無縫式橋梁伸縮縫技術(shù)研究

王文炳

（安徽省高速公路試驗(yàn)檢測科研中心有限公司，安徽 合肥 230601）

近年來，伴隨著公路橋梁里程的不斷攀升，橋梁伸縮縫技術(shù)也在不斷的發(fā)展和日益的成熟。伸縮縫是橋梁結(jié)構(gòu)中為了滿足橋面變形而設(shè)置，雖然伸縮縫占有非常小的體積比例，但確發(fā)揮著極其重要的作用。

橋梁在營運(yùn)過程中會(huì)產(chǎn)生各種運(yùn)動(dòng)，包括由環(huán)境溫度濕度變化引起的運(yùn)動(dòng)、蠕變收縮產(chǎn)生的應(yīng)變、動(dòng)靜載預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的軸向和彎曲應(yīng)變、車輛行駛等外部條件產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)荷載引起的運(yùn)動(dòng)，以及長期地面沉降引起的位移。而伸縮縫的作用即是用于減緩由此產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)，提高車輛行駛的舒適性，并為橋梁提供一個(gè)完整的表面。

然而，橋梁伸縮縫也是橋梁結(jié)構(gòu)中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，易于破壞，且破壞后較難維修，降低了整個(gè)橋梁的使用壽命。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在整個(gè)橋梁的維修過程中，其中由橋梁伸縮縫破壞引起的維修費(fèi)用占到了整個(gè)橋梁維修費(fèi)用的7%～25%。

1 橋梁無縫伸縮縫的特點(diǎn)

在國內(nèi)橋梁伸縮縫大致可分為6 大類。即填塞對(duì)接式、嵌固對(duì)接式、橡膠板式、鋼制支承式、模數(shù)式和無縫式。其中表1 為國內(nèi)幾類伸縮縫裝置的特點(diǎn)。通過比較無縫式橋梁伸縮縫在解決好材料高低溫性能的沖突后，具有廣泛的應(yīng)用前景。

表1 國內(nèi)幾類主要伸縮縫裝置的特點(diǎn)

無縫式橋梁伸縮縫在國外又名瀝青填充式橋梁伸縮縫（APJ），是指在橋梁端部的伸縮間隙內(nèi)涂刷界面粘結(jié)材料，再填充無縫伸縮縫材料，經(jīng)壓實(shí)后與路面形成連續(xù)體，通過接縫處的材料變形來吸收梁體的伸縮，同時(shí)提供對(duì)車輛的支撐。

2 橋梁無縫伸縮縫的研究進(jìn)展

2.1 橋梁無縫伸縮縫材料的研究進(jìn)展

橋梁無縫伸縮縫材料主要由粘結(jié)劑和骨料組成。目前國內(nèi)外主要的研究偏重于粘結(jié)劑組分，而粘結(jié)劑的組成主要由瀝青和各類改性劑經(jīng)過改性而成。

第一代粘結(jié)劑采用了吹氧瀝青，第二代采用了單元改性瀝青來逐步取代吹氧瀝青，第三代采用了多元復(fù)合式改性瀝青。為此，國內(nèi)外學(xué)者研制出了第四代粘結(jié)料GTF ( 高彈塑體) 和TST ( 彈塑體) ，相對(duì)與前三代粘結(jié)劑而言，能在一定程度上同時(shí)兼顧高低溫、滲透和粘結(jié)性能的對(duì)立，能夠適用于水平位移＜50mm，豎向位移＜1.5mm 的橋梁伸縮縫。

高分子聚合體改性瀝青屬TST 橋梁無縫伸縮縫，具有粘結(jié)性強(qiáng)，彈性大、韌性好的特點(diǎn)?；旌狭嫌筛叻肿泳酆衔餅r青粘合劑和經(jīng)篩選的單一尺寸的石料混合而成，它的力學(xué)特點(diǎn)是承受瞬時(shí)荷載與高頻振動(dòng)時(shí)完全顯示彈性，而在低頻緩力的作用下，則完全顯示塑性[1,2]。

筆者利用高摻量的橡膠粉改性SBS 瀝青作為無縫伸縮縫材料的膠結(jié)料，同時(shí)利用2.36mm～4.75mm 橡膠顆粒部分替代石料，通過優(yōu)化級(jí)配，復(fù)合改性制備出了高性能的無縫伸縮縫材料。并對(duì)制備出的高彈改性瀝青進(jìn)行三大指標(biāo)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)，以及對(duì)制備出的高性能無縫伸縮縫材料進(jìn)行路用性能試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)。結(jié)果表明，20%橡膠粉摻量制備出的高彈改性瀝青軟化點(diǎn)達(dá)到88℃，高溫下的抗變形能力和低溫下的應(yīng)力能力都得到了不同程度的改善，且改性后的瀝青具有很好的頻率、溫度敏感性，抗老化能力和使用壽命也得到了提高。采用SMA 骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)，通過合理的橡膠顆粒摻量（9.2%體積摻量），制備出的高性能無縫伸縮縫材料，動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到6316 次/mm，低溫應(yīng)變達(dá)到7796μm/m，可同時(shí)兼顧材料的高溫抗車轍能力和低溫應(yīng)變能力。

2.2 橋梁無縫伸縮縫結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展

橋梁無縫伸縮縫的結(jié)構(gòu)是影響材料性能發(fā)揮的重要因素，合理的結(jié)構(gòu)可以有效的延長伸縮縫的使用壽命，因此對(duì)伸縮縫結(jié)構(gòu)的研究尤為關(guān)鍵。

橋梁接縫協(xié)會(huì)表明，瀝青填充式伸縮縫（APJ） 的典型尺寸為500mm 寬，100mm 深，在最低設(shè)計(jì)溫度下保證不開裂的允許位移是20mm。ASTM D6297-01 規(guī)定了APJ 最小的標(biāo)準(zhǔn)背臺(tái)尺寸為50*500mm，最大的允許位移為25mm。

熊強(qiáng)等人應(yīng)用有限元分析軟件ABAQUS 對(duì)一種新型的無縫伸縮縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力分析，這種結(jié)構(gòu)如圖3.2 所示，分析結(jié)果表明：在標(biāo)準(zhǔn)荷載下，該伸縮縫結(jié)構(gòu)可滿足60mm以下伸縮量的橋涵的要求[3]。

圖1 優(yōu)化的伸縮縫結(jié)構(gòu)

圖2 連續(xù)式彈塑性伸縮縫斷面示意圖

一直以來，瀝青填充式橋梁伸縮縫只能用于小位移量的道路橋梁伸縮縫，而近年來橋梁伸縮縫的生產(chǎn)技術(shù)有很大的改進(jìn)，出現(xiàn)新的瀝青填充式橋梁伸縮縫結(jié)構(gòu)，能夠用于位移量更大的橋梁，可以滿足100mm 的伸縮量。在新西蘭已研發(fā)出新型的APJ 結(jié)構(gòu)，可用于伸縮量在100mm 以下的橋梁，其結(jié)構(gòu)如圖3.3 所示。S9 位移量為100mm，最大縫寬為65mm；S7 位移量70mm，最大縫寬為45.5mm 。這種外加的彈簧結(jié)構(gòu)能很大程度分散伸縮縫位移引起水平方向的應(yīng)力集中問題，從而不易出現(xiàn)裂紋破壞。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

近年來對(duì)無縫伸縮縫技術(shù)的研究也在不斷完善，無論從材料單一角度還是從結(jié)構(gòu)單一角度，均很難滿足目前無縫伸縮縫的使用要求。

對(duì)于中小橋梁而言，無縫式橋梁伸縮縫具有廣泛的應(yīng)用前景，在未來的道路橋梁建設(shè)中將發(fā)揮越來越重要的作用。

3.2 建議

針對(duì)目前橋梁無縫伸縮縫的研究現(xiàn)場，提出如下建議：

1） 在伸縮縫伸縮量的設(shè)計(jì)上要考慮周全，特別是使用區(qū)域的氣候條件；2） 對(duì)于伸縮縫材料的性能需要進(jìn)一步的研究，以制備出高性能的無縫伸縮縫材料；3） 對(duì)于伸縮縫材料的結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步優(yōu)化，單純從材料角度并不能滿足實(shí)際道路橋梁的要求，從而拓展伸縮縫材料的使用范圍和使用年限；4） 對(duì)于伸縮縫結(jié)構(gòu)的服役性能也需要進(jìn)一步的探索。