無縫式橋梁伸縮縫技術研究

王文炳

（安徽省高速公路試驗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，橋梁伸縮縫技術也在不斷的發展和日益的成熟。伸縮縫是橋梁結構中為了滿足橋面變形而設置，雖然伸縮縫占有非常小的體積比例，但確發揮著極其重要的作用。

橋梁在營運過程中會產生各種運動，包括由環境溫度濕度變化引起的運動、蠕變收縮產生的應變、動靜載預應力產生的軸向和彎曲應變、車輛行駛等外部條件產生的動態荷載引起的運動，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生的運動，提高車輛行駛的舒適性，并為橋梁提供一個完整的表面。

然而，橋梁伸縮縫也是橋梁結構中的一個薄弱環節，易于破壞，且破壞后較難維修，降低了整個橋梁的使用壽命。據統計，在整個橋梁的維修過程中，其中由橋梁伸縮縫破壞引起的維修費用占到了整個橋梁維修費用的7%～25%。

1 橋梁無縫伸縮縫的特點

在國內橋梁伸縮縫大致可分為6 大類。即填塞對接式、嵌固對接式、橡膠板式、鋼制支承式、模數式和無縫式。其中表1 為國內幾類伸縮縫裝置的特點。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，具有廣泛的應用前景。

表1 國內幾類主要伸縮縫裝置的特點

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涂刷界面粘結材料，再填充無縫伸縮縫材料，經壓實后與路面形成連續體，通過接縫處的材料變形來吸收梁體的伸縮，同時提供對車輛的支撐。

2 橋梁無縫伸縮縫的研究進展

2.1 橋梁無縫伸縮縫材料的研究進展

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

第一代粘結劑采用了吹氧瀝青，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合式改性瀝青。為此，國內外學者研制出了第四代粘結料GTF ( 高彈塑體) 和TST ( 彈塑體) ，相對與前三代粘結劑而言，能在一定程度上同時兼顧高低溫、滲透和粘結性能的對立，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，具有粘結性強，彈性大、韌性好的特點。混合料由高分子聚合物瀝青粘合劑和經篩選的單一尺寸的石料混合而成，它的力學特點是承受瞬時荷載與高頻振動時完全顯示彈性，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料，同時利用2.36mm～4.75mm 橡膠顆粒部分替代石料，通過優化級配，復合改性制備出了高性能的無縫伸縮縫材料。并對制備出的高彈改性瀝青進行三大指標試驗和動態剪切流變試驗，以及對制備出的高性能無縫伸縮縫材料進行路用性能試驗、動態模量試驗。結果表明，20%橡膠粉摻量制備出的高彈改性瀝青軟化點達到88℃，高溫下的抗變形能力和低溫下的應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 骨架密實型結構，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，動穩定度達到6316 次/mm，低溫應變達到7796μm/m，可同時兼顧材料的高溫抗車轍能力和低溫應變能力。

2.2 橋梁無縫伸縮縫結構的研究進展

橋梁無縫伸縮縫的結構是影響材料性能發揮的重要因素，合理的結構可以有效的延長伸縮縫的使用壽命，因此對伸縮縫結構的研究尤為關鍵。

橋梁接縫協會表明，瀝青填充式伸縮縫（APJ） 的典型尺寸為500mm 寬，100mm 深，在最低設計溫度下保證不開裂的允許位移是20mm。ASTM D6297-01 規定了APJ 最小的標準背臺尺寸為50*500mm，最大的允許位移為25mm。

熊強等人應用有限元分析軟件ABAQUS 對一種新型的無縫伸縮縫結構進行了應力分析，這種結構如圖3.2 所示，分析結果表明：在標準荷載下，該伸縮縫結構可滿足60mm以下伸縮量的橋涵的要求[3]。

圖1 優化的伸縮縫結構

圖2 連續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技術有很大的改進，出現新的瀝青填充式橋梁伸縮縫結構，能夠用于位移量更大的橋梁，可以滿足100mm 的伸縮量。在新西蘭已研發出新型的APJ 結構，可用于伸縮量在100mm 以下的橋梁，其結構如圖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 。這種外加的彈簧結構能很大程度分散伸縮縫位移引起水平方向的應力集中問題，從而不易出現裂紋破壞。

3 結論與建議

3.1 結論

近年來對無縫伸縮縫技術的研究也在不斷完善，無論從材料單一角度還是從結構單一角度，均很難滿足目前無縫伸縮縫的使用要求。

對于中小橋梁而言，無縫式橋梁伸縮縫具有廣泛的應用前景，在未來的道路橋梁建設中將發揮越來越重要的作用。

3.2 建議

針對目前橋梁無縫伸縮縫的研究現場，提出如下建議：

1） 在伸縮縫伸縮量的設計上要考慮周全，特別是使用區域的氣候條件；2） 對于伸縮縫材料的性能需要進一步的研究，以制備出高性能的無縫伸縮縫材料；3） 對于伸縮縫材料的結構需要進一步優化，單純從材料角度并不能滿足實際道路橋梁的要求，從而拓展伸縮縫材料的使用范圍和使用年限；4） 對于伸縮縫結構的服役性能也需要進一步的探索。