改造者：梁遠(yuǎn)路 李 莉 陳 長(zhǎng)

上海城市梁橋型鋼伸縮裝置損壞保持性分析

改造者：梁遠(yuǎn)路 李 莉 陳 長(zhǎng)

伸縮縫是橋梁的重要構(gòu)件，它能保證橋梁正常受力，從而保障橋梁的安全和耐久性。本文對(duì)上海市城市橋梁中梁式橋的伸縮縫發(fā)展規(guī)律進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)螺帽松動(dòng)、鋼材料翹曲變形、伸縮量異常和伸縮縫異常聲響等對(duì)橋梁安全、服務(wù)性能和耐久性影響較大的損壞類(lèi)型得到了更大的重視，而縫內(nèi)沉積物阻塞、接縫處跳車(chē)等相對(duì)不重要的部位沒(méi)有得到充分地維修。然而縫內(nèi)沉積物阻塞、接縫處跳車(chē)等部位雖然對(duì)結(jié)構(gòu)安全影響小，卻會(huì)影響?zhàn)B護(hù)資金的效益。本文在對(duì)構(gòu)件損壞保持情況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出相對(duì)不重要部位的損壞會(huì)對(duì)重要損壞造成影響，養(yǎng)護(hù)資金的分配應(yīng)該考慮各部位之間的聯(lián)系。

伸縮縫是橋梁的重要組成構(gòu)件，它能滿足溫度變化時(shí)橋梁縱向膨脹和收縮變形，從而大幅降低溫度應(yīng)力對(duì)梁式構(gòu)件的影響。伸縮縫處于梁端構(gòu)造薄弱部位，直接承受車(chē)輛沖擊荷載，因此也極容易損壞。伸縮縫破壞一方面影響行車(chē)安全和行車(chē)舒適，加速了支座和墩臺(tái)的病害發(fā)展，影響結(jié)構(gòu)的耐久性，甚至?xí)＜傲喊?，?dǎo)致單板受力，產(chǎn)生安全隱患。然而伸縮裝置由于其可更換性等原因，常常在設(shè)計(jì)和施工中被忽視。但是可更換并不代表易更換，更不代表更換過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)性。更換過(guò)程會(huì)阻斷交通，更換后迫于通行壓力也不能實(shí)施很好的養(yǎng)護(hù)，造成裝置強(qiáng)度不足?？梢哉f(shuō)，每一次更換都會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

伸縮裝置損壞的現(xiàn)狀和經(jīng)濟(jì)影響

伸縮縫維修的間接成本包含車(chē)輛運(yùn)營(yíng)成本、時(shí)間延遲成本、安全事故成本、環(huán)境保護(hù)成本、人員傷亡成本和相關(guān)產(chǎn)業(yè)損失成本等。若伸縮縫完全損壞，則需要整體更換，其代價(jià)將十分高昂。以濱州黃河公路大橋?yàn)槔?，常?guī)施工方法下更換一次伸縮縫造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)百萬(wàn)元以上。

有文獻(xiàn)研究表明，按照當(dāng)代大橋設(shè)計(jì)壽命一百年計(jì)算，更換周期為20年的伸縮裝置在全壽命周期的成本為其初始安裝成本的13倍，而更換周期為10年的伸縮裝置在全壽命周期的成本為其初始安裝成本的28倍。

有實(shí)踐表明，作為橋梁結(jié)構(gòu)次要部件的橋梁伸縮裝置易損難修，在橋涵養(yǎng)護(hù)資金投入中占據(jù)相當(dāng)比重，在高車(chē)速、重交通、大流量的復(fù)雜交通環(huán)境下該問(wèn)題尤為突出。

由此可見(jiàn)，對(duì)伸縮縫的合理設(shè)置與維護(hù)，能帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。然而現(xiàn)實(shí)中，伸縮縫的合理設(shè)置和維護(hù)并不盡如人意。伸縮縫溫度取值不合理，導(dǎo)致伸縮量計(jì)算不準(zhǔn)確，是導(dǎo)致伸縮縫損壞的關(guān)鍵因素。橋面和伸縮裝置內(nèi)的石子、泥沙等雜物未能及時(shí)認(rèn)真地進(jìn)行清掃，影響了伸縮裝置的正常變形，橋面鋪裝和伸縮裝置老化，接縫處橋面凹凸不平，維修又不充分，都加劇了伸縮裝置的破壞。

上海市面臨橋梁服役年限增長(zhǎng)，交通流量、重車(chē)過(guò)橋數(shù)量的不斷增加的情況，加上環(huán)境因素的作用，上海市橋梁伸縮縫在可預(yù)期的將來(lái)，發(fā)生損壞的概率也會(huì)增加。對(duì)上海市城市梁橋型鋼伸縮裝置的現(xiàn)狀和歷史情況進(jìn)行分析，得其損壞發(fā)生和保持規(guī)律，能指導(dǎo)其未來(lái)養(yǎng)護(hù)資金的使用，從而減少其全壽命周期的費(fèi)用。

上海城市橋梁伸縮縫管理現(xiàn)狀

上海市采用BMS（Breidge Management System，橋梁管理系統(tǒng)）對(duì)橋梁進(jìn)行管理，管理的業(yè)務(wù)流程如圖1所示。

圖1 上海市橋梁養(yǎng)護(hù)業(yè)務(wù)流程圖

由圖1可知，橋梁構(gòu)件的日常養(yǎng)護(hù)、大中修和加固措施的制定很大程度上依賴(lài)于其評(píng)價(jià)狀況。上海市采用的是《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ99-2003）中的橋梁評(píng)價(jià)模型，用BCI（Bridge Condition Index，橋梁狀況指數(shù)）來(lái)表示橋梁的狀態(tài)。該模型將橋梁劃分成不同層次的構(gòu)件（第一層為橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)，第二層是構(gòu)件大類(lèi)，第三層是具體損壞類(lèi)型），每一層的滿分都是一百分，通過(guò)扣分制得到每一層的評(píng)分，然后用分層加權(quán)的方法得到總分。統(tǒng)計(jì)橋梁損壞的時(shí)候，按照心理學(xué)上人最容易直觀判斷將具體損壞按無(wú)、輕微、嚴(yán)重三個(gè)級(jí)別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

伸縮縫是橋梁系統(tǒng)損壞最為頻繁的構(gòu)件之一，上海市BMS中的數(shù)據(jù)也印證了這一點(diǎn)。依據(jù)《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ99-2003），將伸縮縫劃分為7個(gè)損壞單項(xiàng)，每個(gè)單項(xiàng)的具體扣分值如表1所示。

表1 伸縮縫構(gòu)件大類(lèi)具體損壞單項(xiàng)扣分值表

圖2 上海市城市梁橋型鋼伸縮縫縫內(nèi)沉積物阻塞歷年損壞情況

圖3 上海市城市梁橋型鋼伸縮縫接縫處跳車(chē)歷年損壞情況

圖4 上海市城市梁橋型鋼伸縮縫螺帽松動(dòng)歷年損壞情況

圖5 上海市城市梁橋型鋼伸縮縫伸縮量異常歷年損壞情況

由于上海市的BMS中僅納入了城市橋梁的數(shù)據(jù)，其中近90％的橋都是梁橋（總計(jì)2305座橋，2048座梁式橋，截至2014年），而大部分橋梁的伸縮裝置都是型鋼（模數(shù)式）類(lèi)型，因此本文的分析限于城市梁橋的型鋼伸縮裝置。

上海市城市梁橋型鋼伸縮縫幾種典型的損壞類(lèi)型縫內(nèi)沉積物損壞、接縫處跳車(chē)、螺帽松動(dòng)和伸縮量異常歷年損壞比例變化情況如圖2-圖5所示。

從圖2-圖5可知，縫內(nèi)沉積物阻塞是伸縮縫構(gòu)件大類(lèi)中損壞比例最大、損壞最為嚴(yán)重的單項(xiàng)，其“少量”和“嚴(yán)重”損壞的比例一直比較穩(wěn)定，接縫處跳車(chē)的損壞比例有降低的趨勢(shì)，但是仍然較大，螺帽松動(dòng)和伸縮縫異常的損壞比例逐年下降最后保持到一個(gè)較低的水平。通過(guò)表1可以看到，縫內(nèi)沉積物阻塞和接縫處跳車(chē)是扣分值較低的單項(xiàng)，螺帽松動(dòng)和伸縮縫異常是扣分值較高的單項(xiàng)，扣分較低的單項(xiàng)沒(méi)有得到足夠重視，損壞情況不容樂(lè)觀，扣分較高的單項(xiàng)得到了較大的重視，損壞情況不斷好轉(zhuǎn)。這是因?yàn)槟壳皹蛄汗芾淼暮诵氖前踩芸兀虼藢?duì)橋梁安全影響較大的構(gòu)件比較重視，而構(gòu)件的損壞對(duì)橋梁服務(wù)性能、長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)性的影響并沒(méi)有充分的關(guān)注，這也反映了我國(guó)橋梁管理的現(xiàn)實(shí)水平。

有研究表明，縫內(nèi)沉積物阻塞長(zhǎng)期保持比較嚴(yán)重的狀態(tài)，依然有可能對(duì)橋梁安全造成嚴(yán)重威脅。阻塞的伸縮縫喪失了自由漲縮的能力，容易在在相鄰的主梁或主梁與橋臺(tái)之間產(chǎn)生推力，嚴(yán)重的甚至發(fā)生主梁的頂起或橋臺(tái)背墻的開(kāi)裂，存在門(mén)式框架的橋梁還可能在彎矩最大處發(fā)生結(jié)構(gòu)的斷裂，從而嚴(yán)重危害橋梁的安全。為了衡量對(duì)安全影響不大的構(gòu)件損壞對(duì)橋梁的長(zhǎng)期影響，需要對(duì)這些構(gòu)件的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行更細(xì)致的分析。隨機(jī)抽取上海市8座梁橋縫內(nèi)沉積物阻塞歷年變化情況（表2）可以看到，有的橋梁損壞一旦出現(xiàn)就很快被修復(fù)，有的橋梁損壞一旦出現(xiàn)就一直保持下去，損壞比例相對(duì)穩(wěn)定是一種動(dòng)態(tài)平衡。宏觀上養(yǎng)護(hù)維修一直在進(jìn)行，但個(gè)別橋梁維修不及時(shí)。由圖2可知，上海城市梁橋型鋼伸縮縫中，常年存在相當(dāng)比例嚴(yán)重阻塞的伸縮縫，要定量分析這些伸縮縫中長(zhǎng)期保持有損壞狀態(tài)的數(shù)量，就需要定義一種損壞保持性指標(biāo)。

損壞保持性的衡量

表2 上海梁式橋伸縮縫接縫內(nèi)沉積物阻塞歷年損壞情況部分查詢(xún)結(jié)果

損壞發(fā)生后保持未修理的時(shí)間越長(zhǎng)，則相應(yīng)的服務(wù)性能下降時(shí)間越長(zhǎng)，且如果長(zhǎng)期未修復(fù)而導(dǎo)致?lián)p壞程度增加，則又會(huì)增加修復(fù)的費(fèi)用?；A(chǔ)設(shè)施的服務(wù)性能，全壽命周期的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用均與損壞的保持程度有關(guān)，建立損壞保持性的量化指標(biāo)，能幫助分析設(shè)施服務(wù)性能的變化和指導(dǎo)全壽命周期的養(yǎng)護(hù)資金分配。此外，如果及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)養(yǎng)護(hù)，則損壞保持的時(shí)間也少，因此損壞保持性指標(biāo)也可以作為衡量養(yǎng)護(hù)工作效果的參考指標(biāo)。

本文定義的損壞保持性指標(biāo)δ為從有損壞記錄的年份起，有損壞的年份數(shù)量與總年份數(shù)量之比，即

這里，有損壞是指發(fā)生輕微損壞或嚴(yán)重?fù)p壞。不對(duì)輕微損壞和嚴(yán)重?fù)p壞做嚴(yán)格區(qū)分是因?yàn)閷?duì)損壞的統(tǒng)計(jì)是人工進(jìn)行的，評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn)也不是定量的，為了降低評(píng)價(jià)的誤差和強(qiáng)調(diào)有無(wú)損壞質(zhì)的區(qū)別，損壞保持性指標(biāo)的計(jì)算以有無(wú)損壞為根本依據(jù)。從定義中可以看出，損壞保持性的計(jì)算屏蔽了從未出現(xiàn)該類(lèi)損壞的橋梁，因?yàn)樵擃?lèi)橋梁很難定義其損壞的保持性。對(duì)此，我們可以統(tǒng)計(jì)從未出現(xiàn)某類(lèi)損壞的橋梁比例（記為k），該比例可以表征日常養(yǎng)護(hù)條件下橋梁該部位保持完好狀態(tài)的能力，1-k表示計(jì)算損壞保持性系數(shù)涉及的橋梁比例。

損壞保持性指標(biāo)δ取值最小為0（不能取到），表示損壞一旦出現(xiàn)就被修復(fù)，而且難以再出現(xiàn)損壞；δ取值最大為1（可以取到），表示損壞一旦出現(xiàn)就沒(méi)有被修復(fù)。δ取值越小，表示養(yǎng)護(hù)工作強(qiáng)度越大，養(yǎng)護(hù)效果越好，δ取值越大，表示該類(lèi)損壞越未得到重視。

型鋼伸縮裝置的損壞保持性

經(jīng)計(jì)算，接縫內(nèi)沉積物阻塞的損壞保持性系數(shù)為0.77，從未發(fā)生該類(lèi)損壞的橋梁比例為0.07，這意味著出現(xiàn)該損壞后的十年中，平均有8年是繼續(xù)有損壞的狀態(tài)，僅有7％的橋梁未出現(xiàn)過(guò)此類(lèi)損壞。再統(tǒng)計(jì)其損壞保持性系數(shù)的分布（圖6），可以看到取值為1的數(shù)量較多，說(shuō)明該類(lèi)損壞一旦發(fā)生，就沒(méi)有很及時(shí)地修復(fù)。其他單項(xiàng)的損壞保持性系數(shù)（從未發(fā)生該類(lèi)損壞的橋梁比例）為，螺帽松動(dòng)0.35（0.91），接縫處鋪裝碎邊0.57（0.33），接縫處跳車(chē)0.49（0.39），鋼材料翹曲變形0.39（0.87），伸縮量異常0.56（0.75），伸縮縫異常聲響0.40（0.80）。

螺帽松動(dòng)會(huì)使伸縮縫在行車(chē)荷載作用下松脫、翹起，造成較大的行車(chē)振動(dòng)和噪聲，會(huì)使局部滲水和積水，加速支座的老化和鋼筋的銹蝕。從單項(xiàng)值扣分較高的螺帽松動(dòng)保持性系數(shù)分布（圖7）可以看出，它與縫內(nèi)沉積物阻塞呈現(xiàn)完全相反的特征，損壞保持性系數(shù)低的數(shù)量較多，從來(lái)沒(méi)有發(fā)生過(guò)螺帽松動(dòng)的橋梁占比高達(dá)91％。

圖6 縫內(nèi)沉積物阻塞損壞保持性系數(shù)的分布

圖7 螺帽松動(dòng)損壞保持性系數(shù)的分布

表4 縫內(nèi)沉積物阻塞與伸縮縫其他損壞的關(guān)聯(lián)表

可以看到，不太重要的構(gòu)件，如扣分值較低的縫內(nèi)沉積物阻塞損壞保持性系數(shù)較高，而較為重要的構(gòu)件，如螺帽松動(dòng)，其損壞保持性系數(shù)較低，從來(lái)沒(méi)有發(fā)生過(guò)該類(lèi)損壞的橋梁比例也較高。

分析表明，上海城市梁橋型鋼伸縮縫縫內(nèi)沉積物阻塞的情況長(zhǎng)期大量存在，極有可能對(duì)橋梁的長(zhǎng)期性能造成不良影響，這種情況需要得到整治。

縫內(nèi)沉積物阻塞與伸縮縫其他單項(xiàng)的關(guān)系

伸縮縫的各部位是一個(gè)有機(jī)整體，其中任何一部分的損壞都可能導(dǎo)致伸縮縫的整體損壞。

由過(guò)往車(chē)輛帶來(lái)的泥砂、石屑等雜物將伸縮裝置淤死，會(huì)導(dǎo)致伸縮裝置失去伸縮功能，預(yù)留的伸縮縫過(guò)小會(huì)導(dǎo)致兩側(cè)梁板過(guò)度擠壓，使接縫處材料凸起破損，從而產(chǎn)生跳車(chē)。為了揭示伸縮縫內(nèi)各部分的內(nèi)在聯(lián)系，需要對(duì)它們進(jìn)行相關(guān)性分析。卡方檢驗(yàn)是一種用途很廣的計(jì)數(shù)資料的假設(shè)檢驗(yàn)方法，主要是比較兩個(gè)及兩個(gè)以上樣本率（構(gòu)成比）以及兩個(gè)分類(lèi)變量的關(guān)聯(lián)性分析。為了衡量沒(méi)被重視的伸縮縫縫內(nèi)沉積物阻塞與其它單項(xiàng)的聯(lián)系，本文采用標(biāo)準(zhǔn)的卡方檢驗(yàn)四格表，對(duì)2014年度數(shù)據(jù)量較大的接縫處鋪裝碎邊、接縫處跳車(chē)和橡膠塊老化做了卡方檢驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)的卡方檢驗(yàn)四格表要求表中（表3）a、b、c、d的值均大于5，構(gòu)造的卡方變量因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)四格表自由度=（行數(shù)-1）×（列數(shù)-1），衡為1，故不查表，用3.841和6.635兩個(gè)數(shù)判斷即可：

χ2〈3.841則P〉0.05，相差不顯著

3.841≤χ2〈3.841則0.05≥P〉0.01，相差顯著

χ2〉6.635則P≤0.01，相差非常顯著

P為甲乙兩組來(lái)自同一總體的概率。

表3 標(biāo)準(zhǔn)χ2檢驗(yàn)四格表

表4可以按照表3的模板拆分成3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的四格表，卡方檢驗(yàn)的結(jié)果如表5所示。

表5 卡方檢驗(yàn)的結(jié)果

結(jié)果表明，縫內(nèi)沉積物阻塞對(duì)接縫處跳車(chē)有明顯的影響。橋頭跳車(chē)會(huì)帶來(lái)諸多不良影響，如使車(chē)輛不得不降低車(chē)速，降低通行能力；使駕駛員和乘車(chē)者感到顛簸不適、心情不快、易疲勞；造成載貨物特別是易碎、貴重物的損壞；嚴(yán)重跳車(chē)會(huì)造成翻車(chē)、追尾等交通事故；跳車(chē)產(chǎn)生的水平和垂直沖擊力會(huì)對(duì)路面、路基和橋梁結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生進(jìn)一步的損壞，增加養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用和管理上的難度等。實(shí)際上，發(fā)生縫內(nèi)沉積物阻塞的橋梁（2014年數(shù)據(jù)，總數(shù)1016座）同時(shí)存在伸縮量異常的有124座，概率為12.2％，縫內(nèi)沉積物不阻塞（2014年數(shù)據(jù)，總數(shù)344座）同時(shí)存在伸縮量異常的有4座，概率為1.2％。從數(shù)據(jù)量較小的伸縮量異常依然可以看出，縫內(nèi)沉積物阻塞會(huì)明顯增加發(fā)生伸縮量異常的幾率。也就是說(shuō)，縫內(nèi)沉積物阻塞還會(huì)影響到伸縮縫其他損壞類(lèi)型，經(jīng)常清理縫內(nèi)沉積物還能降低伸縮縫其他部位發(fā)生損壞的幾率。

結(jié)語(yǔ)

伸縮縫在橋梁養(yǎng)護(hù)資金中占據(jù)相當(dāng)比重，對(duì)伸縮縫的合理養(yǎng)護(hù)，延長(zhǎng)其壽命能帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益?？p內(nèi)沉積物阻塞是對(duì)橋梁安全影響較小的伸縮裝置損壞單項(xiàng)，其損壞情況長(zhǎng)期未得到整治，這種情況持續(xù)下去有可能導(dǎo)致主梁斷裂等嚴(yán)重?fù)p壞。縫內(nèi)沉積物阻塞與接縫處跳車(chē)、伸縮量異常有顯著的相關(guān)性，對(duì)縫內(nèi)沉積物進(jìn)行及時(shí)清理，不僅能降低它本身對(duì)橋梁安全、服務(wù)性能和長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)性的不良影響，還能降低其他單項(xiàng)發(fā)生損壞的概率和對(duì)橋梁的不利影響。因此，養(yǎng)護(hù)資金分配時(shí)應(yīng)注意到不太重要的構(gòu)件與其他構(gòu)件的關(guān)聯(lián)以及它本身嚴(yán)重?fù)p壞的長(zhǎng)期保持可能對(duì)橋梁造成的影響。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.23.022