公路橋梁伸縮縫錨固區的破壞機理及材料應用探討

摘要 為探究橋梁伸縮縫錨固區破壞成因，提高橋梁工程建造水平，保證橋梁工程整體質量，延長橋梁使用壽命，文章依托多年實踐經驗，詳細闡述了橋梁伸縮縫錨固區的破壞形式，分析了伸縮縫錨固區破壞產生機理，并對伸縮縫錨固區材料的應用情況進行了探究，明確了錨固區材料的應用趨勢，旨在為后續橋梁伸縮縫錨固區施工提供參考。

關鍵詞 公路橋梁工程；伸縮縫；錨固區；材料；破壞機理

中圖分類號 U445 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）20-0143-03

0 引言

伸縮縫作為公路橋梁工程重要組成部分，能有效防止因交通荷載及材料收縮變形作用導致的橋面位移、裂縫，在橋梁工程運行過程中發揮著十分關鍵的作用。但由于受到汽車荷載長期的持續作用，加之施工工藝、施工材料、自然環境等各方面因素影響，伸縮縫錨固區極易受到破壞，嚴重影響公路橋梁使用性能，縮短運營年限[1-2]。因此，科學實施公路橋梁伸縮縫錨固區破壞機理探究，全面掌握錨固區病害成因，從而合理選用施工工藝、材料進行施工，對提高橋梁伸縮縫錨固區的施工質量尤為重要[3]。該文系統分析了橋梁伸縮縫錨固區的破壞機理及材料應用現狀，并提出了錨固區選材建議，具有重要的現實意義。

1 橋梁伸縮縫錨固區破壞及機理分析

橋梁伸縮縫形式多樣，主要包括對接式、模數支承式、鋼制支承式、剪切式及彈性體等，各種伸縮縫的適用條件存在一定差異，應根據工程實際情況進行合理選用。對于跨度較大的大型橋梁通常采用模數支承式伸縮縫，構造示意圖見圖1所示：

模數支承式伸縮裝置構造較為復雜，基本組件包括邊梁、中梁、橫梁、位移控制裝置及密封條等，其最大優點為承載體系與位移控制體系彼此分離，二者之間各自獨立，互不影響。承載體系可有效承受交通荷載作用，確保伸縮縫受力安全；位移控制體系能有效調節上部結構變形，確保橋面整體協調性，可應對各種形式的變形。在實際運行過程中，主要借助密封條與控制體系內的彈性支座完成對橋面變形的調節。當汽車運行至伸縮縫表面，由中梁裝置將交通荷載作用傳至橫梁，并經橫梁下部彈性橡膠支座傳至位移控制裝置，然后傳至錨固區，最后由錨固區的鋼筋混凝土直接傳至橋梁結構。因此，在汽車運行過程中，伸縮縫錨固區承受較大的沖擊荷載作用，在交通荷載長期作用下，極易出現結構破壞[4-6]。

相關研究表明，車輛運行速率越快，伸縮縫受到的沖擊荷載作用越大，其振動頻率、幅度均呈現上升趨勢，并且中梁裝置受力逐漸增加，使用壽命下降。對于板式橡膠伸縮縫，由于錨固區容易產生疲勞破壞，其運營年限通常不超過15年。同時，相關人士借助數值模型對交通荷載條件下的模數式、梳齒式伸縮裝置受力情況進行了模擬分析，得到了兩種伸縮縫疲勞破壞情況。其中，模數式伸縮裝置在車輛沖擊荷載條件下未產生疲勞損壞，而梳齒式伸縮裝置錨固區混凝土出現疲勞損壞，因此在實際施工時應選用高強度混凝土進行施工，以有效提升錨固區承載性能。由此可見，在公路橋梁運行過程中，受車輛沖擊荷載作用，橋梁伸縮縫錨固區極易出現疲勞破壞，嚴重影響橋梁的整體使用性能，縮短橋梁的運營年限。所以，在公路橋梁工程建設中，加強伸縮縫錨固區施工質量控制尤為重要。

1.1 伸縮縫錨固區破壞形式

橋梁伸縮縫錨固區混凝土病害類型較多，主要包括混凝土裂縫及掉塊、脫模分離、局部網裂等。具體表現形式如下：

（1）混凝土裂縫、掉塊。該病害為橋梁伸縮縫最常見的病害，主要裂縫形式為縱裂，具體表現為以錨固區橫裂為基礎逐漸向兩端發展，且裂縫主要位于橋梁兩端，而跨中部位的數量相對較少。裂縫病害主要出現在橋梁運營初期，其具體成因如下：1）路橋結合部位存在差異性沉降，在交通荷載持續影響下，混凝土結構局部受力過大，從而導致混凝土裂縫。2）在混凝土施工階段，由于振搗不密實、養護不到位等因素，導致混凝土強度不達標，加之投入使用時間過早，使橋梁結構產生疲勞破壞，從而形成結構裂縫。混凝土掉塊根本原因在于自身強度不達標、承載能力較差，在車輛沖擊荷載作用下，產生破碎掉落。混凝土掉塊早期表現形式為結構裂縫，隨著交通荷載的持續作用，結構裂縫逐漸發展，混凝土承載能力顯著降低，逐漸出現破碎、掉塊、露筋問題。此外，結構表面混凝土平整度差，使得鋪裝層與伸縮裝置鋼板之間出現錯位，也在一定程度上加劇混凝土裂縫產生，尤其當橋面縱坡較大時，伸縮縫錨固區更加容易出現破壞。

（2）混凝土脫模分離。該病害具體表現形式為錨固區與主體結構及鋪裝層出現脫離。橋梁伸縮縫出現該類病害的根本原因在于混凝土材料性能變化較大，在實際施工時混凝土材料產生較大收縮變形，且與鋪裝層材料模量存在較大差異，導致其與鋪裝層材料結合效果較差，在交通荷載持續影響下，結合部位出現局部受力過大現象，從而導致伸縮縫錨固區混凝土遭到破壞。

（3）局部網裂[7]。此病害具體成因與設計及施工因素密切相關。橋梁工程設計時，伸縮縫錨固區混凝土厚度通常較薄，但由于該部位鋼筋及預埋件較多，顯著增大后續的施工難度，在錨固區混凝土過程中極易出現振搗不到位的狀況，難以保證混凝土密實度，嚴重影響其承載能力，在交通荷載作用下，極易產生局部破碎問題。

1.2 伸縮縫錨固區破壞機理

橋梁伸縮縫是一種布置在梁端、梁端與橋臺后壁或鉸接部位的輔助結構，其主要功能是在溫度變化、混凝土收縮徐變、荷載等共同作用下，避免由于變形受阻引起的應力損傷，從而影響橋梁的正常使用。我國橋梁數目龐大，且隨著交通量及車輛荷載的不斷增長，其病害發生率逐年上升，給公路養護部門帶來了巨大的經濟壓力。已有的研究表明，在汽車荷載和復雜環境作用下，伸縮縫錨固區混凝土首先發生失效，錨固區混凝土失效是其最常見的病害之一。

在橋梁運營過程中，當車輛運行至伸縮縫部位時，交通荷載直接作用于錨固區混凝土表面，在荷載作用下錨固區梁板出現變形；加之自然環境、施工等因素影響，錨固區混凝土性能嚴重降低，承載能力無法滿足實際需求；并且錨固區混凝土和伸縮裝置、鋪裝層之間均為剛柔相濟，兩種材料模量、性能存在顯著差異，結合效果較差，造成剛柔結合部位產生錯臺問題，引發跳車現象，嚴重影響車輛運行安全。同時，由于伸縮裝置兩側新、舊混凝土結合部位的混凝土結合效果較差，在車輛運行過程中，新舊混凝土結合部位逐漸產生裂縫，在交通荷載持續作用下，相繼出現混凝土破碎、掉塊等問題；后續隨密封條不斷老化、失效，雨水沿裂縫逐漸進入伸縮縫內部，導致內部構件產生侵蝕破壞，進一步加劇錨固區破壞，從而導致局部產生破碎問題。

橋梁伸縮縫錨固區混凝土在交通荷載持續作用下，容易出現疲勞破壞，其具體成因在于混凝土施工階段混凝土澆筑質量差、振搗不密實，加之后期養護缺失，導致混凝土強度不達標，承載能力嚴重下降。同時，在汽車運行過程中，由于振動作用產生較大沖擊力，使錨固區混凝土受到的荷載作用顯著增大，當荷載達到一定程度后伸縮縫出現結構變形，隨著變形的逐漸加大，錨固區混凝土產生破壞。為更加全面掌握橋梁伸縮縫錨固區的破壞機理，相關科研工作者實施了更加深入的研究，借助ANSYS有限元分析模型，對各種交通荷載、混凝土模量及加載位置條件下，橋梁伸縮縫錨固區力學性能變化特征實施模擬分析，研究發現伸縮縫錨固區混凝土材料和鋪裝層瀝青混合料結合面，以及鋼梁結合面之間分別存在拉力作用和剪切應力作用，在實際分析時對于各結合面力學特性應采用不同的技術參數進行分析。專業學者通過數值模型及Miner疲勞破壞理論的綜合應用，對橋梁伸縮縫錨固區各種材料的使用壽命實施了分析，結果表明，伸縮縫錨固區的混凝土壽命最短，且隨著伸縮縫錨固區混凝土強度的增加，伸縮裝置、鋼筋等各種材料使用壽命呈現增長趨勢。同時，錨固區混凝土力學性能與伸縮縫種類存在密切關聯，其中當伸縮縫邊梁錨固區呈C形時，結構受到的壓力較大，伸縮裝置與錨固區混凝土之間的位移相對較小；而當伸縮縫邊梁錨固區呈Z形時，伸縮裝置與錨固區混凝土之間的位移相對較大。此外，研究表明，橋梁伸縮縫錨固區混凝土強度越大，結構運營壽命越長。由于橋梁伸縮縫錨固區混凝土破壞是造成伸縮縫結構破壞、失效的根本原因，因此，為提升橋梁伸縮縫施工質量，確保橋梁整體運營質量，延長橋梁使用壽命，必須科學提升伸縮縫錨固區的混凝土強度[8]。

2 伸縮縫錨固區材料應用現狀

在橋梁運營過程中，伸縮縫錨固區受力形式較為復雜，除承擔交通荷載作用外，還需承擔傳導力作用；加之外部環境因素影響，極易出現破壞，嚴重降低其使用性能，縮短使用壽命。通過上述伸縮縫錨固區破壞機理的探究可知，伸縮縫錨固區破壞的主要原因在于錨固區混凝土材料的疲勞破壞，從而導致伸縮縫整體受到損壞。而伸縮縫混凝土材料疲勞破壞的具體成因是強度不足、抗沖擊能力差、使用壽命短等，從而造成錨固區混凝土承載能力不達標，在交通荷載持續作用下結構受到破壞。因此，橋梁工程伸縮縫錨固區施工時必須選用性能更加優良的混凝土材料。

根據現行《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T 3650—2020）相關要求，橋梁伸縮縫錨固區混凝土應選用強度等級不低于C40的環氧混凝土，以及強度不低于C50的鋼纖維混凝土，并按要求振搗密實。施工規范僅對混凝土強度作了具體規定，而對于其他方面并未進行具體說明。因此，在實際施工時，應重點做好錨固區混凝土的材料選擇工作。超高性能混凝土（UHPC）作為一種新型材料，其性能優良，抗壓、抗折強度較高，可達普通混凝土強度的3～4倍，抗沖擊能力高達15倍左右。相較于環氧混凝土材料，UHPC強度提升幅度高達60%左右，承載能力極為突出，完全滿足伸縮縫錨固區混凝土材料的使用要求。同時，UHPC混凝土材料力學性能突出，在其中摻加適量鋼纖維材料后，其抗裂性能及韌性得到大幅度提升，顯著增強其抗裂能力。因此，在橋梁工程建設中，為有效提升伸縮縫錨固區混凝土的抗沖擊性能，延長錨固區運營壽命，UHPC混凝土材料不失為一種理想選擇。

目前，在工程實踐中，對于橋梁伸縮縫錨固區施工通常選用C50普通混凝土、環氧混凝土、鋼纖維混凝土等幾種類型。其中，以普通混凝土、鋼纖維混凝土應用最為普遍，但由于受材料自身性能限制，其與伸縮裝置鋼板及橋面鋪裝結合效果并不理想，且其抗折性能較低，嚴重降低錨固區的承載能力，影響橋梁的使用壽命。而環氧混凝土施工技術要求較高，施工難度較大且成本較高，無法進行有效普及。因此，綜合各方面情況來看，UHPC使用性能、耐久性優良，是最為理想的錨固區混凝土材料，今后應進一步強化對UHPC混凝土的研究，以有效推動UHPC混凝土在橋梁工程伸縮縫錨固區的應用，提升伸縮縫整體施工質量，從而保證橋梁安全穩定運營。

3 結語

綜上所述，伸縮縫錨固區作為橋梁工程極為關鍵的部位，其施工質量優劣直接決定伸縮縫整體工作性能的好壞，對確保車輛運行安全具有重要作用。該文通過對橋梁伸縮縫錨固區破壞機理的分析，確定了錨固區破壞的具體成因，并提出了合理的選材建議，具體結論如下：

（1）在橋梁運營過程中，伸縮縫錨固區破壞主要包括混凝土裂縫及掉塊、脫模分離、局部網裂等。伸縮縫錨固區破壞的主要原因在于錨固區混凝土材料的疲勞破壞，進而導致伸縮縫整體受到損壞。而伸縮縫混凝土材料疲勞破壞的具體成因是強度不足、抗沖擊能力差、使用壽命短等，造成錨固區混凝土承載能力不達標，在交通荷載持續作用下結構受到破壞。

（2）橋梁伸縮縫錨固區受力較為復雜，除承擔交通荷載作用外，還承擔傳導力作用，并且受自然環境影響較大，極易產生破壞。因此，在進行錨固區混凝土材料選擇時，不僅要考慮強度、穩定性等各方面要求，還應充分考慮混凝土材料與伸縮裝置、橋面鋪裝之間的黏結性能，以有效提升錨固區的整體質量，延長橋梁的使用壽命。

（3）UHPC混凝土材料作為一種新型材料，力學性能突出，將其應用于伸縮縫錨固區施工，能顯著增強抗沖擊性能，延長耐久年限，是一種較為理想的材料，具有重要的應用價值。

參考文獻

[1]張凱.橋梁伸縮縫過渡區環氧樹脂混凝土制備及性能研究[D].石家莊：河北工程大學，2022.

[2]梁睿.橋梁伸縮縫錨固區混雜纖維超高性能混凝土研究[D].長沙：長沙理工大學，2023.

[3]鄭萬山，李雙龍，高文軍.橋梁伸縮縫錨固區混凝土界面力學性能分析[J].公路交通技術，2022（3）：46-50+58.

[4]黃斌，楊睿，張振華，等.矮塔斜拉橋索梁錨固區受力性能研究[J].浙江交通職業技術學院學報，2022（1）：19-23.

[5]王倩，朱自萍，謝玉萌，等.預應力混凝土T梁錨固區受力分析與驗算[J].工程與建設，2020（6）：1109-1111+1124.

[6]馬東閣.公路橋梁伸縮縫滲水病害問題的預防及處理[J].北京工業職業技術學院學報，2023（3）：42-45+50.

[7]李雙龍.公路橋梁伸縮縫錨固區病害快速修復及構造優化研究[D].重慶：重慶交通大學，2022.

[8]劉家齊.高速公路橋梁伸縮縫疲勞破壞機理分析及快速修復技術研究[D].鄭州：鄭州大學，2022.

收稿日期：2024-07-05

作者簡介：張大衛（1987—），男，本科，高級工程師，從事道路與橋梁設計與施工工作。