上海城市梁橋型鋼伸縮裝置損壞保持性分析

改造者：梁遠路 李 莉 陳 長

上海城市梁橋型鋼伸縮裝置損壞保持性分析

改造者：梁遠路 李 莉 陳 長

伸縮縫是橋梁的重要構件，它能保證橋梁正常受力，從而保障橋梁的安全和耐久性。本文對上海市城市橋梁中梁式橋的伸縮縫發展規律進行分析，發現螺帽松動、鋼材料翹曲變形、伸縮量異常和伸縮縫異常聲響等對橋梁安全、服務性能和耐久性影響較大的損壞類型得到了更大的重視，而縫內沉積物阻塞、接縫處跳車等相對不重要的部位沒有得到充分地維修。然而縫內沉積物阻塞、接縫處跳車等部位雖然對結構安全影響小，卻會影響養護資金的效益。本文在對構件損壞保持情況進行分析的基礎上，提出相對不重要部位的損壞會對重要損壞造成影響，養護資金的分配應該考慮各部位之間的聯系。

伸縮縫是橋梁的重要組成構件，它能滿足溫度變化時橋梁縱向膨脹和收縮變形，從而大幅降低溫度應力對梁式構件的影響。伸縮縫處于梁端構造薄弱部位，直接承受車輛沖擊荷載，因此也極容易損壞。伸縮縫破壞一方面影響行車安全和行車舒適，加速了支座和墩臺的病害發展，影響結構的耐久性，甚至會危及梁板，導致單板受力，產生安全隱患。然而伸縮裝置由于其可更換性等原因，常常在設計和施工中被忽視。但是可更換并不代表易更換，更不代表更換過程中的經濟性。更換過程會阻斷交通，更換后迫于通行壓力也不能實施很好的養護，造成裝置強度不足。可以說，每一次更換都會帶來巨大的經濟損失。

伸縮裝置損壞的現狀和經濟影響

伸縮縫維修的間接成本包含車輛運營成本、時間延遲成本、安全事故成本、環境保護成本、人員傷亡成本和相關產業損失成本等。若伸縮縫完全損壞，則需要整體更換，其代價將十分高昂。以濱州黃河公路大橋為例，常規施工方法下更換一次伸縮縫造成的經濟損失高達百萬元以上。

有文獻研究表明，按照當代大橋設計壽命一百年計算，更換周期為20年的伸縮裝置在全壽命周期的成本為其初始安裝成本的13倍，而更換周期為10年的伸縮裝置在全壽命周期的成本為其初始安裝成本的28倍。

有實踐表明，作為橋梁結構次要部件的橋梁伸縮裝置易損難修，在橋涵養護資金投入中占據相當比重，在高車速、重交通、大流量的復雜交通環境下該問題尤為突出。

由此可見，對伸縮縫的合理設置與維護，能帶來可觀的經濟效益。然而現實中，伸縮縫的合理設置和維護并不盡如人意。伸縮縫溫度取值不合理，導致伸縮量計算不準確，是導致伸縮縫損壞的關鍵因素。橋面和伸縮裝置內的石子、泥沙等雜物未能及時認真地進行清掃，影響了伸縮裝置的正常變形，橋面鋪裝和伸縮裝置老化，接縫處橋面凹凸不平，維修又不充分，都加劇了伸縮裝置的破壞。

上海市面臨橋梁服役年限增長，交通流量、重車過橋數量的不斷增加的情況，加上環境因素的作用，上海市橋梁伸縮縫在可預期的將來，發生損壞的概率也會增加。對上海市城市梁橋型鋼伸縮裝置的現狀和歷史情況進行分析，得其損壞發生和保持規律，能指導其未來養護資金的使用，從而減少其全壽命周期的費用。

上海城市橋梁伸縮縫管理現狀

上海市采用BMS（Breidge Management System，橋梁管理系統）對橋梁進行管理，管理的業務流程如圖1所示。

圖1 上海市橋梁養護業務流程圖

由圖1可知，橋梁構件的日常養護、大中修和加固措施的制定很大程度上依賴于其評價狀況。上海市采用的是《城市橋梁養護技術規范》（CJJ99-2003）中的橋梁評價模型，用BCI（Bridge Condition Index，橋梁狀況指數）來表示橋梁的狀態。該模型將橋梁劃分成不同層次的構件（第一層為橋面系、上部結構、下部結構，第二層是構件大類，第三層是具體損壞類型），每一層的滿分都是一百分，通過扣分制得到每一層的評分，然后用分層加權的方法得到總分。統計橋梁損壞的時候，按照心理學上人最容易直觀判斷將具體損壞按無、輕微、嚴重三個級別進行統計。

伸縮縫是橋梁系統損壞最為頻繁的構件之一，上海市BMS中的數據也印證了這一點。依據《城市橋梁養護技術規范》（CJJ99-2003），將伸縮縫劃分為7個損壞單項，每個單項的具體扣分值如表1所示。

表1 伸縮縫構件大類具體損壞單項扣分值表

圖2 上海市城市梁橋型鋼伸縮縫縫內沉積物阻塞歷年損壞情況

圖3 上海市城市梁橋型鋼伸縮縫接縫處跳車歷年損壞情況

圖4 上海市城市梁橋型鋼伸縮縫螺帽松動歷年損壞情況

圖5 上海市城市梁橋型鋼伸縮縫伸縮量異常歷年損壞情況

由于上海市的BMS中僅納入了城市橋梁的數據，其中近90％的橋都是梁橋（總計2305座橋，2048座梁式橋，截至2014年），而大部分橋梁的伸縮裝置都是型鋼（模數式）類型，因此本文的分析限于城市梁橋的型鋼伸縮裝置。

上海市城市梁橋型鋼伸縮縫幾種典型的損壞類型縫內沉積物損壞、接縫處跳車、螺帽松動和伸縮量異常歷年損壞比例變化情況如圖2-圖5所示。

從圖2-圖5可知，縫內沉積物阻塞是伸縮縫構件大類中損壞比例最大、損壞最為嚴重的單項，其“少量”和“嚴重”損壞的比例一直比較穩定，接縫處跳車的損壞比例有降低的趨勢，但是仍然較大，螺帽松動和伸縮縫異常的損壞比例逐年下降最后保持到一個較低的水平。通過表1可以看到，縫內沉積物阻塞和接縫處跳車是扣分值較低的單項，螺帽松動和伸縮縫異常是扣分值較高的單項，扣分較低的單項沒有得到足夠重視，損壞情況不容樂觀，扣分較高的單項得到了較大的重視，損壞情況不斷好轉。這是因為目前橋梁管理的核心是安全管控，因此對橋梁安全影響較大的構件比較重視，而構件的損壞對橋梁服務性能、長期經濟性的影響并沒有充分的關注，這也反映了我國橋梁管理的現實水平。

有研究表明，縫內沉積物阻塞長期保持比較嚴重的狀態，依然有可能對橋梁安全造成嚴重威脅。阻塞的伸縮縫喪失了自由漲縮的能力，容易在在相鄰的主梁或主梁與橋臺之間產生推力，嚴重的甚至發生主梁的頂起或橋臺背墻的開裂，存在門式框架的橋梁還可能在彎矩最大處發生結構的斷裂，從而嚴重危害橋梁的安全。為了衡量對安全影響不大的構件損壞對橋梁的長期影響，需要對這些構件的歷史數據進行更細致的分析。隨機抽取上海市8座梁橋縫內沉積物阻塞歷年變化情況（表2）可以看到，有的橋梁損壞一旦出現就很快被修復，有的橋梁損壞一旦出現就一直保持下去，損壞比例相對穩定是一種動態平衡。宏觀上養護維修一直在進行，但個別橋梁維修不及時。由圖2可知，上海城市梁橋型鋼伸縮縫中，常年存在相當比例嚴重阻塞的伸縮縫，要定量分析這些伸縮縫中長期保持有損壞狀態的數量，就需要定義一種損壞保持性指標。

損壞保持性的衡量

表2 上海梁式橋伸縮縫接縫內沉積物阻塞歷年損壞情況部分查詢結果

損壞發生后保持未修理的時間越長，則相應的服務性能下降時間越長，且如果長期未修復而導致損壞程度增加，則又會增加修復的費用。基礎設施的服務性能，全壽命周期的養護費用均與損壞的保持程度有關，建立損壞保持性的量化指標，能幫助分析設施服務性能的變化和指導全壽命周期的養護資金分配。此外，如果及時發現，及時養護，則損壞保持的時間也少，因此損壞保持性指標也可以作為衡量養護工作效果的參考指標。

本文定義的損壞保持性指標δ為從有損壞記錄的年份起，有損壞的年份數量與總年份數量之比，即

這里，有損壞是指發生輕微損壞或嚴重損壞。不對輕微損壞和嚴重損壞做嚴格區分是因為對損壞的統計是人工進行的，評判的標準也不是定量的，為了降低評價的誤差和強調有無損壞質的區別，損壞保持性指標的計算以有無損壞為根本依據。從定義中可以看出，損壞保持性的計算屏蔽了從未出現該類損壞的橋梁，因為該類橋梁很難定義其損壞的保持性。對此，我們可以統計從未出現某類損壞的橋梁比例（記為k），該比例可以表征日常養護條件下橋梁該部位保持完好狀態的能力，1-k表示計算損壞保持性系數涉及的橋梁比例。

損壞保持性指標δ取值最小為0（不能取到），表示損壞一旦出現就被修復，而且難以再出現損壞；δ取值最大為1（可以取到），表示損壞一旦出現就沒有被修復。δ取值越小，表示養護工作強度越大，養護效果越好，δ取值越大，表示該類損壞越未得到重視。

型鋼伸縮裝置的損壞保持性

經計算，接縫內沉積物阻塞的損壞保持性系數為0.77，從未發生該類損壞的橋梁比例為0.07，這意味著出現該損壞后的十年中，平均有8年是繼續有損壞的狀態，僅有7％的橋梁未出現過此類損壞。再統計其損壞保持性系數的分布（圖6），可以看到取值為1的數量較多，說明該類損壞一旦發生，就沒有很及時地修復。其他單項的損壞保持性系數（從未發生該類損壞的橋梁比例）為，螺帽松動0.35（0.91），接縫處鋪裝碎邊0.57（0.33），接縫處跳車0.49（0.39），鋼材料翹曲變形0.39（0.87），伸縮量異常0.56（0.75），伸縮縫異常聲響0.40（0.80）。

螺帽松動會使伸縮縫在行車荷載作用下松脫、翹起，造成較大的行車振動和噪聲，會使局部滲水和積水，加速支座的老化和鋼筋的銹蝕。從單項值扣分較高的螺帽松動保持性系數分布（圖7）可以看出，它與縫內沉積物阻塞呈現完全相反的特征，損壞保持性系數低的數量較多，從來沒有發生過螺帽松動的橋梁占比高達91％。

圖6 縫內沉積物阻塞損壞保持性系數的分布

圖7 螺帽松動損壞保持性系數的分布

表4 縫內沉積物阻塞與伸縮縫其他損壞的關聯表

可以看到，不太重要的構件，如扣分值較低的縫內沉積物阻塞損壞保持性系數較高，而較為重要的構件，如螺帽松動，其損壞保持性系數較低，從來沒有發生過該類損壞的橋梁比例也較高。

分析表明，上海城市梁橋型鋼伸縮縫縫內沉積物阻塞的情況長期大量存在，極有可能對橋梁的長期性能造成不良影響，這種情況需要得到整治。

縫內沉積物阻塞與伸縮縫其他單項的關系

伸縮縫的各部位是一個有機整體，其中任何一部分的損壞都可能導致伸縮縫的整體損壞。

由過往車輛帶來的泥砂、石屑等雜物將伸縮裝置淤死，會導致伸縮裝置失去伸縮功能，預留的伸縮縫過小會導致兩側梁板過度擠壓，使接縫處材料凸起破損，從而產生跳車。為了揭示伸縮縫內各部分的內在聯系，需要對它們進行相關性分析。卡方檢驗是一種用途很廣的計數資料的假設檢驗方法，主要是比較兩個及兩個以上樣本率（構成比）以及兩個分類變量的關聯性分析。為了衡量沒被重視的伸縮縫縫內沉積物阻塞與其它單項的聯系，本文采用標準的卡方檢驗四格表，對2014年度數據量較大的接縫處鋪裝碎邊、接縫處跳車和橡膠塊老化做了卡方檢驗。標準的卡方檢驗四格表要求表中（表3）a、b、c、d的值均大于5，構造的卡方變量因為標準四格表自由度=（行數-1）×（列數-1），衡為1，故不查表，用3.841和6.635兩個數判斷即可：

χ2〈3.841則P〉0.05，相差不顯著

3.841≤χ2〈3.841則0.05≥P〉0.01，相差顯著

χ2〉6.635則P≤0.01，相差非常顯著

P為甲乙兩組來自同一總體的概率。

表3 標準χ2檢驗四格表

表4可以按照表3的模板拆分成3個標準的四格表，卡方檢驗的結果如表5所示。

表5 卡方檢驗的結果

結果表明，縫內沉積物阻塞對接縫處跳車有明顯的影響。橋頭跳車會帶來諸多不良影響，如使車輛不得不降低車速，降低通行能力；使駕駛員和乘車者感到顛簸不適、心情不快、易疲勞；造成載貨物特別是易碎、貴重物的損壞；嚴重跳車會造成翻車、追尾等交通事故；跳車產生的水平和垂直沖擊力會對路面、路基和橋梁結構物產生進一步的損壞，增加養護維修費用和管理上的難度等。實際上，發生縫內沉積物阻塞的橋梁（2014年數據，總數1016座）同時存在伸縮量異常的有124座，概率為12.2％，縫內沉積物不阻塞（2014年數據，總數344座）同時存在伸縮量異常的有4座，概率為1.2％。從數據量較小的伸縮量異常依然可以看出，縫內沉積物阻塞會明顯增加發生伸縮量異常的幾率。也就是說，縫內沉積物阻塞還會影響到伸縮縫其他損壞類型，經常清理縫內沉積物還能降低伸縮縫其他部位發生損壞的幾率。

結語

伸縮縫在橋梁養護資金中占據相當比重，對伸縮縫的合理養護，延長其壽命能帶來可觀的經濟效益。縫內沉積物阻塞是對橋梁安全影響較小的伸縮裝置損壞單項，其損壞情況長期未得到整治，這種情況持續下去有可能導致主梁斷裂等嚴重損壞。縫內沉積物阻塞與接縫處跳車、伸縮量異常有顯著的相關性，對縫內沉積物進行及時清理，不僅能降低它本身對橋梁安全、服務性能和長期經濟性的不良影響，還能降低其他單項發生損壞的概率和對橋梁的不利影響。因此，養護資金分配時應注意到不太重要的構件與其他構件的關聯以及它本身嚴重損壞的長期保持可能對橋梁造成的影響。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.23.022