多向變位梳齒板伸縮縫破損原因及防治措施

孫百川 宋志遠 吳曉 張林 鮑雨高 王翔

（1.合肥市重點工程建設管理局，安徽 合肥 230001；2.安徽水安建設集團股份有限公司，安徽 合肥 230601；3.合肥工業大學，安徽 合肥 230009）

0 引言

由于氣溫變化、混凝土收縮與徐變、橋面縱坡及車輛荷載等因素的影響，橋梁結構會在梁端產生位移[1-2]。為保證橋上車輛行駛的平穩性和舒適性，橋梁結構需要在一定位置上設計伸縮縫，其質量直接影響行車安全和橋梁使用壽命。由于橋梁伸縮縫設置在梁端薄弱部位，直接承受著車輪荷載的循環沖擊，成為橋梁結構中最易損壞、最難修復的部分。統計表明，中小型橋梁約16%的病害發生在伸縮縫處，其維修成本更是占到橋梁總維護成本的20%左右[3-4]。較其他傳統類型伸縮裝置，單元式多向變位梳形板伸縮裝置具有結構剛度大，可承受較大的水平變位，可模塊化設計、安裝便捷等優點，具有良好的適用性及使用性能，目前被廣泛運用在市政立交及高架橋梁工程中。為深入了解這類伸縮裝置的實際使用性能及破損機制，本文針對單元式多向變位梳形板橋梁伸縮結構特點對其破損原因及防治措施進行系統梳理和探討，為今后同類型伸縮縫設計、施工及維護管理提供參考。

1 工程概況

合肥市包公大道快速路高架橋項目含包公大道（二十埠河～龍興大道）道路及管廊工程-2標段，西起護城路，東至桂王路，全長約2.902km。該標段橋梁包括：主線橋（K68+22～K97+24）、主線平行匝道橋（C匝道、D匝道、E匝道、F匝道）。主線高架橋梁共計27聯，其中包括23聯現澆混凝土梁和4聯鋼箱梁，共長2902m；平行匝道橋共計6聯，其中5聯現澆混凝土梁和1聯鋼箱梁；共長699m。該工程橋梁伸縮縫采用160型、120型和80型單元式多向變位梳形板伸縮裝置，錨固區及過渡段混凝土采用C50鋼纖維混凝土填充搗實。運營期內過渡段混凝土易出現多條橫向裂紋甚至發生破壞，須結合現場監測對問題原因進行分析，科學施策。

2 單元式多向變位梳齒板伸縮裝置特點及施工流程

2.1 伸縮裝置特點

如圖1所示，多向變位梳形板伸縮裝置主要由多向變位鉸、跨縫板、止水結構及固定梳齒板等組成。較其他類型伸縮裝置，該型伸縮裝置具有以下典型特點：

圖1 多向變位梳齒板伸縮裝置結構示意及實物圖

（1）伸縮量大、可承受水平變位。多向變位梳齒板伸縮裝置設計容許伸縮量可達400mm以上，適用于不同類型、不同跨度梁體結構。結構剛度較大，可承受較大的水平變位。

（2）結構高度低、方便施工。一般情況下，伸縮量大于80mm后，其它類型的伸縮裝置整體高度較高，設計時須對梁端結構進行特殊處理，造成施工難度增加。多向變位梳形板伸縮裝置整體結構高度低，可在橋面鋪裝層高度內安裝，有利于施工。

（3）適用范圍廣。多向變位梳形板伸縮縫在新、老橋梁上均可采用，相較于其他類型伸縮縫，適用性更好。

（4）路面平整度好。采用剛柔結合措施，從構造上降低了汽車行駛時產生跳車現象，伸縮裝置兩側一般采用高強度鋼纖維混凝土與橋面連接，整體剛性好，有利于降低車輛行駛對橋梁的沖擊，路面平整度好。

2.2 伸縮裝置施工流程

包公大道伸縮縫界面主要為RBZP-160型單元式多向變位梳型板橋梁伸縮裝置，該型梳型板伸縮裝置的施工工藝流程（其它型號施工工藝相同）如圖2所示。值得注意的是，為了提高過渡段混凝土的強度特別是抗拉強度，本項目預留槽內采用C50鋼纖維混凝土填充搗實，鋼釬維體積率為1.5%。混凝土的運輸采用專門的混凝土罐裝車，并保證在2h之內澆灌完畢。C50鋼纖維混凝土在運輸過程中不應離析和分層。

圖2 伸縮縫施工工藝流程圖

3 多向變位梳齒板伸縮縫破壞機理與影響因素

3.1 破壞機理

現場監測結果表明，橋梁伸縮縫的破壞主要是由于受到車輛沖擊荷載及疲勞荷載作用，破壞部位主要集中于錨固區及過渡段混凝土[5-6]。車輛駛來時，車輪壓在梳狀鋼板上時，車輛荷載通過錨固系統傳遞到過渡段混凝土，再傳遞到梁板，使過渡段混凝土發生壓縮變形。當車輛通過后，過渡區混凝土由于應力釋放產生拉應力。一般而言，過渡段混凝土與橋面瀝青材料連接處由于剛度差異大易產生臺階，同時過渡段混凝土與梳型鋼板之間也存在不平整的問題，當車輛行駛到該位置時會產生較大的振動效應使伸縮裝置受力瞬時變大，此時過渡段混凝土在循環荷載作用下不斷承受循環剪應力作用，繼而產生橫向裂紋，直至發生破壞。此外，如果伸縮縫的錨固筋與橋梁預埋筋連接不牢靠，或扳彎預埋筋埋設不足時，整個過程荷載傳遞效果就會很差，過渡區混凝土所受的剪應力也就越大。

圖3為包公大道典型橋段伸縮縫的過渡段混凝土在運行期產生的橫向裂紋。隨著運營周期的增加，如果裂紋繼續發展，可能會引發結構構件的變形、損壞等現象。這說明雖然采用高強度鋼纖維混凝土澆筑，一定程度上可以抑制過渡段混凝土裂紋產生及發展，但過渡段混凝土開裂、破損等病害在實際工程中仍難以避免。因此，針對多向變位梳齒板伸縮縫錨固區及過渡段混凝土受力特性、適應性及材料性能的研究是目前亟需解決的難題。

圖3 包公大道橋梁伸縮縫過渡段混凝土橫向裂縫

3.2 影響因素

橋梁伸縮縫作為橋梁結構中的過渡段，是橋梁整體結構中的薄弱環節，往往在橋梁服役早期就會產生病害，從而影響橋梁整體結構的受力特性，降低橋梁的服役周期。橋梁伸縮縫的使用壽命受到很多因素的影響，如溫度應力、汽車動力沖擊、縱坡、混凝土熱脹冷縮等[7]。歸納而言，它的破壞影響因素主要包含設計不足和施工不當兩個方面。

3.2.1 設計方面

（1）橋梁伸縮裝置受力復雜，如果未理清不同類型橋梁伸縮裝置及其錨固系統傳力特征，將影響橋梁伸縮裝置優化設計。

（2）多向變位梳齒板伸縮縫錨固區混凝土厚度較薄且鋼筋密度大，伸縮裝置錨固系統常直接錨固在現澆混凝土中，從而影響整個結構的荷載傳遞，降低其使用壽命。

（3）錨固區及過渡段混凝土材料及強度選擇不當，致使伸縮裝置強度和耐久性不足，在運行期產生不同程度的病害。

（4）伸縮裝置的選型及設計參數僅以伸縮量作為依據，較少考慮橋梁結構不同（例如，鋼箱梁與現澆混凝土梁混合連接段）造成的影響，從而忽視了相應的技術要求。

（5）伸縮裝置過渡段混凝土的長度較長，而寬度和厚度則較小，細長比過大，此結構極易產生收縮裂縫。由收縮引起的微觀裂縫一旦產生并發展，將會引發結構構件的變形、開裂等現象。

3.2.2 施工方面

（1）構件預制和安裝精度的影響。預埋筋的埋設位置不當會導致其與伸縮縫錨固筋之間搭接長度不足，施工時伸縮裝置的錨固筋焊接不牢，影響伸縮縫的施工質量及使用性能。

（2）伸縮縫間距與設計值不符。施工時梁端伸縮縫間距與設計值不符，伸縮裝置的定位不正確，致使伸縮縫裝置不能正常工作。若伸縮縫間距過小，伸縮縫會因超限擠壓凸起。反之間距過小，荷載造成的剪應力易引起伸縮縫鋼板的固定螺絲松弛。

（3）過渡段混凝土強度不足。由于施工控制不當等原因，澆筑混凝土的強度可能達不到設計強度，難以承受車輛荷載的強烈沖擊；此外，過渡段混凝土在運營期內受力情況復雜，在車輛動載的作用下，承受較大的循環拉應力，若過渡段混凝土抗拉強度不足，易使混凝土發生裂縫、破壞等損傷。

（4）過渡區混凝土養護不到位。由于橋梁結構多條伸縮縫間隔距離大，伸縮縫錨固區及連接段混凝土養護期間送水困難，常常面臨養護不到位的情況。

4 多向變位梳齒板伸縮縫破損防治措施

（1）由于混凝土初凝前后的收縮特性，對固定螺栓建議采用二次緊固法進行緊固。第一次緊固時主要用來固定梳齒板的位置、平衡梳齒板各單元之間的應力。第二次緊固應在初凝3～5d后進行，并緊固梳齒板固定螺栓，使其與下層混凝土緊密接觸。

（2）梳齒板安裝過程中，建議實時監測梳齒板的平整度、相鄰板的高程差等指標。如指標不符合設計要求，應在混凝土初凝前及時處理。

（3）為提升錨固區及過渡段混凝土的抗拉性能，建議選用C50以上鋼纖維混凝土進行澆筑；同時應注意澆筑過程的振搗密實、澆筑后的及時養護。

（4）由于螺栓是多向變位梳齒板式橋梁伸縮縫相對薄弱的結構，在養護管理過程中，應定期對螺栓進行檢查和緊固。此外，要及時清除縫隙處泥沙和垃圾等雜物。

5 結束語

綜上所述，橋梁伸縮縫是橋梁結構的重要組成部分，是橋面結構的薄弱環節，關系到橋梁結構的穩定，行車的舒適安全。本文根據多向變位梳齒板型伸縮裝置的結構特點，結合現場監測，從設計和施工兩方面對伸縮縫破損原因進行分析，結果表明，橋梁伸縮縫的破壞主要是由于受到車輛沖擊荷載及疲勞荷載作用，破壞部位主要集中于錨固區及過渡段混凝土。建議對固定螺栓采用二次緊固法進行緊固；實時監測梳齒板的平整度、相鄰板的高程差等指標；提升錨固區及過渡段混凝土的抗拉性能；在養護管理過程中，應定期對螺栓進行檢查和緊固。