設(shè)計值（2cm）及初始安裝值（3.0～3.1cm）。8號橋臺左右幅伸縮縫寬度均在2cm左右變化，較穩(wěn)定，與設(shè)計值吻合，但小于初始安裝值（3.0～3.1cm）。4號橋墩左右幅伸縮縫寬度在10～15cm左右變化，遠大于設(shè)計值（2cm）及初始安裝值（4.0～4.1cm）。

2.4伸縮縫原設(shè)計計算

2.4.14#橋墩80梳形伸縮縫計算

（1）由溫度變化產(chǎn)生的位移量

①20℃安裝后的伸長量：

②20℃安裝后的收縮量：

（2）由混凝土干燥收縮產(chǎn)生的位移量

（3）由混凝土徐變產(chǎn)生的位移量

式中：φ—混凝土徐變系數(shù)；

式中：Ah—構(gòu)件混凝土截面面積為5574cm2。

μ—與大氣接觸的截面周邊長度471.2cm。

取相對濕度為80%，混凝土加載齡期14d，查《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》混凝土名義徐變系數(shù)表，得：

（4）總伸縮量

（5）計算伸縮縫安裝定位值

根據(jù)以上計算結(jié)果，選擇80梳形伸縮縫，則：

安裝后梁的伸長量：ΔLt=16mm

安裝后梁的縮短量：ΔLt+ΔLs+ΔLc=24+8.0 +14.4=46.4mm

為了使橡膠伸縮條在型鋼內(nèi)始終保持受壓，并考慮到橡膠在長期受壓過程中的徐變影響，因此給予一定預(yù)壓縮量W=10～15mm，本計算中取W= 13mm，則伸縮縫的安裝定位值：

2.4.20#、8#橋臺60梳形伸縮縫計算

（1）由溫度變化產(chǎn)生的位移量

①20℃安裝后的伸長量：

②20℃安裝后的收縮量

（2）由混凝土干燥收縮產(chǎn)生的位移量

（3）由混凝土徐變產(chǎn)生的位移量：

（4）總伸縮量

（5）計算伸縮縫安裝定位值

根據(jù)以上計算結(jié)果，選擇60梳形伸縮縫，則：

安裝后梁的伸長量：ΔLt=8mm

安裝后梁的縮短量：ΔLt+ΔLs+ΔLc=12+4+ 7.2=23.2mm

式中：φ—混凝土徐變系數(shù)：

式中：Ah—構(gòu)件混凝土截面面積為5574cm2；

μ—與大氣接觸的截面周邊長度471.2cm。

取相對濕度為80%，混凝土加載齡期14d，查《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》混凝土名義徐變系數(shù)表，得：

為了使橡膠伸縮條在型鋼內(nèi)始終保持受壓，并考慮到橡膠在長期受壓過程中的徐變影響，因此給予一定預(yù)壓縮量W=10～15mm，本計算中取W= 13mm，則伸縮縫的安裝定位值：

3　監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1伸縮縫監(jiān)測分析

2011年發(fā)現(xiàn)橋梁伸縮縫異常后，按每周1次的頻率對橋梁進行監(jiān)測，截止目前，共計監(jiān)測179次。對2011～2014年典型月份的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行圖表列舉。

從圖3和圖4可知，右幅橋梁4#伸縮縫發(fā)生位移時間較早，位移量呈減少趨勢；左幅橋梁位移量呈增加趨勢。

3.2病害成因分析

3.2.1對原伸縮縫設(shè)計的合理性進行核查

按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》對本橋進行核查，其結(jié)果如下：

成橋全橋梁體伸長量：

成橋全橋梁體縮短量：

則全橋的總伸縮量為：

設(shè)計中采用2個60伸縮縫，1個80伸縮縫，則其總伸縮量為：

因此該橋的伸縮縫設(shè)置滿足全橋梁體的伸縮要求。

3.2.2成因分析

（1）原設(shè)計伸縮變形零點考慮2、6號墩頂設(shè)置固定錨栓的影響，但橋梁檢測報告中描述，施工時未按設(shè)計要求在2、6號墩頂設(shè)置錨栓，致使變形零點發(fā)生變化，進而導(dǎo)致整聯(lián)上部結(jié)構(gòu)向橋臺一側(cè)移動。

（2）影響整聯(lián)上部結(jié)構(gòu)向橋臺一側(cè)移動的另一個因素是橋梁下部墩臺的縱向水平抗推剛度?？v向水平抗推剛度包含3部分：板式橡膠支座、墩臺柱身、樁基礎(chǔ)，本橋變形零點兩側(cè)的板式橡膠支座設(shè)置完全一致，可不予以考慮；另外樁基礎(chǔ)截面的圓直徑大于柱直徑而且周邊有土地限制，可近似認為對縱向水平抗推剛度影響也一致。所以主要是墩柱本身的縱向水平剛度問題。

墩臺柱縱向水平剛度：

式中：n—一聯(lián)的墩柱個數(shù)；

E—混凝土彈性模量；

I—墩柱的慣性矩；

h—墩柱的自由高度。

影響水平抗推剛度的最大因素就是h3，變形零點河心一側(cè)的墩柱高度大于河岸一側(cè)。橋梁的變形零點偏向于兩側(cè)橋臺，造成集中4號墩頂集中了不可逆反的縮短變形，經(jīng)過長期的積累，4號墩頂伸縮縫變形超過伸縮縫的變形能力，進而發(fā)生伸縮縫拉開的病害情況。

4　結(jié)論和建議

4.1目前的病害處理手段

一般而言，橋梁伸縮裝置的維修包括局部維修與整體維修，應(yīng)根據(jù)實際情況進行分析，確定導(dǎo)致伸縮裝置破壞的成因，進而有的放矢，制定有針對性的維修方案。

（1）伸縮裝置由后澆混凝土質(zhì)量問題引起局部破壞，則應(yīng)鑿除有問題的混凝土，并按照設(shè)計要求，嚴格按照施工規(guī)范重新澆注混凝土；

（2）若伸縮裝置是因為錨固系統(tǒng)的焊接質(zhì)量問題而引起局部破壞，則應(yīng)鑿除有問題的混凝土，并按照設(shè)計要求，重新焊接后澆混凝土；

（3）若伸縮裝置是因計算不準確或選型不當?shù)仍蚨鹫w破壞，則應(yīng)考慮對伸縮裝置進行更換。

4.2伸縮縫裝置病害處理措施

（1）1、4號墩頂伸縮縫更換為160型

根據(jù)目前橋梁運行情況來看，橋面整體平整度較好，無裂縫、破損、車轍，兩邊橋頭無跳車，橋梁的沉降對橋梁的運行沒產(chǎn)生過多的不利影響，建議目前僅對伸縮縫進行更換處理。

（2）繼續(xù)監(jiān)測，分析墩臺沉降的發(fā)展情況，再確定是否進行承載力補強。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果顯示，橋臺相對于4號墩沉降量在-23.0～-33.2cm，沉降量遠超出橋梁沉降的要求，但根據(jù)近8個月的觀察，墩頂沉降變化相對較小，橋墩沉降的趨勢也并非持續(xù)向下。建議下一步對橋梁墩臺頂標高繼續(xù)監(jiān)測，若監(jiān)測結(jié)果顯示沉降仍在持續(xù)，需對基礎(chǔ)承載力進行補強處理。

根據(jù)地勘資料，橋位處地質(zhì)有17m左右厚度的亞砂土土層硬殼層，承載力達225kPa，可以采用增加靜壓樁的形式，在對正常交通影響不大的情況下，以提高基礎(chǔ)的承載力。

［1］ 蔡福祿.公路橋梁伸縮裝置病害分析［J］.山西建筑，2000（2）.

［2］ 葛飛.公路橋梁伸縮裝置的破壞分析及設(shè)計［J］.青海交通科技，2007（6）.

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［4］ 陳惟珍，徐俊，龍佩恒.現(xiàn)代橋梁養(yǎng)護與管理［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［5］ ANCICH E J，CHIRGWIN G J，BROWN S.Dynamic anomalies in a modular bridge expansion joint［J］.Journal of Bridge Engineering，2006，11（5）：541-554.

［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