橋梁伸縮縫病害調(diào)查及機(jī)理分析

陳宇源 奧村運(yùn)明 羅小云 張肖雅

(1.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450000； 2.重慶渝黔高速公路有限公司，重慶 401336)

1 概述

截止2017年，我國公路橋梁總數(shù)已超過80萬座[1]，已經(jīng)由橋梁大國轉(zhuǎn)變?yōu)闃蛄簭?qiáng)國，橋梁伸縮縫作為橋梁結(jié)構(gòu)中必不可少的一部分，起著滿足橋梁上部結(jié)構(gòu)變形，直接承受車輛荷載作用并通過過渡區(qū)混凝土將其傳遞到主梁結(jié)構(gòu)和橋面鋪裝層的作用[2，3]，橋梁伸縮縫通常設(shè)置在兩梁端之間、梁端與橋臺(tái)之間或橋梁的鉸接位置。由于伸縮縫直接暴露在自然環(huán)境中，極易受到損壞，有研究者統(tǒng)計(jì)伸縮縫的使用壽命一般低于10年，遠(yuǎn)小于橋梁設(shè)計(jì)使用年限[4]。因此，很有必要對橋梁伸縮縫病害調(diào)查及機(jī)理分析，為今后其維修延長使用壽命提供基礎(chǔ)資料。

渝黔高速全長約90.73 km，總投資58.7億元，全線共有主線橋梁79座，占總里程數(shù)的18.47%，共有伸縮縫408條,一期橋梁35座(伸縮縫173條)，二期內(nèi)44座(伸縮縫235條)。一期工程橋臺(tái)采用漿砌塊石重力式橋臺(tái)，二期工程橋梁橋臺(tái)采用片石混凝土重力式橋臺(tái)。路段位于重慶市巴南區(qū)和綦江區(qū)境內(nèi)，區(qū)域?qū)賮啛釒駶櫄夂騾^(qū)，具有副熱帶東亞季風(fēng)特點(diǎn)。氣候表現(xiàn)為冬暖、春早、夏熱、秋陰，云多日照少，雨量充沛，溫、光、水地域差異大。年平均氣溫18.8 ℃，平均降水量1 000 mm～1 400 mm，年均無霜期320 d～350 d。2017年渝黔高速日均交通量5.69萬輛次。

為了更好地了解該路段橋梁伸縮縫病害的現(xiàn)場，本研究于2015年3月、2016年6月及2017年9月三年春、夏、秋三個(gè)不同季節(jié)對橋梁伸縮縫服役情況進(jìn)行全面調(diào)查，并對橋梁伸縮縫病害的成因進(jìn)行了分析，以便為其維修治理措施提供技術(shù)依據(jù)。

2 橋梁伸縮縫病害現(xiàn)場調(diào)查

2.1 橋梁伸縮縫常見損傷形式

圖1～圖6為現(xiàn)場調(diào)查中拍攝的橋梁伸縮縫處的不同的損傷形式的相片。由圖可知，伸縮縫的病害多表現(xiàn)為過渡區(qū)混凝土的開裂破壞。

2.2 橋梁伸縮縫病害常發(fā)位置調(diào)查

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明，橋梁伸縮縫破損主要集中在渝黔一期的橋梁，且主要集中在橋梁的橋頭橋尾的橋臺(tái)位置上，表1為橋梁伸縮縫損壞位置統(tǒng)計(jì)資料，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以得知橋梁伸縮縫混凝土開裂的絕大部分發(fā)生在橋頭與橋尾兩部位，橋梁中間跨的伸縮縫開裂現(xiàn)象較少(見圖7，圖8)。行車道處的混凝土開裂比超車道嚴(yán)重(見圖2)，緊急停車道的裂縫較少。橋頭橋尾處因沉降高差多有臺(tái)階生成，因此，可以推論出橋頭跳車的沖擊荷載是橋梁伸縮縫損傷的主要因素之一。

表1 橋梁伸縮縫損傷位置的比對

3 橋梁伸縮縫混凝土開裂的成因分析

3.1 伸縮縫混凝土開裂的主要原因

車輛經(jīng)過伸縮縫時(shí)，會(huì)對過渡區(qū)混凝土產(chǎn)生頻繁沖擊作用，車輛沖擊荷載作用是造成伸縮縫兩側(cè)混凝土沿縱向開裂的主要原因，且縱向裂縫多分布在行車道及靠近行車道的位置(見圖9)，而伸縮縫處的平整度差則對于車輛沖擊荷載具有明顯的放大作用。

3.2 伸縮縫平整度影響因素

1)材料特性差異。水泥混凝土和瀝青混凝土兩者彈性模量相差巨大，水泥混凝土剛度和抵御變形的能力遠(yuǎn)大于瀝青混凝土，軟硬相接處容易形成臺(tái)階且伴有橫向裂縫的產(chǎn)生(見圖10)，車輛駛過由于臺(tái)階高差對混凝土沖擊作用明顯放大，從而造成破壞。

2)橋臺(tái)背墻的結(jié)構(gòu)形式。橋臺(tái)背墻起著擋土使橋臺(tái)后的填土保持穩(wěn)定的作用。渝黔高速1997年開工建設(shè)，當(dāng)時(shí)出于經(jīng)濟(jì)考量，橋臺(tái)背墻采用條石壘砌而成。目前渝黔高速公路日均車流量高達(dá)5.69萬輛次，且貨車比例較大。車載沖擊荷載的疲勞作用導(dǎo)致渝黔高速一期工程中橋梁漿砌塊石橋臺(tái)的松動(dòng)和沉降。且重慶地區(qū)降雨頻繁，氣候濕潤，雨水下滲對臺(tái)后填土侵蝕和軟化，車輛行經(jīng)橋臺(tái)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，水流帶著土顆粒沿著條石縫隙流出，造成橋頭搭板脫空。從圖11可見條石縫隙中有明顯植物生長，證明了上述的推論。久而久之，會(huì)在臺(tái)后填土內(nèi)部形成滲水通道，使其壓實(shí)度愈加惡化，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，橋臺(tái)處發(fā)生一定程度的沉降，從而在橋臺(tái)與橋梁上部梁端之間產(chǎn)生高差，形成臺(tái)階，車輛駛過會(huì)發(fā)生橋頭跳車現(xiàn)象，車輛沖擊荷載將會(huì)造成伸縮縫過渡區(qū)混凝土開裂，從而加劇了其上部伸縮縫的破壞進(jìn)程。因此，橋臺(tái)側(cè)伸縮縫開裂損壞的根本原因在于橋臺(tái)的松動(dòng)，而僅僅維修上部的伸縮縫不能解決根本問題，這就是每年都在重復(fù)維修相同地方的伸縮縫，浪費(fèi)了大量的人力、物力。需要同時(shí)治理橋臺(tái)沉降松動(dòng)與伸縮縫開裂標(biāo)本兼治才能徹底根治伸縮縫的頻繁破損(見圖12)。

3)路基沉降。一般而言，橋墩和橋臺(tái)的基礎(chǔ)均做過加固處理，除了上述的橋臺(tái)由于土壤流失會(huì)有些許沉降外，兩者的沉降量均相對較少?？拷鼧蚺_(tái)處路基由于大型碾壓機(jī)械不便作業(yè)，壓實(shí)度較難達(dá)到要求，綜合考慮工后沉降等因素，路基在建成通車后沉降量會(huì)逐漸增大到一定值。路基相較橋臺(tái)的沉降差會(huì)導(dǎo)致橋頭搭板以橋臺(tái)為軸轉(zhuǎn)動(dòng)，車輛行駛上橋時(shí)會(huì)有向上跳躍，亦會(huì)發(fā)生橋頭跳車現(xiàn)象，順而碾壓伸縮縫混凝土，造成開裂。

4)其他。a.過渡區(qū)混凝土損壞形成坑槽甚至鋼筋裸露，使伸縮縫處路面平整度變差，車輛駛過亦會(huì)產(chǎn)生跳車現(xiàn)象；b.夏天橋梁上部結(jié)構(gòu)熱脹使瀝青等填縫料擠出、上拱，車輛駛過亦會(huì)發(fā)生跳車現(xiàn)象；c.養(yǎng)護(hù)單位針對伸縮縫過渡區(qū)混凝土坑槽用瀝青隨意修補(bǔ)，伴隨高溫軟化和車輛碾壓作用下，形成一個(gè)個(gè)小鼓包，對平整度影響極大，車輛躲避不及則會(huì)躍起發(fā)生跳車現(xiàn)象。

4 結(jié)論

本文以渝黔高速公路橋梁伸縮縫典型病害路段的調(diào)查結(jié)果為基礎(chǔ)，主要得到如下結(jié)論：

1)橋梁伸縮縫的破壞大多發(fā)生在橋頭橋尾處，而橋梁中部的伸縮縫則相對完好；就具體車道而言，伸縮縫的破壞大多發(fā)生在行車道或鄰近行車道位置。2)橋梁伸縮縫的破壞形式多為過渡區(qū)混凝土的開裂，且主要表現(xiàn)為與伸縮縫垂直的縱向裂縫，而過渡區(qū)混凝土的開裂多由車輛沖擊荷載頻繁作用造成。3)平整度與車輛沖擊荷載密切相關(guān)，以下因素皆會(huì)使伸縮縫處平整度變差，從而導(dǎo)致沖擊荷載作用被放大：a.路基沉降導(dǎo)致的路基與橋臺(tái)高差；b.橋臺(tái)臺(tái)后填土流失導(dǎo)致的橋臺(tái)與梁端高差；c.過渡區(qū)混凝土破損導(dǎo)致的路面不平整；d.過渡區(qū)混凝土和橋面鋪裝層瀝青混凝土軟硬相接形成臺(tái)階；e.夏季橋梁受熱導(dǎo)致伸縮縫填縫料擠出、上拱；f.瀝青修補(bǔ)料受熱流淌及受車輛碾壓形成鼓包。