熱脹冷縮引發鋼箱梁結構病害的處理技術

鄭 晶

（新疆交通建設（集團）有限責任公司，新疆 烏魯木齊830016)

0 引言

橋梁工程是交通設施改造的主要對象之一，它既可以單獨遍布在江河流域之上，形成架空式運輸線路，又可與地面道路相接軌，形成路橋式連體交通線路，雙方面保障了車輛的正常行駛。伴隨著大跨度橋梁工程的廣泛實施，鋼箱梁憑借其獨特的應用性能得到了推廣。對新建成的一批橋梁工程勘測顯示，鋼箱梁在溫度條件發生高低變化時易產生異常變形，導致其結構發生多種病害，施工單位應詳細分析病害狀況，制定切實可行的處理方案。

1 工程概述

本次研究的案例為魯木齊市外環快速路道路擴容改建工程第二標段，主橋樁號K1＋901.587～K2＋802.568，地面道路樁號K1＋900～K2＋805.534。本標段主線長度905.534m，起迄樁號為K1＋900～K2＋805.534，橫斷面組成為“7m的中央分隔帶＋兩側布設11.5～14.5m機動車道＋3m綠化帶＋3m人行道”。K2＋500處設有7m的上橋匝道。

2 鋼箱梁的病害原因

隨著我國交通工程建造活動的廣泛開展，鋼箱梁憑借其獨特功能而得到推廣應用，有效解決了橋梁交通期間的各種承載難題。根據多年的施工經驗，筆者認為，鋼箱梁病害發生與多個方面的因素相關。

2.1 溫度因素

氣候環境變化會帶來一系列的物理現象，這些現象的發生又會改變物質的外在形態，從而約束了物質性能的綜合發揮。熱脹冷縮是物體的一種基本性質，物體在一般狀態下，受熱以后會膨脹，受冷會縮小。

2.1.1 熱脹

當物體受熱后，由于物質的原子核以及核外電子層的提速運動，使其產生了很強的離心力，這個離心力又使核外電子層與原子核的間距拉大。過大膨脹容易造成異常的形變，當物體形態拉大到一定程度后，常會發生瞬間性的斷裂、損壞等問題。鋼配件是鋼箱梁的基本組成，每個結構之間會由相應的連接件組合起來，以保證箱梁體的穩定性。而當外界氣溫升高時，金屬材質的自身性能也會發生變化。熱脹是鋼箱梁病害的主要原因之一，其引起的常見病害包括裂縫和形變等，使整個箱梁結構面臨著較大的安全隱患。

2.1.2 冷縮

與高溫條件一樣，低溫也是引起鋼箱梁病害的一大因素，突發性的降溫變化對箱梁結構的破壞作用也很大。當物質的溫度降低后，原子內部的運動速度開始逐漸的下降，原子核的自轉速度降低，其對核外電子的離心力作用也將逐漸的減小繼而使原子核與核外電子層之間的距離變小[1]。降溫會造成異常性的擠壓形變，如表1所示，物體受壓產生了縮小變形，改變了其原有的物理特征。鋼箱梁是一種金屬材質的橋梁結構，當外界溫度處于偏低狀態時，鋼配件組合性能會存在較大差異，影響了箱梁功能的發揮。

表1 溫度變化范圍及線膨脹系數

2.2 施工因素

施工是鋼箱梁作業的核心環節，施工質量直接決定了后期橋梁交通性能的好壞。相比于早期的單一式橋梁，鋼箱梁施工面臨的工藝流程、操作秩序等更加復雜，這些都有助于完善現有的交通運輸體系，帶動區域交通事業的優化發展。施工因素引發的鋼箱梁病害，主要是由于鋼配件安裝不科學導致的。對比早期混凝土結構筑造的橋梁，鋼箱梁在組成構件方面選用了金屬材質，用以輔助橋梁結構的支撐體，進而完善了橋梁使用的交通性能。安裝是組建橋梁結構的主要過程，由于現場人員操作不當而給鋼箱梁使用埋下了隱患，最終導致結構病害的發生。例如，頂板、底板、腹板和橫隔板在焊接安裝時未按照工藝操作，鋼配件在細節組織上出現便宜，每個結構之間的緊密性不足，面對路面荷載增大時會產生瞬間性的病害。

3 鋼箱梁常見結構病害的處理技術

近年來橋梁工程建造的數量持續增多，鋼箱梁結構在橋梁中的應用價值得以體現，充分展示了新型橋梁構造的交通性能。從物理學角度分析，熱脹冷縮現象對鋼箱梁結構屬于潛在的病害風險，一旦梁式結構的伸縮、膨脹系數超出標準，勢必影響到橋梁的正常狀態。為了解決熱脹冷縮造成的病害問題，施工單位應制定切實可靠的方案進行處理，保障橋梁結構性能的持久發揮。

3.1 斷裂病害

鋼箱梁是大跨徑橋梁常用的結構形式，一般用在跨度較大的橋梁上，因整體結構的自重力較大且外形像一個箱子，故稱作鋼箱梁。在大跨度纜索支承橋梁中，鋼箱主梁的跨度達幾百米至上千米，一般分為若干梁段制造和安裝，其橫截面具有寬幅和扁平的外形特點，高寬比達1∶10左右。鋼箱梁結構在溫度巨變條件下，內外箱體易發生異常變形，最終引起斷裂性病害而破壞橋梁的穩定性[2]。為解決這一問題，在安裝鋼箱梁時應考慮接頭安裝質量的控制（如表2所示），使每節鋼箱梁之間有足夠伸縮空間，以免熱脹冷縮變化引起斷裂問題。

表2 鋼箱梁接頭試板厚度

3.2 變形病害

異常變形是熱脹冷縮條件下鋼箱梁病害的最大故障，無論是膨脹還是冷縮引起的變形狀態，都會破壞鋼箱梁的組裝體和零部件。從組裝結構來說，國內現有鋼箱梁一般由頂板、底板、腹板、橫隔板、縱隔板及加筋肋等通過全焊接的方式連接而成，其中頂板為由蓋板和縱向加筋肋構成的正交異性橋面板。熱脹冷縮變化下，鋼箱梁頂板膨脹而損壞了蓋板的耐久性，整體橋梁失去了應有的平衡性[3]。為了防止異常變形帶來的質量風險，鋼箱梁安裝時要注重伸縮縫的合理應用（如圖1所示），避免外界溫度交替變化造成的異常變形。

圖1 鋼箱梁常用的伸縮縫

3.3 尺寸病害

嚴格意義上來說，鋼箱梁病害發生也與施工單位選材工作存在關聯，不同橋梁工程使用的材料標準也不一樣，特別是在尺寸結構上均有明確的規定。如，鋼板材料切割時尺寸不規范，給實際安裝操作帶來了很大的難度，這往往是擠壓變形等病害發生的潛在因素。應嚴格控制鋼箱梁各板的厚度，如，蓋板厚度14mm，縱向U形肋厚度6mm，上口寬320mm，下口寬170mm，高260mm，間距620mm；底板厚10mm，縱向U形加勁肋；斜腹板厚14mm，中腹板厚9mm；橫隔板間距4.0m，厚度12mm；梁高2～3.5m。

4 解決鋼箱梁病害的綜合措施

鋼板箱形梁是工程中常采用的結構形式。為了從根本上解決熱脹冷縮對鋼箱梁造成的病害影響，本文結合烏魯木齊市外環快速路道路擴容改建工程存在的施工難點提出改進措施，保障了鋼箱梁結構性能的持久發揮。施工前專門成立管線領導小組，組織好管線遷改和保護方案，確實無法保證時，盡快與設計和業主單位取得聯系進行變更。為保證施工任務順利完成，應制定良好的輪班制度，做好現場施工任務的協調分配，防止盲目施工造成的病害風險；現場需調整好交通車輛的運行，減小交通對施工的干擾[4]。

5 結語

總之，行業科技改造推動了我國交通運輸系統的復雜化，傳統單一公路式交通模式逐漸被雙重結構所取代，這促進了道路與橋梁之間的緊密結合。從物理學原理來說，熱脹冷縮會導致物體形態發生明顯的變化，出現擴大或縮小兩種情況，注重鋼箱梁結構病害的處理是至關重要的。

[1]寧光恒.現代大跨度橋梁結構加固技術的分類與實際運用[J].貴州道路施工，2010，26（12）：82-84.

[2]殷美蓮.熱脹冷縮現象的物理學原理及結構破壞作用[J].合肥工業技術學院，2011，20（12）：32-34.

[3]邊宏藝.鋼箱梁結構病害的引發因素與處理對策[J].地質勘測，2010，15（11）：88-91.

[4]田靜安.氣候環境對路橋結構穩定性影響分析[J].中國科技信息，2010，30（6）：19-22.