大位移模數式橋梁伸縮裝置病害分析與預防

楊素霞

（山西省交通新技術發展有限公司，山西 太原 030012）

橋梁伸縮裝置是為了避免橋梁上部結構在車輛荷載、氣溫變化及混凝土收縮徐變等因素作用下產生明顯位移破壞而在橋面兩梁端之間及梁端與橋臺背墻之間設置的可以自由伸縮的裝置[1]，簡稱為伸縮縫。隨著橋梁建設事業的迅速發展，各種大跨徑橋梁不斷涌現，相應的大位移伸縮裝置也隨之應運而生。相比小位移伸縮裝置，大位移伸縮裝置零部件多，生產制作復雜，安裝困難，加之所處環境復雜，承受車輪荷載和反復沖擊作用，是橋梁整個結構中最為薄弱且最易受損壞的構件[2]，其病害除了表現為小型伸縮縫可能出現的橡膠防水帶開裂損壞、伸縮縫堵塞、混凝土局部剝落等，還會出現梁體斷裂、支座損壞、伸縮不均勻、梁體扭曲等維修困難的病害，嚴重影響著行車舒適度和安全性。

本文以山西臨吉高速公路壺口黃河特大橋為背景實例，闡述了大位移橋梁伸縮裝置常見的重要病害，結合產品設計、工程施工實際及運營期的各種情況，綜合分析了這些病害產生的原因，力求找到避免大位移橋梁伸縮裝置產生病害的預防措施。

圖1 山西臨吉高速公路壺口黃河特大橋

圖2 病害現象——中梁斷裂

1 案例背景介紹

山西臨吉高速公路壺口黃河特大橋于2012年12月30日建成通車。壺口黃河特大橋是臨吉高速公路的重點控制性工程，全長757 m，總投資1.7 億元，橫跨309 國道及黃河，連接晉陜兩省，被譽為“黃河最高橋”。該橋除小縫（GQF80、GQF160）外，共設計有4道大縫（GQF480），型式均為伸縮量480 mm的模數式伸縮縫。該橋梁在通車運行后小型伸縮縫均運行較好但是大位移伸縮縫在運營后的第2年即2014年開始，就不斷出現不同程度的損壞。并且在接下來的幾年里，每年都有縫出現不同程度的損壞，嚴重的時候，出現二次病害。

2 大位移伸縮裝置病害類型

壺口黃河特大橋的伸縮裝置是國內伸縮裝置行業內極具生產、設計及施工經驗的企業所供應，安裝嚴謹，所以并未出現所謂的混凝土脫落、焊點脫焊、防水帶脫落損壞等低等病害，主要病害形式表現為大位移伸縮縫典型嚴重病害，即中梁的斷裂（如圖2所示）。這種病害維修的困難，不僅體現在施工上，更重要的是對于運營中的橋梁公路而言，交通管制投入大，而且存在很大的危險性，一旦發生交通事故極有可能對人員生命造成危害。

3 大位移伸縮裝置病害原因分析

壺口黃河特大橋伸縮裝置采用的結構是傳統格梁結構的模數式伸縮縫（如圖3和圖4所示）。格梁模數式伸縮裝置的特點是一根中梁異型鋼正交固結在1 根橫梁上，所以對于GQF480 縫，縫數為6，承重系統就有5 根中梁異型鋼各自正交固結在相應的5 根支承橫梁上，2 根邊梁異型鋼各自正交固結在放置橫梁的支承位移箱上。支承橫梁兼著支承中梁和調節位移的雙重作用，梁體伸縮時，通過支承梁之間位移控制彈簧的壓縮變形來傳力，實現對縫寬均勻性的控制。另外由于每根中梁對應著一根橫梁，所以位移量越大，每個支承箱內需要設置的支承橫梁就越多，相應的位移控制彈簧也會越多，支承箱的體積也越大。這種情況不僅會增加成本，還會使得梁端的安裝空間不足。

圖3 GQF480 格梁模數式伸縮裝置示意圖

圖4 GQF480 格梁模數式伸縮裝置俯視圖

近兩年來，在對該橋伸縮縫的維修過程中，通過對該伸縮縫結構形式的分析，破壞形式出現的深入探究以及大橋運營情況的深入了解，總結出了大位移伸縮縫出現中梁斷裂這種嚴重病害的幾種原因。

3.1 設計不夠嚴謹，選型不合適

正如一些專家所建議，格梁模數式伸縮縫適用于伸縮量400 mm 以內的情況[3]，該橋設計的伸縮量為480 mm，本身已超出了該形式伸縮裝置的適用范圍，加之位移箱間距過大，加速了伸縮縫病害的產生。對于格梁模數式伸縮縫，當伸縮量較大時，位移箱中橫梁數量及位移箱體積增大，占據了相鄰位移箱的間距，導致安裝困難，而澆筑的混凝土總量就會相應減少，致使伸縮縫與橋梁連接不牢固，在外部荷載尤其是車輛沖擊作用下，極易造成伸縮縫的損壞。在該橋梁伸縮縫的設計中，考慮到該因素，在設計位移箱間距的時候，將位移箱的間距擴大到了1.9 m已保證澆筑混凝土的量。另一方面，在探究損壞中梁附近的下部結構時發現，其鄰近的位移箱底與混凝土開裂，支撐梁滑動片脫落，位移箱下支座部分發生了位移，其中一個支座與其支撐的橫梁徹底脫離，致使支承橫梁與中梁的連接失效，進而導致支撐點變大，在反反復復的荷載作用下，中梁最終發生斷裂（如圖5所示）。

圖5 位移箱中彈性元件損壞現象

3.2 交通車流量和載重大

臨吉高速公路是山西和陜西兩省的連接通道，隨著全國范圍內交通運輸業的發展，此路線的車流量也在不斷增大，給伸縮縫的服役帶來了一定的威脅。壺口黃河特大橋伸縮縫于大橋建成通車的2年后發生首次病害。病害位置發生在山西省通向陜西省的一側方向上，在維修過程中，對其損壞原因進行了大量的考察研究，除伸縮縫本身結構存在缺陷外，還有其他一些重要因素。

根據調研，2012年以來，山西的煤炭大量運往陜西，煤炭載重車的流通量不斷增大，此幅公路不斷遭受著大載重量車輛的反復沖擊作用。加之從隧道出來進入此橋時要經過一段很長距離的下坡路，貨車司機滿載貨物往往不愿在該路段減速。在交通流量大、超速超載嚴重及各種自然因素影響下，伸縮縫的受損機率大大增加。

3.3 季節性溫差大

自2014年以來，壺口黃河特大橋的大位移伸縮縫先后出現了4 次損壞，而且損壞均發生在寒冷的冬季，這與該橋所處的自然環境尤其是氣溫環境有很大的關系。壺口黃河特大橋地處山西省，且在黃河處，年溫差大。夏季溫度高，橋梁混凝土熱脹，相應的伸縮縫會收縮，但是在伸縮量設計足夠的情況下，并不會產生破壞，但是一到冬季，由于季節性溫差大，混凝土劇烈收縮，伸縮縫所受拉力不斷增大，梁端間距也隨之增大，支座極易被拉脫，進而導致支承橫梁失效，中梁斷裂。

4 公路橋梁伸縮裝置病害的危害

公路橋梁伸縮裝置是橋梁結構中關鍵而又最易受損的構件，一旦損壞，不僅會失去其本身調控伸縮量的作用，還會引起跳車、行車不適，輕則損壞車輛，重則將會造成生命財產的損失。由于對病害縫進行維修時，拆除困難，不同的病害需要采取不同的措施，技術難度高，加之在運營道路上進行施工，需要進行安全管制，所以經濟投入大，危險系數高。據統計，對伸縮量480 mm 的伸縮縫進行維修，每延米的價格比新裝縫要高出一倍多。所以伸縮縫的維修將造成極大的經濟浪費和嚴重的交通阻塞，交通管理不善時還可能造成交通事故，給工程質量、效益管理帶來諸多不便，給人民的生命財產帶來極大危害，而且維修質量差，質量無法保證，極有可能出現二次病害。

5 大位移伸縮裝置病害預防措施

如前所述，伸縮縫病害的危害極大，嚴重阻礙了交通公路建設和經濟發展，所以從根本上避免和預防伸縮縫病害的產生變得尤為重要。引發伸縮縫病害的因素有許多，但概括來講主要來自于3個方面：a）設計不合理，選型不合適；b）安裝工藝不合理，施工質量控制不嚴格；c）后期養護管理不到位。要想從根本上解決伸縮縫的病害問題，確保車輛通過伸縮縫時行車的舒適、安全，就必須結合病害形成的原因，在這3個方面做到嚴把關，采取正確有效的預防措施。

5.1 選擇合適形式和伸縮量的橋梁伸縮縫

在設計伸縮裝置結構時，需要結合多方面的因素綜合考慮，包括公路工程的性質、橋梁的類型以及交通量的大小，并經過詳細正確的伸縮量計算[4]，做出合適的選擇，包括伸縮縫的類型和伸縮量選擇。就山西省而言，大部分公路都是重載公路，伸縮縫的選型變得尤為重要，需根據公路橋梁的具體情況選擇最佳結構形式的伸縮縫。正如背景案例中的壺口黃河特大橋，如果將采用的格梁式伸縮縫的位移箱間距縮小到1.5 m以下或者改用等距變位橋梁伸縮裝置，結局將大不一樣。

5.2 規范安裝工藝，重視安裝質量

在導致橋梁伸縮縫病害的多種因素中，施工安裝工藝不合理也是極其重要的因素之一。由于橋梁伸縮裝置的安裝屬于橋梁架設過程中最后的工序，工期要求緊，加之很多不斷涌現的小企業缺乏安裝技術和經驗，對伸縮縫的安裝工藝不重視，只注重表面，忽視了施工質量。對一個優秀的施工隊伍而言，在伸縮縫的安裝施工中，不僅要重視施工現場管理，更要嚴格按照規范要求來作業。

首先，在安裝伸縮縫以前，對預留槽的清理要徹底，對于不合格的預留槽應及時向業主反映，采取應有的措施，保證伸縮縫的正確安放。有些小企業不具備經驗，對預留槽的質量無法把控，或者缺乏責任心，加上趕工期，不注重預留槽開挖的重要性，直接影響到后期的安裝工作和伸縮縫的運營質量。例如某高速公路通車兩年后就發生伸縮縫的嚴重病害現象，在維修過程中發現此縫在安裝時梁端間隙過大，位移箱部分處于懸空狀態，通車后在復雜環境條件作用下，箱內支座很快就被破壞，最終導致橫梁支承失效，中梁斷裂。如果在施工時能及時解決此缺陷，采用牛腿支撐的方式將位移箱支起或直接澆筑混凝土縮小梁端間距，就不會出現早期病害現象。

其次，在安裝伸縮縫過程中，從切縫、刨縫、放縫、調平、錨固、澆筑混凝土、養生各個環節要嚴格把控質量，保證伸縮縫的正確安裝。特別需要注意的是伸縮縫在錨固前要根據安裝時的實際氣溫靈活調整縫寬。就山西地區而言，很多伸縮縫工程都是在十月份前后進行施工，氣溫逐漸下降，很多縫安裝時未將縫的預留寬度調寬，導致第二年夏天溫度較高時伸縮縫出現頂死的病害。

5.3 加強運營期的養護管理

隨著交通運輸業的不斷發展，車輛載重大速度快成了普遍現象，給橋梁養護工作帶來了極大的挑戰。日常保養、預防性保養可以大大降低伸縮縫的受損速度，延長其使用壽命。在伸縮縫的日常養護中應加強以下幾點：

a）定期對伸縮縫進行維護保養，及時清理伸縮縫中的雜土、垃圾，保證其本身的伸縮功能；b）發現構件損壞、混凝土破損等病害問題要及時進行維修處理，以免擴大破損力度和范圍，影響行車安全，造成安全隱患；c）嚴格控制進入公路橋梁上的超載車輛，尤其要加強對于夜間行車的管理，規范行駛規則，盡量降低超載快速車輛對橋梁伸縮縫使用耐久性的威脅。

6 結語

以山西臨吉高速公路壺口黃河特大橋為實例，探究了大位移橋梁伸縮縫的嚴重病害問題。從調查和分析可知，設計、施工和養護管理任何一個環節出現缺陷或不足，都會影響到伸縮縫的使用壽命，甚至引發病害，對生命財產造成威脅。所以，有必要在伸縮縫的設計、施工和養護管理方面提高要求，采取相應的病害預防措施，以保證伸縮縫的正常服役和車輛的安全行駛。