董 晨

(江西理工大學(xué) 土木與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

0 前 言

伸縮裝置最早起源于歐洲，20世紀(jì)60年代傳入美國(guó)，起初并沒(méi)有針對(duì)伸縮裝置的統(tǒng)一規(guī)范，許多伸縮裝置未能達(dá)到性能臨界狀態(tài)即出現(xiàn)病害。20世紀(jì)90年代后期，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家大量的伸縮裝置產(chǎn)生破壞，產(chǎn)生了巨額的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用并嚴(yán)重影響了正常的交通運(yùn)營(yíng)，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，這一現(xiàn)象引起了學(xué)者們的重視。近年來(lái)，隨著我國(guó)橋梁建設(shè)的不斷發(fā)展，伸縮縫處的損壞問(wèn)題變得日益突出，給人們的行車(chē)安全帶來(lái)了巨大隱患，也嚴(yán)重影響了橋梁的使用壽命。因此，學(xué)者對(duì)橋梁伸縮縫展開(kāi)了大量的研究。

1 伸縮縫的類型研究

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，交通流日趨復(fù)雜化，大量高等級(jí)公路和特大型公路橋梁相繼建成，橋梁的類型也逐漸向長(zhǎng)大化發(fā)展，這就要求橋梁伸縮裝置在保證結(jié)構(gòu)合理的同時(shí)還要滿足大位移量的需求[1]。因此，滿足大位移量需求、各項(xiàng)性能良好的各類橋梁伸縮縫裝置應(yīng)運(yùn)而生。鐵明亮[2]，張一卓[3]對(duì)板式橡膠伸縮裝置的疲勞破壞現(xiàn)象進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)板式橡膠伸縮裝置的正常設(shè)計(jì)使用壽命受限于錨固區(qū)混凝土的疲勞壽命，其開(kāi)裂和破碎主要是由于預(yù)埋錨固鋼筋的開(kāi)焊和錨固螺栓剪斷所造成。楊濤[4]提出了改性瀝青橋梁伸縮縫-無(wú)縫式橋梁伸縮裝置，對(duì)該伸縮裝置的性能進(jìn)行分析，驗(yàn)證其可適用性，并提出改進(jìn)方法。喻聰聰[5]以湘潭三橋毛勒伸縮裝置為基礎(chǔ)，運(yùn)用有限元模擬及動(dòng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究不同參數(shù)對(duì)毛勒伸縮裝置受力的影響，結(jié)合實(shí)際車(chē)流量評(píng)估了其疲勞壽命，并給出毛勒伸縮裝置的設(shè)計(jì)改進(jìn)和養(yǎng)護(hù)意見(jiàn)。雷浪[6]提出一種通過(guò)樹(shù)脂混凝土將伸縮裝置與梁體直接粘結(jié)錨固的新型EMR混凝土伸縮縫,研究發(fā)現(xiàn)，該混凝土性能優(yōu)良，與普通混凝土的粘結(jié)能力良好，且疲勞性能優(yōu)異，具有廣泛的工程應(yīng)用前景。Ma等[7]提出一種創(chuàng)新型的淺埋組合式橋梁伸縮縫，其錨固深度比傳統(tǒng)伸縮縫減少40%～50%，從而很好地適應(yīng)了實(shí)際工程中的滑閘快速施工方法。文中研究了水平與豎向疲勞加載后的載荷-撓度關(guān)系，發(fā)現(xiàn)該種伸縮縫表現(xiàn)出更好的疲勞性能，但隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，焊接接頭的疲勞損傷累積增加。支撐桿對(duì)中心梁的約束作用減弱，伸縮裝置的整體剛度降低。王勇等[8]，方園[9]針對(duì)模數(shù)式伸縮裝置常用的4種異型鋼形式進(jìn)行分析，結(jié)果表明E型鋼的受力性能最優(yōu)，而C型鋼使錨固區(qū)混凝土主拉應(yīng)力最大，但脫離位移最小，Z型鋼使主拉應(yīng)力最小。方園還研究了伸縮縫不同參數(shù)對(duì)鋼梁及混凝土受力的影響，并提出Z型鋼的修改方案，取得了較好的效果。張緯[10]研究車(chē)輛荷載對(duì)模數(shù)式及梳齒板式伸縮縫受力的影響，發(fā)現(xiàn)模數(shù)式伸縮縫在向輪壓荷載作用下一般不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞，且增加焊縫的飽滿度可以提高疲勞壽命，而梳齒板式伸縮縫錨固區(qū)混凝土及螺栓易發(fā)生破壞，且應(yīng)盡量使用非懸臂式。陽(yáng)初[11]總結(jié)了橋梁伸縮裝置破壞原因，并以廣東某橋?yàn)槔芯可炜s裝置各部分的使用壽命，結(jié)果表明，錨固區(qū)混凝土最先發(fā)生破壞。

2 伸縮縫力學(xué)特征研究

許多學(xué)者對(duì)橋梁伸縮縫展開(kāi)了受力分析研究，找出其受力的薄弱環(huán)節(jié)，從而進(jìn)行伸縮縫處的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改善伸縮縫的受力特性，以延長(zhǎng)橋梁伸縮縫的使用壽命。章偉[12]，林云等[13]制作了橋梁伸縮縫跳車(chē)縮尺實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究?chē)輛通過(guò)橋梁伸縮縫時(shí)的沖擊荷載。結(jié)果表明，沖擊荷載與伸縮縫寬度和小車(chē)速度呈線性增加關(guān)系，但隨小車(chē)質(zhì)量的增大而減小，且峰值往往出現(xiàn)在伸縮縫端部4～6 mm。Stamatopoulos[14]開(kāi)發(fā)了一個(gè)疲勞壽命預(yù)測(cè)模型，用于通過(guò)螺栓連接的單支撐復(fù)合材料橋梁伸縮縫的時(shí)程動(dòng)態(tài)分析。張?zhí)煊璧萚15]用有限元模型模擬分析了毛勒式橋梁伸縮裝置在車(chē)輛荷載作用下的應(yīng)力時(shí)程，并估算了其疲勞壽命。Chaallal等[16]進(jìn)行了一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的嘗試，基于這種方法建立了橋梁伸縮裝置的S-N曲線和疲勞應(yīng)力表達(dá)式，然后將其擴(kuò)展到在支撐桿周?chē)附佑蠻形箍筋的模數(shù)式伸縮裝置[17]。丁勇[18]提出了分布式彈簧-阻尼單元的計(jì)算方法研究車(chē)輪經(jīng)過(guò)伸縮縫時(shí)的豎向動(dòng)荷載。研究發(fā)現(xiàn)，輪載沖擊系數(shù)超過(guò)了規(guī)范設(shè)計(jì)值，與橋梁伸縮縫寬度成正相關(guān)，但沖擊系數(shù)最大值發(fā)生在中等車(chē)速時(shí)。2018年，針對(duì)這一問(wèn)題，丁勇認(rèn)為分布式彈簧-阻尼單元只是將伸縮縫結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為單自由度的彈簧質(zhì)量體系，無(wú)法準(zhǔn)確反映伸縮縫結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，故提出一種三維的車(chē)輛-橋梁-模數(shù)式伸縮縫耦合振動(dòng)分析方法。發(fā)現(xiàn)提高輪胎面的預(yù)拉應(yīng)力及支撐剛度可減小沖擊系數(shù)。此外，車(chē)輛的不對(duì)稱振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致左右輪沖擊系數(shù)不同[19]。Emily等[20]介紹了一種新型橋梁伸縮縫的分析模型，該模型在橋梁接縫縱向運(yùn)動(dòng)中提供了一個(gè)預(yù)測(cè)模型，即考慮了支撐桿的移動(dòng)余量，從而預(yù)測(cè)整個(gè)預(yù)期位移范圍內(nèi)的接頭力-位移特性和中心梁間距行為，提高了預(yù)測(cè)組件和關(guān)節(jié)移動(dòng)的準(zhǔn)確性。此外，然后通過(guò)接頭的全尺寸實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了該模型的實(shí)用性。賀志勇等[21]，鄒毓穎[22]對(duì)模數(shù)式伸縮縫各部件受力性能和疲勞壽命進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)中梁支座焊縫處應(yīng)力最大，最易產(chǎn)生破壞。減小橫梁間距和行車(chē)速度，提高焊縫飽滿度和混凝土強(qiáng)度，可有效改善受力情況，提高使用壽命。鄒毓穎還發(fā)現(xiàn)水平與豎向輪載共同作用下伸縮縫上的應(yīng)力結(jié)果明顯比單方向輪載作用結(jié)果更大。王立成等[23]對(duì)模塊式橋梁伸縮裝置在不同荷載幅值作用下進(jìn)行了疲勞破壞實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，伸縮縫支撐梁和中心梁的殘余應(yīng)力隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加而增大，且提高荷載幅值將直接提高殘余應(yīng)變的增長(zhǎng)速度。Lima等[24]，Roeder[25]和Guo等[26]對(duì)公路橋梁中的伸縮縫進(jìn)行了檢查調(diào)查發(fā)現(xiàn)，與其他類型的封閉伸縮縫不同，模數(shù)式伸縮裝置在承受車(chē)輛荷載時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的膨脹變形，且這種變形主要是由于車(chē)輛加速和制動(dòng)產(chǎn)生的水平推力造成的，是伸縮裝置疲勞破壞的主要原因。并提出了橋梁伸縮的幾種缺陷類型及維護(hù)方法。周圣蘭等[27]研究了錨固區(qū)混凝土與鋪裝層間的脫粘病害。研究表明，當(dāng)荷載緊貼橋面鋪裝與錨固區(qū)混凝土的相交線上時(shí)，粘結(jié)界面所受應(yīng)力最大，且隨著鋪裝層彈性模量的增大，荷載壓力值與水平力系數(shù)的減小，界面所受應(yīng)力減小。Chang等[28]通過(guò)比較各種類型膨脹節(jié)的疲勞性能，對(duì)延長(zhǎng)使用壽命的方法提出了幾點(diǎn)建議。Caczinski等[29]和Crocetti等[30]通過(guò)對(duì)橋梁伸縮裝置的一系列實(shí)驗(yàn)研究，提出了一種提高疲勞性能設(shè)計(jì)方法。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

目前，橋梁伸縮縫的破壞主要是由于受到車(chē)輛沖擊荷載及疲勞荷載作用，且破壞的部位主要集中于錨固區(qū)的混凝土，從而可以通過(guò)在錨固區(qū)混凝土添加纖維材料的方式提高混凝土的耐久性能。雖然我國(guó)在橋梁伸縮縫錨固區(qū)混凝土的制作中已經(jīng)廣泛應(yīng)用了鋼纖維及聚丙烯等纖維材料，但關(guān)于纖維材料的摻量、種類等的研究還相對(duì)缺乏，故研究不同纖維材料、纖維種類、纖維摻量等對(duì)于混凝土力學(xué)性能、耐久性及混凝土裂縫發(fā)展的影響，尤其是對(duì)混凝土抗沖擊、抗疲勞性能的影響以及纖維材料對(duì)約束混凝土裂縫發(fā)展的作用，具有良好的研究前景，以期能夠得到性能更優(yōu)的纖維增強(qiáng)混凝土，提高橋梁伸縮縫的使用壽命。

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