異形鋼單縫式和模數(shù)式伸縮縫損傷等級(jí)劃分及養(yǎng)護(hù)對(duì)策

劉朵，黃青松，江流聲，張建東,

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112；2.江蘇宿淮鹽高速公路管理有限公司；3.南京工業(yè)大學(xué))

伸縮縫在橋梁結(jié)構(gòu)中直接承受車輪荷載的反復(fù)沖擊作用，長期暴露在空氣中，使用環(huán)境比較惡劣，是橋梁結(jié)構(gòu)最易遭到破壞而又最難修補(bǔ)的部位，不僅給車輛的行駛安全帶來了一定的隱患，同時(shí)還會(huì)影響到橋梁本身的結(jié)構(gòu)安全性和使用壽命。目前中國尚沒有專門針對(duì)公路橋梁伸縮縫養(yǎng)護(hù)的行業(yè)規(guī)范或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，僅在JTG H11-2004《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》中對(duì)伸縮縫的病害進(jìn)行了定性描述。因此，對(duì)橋梁伸縮縫損傷程度的判斷受個(gè)人主觀因素的影響較為嚴(yán)重。而科學(xué)合理的、具有可操作性的養(yǎng)護(hù)對(duì)策應(yīng)基于對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的正確評(píng)估，并應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的養(yǎng)護(hù)條件而確定。

該文通過調(diào)研某省高速公路橋梁伸縮縫的使用情況，針對(duì)異形鋼單縫式伸縮縫和模數(shù)式伸縮縫，分析其常見的損傷類別及產(chǎn)生的原因，并考慮高速公路的養(yǎng)護(hù)環(huán)境特點(diǎn)，從一線養(yǎng)護(hù)人員的角度出發(fā)對(duì)伸縮縫的損傷等級(jí)進(jìn)行劃分，提出相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)對(duì)策，為高速公路橋梁伸縮縫更加科學(xué)、高效的養(yǎng)護(hù)工作奠定基礎(chǔ)。

1 常見損傷類別及成因分析

調(diào)研了某省高速公路橋梁管理系統(tǒng)中的23 430條伸縮縫，其中異形鋼單縫式伸縮縫和模數(shù)式伸縮縫(圖1、2)占比超過了80%(表1)，是目前最常使用的伸縮縫類型。

圖1 異形鋼單縫式伸縮裝置(C型)(單位:除鋼筋為mm外,其余：cm)

圖2 多縫模數(shù)式伸縮裝置( J-75型)

在調(diào)研的23 430條伸縮縫中，出現(xiàn)損傷的伸縮縫共計(jì)13 118條，損傷率達(dá)到了56%。以伸縮縫構(gòu)件系統(tǒng)為單位將高速公路伸縮縫損傷分為混凝土破損、橡膠條破損和型鋼變形或斷裂3種，當(dāng)然也存在部分?jǐn)?shù)據(jù)未標(biāo)明或記錄不清的病害，統(tǒng)一歸為不明病害類型，具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 某省高速公路伸縮縫的使用情況

表2 某省高速公路伸縮縫損傷分布情況

由表2可知：混凝土破損、橡膠條損壞、型鋼變形或斷裂是目前伸縮縫常見的三大損傷類型。此外，針對(duì)模數(shù)式伸縮縫，尚存在型鋼間距不均勻、位移控制系統(tǒng)失效、支承系統(tǒng)失效等特有的損傷類型。

1.1 異形鋼單縫式伸縮縫

針對(duì)異形鋼單縫式伸縮縫常見的損傷情況進(jìn)行了成因分析，結(jié)果如下：

(1) 橋臺(tái)與路基之間發(fā)生沉降或混凝土養(yǎng)護(hù)不到位、塌落度較大，均會(huì)引起伸縮縫安裝槽區(qū)后澆帶混凝土開裂或裂縫。

(2) 舊混凝土接觸面未鑿毛或有灰塵未清理干凈，引起新舊混凝土之間開裂。

(3) 伸縮縫異形鋼下脫空，導(dǎo)致伸縮縫型鋼和混凝土破壞。

(4) 由于尖銳物破壞而造成伸縮縫的橡膠條損傷。

1.2 模數(shù)式伸縮縫

模數(shù)式伸縮縫是目前應(yīng)用最為廣泛的伸縮結(jié)構(gòu)，除了包含異形鋼單縫式伸縮縫的常見損傷外，還有一些其他特有的損傷類型，具體如下：

(1) 伸縮縫位移箱底部脫空，容易造成結(jié)構(gòu)變形從而引起伸縮縫破壞。

(2) 伸縮縫的位移箱內(nèi)有混凝土進(jìn)入，容易影響伸縮縫的正常伸縮功能，從而造成結(jié)構(gòu)損傷。

(3) 伸縮縫的位移控制彈性元件損壞，包括：①位移量超過彈簧正常位移范圍；②彈簧自身力學(xué)性能不滿足要求；③伸縮縫組裝精度差；④連接螺栓松動(dòng)、沖擊加大，從而破壞彈簧。

(4) 中梁型鋼斷裂是目前高速公路橋梁伸縮縫中最普遍的損傷，產(chǎn)生的原因主要有：①中梁與支撐橫梁之間采用焊接時(shí)，焊接質(zhì)量不滿足要求；②中梁與支撐橫梁之間采用螺栓連接時(shí)，連接螺栓松動(dòng)或脫落，導(dǎo)致中梁型鋼沖擊較大，產(chǎn)生疲勞斷裂；③位移箱底部脫空，在車輛的頻繁沖擊作用下箱體底部變形，導(dǎo)致支撐橫梁和中梁下沉，引起型鋼斷裂；④位移箱內(nèi)的彈性支承元件脫落，導(dǎo)致支撐橫梁和中梁下沉，使得型鋼斷裂；⑤中梁型鋼采用焊接接長時(shí)，接頭位置焊接強(qiáng)度不足或接頭所處的位置不合理導(dǎo)致型鋼對(duì)接處焊縫疲勞破壞；⑥中梁型鋼自身的材質(zhì)存在缺陷，應(yīng)力集中產(chǎn)生疲勞破壞。

2 損傷等級(jí)劃分及養(yǎng)護(hù)對(duì)策

高速公路橋梁伸縮縫損傷等級(jí)劃分是伸縮縫養(yǎng)護(hù)工作的基礎(chǔ)，而及時(shí)到位的養(yǎng)護(hù)工作是延長伸縮縫使用壽命和保證橋梁伸縮縫正常運(yùn)營的重要措施。因此，為了延長伸縮縫的使用壽命，針對(duì)量大面廣的異形鋼單縫式伸縮縫和模數(shù)式伸縮縫，從一線人員的可操作性和便捷性出發(fā)，通過大量伸縮縫病害現(xiàn)狀調(diào)研、有限元分析，并結(jié)合多家單位伸縮縫養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)病害損傷等級(jí)進(jìn)行劃分，并根據(jù)劃分的損傷等級(jí)提出具體的養(yǎng)護(hù)維修措施。

2.1 異形鋼單縫式伸縮縫

異形鋼單縫式伸縮縫主要有混凝土破損、橡膠條損壞和縫寬異常3種損傷類型。為了更有效地進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修，將這3種病害的損傷等級(jí)分別分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個(gè)等級(jí)，并對(duì)其損傷程度進(jìn)行了相關(guān)描述，明確了相應(yīng)的檢測(cè)指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上提出養(yǎng)護(hù)措施和具體維修方法。

(1) 后澆帶混凝土。通過跟蹤大量伸縮縫槽區(qū)后澆帶混凝土的病害，統(tǒng)計(jì)分析病害特點(diǎn)及發(fā)展規(guī)律，并結(jié)合病害對(duì)行車安全的影響，明確了后澆帶混凝土損傷等級(jí)的劃分方法及養(yǎng)護(hù)措施，詳見表3。

(2) 密封橡膠條。防水密封橡膠條出現(xiàn)損傷后極易產(chǎn)生滲水引起伸縮縫內(nèi)部構(gòu)件銹蝕，從而導(dǎo)致伸縮縫失效。其損傷等級(jí)劃分方法及養(yǎng)護(hù)措施詳見表4。

(3) 縫隙寬度。伸縮縫的縫寬是為了適應(yīng)在外部荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的伸縮變形而通過計(jì)算得到的。如果在伸縮縫設(shè)計(jì)選型時(shí)伸縮量計(jì)算不準(zhǔn)確，或在施工時(shí)未按照設(shè)計(jì)要求預(yù)留混凝土后澆帶寬度，均容易導(dǎo)致伸縮縫縫隙寬度過大或過小，縫隙過大會(huì)導(dǎo)致橡膠條撕裂，引起構(gòu)件銹蝕；縫隙過小或抵死，會(huì)導(dǎo)致混凝土破損甚至伸縮功能失效，更為嚴(yán)重的會(huì)引起梁體受損。其損傷等級(jí)劃分方法及養(yǎng)護(hù)措施見表5。

表3 后澆帶混凝土損傷等級(jí)劃分及養(yǎng)護(hù)措施

表4 防水密封橡膠條損傷等級(jí)劃分及養(yǎng)護(hù)措施

2.2 模數(shù)式伸縮縫

由于結(jié)構(gòu)構(gòu)造上的相似性，異形鋼單縫式所存在的后澆帶混凝土和防水密封橡膠條的病害損傷，模數(shù)式伸縮縫也同樣存在。除此之外，模數(shù)式伸縮縫還有其獨(dú)有的病害類型，主要包括支撐系統(tǒng)損傷，位移控制系統(tǒng)失效和型鋼斷裂等。為了更加有效地養(yǎng)護(hù)和維修，將模數(shù)式伸縮縫的損傷進(jìn)行等級(jí)劃分，并提出相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)維修對(duì)策。

(1) 支撐系統(tǒng)。模數(shù)式伸縮縫支撐系統(tǒng)包含承壓支座和壓緊支座，使得中梁與橫梁相連接。支承系統(tǒng)出現(xiàn)損傷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致中梁出現(xiàn)較大的彎曲變形甚至斷裂，同時(shí)對(duì)行車安全的影響是最直接，也是最惡劣的。其損傷等級(jí)劃分方法及養(yǎng)護(hù)措施見表6。

(2) 位移控制系統(tǒng)。模數(shù)式伸縮縫主要通過剪切彈簧進(jìn)行位移控制，剪切彈簧通過機(jī)械鉸鏈和壓緊彈簧進(jìn)行連接，一旦模數(shù)式伸縮縫位移系統(tǒng)出現(xiàn)損傷，容易引起剪切彈簧變形過大，機(jī)械鉸鏈脫落等，位移控制系統(tǒng)失效，即引起伸縮縫伸縮功能失效，導(dǎo)致整條伸縮縫失去伸縮功能。其損傷等級(jí)劃分方法及養(yǎng)護(hù)措施見表7。

表5 縫隙寬度異常等級(jí)劃分及養(yǎng)護(hù)措施

表6 支撐系統(tǒng)損傷等級(jí)劃分及養(yǎng)護(hù)措施

(3) 中梁型鋼。模數(shù)式伸縮縫相比于異形鋼單縫式伸縮縫，在兩根邊梁之間添加一個(gè)或多根中梁，來滿足較大跨徑橋梁的伸縮量。引起中梁病害的原因很多，位移控制系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)出現(xiàn)病害都會(huì)導(dǎo)致中梁出現(xiàn)彎曲，甚至斷裂。而中梁病害是模數(shù)式伸縮縫最為嚴(yán)重也是最典型的病害。因此通過中梁的檢測(cè)可以反映出模數(shù)式伸縮縫其他系統(tǒng)的健康情況。中梁的損傷等級(jí)劃分及養(yǎng)護(hù)維修對(duì)策見表8。

3 結(jié)論

通過調(diào)研某省高速公路伸縮縫的使用情況，分析伸縮縫常見的損傷類別及其產(chǎn)生的原因，并考慮高速公路的養(yǎng)護(hù)環(huán)境特點(diǎn)，從一線養(yǎng)護(hù)人員的角度出發(fā)，并通過大量伸縮縫病害現(xiàn)狀調(diào)研、有限元分析，結(jié)合多家單位伸縮縫養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)伸縮縫的損傷等級(jí)進(jìn)行了劃分，并提出了相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)對(duì)策，主要結(jié)論如下：

表7 位移控制系統(tǒng)損傷等級(jí)劃分及養(yǎng)護(hù)措施

表8 中梁型鋼損傷等級(jí)劃分及養(yǎng)護(hù)措施

(1) 目前，高速公路橋梁普遍采用的伸縮縫種類為異形鋼單縫式和模數(shù)式兩種類型；而混凝土破損、橡膠條損壞和異形鋼變形或斷裂是常見的損傷類別，對(duì)其產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析。

(2) 針對(duì)異形鋼單縫式伸縮縫的混凝土破損、橡膠條損壞和縫隙寬度異常，模數(shù)式伸縮縫的支撐系統(tǒng)損傷、位移控制系統(tǒng)失效和中梁型鋼變形或斷裂等典型病害，對(duì)其損傷程度進(jìn)行了等級(jí)劃分，規(guī)定了相應(yīng)的量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，并提出了對(duì)應(yīng)的養(yǎng)護(hù)措施和維修方法，為管養(yǎng)人員的養(yǎng)護(hù)決策提供參考。