王 淵 徐紫祎 張文濤 冀 飛 安 斌

(1. 陜西交通控股集團(tuán)有限公司 西安 710061；2.長(zhǎng)安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 西安 710061；3.陜西交通控股集團(tuán)有限公司綏定分公司 榆林 718500)

引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)，基礎(chǔ)配套設(shè)施建設(shè)不斷完善，作為跨越結(jié)構(gòu)的橋梁也得到了迅速發(fā)展。橋梁伸縮縫是公路橋梁上部結(jié)構(gòu)中的重要組成部分之一，其主要作用在于能有效調(diào)節(jié)由車輛荷載和橋梁上部建筑材料所引起的橫向位移和應(yīng)力變形[1]，對(duì)保證橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、行車安全等具有非常重要的應(yīng)用意義。然而，隨著公路橋梁服役時(shí)間的不斷增加，在惡劣的自然環(huán)境[2]、不斷增加的交通量和車輛高速超載等多種因素的共同作用下，伸縮縫過(guò)渡區(qū)混凝土?xí)霈F(xiàn)不同程度的收縮徐變、不均勻沉降，進(jìn)而直接導(dǎo)致橋梁伸縮縫裝置受到破壞，影響車輛通行的舒適性和安全性，降低公路橋梁整體使用壽命，增加橋梁維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用[3]。因此，深入研究橋梁伸縮縫的破壞形式、破壞機(jī)理以及影響因素，對(duì)指導(dǎo)橋梁伸縮縫前期施工和日常管理維護(hù)，保障高速公路沿線橋梁的行車安全具有重要指導(dǎo)意義。

基于此,本文介紹了橋梁伸縮縫的類型，總結(jié)橋梁伸縮縫的主要破壞形式和破壞機(jī)理，從設(shè)計(jì)施工、材料和養(yǎng)護(hù)管理等方面對(duì)伸縮縫損壞的原因進(jìn)行探討，從結(jié)構(gòu)和材料兩個(gè)方面提出橋梁伸縮縫的修復(fù)措施，并分別分析不同結(jié)構(gòu)和不同材料的性能優(yōu)劣，旨在為橋梁伸縮縫的深入研究提供借鑒和參考。

1 伸縮縫類型

橋梁伸縮縫裝置是為了能夠充分滿足目前公路橋梁主體變形需要，在橋梁結(jié)構(gòu)端部之間、梁端與橫梁端部橋臺(tái)之間或者在橋梁的交接位置上設(shè)置的一種變形技術(shù)裝置，要求其能在平行與垂直于橋梁橫向中軸線的兩個(gè)方向上，均能實(shí)現(xiàn)自由伸縮變形[4]，是目前城市道路或高速公路橋梁工程結(jié)構(gòu)中必不可缺的一個(gè)重要技術(shù)裝置。我國(guó)主要將伸縮縫分為五類：對(duì)接式伸縮縫、鋼制支承式伸縮縫、橡膠式伸縮縫、模數(shù)支承式伸縮縫和無(wú)縫式伸縮縫[5]，其具體分類及特點(diǎn)如表1。

表1 橋梁伸縮縫類型及特點(diǎn)

2 伸縮縫破壞形式與機(jī)理

作為橋梁之間的紐帶，伸縮縫裝置既受到橋梁收縮膨脹的反復(fù)作用，還需要承受移動(dòng)的車輛荷載及其產(chǎn)生的沖擊力。此外，伸縮縫裝置長(zhǎng)期暴露在惡劣的自然環(huán)境中，受到雨水侵蝕沖刷和灰塵污染堵塞等作用，導(dǎo)致其耐久性下降，在多種因素相互作用下，橋梁伸縮縫極易斷裂造成自身結(jié)構(gòu)破損，并直接引起梁板及其他橋面鋪裝保護(hù)層的破壞，影響橋梁使用壽命。因此，伸縮縫裝置是橋梁結(jié)構(gòu)中較易破損的構(gòu)件。

橋梁伸縮縫的常見(jiàn)破壞形式可分為兩類：裝置損壞，如止水帶的損壞、橡膠條的斷裂、螺栓的破壞、密封膠條老化與脫落[7]，以及鋼構(gòu)件焊接部位的損壞等；錨固區(qū)混凝土的破壞，如混凝土變形、開(kāi)裂、剝落、松散露出鋼筋或預(yù)埋筋[8]等。

研究表明[9]，橋梁伸縮縫裝置的破壞通常是從過(guò)渡區(qū)混凝土的破壞開(kāi)始的。當(dāng)車輛行駛在路面上，車輛輪胎壓在伸縮縫上時(shí)，其內(nèi)部荷載應(yīng)力通過(guò)錨固系統(tǒng)傳遞到兩側(cè)過(guò)渡區(qū)混凝土上，再傳遞到連接在兩側(cè)的梁板上，并由此產(chǎn)生一定的變形。當(dāng)車輛高速行駛過(guò)后，有一個(gè)相對(duì)應(yīng)力快速釋放的過(guò)程，該過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力。車輛輪壓越大，上述過(guò)程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力也越大。由于過(guò)渡區(qū)混凝土與橋面鋪裝層之間剛?cè)嵯嘟?，兩種材料模量差異大，同時(shí)伸縮縫裝置、過(guò)渡區(qū)混凝土與橋面之間很難完全鋪平，存在一定的高度差，因此，當(dāng)車輛快速通過(guò)時(shí)，不平整的橋面會(huì)導(dǎo)致錨固系統(tǒng)和過(guò)渡區(qū)混凝土的受力瞬間增大，在反復(fù)的車輛瞬時(shí)荷載沖擊作用下，錨固裝置會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)變形，與過(guò)渡區(qū)混凝土相互剝離，最終全部結(jié)構(gòu)遭到破壞。

3 伸縮縫破壞原因

3.1 設(shè)計(jì)施工方面

在進(jìn)行伸縮縫設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)伸縮縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)不足、選型不當(dāng)，未對(duì)梁端部進(jìn)行慎重考慮，導(dǎo)致伸縮縫在反復(fù)荷載壓力作用下遭到破壞；未對(duì)橋梁伸縮縫裝置兩側(cè)的錨固區(qū)混凝土和橋梁鋪裝層材料的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)和配合比等作出嚴(yán)格的技術(shù)要求或相關(guān)規(guī)定，導(dǎo)致伸縮縫在運(yùn)行過(guò)程中整體使用性能受到影響，無(wú)法正常工作。在工程施工設(shè)計(jì)過(guò)程中，為追求工期短，對(duì)相關(guān)施工工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的貫徹落實(shí)程度不足；鋼焊接構(gòu)件和螺栓緊固件等相關(guān)材料質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致黏結(jié)部位容易松動(dòng)甚至脫落；對(duì)填充材料澆筑不密實(shí)，導(dǎo)致在拆開(kāi)模板時(shí)就存在蜂窩、空洞的現(xiàn)象，如果施工后期養(yǎng)護(hù)措施不到位，強(qiáng)度將無(wú)法達(dá)到工程設(shè)計(jì)中的要求，導(dǎo)致伸縮縫在還未達(dá)到使用壽命時(shí)就已經(jīng)被破壞。

3.2 材料方面

材料自身性能不足、在自然環(huán)境中老化和橋梁構(gòu)件自身焊接不良等也可能會(huì)引起伸縮縫的損壞。傳統(tǒng)的修補(bǔ)材料黏結(jié)強(qiáng)度低，新老混凝土材料黏結(jié)后的界面易發(fā)生開(kāi)裂；錨固區(qū)混凝土的整體抗沖擊性能、抗疲勞性能和使用耐久性能明顯不足，導(dǎo)致伸縮縫裝置在還未完全達(dá)到規(guī)定的設(shè)計(jì)使用壽命時(shí)就可能出現(xiàn)嚴(yán)重破壞；修補(bǔ)混凝土膠凝材料用量過(guò)少、骨料不潔凈等，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度不夠，在車輛荷載作用下，引起橋面鋪裝層產(chǎn)生大量裂縫、剝落和整體結(jié)構(gòu)的破碎；在不中斷交通的條件下進(jìn)行施工，車橋耦合擾動(dòng)會(huì)影響混凝土強(qiáng)度的形成，造成不利影響，容易引起橋梁伸縮縫局部或整體結(jié)構(gòu)的破壞。除此之外，橡膠材料在長(zhǎng)期使用過(guò)程中的老化、緊固件與材料間的焊接不當(dāng)，會(huì)直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力傳遞不暢，致使橋梁伸縮裝置連接處發(fā)生開(kāi)焊、斷裂。

3.3 養(yǎng)護(hù)管理方面

后期的維護(hù)管理或者養(yǎng)護(hù)不當(dāng)也可能會(huì)造成橋梁伸縮縫的嚴(yán)重?fù)p壞。對(duì)于原有伸縮縫裝置中出現(xiàn)的磨損劣化和老化等現(xiàn)象，如果沒(méi)有定期進(jìn)行安全檢查和及時(shí)更換，就容易導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生剝落甚至脫落，從而造成額外的沖擊應(yīng)力并影響其他正常構(gòu)件的使用壽命；對(duì)于伸縮縫裝置內(nèi)的一些雜質(zhì)未及時(shí)清理干凈，會(huì)導(dǎo)致原有伸縮縫的伸縮量無(wú)法及時(shí)達(dá)到實(shí)際設(shè)計(jì)中的效果；防水、排水口等設(shè)施以及設(shè)備的不到位，加之日以繼夜的車輛外力沖擊易導(dǎo)致原有伸縮縫出現(xiàn)老化或者變形，直接導(dǎo)致部分原有橋梁鋼制構(gòu)件生銹腐蝕，加速結(jié)構(gòu)的破壞進(jìn)程[10]；接縫處凹凸不平，車輛沖擊力變大，也能引起伸縮縫裝置的嚴(yán)重破損。

因此，伸縮縫裝置在安裝施工和養(yǎng)護(hù)過(guò)程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)合理選擇伸縮縫裝置的類型，要求其能夠有效滿足橋梁上部結(jié)構(gòu)之間的橫向位移，能夠有效抵抗車輛輪胎的磨損與機(jī)械碰撞，確保車輛行駛平穩(wěn)。

(2)在施工準(zhǔn)備階段，應(yīng)嚴(yán)格按照行業(yè)規(guī)范要求施工，若發(fā)現(xiàn)施工設(shè)備和條件不完全滿足要求，應(yīng)立即停止施工，待條件滿足后再進(jìn)行施工操作。

(3)選擇合適的過(guò)渡區(qū)錨固修補(bǔ)材料，能同時(shí)滿足強(qiáng)度高、快速開(kāi)放交通、黏結(jié)性能高和耐久性能優(yōu)良的要求。

(4)在安裝伸縮縫裝置前，必須進(jìn)行打毛處理，并徹底清掃干凈所有預(yù)留槽內(nèi)的混凝土壁。

(5)澆筑混凝土后，要等待其強(qiáng)度達(dá)到滿足道路設(shè)計(jì)性能的要求后，才能開(kāi)放道路交通。

(6)要及時(shí)清理伸縮裝置中的雜物，對(duì)于已經(jīng)發(fā)生損壞或者已經(jīng)老化的伸縮裝置構(gòu)件等也要及時(shí)進(jìn)行維修、拆除或進(jìn)行日常更換。

4 修復(fù)措施

4.1 結(jié)構(gòu)

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)原有公路橋梁伸縮縫裝置采用的修復(fù)結(jié)構(gòu)如圖1，修復(fù)方法主要是[11]：先徹底鑿開(kāi)原有公路橋梁伸縮縫裝置過(guò)渡區(qū)已嚴(yán)重破損的填充材料，拆除已經(jīng)損壞的伸縮縫裝置，然后重新清理原有損壞橋梁伸縮裝置和內(nèi)部預(yù)留槽，清除留有的雜物，接著重新安裝新的橋梁伸縮縫裝置，進(jìn)行伸縮裝置的焊接等工作，之后再將新的修復(fù)材料一次性全部澆筑在伸縮縫過(guò)渡區(qū)預(yù)留槽內(nèi)，收光抹平，養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間后即可開(kāi)放交通。但這種橋梁伸縮縫修復(fù)方法所獲得的結(jié)構(gòu)在本質(zhì)上來(lái)說(shuō)應(yīng)該是屬于一種單層橋梁修復(fù)主體結(jié)構(gòu)，橋梁主體結(jié)構(gòu)與后期修復(fù)的結(jié)構(gòu)之間并沒(méi)有直接構(gòu)成有機(jī)修復(fù)整體，無(wú)法充分實(shí)現(xiàn)橋梁協(xié)同受力，易導(dǎo)致病害的出現(xiàn)。

圖1 伸縮縫修復(fù)結(jié)構(gòu)

因此，研究人員針對(duì)伸縮縫的修復(fù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更為深入的研究。王凱等[12]根據(jù)功能/結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)理念，引入功能梯度概念，提出將混凝土表面鑿成凹凸點(diǎn)陣的粗糙表面，然后將超高韌性混凝土和微膨脹高強(qiáng)混凝土以及傳統(tǒng)的修復(fù)混凝土，分上下兩層分別澆筑在預(yù)留槽內(nèi)，前兩種材料共同抗壓受拉從而形成功能梯度組合修復(fù)層，可減少伸縮縫上層混凝土開(kāi)裂的可能性，從而可大幅提高材料的斷裂韌性和抗沖擊性能，減少混凝土裂縫、斷裂等病害的發(fā)生。郭永智等[13]在超高性能混凝土的上層澆筑纖維混凝土，得到雙層錨固混凝土結(jié)構(gòu)，可徹底解決新舊混凝土黏結(jié)不良的問(wèn)題和伸縮縫的不密實(shí)問(wèn)題，能有效提高混凝土的抗凍性和抗裂性。

4.2 材料

目前常用在橋梁伸縮縫的修復(fù)材料主要是環(huán)氧樹(shù)脂混凝土、纖維增強(qiáng)混凝土和快硬早強(qiáng)水泥混凝土以及各種納米水泥基復(fù)合材料[14]。橋梁混凝土修復(fù)的技術(shù)難度主要體現(xiàn)在時(shí)間的限制、修復(fù)材料對(duì)施工養(yǎng)護(hù)的溫度敏感性以及其自身的使用耐久性等。

4.2.1 環(huán)氧樹(shù)脂混凝土

環(huán)氧樹(shù)脂是一種同時(shí)含有兩個(gè)及兩個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)的新型高分子環(huán)氧低聚物，環(huán)氧基團(tuán)可以與其他化學(xué)固化劑發(fā)生反應(yīng)形成熱固性產(chǎn)物，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐熱性能。目前應(yīng)用最為廣泛的環(huán)氧樹(shù)脂是雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂，其分子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，兩末端的環(huán)氧基團(tuán)提供黏結(jié)性能，苯環(huán)提供力學(xué)性能。因此，雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂混凝土具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、黏結(jié)性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在各種工程領(lǐng)域中,但其固化反應(yīng)對(duì)環(huán)境要求較高,且耐紫外老化能力差,因此當(dāng)被用作修補(bǔ)材料時(shí),該種材料主要是用于裂縫灌漿和接縫損壞修補(bǔ)。

圖2 雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂的分子結(jié)構(gòu)

4.2.2 纖維增強(qiáng)混凝土

纖維增強(qiáng)混凝土是指纖維和水泥材料組成的復(fù)合材料。水泥混凝土的主要缺點(diǎn)是：抗拉性能低、脆性大，纖維的優(yōu)點(diǎn)是：抗拉性能高、抗堿性好，二者共同配合使用時(shí)性能可以互補(bǔ)，得到抗彎拉性能、抗裂性能和抗沖擊性能良好的纖維增強(qiáng)混凝土材料，可提高路面的韌性，減少開(kāi)裂的可能性。此外，還可在此基礎(chǔ)上通過(guò)復(fù)配其他快速修補(bǔ)劑或者聚合物材料，得到性能更優(yōu)的快速修復(fù)材料。目前主要用于修復(fù)結(jié)構(gòu)的纖維混凝土主要有鋼纖維混凝土、碳纖維混凝土和聚丙烯纖維混凝土等[15]。纖維增強(qiáng)混凝土自身的力學(xué)性能及耐磨性能優(yōu)良，但作為修補(bǔ)材料，還應(yīng)滿足新老混凝土黏結(jié)性能高、早期強(qiáng)度發(fā)展快的要求，這靠單一的纖維改性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，同時(shí)纖維材料的價(jià)格往往比較昂貴，經(jīng)濟(jì)性不佳。

4.2.3 快硬早強(qiáng)型特種水泥混凝土

與普通硅酸鹽水泥相比，特種水泥是指一些具有獨(dú)特性能、能發(fā)揮特殊作用的水泥。目前常用在城市道路橋梁伸縮縫快速修補(bǔ)工程中的特種水泥品種主要有硫鋁酸鹽水泥、磷酸鎂水泥和高鋁水泥等。硫鋁酸鹽水泥除自身具有快硬早強(qiáng)的特征外，還具有一定的膨脹性，同時(shí)，其抗凍性和低溫硬化性能優(yōu)良，可用于冬季施工工程。磷酸鎂水泥用作道路修補(bǔ)材料是近年來(lái)比較熱門的技術(shù)話題，其早期強(qiáng)度高，與鋼筋和舊混凝土的整體黏結(jié)性能強(qiáng)，相容性好，被廣泛應(yīng)用在城市道路主干道、高速公路破碎路面的快速修復(fù)搶修。然而，這種材料的價(jià)格昂貴，且脆性大，容易造成路面板橫向或縱向上的斷裂以及板底之間的斷裂。高鋁水泥是比較典型的快硬早強(qiáng)型特種水泥，具有快硬、高強(qiáng)、耐磨、抗腐蝕、耐熱的獨(dú)特性能，但不能用在堿性環(huán)境[16]，也不宜與其他水泥共同使用，常常用在緊急搶修工程。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)伸縮縫裝置屬于我國(guó)現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)中的基本結(jié)構(gòu)，主要形式可以分為對(duì)接式、鋼制支承式、橡膠式、模數(shù)支承式和無(wú)縫式，本文對(duì)其各自特點(diǎn)和適用范圍進(jìn)行了闡述。

(2)橋梁伸縮縫病害的形成原因有很多方面，一旦伸縮縫被破壞，將來(lái)就會(huì)嚴(yán)重影響行車舒適性和交通安全性。因此，必須從橋梁工程設(shè)計(jì)施工、材料和形式結(jié)構(gòu)的選擇以及橋梁養(yǎng)護(hù)管理等各個(gè)方面都加以深入考慮，綜合措施防治，以有效減少公路橋梁伸縮縫的病害，提高行車舒適性和公路橋梁公共服務(wù)設(shè)施質(zhì)量，增加公路橋梁的使用壽命。

(3)可以從結(jié)構(gòu)和材料兩方面著手對(duì)伸縮縫進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)結(jié)構(gòu)可分為單層結(jié)構(gòu)和雙層結(jié)構(gòu)，常用的修復(fù)材料有環(huán)氧樹(shù)脂混凝土、纖維增強(qiáng)混凝土和快硬早強(qiáng)型特種水泥混凝土，應(yīng)該同時(shí)綜合考慮橋梁整體結(jié)構(gòu)和各種材料的使用性能，使得伸縮縫裝置能在較短時(shí)間內(nèi)完成安裝更換，為有效保障我國(guó)高速公路橋梁行車的安全可靠奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。