模數(shù)式橋梁伸縮裝置病害總結(jié)與預(yù)防策略

陳 昌 柏

(上海大學(xué),上海 200444)

橋梁伸縮裝置的主要作用是調(diào)節(jié)由車(chē)輛荷載環(huán)境特征和橋梁建筑材料的物理性能所引起的橋梁上部結(jié)構(gòu)之間的位移并實(shí)現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)結(jié)。其中模數(shù)式橋梁伸縮裝置是國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的一種，可通過(guò)模數(shù)組拼成不同型號(hào)，是由異型鋼主梁、邊梁、防水膠條、錨環(huán)、彈性元件等結(jié)構(gòu)焊接組裝而成。作為一種特殊的橋梁材料，雖然相對(duì)橋梁整體來(lái)說(shuō)伸縮裝置部分的造價(jià)很低，僅為橋梁結(jié)構(gòu)總造價(jià)的1%左右，但是，在眾多橋梁損壞中約有16%發(fā)生在伸縮裝置處，伸縮裝置的維修成本占到了橋梁總維修成本的20%左右[1]，因此，解決橋梁伸縮裝置的病害問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)前橋梁工程設(shè)計(jì)施工和養(yǎng)護(hù)作業(yè)中的關(guān)鍵點(diǎn)。

1 模數(shù)式伸縮裝置的項(xiàng)目全壽命周期劃分

研究模數(shù)式伸縮裝置的病害問(wèn)題需要從該材料的全壽命周期入手進(jìn)行分析，才能準(zhǔn)確的找出病害原因并制定相應(yīng)的解決方案。根據(jù)該類(lèi)項(xiàng)目的工作流程，將其壽命周期劃分為5個(gè)階段，具體劃分及相關(guān)工作要點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 模數(shù)式伸縮裝置全壽命周期劃分

以上5個(gè)階段既是模數(shù)式伸縮裝置的全壽命周期工作流程的分解，也是病害防治的第一步。任何一種病害問(wèn)題的源頭均隱藏在某一個(gè)或幾個(gè)階段之中，工作流程的劃分能夠?yàn)椴『?wèn)題的應(yīng)對(duì)與防治指明方向。

2 模數(shù)式伸縮裝置存在的主要病害問(wèn)題

在查閱相關(guān)文獻(xiàn)以及對(duì)國(guó)內(nèi)大量使用的模數(shù)式伸縮裝置進(jìn)行調(diào)研總結(jié)后，將主要存在的模數(shù)式伸縮裝置病害問(wèn)題歸納為以下幾種。

2.1 槽口混凝土的開(kāi)裂、破壞現(xiàn)象

槽口混凝土開(kāi)裂、破壞是最為常見(jiàn)的病害問(wèn)題之一，混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足、強(qiáng)度低、抗裂性不足、未足量添加鋼纖維等外加料均可導(dǎo)致該現(xiàn)象。

2.2 模數(shù)式伸縮裝置出現(xiàn)縫口擠死或拉伸過(guò)度現(xiàn)象

在設(shè)計(jì)階段，模數(shù)式伸縮裝置選型過(guò)小，或安裝時(shí)預(yù)留縫口尺寸不合理以及橋體存在結(jié)構(gòu)性問(wèn)題等均可導(dǎo)致縫口擠死或拉伸過(guò)度。

2.3 異型鋼邊梁、中梁形變、斷裂現(xiàn)象

鋼材型號(hào)不達(dá)標(biāo)甚至使用焊接鋼材且焊接不規(guī)范、錨固環(huán)與預(yù)埋筋焊接不規(guī)范、安裝時(shí)伸縮裝置高于槽口混凝土面層高度等問(wèn)題均可能導(dǎo)致異型鋼的嚴(yán)重變形、斷裂現(xiàn)象。

2.4 彈性元件出現(xiàn)滑脫現(xiàn)象

D160及以上多縫模數(shù)式伸縮裝置的彈性元件滑脫可導(dǎo)致位移箱損壞、中梁支撐效果喪失。該現(xiàn)象通常因彈性元件缺乏限位裝置、位移箱組裝存在缺陷或橋體產(chǎn)生縱向位移導(dǎo)致。

2.5 防水密封膠條出現(xiàn)漏水或砂石等堆積現(xiàn)象

防水密封膠條防水性能不足，或伸縮裝置拉伸過(guò)度超過(guò)了最大伸縮量時(shí)均有可能導(dǎo)致防水密封膠條受損失效。同時(shí)部分防水密封條缺乏自清潔設(shè)計(jì)，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[2]。

2.6 兩側(cè)護(hù)欄底部出現(xiàn)漏水現(xiàn)象

漏水現(xiàn)象是由于模數(shù)式伸縮裝置缺乏有效的排水功能或未在端頭處設(shè)置翹起段所導(dǎo)致的。

2.7 車(chē)輛通過(guò)時(shí)的噪聲過(guò)大

噪聲主要是由車(chē)輛通過(guò)橋梁伸縮裝置時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)導(dǎo)致的。安裝時(shí)平整度不達(dá)標(biāo)易導(dǎo)致噪聲過(guò)大問(wèn)題。

3 模數(shù)式伸縮裝置病害原因分析

模數(shù)式伸縮裝置的作用決定了其工作環(huán)境的復(fù)雜性，影響這個(gè)環(huán)境的因素來(lái)自于多個(gè)方面，其中包含了材料自身性能、安裝施工、橋體結(jié)構(gòu)、外部自然環(huán)境等。同一種病害的現(xiàn)象往往背后隱藏著不同的原因，結(jié)合模數(shù)式伸縮裝置五階段全壽命周期模型對(duì)國(guó)內(nèi)大量模數(shù)式伸縮裝置的安裝維護(hù)項(xiàng)目進(jìn)行總結(jié)后，現(xiàn)將病害原因從材料、施工、外部三個(gè)方面做歸納分類(lèi)。

3.1 材料原因

3.1.1模數(shù)式伸縮裝置的選型問(wèn)題

選型問(wèn)題多存在于設(shè)計(jì)階段，由于設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)伸縮量預(yù)估不足，在選型時(shí)選取的規(guī)格小，無(wú)法滿足實(shí)際需要。這一問(wèn)題出現(xiàn)后，一定會(huì)導(dǎo)致縫口擠死或過(guò)度拉伸現(xiàn)象的發(fā)生。

3.1.2異型鋼邊梁、中梁用料不達(dá)標(biāo)

主材用料不達(dá)標(biāo)易導(dǎo)致裝置本身荷載承載能力不足。同時(shí)若伸縮裝置高于槽口混凝土高度，則可能導(dǎo)致異型鋼側(cè)翻，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致異型鋼斷裂。

3.1.3防水密封膠條性能不達(dá)標(biāo)

模數(shù)式伸縮裝置選用防水密封膠條時(shí)應(yīng)滿足JT/T 327—2016公路橋梁伸縮裝置的各項(xiàng)要求，保證水密性、耐腐蝕性等各項(xiàng)性能達(dá)標(biāo)。

3.1.4未采用有效的限位裝置預(yù)防彈性元件的滑脫現(xiàn)象

由于不均勻沉降等結(jié)構(gòu)性問(wèn)題導(dǎo)致的伸縮縫處產(chǎn)生縱向位移等現(xiàn)象可導(dǎo)致彈性元件的滑脫，該問(wèn)題雖出現(xiàn)頻率較低，一旦發(fā)生應(yīng)引起重視，可采用加裝有效的限位裝置等方法避免重復(fù)性損壞。

3.2 施工原因

3.2.1混凝土強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)，或因趕工期等原因?qū)е碌酿B(yǎng)護(hù)時(shí)間不足

模數(shù)式伸縮裝置施工處于整個(gè)項(xiàng)目末期階段，槽口又為現(xiàn)澆混凝土，趕工期等情況可能導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)時(shí)間未到便提前通車(chē)，此舉會(huì)嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3.2.2安裝完成后，模數(shù)式伸縮裝置與槽口混凝土面層高差過(guò)大

若伸縮裝置低于槽口混凝土面層，會(huì)增大車(chē)輛駛過(guò)時(shí)的豎向荷載。若伸縮裝置高于槽口混凝土面層，車(chē)輛駛過(guò)時(shí)則會(huì)對(duì)邊梁產(chǎn)生行車(chē)向的沖擊力，極易導(dǎo)致異型鋼形變甚至破壞。

3.2.3預(yù)埋筋與橫穿筋配置不合理，或槽口未進(jìn)行鑿毛處理

由于槽口為現(xiàn)澆混凝土，與預(yù)制梁板的錨固依賴預(yù)埋筋和橫穿筋實(shí)現(xiàn)，若其配置不合理，可導(dǎo)致槽口受力性能達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，影響裝置的使用壽命。

3.3 其他原因

由于橋梁結(jié)構(gòu)等因素，如不均勻沉降等導(dǎo)致伸縮縫的伸縮范圍超過(guò)模數(shù)式伸縮裝置的伸縮范圍，可導(dǎo)致伸縮裝置的損壞。同時(shí)在沿海等腐蝕性強(qiáng)的地區(qū)未選用特殊型材均可導(dǎo)致模數(shù)式伸縮裝置病害問(wèn)題。

4 模數(shù)式伸縮裝置病害防治辦法

由于我國(guó)環(huán)境差異大、工程實(shí)際施工水平參差不齊等原因，尚沒(méi)有系統(tǒng)的模數(shù)式伸縮裝置病害防治辦法。在此結(jié)合實(shí)際應(yīng)用提出“五階段全壽命周期模數(shù)式伸縮裝置病害防治策略”，該策略包含全部五個(gè)應(yīng)用環(huán)節(jié)所涉及的病害隱患防治方法，并歸納為材料設(shè)計(jì)生產(chǎn)階段和安裝施工及養(yǎng)護(hù)階段兩個(gè)具體環(huán)節(jié)，以下提供具體方案。

4.1 材料設(shè)計(jì)生產(chǎn)階段

4.1.1合理選型

在設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮影響伸縮量的各項(xiàng)因素。影響模數(shù)式伸縮裝置伸縮量的原因有氣溫的變化、混凝土的收縮與徐變、負(fù)荷所引發(fā)的橋梁扭曲變形、縱坡的影響、彎橋與斜橋的變位[3]。設(shè)計(jì)階段是整個(gè)伸縮裝置工程的開(kāi)始階段也是進(jìn)行理論計(jì)算最為方便的階段，伸縮量計(jì)算時(shí)還應(yīng)留有伸縮量增大系數(shù)，該系數(shù)通常取值為1.2～1.4。同時(shí)還應(yīng)考慮交通流量、地貌特征等條件的影響，從而決定是否需采用耐腐型鋼等特殊材質(zhì)及設(shè)計(jì)以滿足不同項(xiàng)目特征的需要。因此，在設(shè)計(jì)階段避免選型不合理問(wèn)題，確保所選材料型號(hào)能夠滿足實(shí)際伸縮量要求，所選裝置滿足項(xiàng)目特殊性需要，是預(yù)防病害的第一步。

4.1.2選擇優(yōu)質(zhì)主材

模數(shù)式伸縮裝置的異型鋼邊梁、中梁作為主材，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目所在地年最低氣溫選擇相應(yīng)鋼材。依據(jù)JT/T 327—2016公路橋梁伸縮裝置的要求，最低日平均氣溫高于0 ℃的可選用Q345B型鋼，最低日平均氣溫在-20 ℃～0 ℃之間的可選用Q345C型鋼，最低日平均氣溫在-20 ℃以下的可選用Q345D型鋼。如在沿海等腐蝕性較高的地區(qū)，應(yīng)選用耐腐鋼材。

4.1.3重視輔材與組裝質(zhì)量

模數(shù)式伸縮裝置的主要輔材包括防水橡膠條、中梁、位移箱、彈性元件、錨環(huán)等。在部分要求使用進(jìn)口材料的模數(shù)式伸縮裝置項(xiàng)目中，通常只有異型鋼邊梁、中梁等主材采用進(jìn)口鋼材，相關(guān)輔料往往不受重視，原裝進(jìn)口的更是鳳毛麟角。但實(shí)際上，由于輔料或組裝導(dǎo)致的模數(shù)式伸縮裝置病害問(wèn)題占總量的1/2以上，因此重視輔材與組裝質(zhì)量十分重要，應(yīng)確保各組件滿足JT/T 327—2016公路橋梁伸縮裝置的規(guī)范要求。常被忽略的質(zhì)量問(wèn)題有防水膠條應(yīng)采用滿足相關(guān)規(guī)范的三元乙丙橡膠等優(yōu)質(zhì)材料，杜絕使用再生膠或粉碎的硫化橡膠等。

4.1.4針對(duì)特殊的項(xiàng)目需要采用具有針對(duì)性功能的模數(shù)式伸縮裝置

統(tǒng)一的產(chǎn)品往往無(wú)法滿足不同項(xiàng)目的復(fù)雜特征。例如針對(duì)地質(zhì)情況較為復(fù)雜的項(xiàng)目，尤其是出現(xiàn)過(guò)位移箱內(nèi)彈性元件滑脫現(xiàn)象的養(yǎng)護(hù)工程，應(yīng)選用采取了有效的限位裝置來(lái)預(yù)防彈性元件滑脫位移的模數(shù)式伸縮裝置。在重要的交通節(jié)點(diǎn)處，同時(shí)可采用模塊化設(shè)計(jì)的相關(guān)產(chǎn)品，從而達(dá)到無(wú)需封路的情況下即可實(shí)現(xiàn)裝置維修的效果，避免封路帶來(lái)的交通壓力與經(jīng)濟(jì)損失。

4.2 安裝施工及養(yǎng)護(hù)階段

4.2.1槽口標(biāo)準(zhǔn)化整改

模數(shù)式伸縮裝置安裝前，槽口能否達(dá)到圖紙要求取決于多個(gè)因素，例如預(yù)制梁預(yù)埋筋情況、預(yù)留槽口尺寸以及中上面層施工過(guò)程中對(duì)槽口的保護(hù)工作是否完善等。在上面層施工前，應(yīng)用枕木土工布等對(duì)槽口予以保護(hù)，伸縮裝置安裝前應(yīng)對(duì)槽口進(jìn)行清理并鑿毛，并保證澆筑前槽口內(nèi)無(wú)遺落雜物。

4.2.2計(jì)算合理的預(yù)留縫尺寸

模數(shù)式伸縮裝置安裝時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制縫口預(yù)留伸縮量。由于施工現(xiàn)場(chǎng)條件所限，考慮多種因素的預(yù)留縫計(jì)算難以實(shí)現(xiàn)。基于溫度是各個(gè)影響因素中影響程度最高的一種，安裝時(shí)可以采用溫度為指標(biāo)來(lái)快速判斷合理的預(yù)留伸縮量。預(yù)留伸縮量首先應(yīng)測(cè)定實(shí)際形變量，再由選用伸縮裝置的型號(hào)計(jì)算得出，具體計(jì)算方法如下：

首先查詢模數(shù)式伸縮裝置工作的溫度范圍(Tmin,Tmax分別是指項(xiàng)目所在地的最低及最高氣溫)，并根據(jù)安裝時(shí)溫度(Tset)計(jì)算梁端的伸長(zhǎng)量和收縮量。

ΔLt=(Tmax-Tmin)γ×L

(1)

ΔL+=(Tmax-Tset)γ×L

(2)

ΔL-=(Tset-Tmin)γ×L

(3)

其中，ΔLt為當(dāng)?shù)販囟茸兓鸬淖畲笊炜s量；ΔL+為安裝溫度下溫度升高時(shí)所導(dǎo)致的最大伸長(zhǎng)量；ΔL-為安裝溫度下溫度降低時(shí)所導(dǎo)致的最大收縮量；Tmax為項(xiàng)目所在地最高環(huán)境溫度；Tmin為項(xiàng)目所在地最低環(huán)境溫度；Tset為安裝伸縮裝置時(shí)溫度；γ為膨脹系數(shù)(鋼梁為12×10-6，混凝土梁為10×10-6)[4]。

實(shí)際安裝時(shí)，伸縮量為0～Emaxmm的伸縮裝置預(yù)留縫寬度Eset應(yīng)為：

(4)

其中，Emax為模數(shù)式伸縮裝置的理論最大伸縮量；Eset為安裝時(shí)的預(yù)留縫尺寸。

縫口預(yù)留伸縮量直接影響模數(shù)式伸縮裝置在正常情況下的工作狀態(tài)，該值偏差過(guò)大可能導(dǎo)致正常工作情況下仍會(huì)出現(xiàn)膠條過(guò)度拉伸或縫口擠死現(xiàn)象。

4.2.3安裝時(shí)保證各項(xiàng)細(xì)節(jié)質(zhì)量達(dá)標(biāo)

模數(shù)式伸縮裝置的安裝施工是病害預(yù)防的重要環(huán)節(jié)。安裝施工過(guò)程中有多個(gè)細(xì)節(jié)應(yīng)予以重視，下面列舉施工過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

1)模數(shù)式伸縮裝置安裝時(shí)應(yīng)保證縱向平整度達(dá)標(biāo)，用3 m直尺測(cè)量時(shí)，偏差應(yīng)在3 mm以內(nèi)。

2)預(yù)埋筋、橫穿筋應(yīng)嚴(yán)格按照?qǐng)D紙進(jìn)行施工，橫穿鋼筋與錨固筋焊接時(shí)應(yīng)保障焊接質(zhì)量達(dá)標(biāo)。如遇預(yù)埋筋傾倒等問(wèn)題應(yīng)及時(shí)調(diào)整、加固。

3)為了能夠提高伸縮縫的使用效果,在混凝土材料選擇時(shí), 需要選擇具備抗高溫、抗?jié)B、抗凍、抗鹽酸性能的材料。建議采用C50鋼纖維混凝土，可在槽口內(nèi)設(shè)置鋼筋網(wǎng)片用于槽口混凝土抗裂。澆筑前應(yīng)將聚苯乙烯泡沫板嚴(yán)密塞入預(yù)留梁端預(yù)留間隙內(nèi), 以防止混凝土澆筑時(shí)出現(xiàn)漏漿[5]。澆筑時(shí)應(yīng)保證振搗密實(shí)，嚴(yán)格按照混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間規(guī)范進(jìn)行養(yǎng)護(hù)工作。

4)對(duì)于部分工期緊急的項(xiàng)目，應(yīng)提前針對(duì)工期做好應(yīng)急方案，如采用外加劑等，并由具有資質(zhì)的相關(guān)檢測(cè)機(jī)構(gòu)出具相應(yīng)的混凝土配合比報(bào)告，以滿足施工要求。

4.2.4優(yōu)化安裝時(shí)的高差控制

澆筑混凝土?xí)r應(yīng)對(duì)模數(shù)式伸縮裝置與槽口混凝土面層高差進(jìn)行控制。《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，模數(shù)式伸縮裝置安裝與橋面高差的允許偏差為2 mm。根據(jù)多個(gè)實(shí)際安裝項(xiàng)目的調(diào)研可發(fā)現(xiàn)，通常情況下應(yīng)保證現(xiàn)澆混凝土槽口面層高度高于伸縮裝置高度1 mm左右，同時(shí)，應(yīng)盡量避免伸縮裝置高度高于混凝土面層高度，此舉可有效避免車(chē)輛駛過(guò)時(shí)對(duì)邊梁產(chǎn)生的沖擊力，延長(zhǎng)使用壽命。

5 結(jié)語(yǔ)

模數(shù)式伸縮裝置因其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，一旦維修，就需要半幅封路，不僅對(duì)交通造成很大的壓力，同時(shí)也增加了安全風(fēng)險(xiǎn)。盡管導(dǎo)致模數(shù)式伸縮裝置病害的原因是多樣的，但是只要方法得當(dāng)也可以“藥到病除”。“五階段全壽命周期模數(shù)式伸縮裝置病害防治策略”包含的全過(guò)程病害防治步驟從設(shè)計(jì)入手，合理選材并遴選合格供應(yīng)商，通過(guò)高質(zhì)量施工和完善的養(yǎng)護(hù)最終實(shí)現(xiàn)病害的有效防治，這是應(yīng)對(duì)模數(shù)式伸縮裝置的各類(lèi)病害問(wèn)題、提升橋梁工程質(zhì)量、降低養(yǎng)護(hù)成本、保障交通系統(tǒng)正常運(yùn)行的有效措施，并希望對(duì)新建、養(yǎng)護(hù)等各類(lèi)工程提供參考。