公路桥梁伸缩缝病害研究综述

2021-12-16易志宏刘强周桂吉

四川建筑 2021年5期

易志宏　刘强　周桂吉

【摘要】伸缩缝作为公路桥梁工程的重要组成部分，具有控制桥梁两端翘曲角度、解决混凝土收缩问题、确保桥梁平稳自如伸缩等功能，对改善桥梁结构性能、保证行车安全有重要意义。实际工程中，由于设计、制造、施工、后期养护等方面的原因，公路桥梁工程会出现各类伸缩缝病害，严重影响着公路桥梁的安全性及行车舒适性。文章针对国内公路桥梁伸缩缝，通过文献调研与实地考察的方式，全面详细地总结出目前国内伸缩缝存在的主要病害问题及其成因，给出了处置方法，同时针对伸缩缝的设计、制造、施工、后期养护等方面提出一定意见与建议，并对伸缩缝的未来研究方向进行了展望，以提供一定工程参考。

【关键词】公路桥梁; 伸缩缝; 病害; 成因; 建议; 展望

【中图分类号】U443.32【文献标志码】B

1 公路桥梁伸缩缝基本定义

为满足温差、风力、车载等条件引起的桥梁纵向水平变形等需要，以保证桥梁结构的安全，桥梁结构设计中，通常在桥墩与桥台处设置伸缩缝[1]。一般认为，理想的伸缩缝除了需要满足桥梁上部结构伸缩变形的要求与本身的强度要求外，应与桥面铺装部分牢固连结;车辆通过时应平顺、无突跳且噪声小。除此之外，还应具有良好的水密性和排水性，并便于安装、检查、养护和清除沟槽的污物[2]。

在桥梁工程应用中，伸缩装置因直接承受车轮荷载的反复冲击作用，而且长期暴露在大气中，使用环境比较恶劣，同时又要适应桥梁各种复杂的变位运动，是桥梁结构易遭到破坏，而有难以修补的部位之一，是交通建设管理方面的一个“老大难”问题。

在我国，随着改革开放以来公路建设的大规模发展，由于在桥梁伸缩缝工程的建设中未重视耐久性、在桥梁运营时缺少定期和合理的养护，加上超载、超限车辆现象严重，加速了桥梁结构使用寿命的衰减。随着大量高等级公路的建设和不断投入运营，公路桥梁伸缩缝在建设运营过程中相继出现了一些病害，桥梁伸缩缝病害还具有普遍性，已影响到桥梁的运营安全性和耐久性。

本文主要针对国内公路桥梁伸缩缝，通过文献调研与实地考察的方式，总结出目前国内伸缩缝存在的主要病害问题及其成因，对伸缩装置的设计、制造、安装等方面提出一定意见与建议，并对伸缩缝的未来研究进行了展望。

2 公路桥梁伸缩缝分类

公路桥梁伸缩缝类型主要分为无缝式（桥面连续、TST）伸缩缝、对接式（填塞对接式、嵌固对接式）伸缩缝，钢制支承式（梳齿板）伸缩缝、橡胶板式伸缩缝、模数式伸缩缝[3]。

2.1 无缝式伸缩缝[4]

无缝式伸缩伸缩缝是指结构不连续、桥面铺装连续的伸缩缝。常见的形式主要有桥面连续、TST碎石弹塑体伸缩缝等。桥面连续伸缩缝一般在桥梁端部的伸缩间隙中填入弹性材料并铺上防水材料，然后在桥面铺装层铺筑粘弹性复合材料，使伸缩缝处的桥面铺装与路面形成一连续体，如图1所示。这种类型的伸缩装置，一般是在路面（桥面）施工完成后用切割机切割路面，并在槽口内注入嵌缝材料而成的构造，仅适用于伸缩量较小的部位（一般小于40 mm）严格按照工艺要求安装的无缝伸缩缝粘接料，其寿命是一般改性沥青路面的两倍左右。如图2所示。

无缝式伸缩伸缩缝以接缝处的沥青混凝土、弹塑体等材料的变形来吸收梁体的伸缩，并承受车辆荷载。此类伸缩缝的主要特点为：

（1）能适应桥梁上部构造的伸缩变形和小量转动变形。

（2）使桥面铺装形成连续体，行车时不产生冲击、振动，行车舒适性较好。

（3）伸缩装置本身形成多重防水构造，防水性较好。

（4）在寒冷地区，易于机械化除雪养护，不至于破坏接缝。

（5）施工简单易行，便于维修、更换。

对TST碎石弹塑体伸缩缝而言，TST粘接料通常在-40 ℃时桥面不会变脆，在夏季高温达80 ℃时不会流动。在全国范围内都可以正常使用。由于TST的高温粘附特性，在施工时可与现有路面牢固粘结变快，常温不粘，冷却后也不会被带走。TST是一种特制的高粘弹塑性材料，常温下呈弹塑态，高温熔溶后可热灌人碎石中，成型后如同沥青混凝土状，能承受车辆荷载，又有弹性，可代替小伸缩缝的功能。施工方便快捷，铺装冷却后，即可开放交通。当伸缩缝需要进行更换时，可半边施工。对交通繁忙路段不中断交通。

2.2 对接式伸缩缝[5]

公路桥梁所使用的对接式伸缩缝主要分为填塞对接式、嵌固对接式两种。

填塞對接式伸缩缝是以伸缩体的弹性来承受车轮荷载的伸缩缝，其伸缩体所用的材料有砂石、碎石及各种形状橡胶制品等，也有采用泡沫塑料板或合成树脂材料等，伸缩体总是处于压缩状态（图3）。常见的有U型锌铁皮型、木板填塞型、沥青填塞型及矩形橡胶条、管型橡胶条型等。U型镀锌铁皮伸缩缝，是一种广泛应用于20世纪70～80年代的填塞对接式伸缩缝。

填塞对接式伸缩缝的主要特点为：①造价低廉。②所需要材料易于加工。③施工简单易行。此类一般适用于伸缩量为40 mm以内的桥梁，由于耐久性、防水性差，使用寿命短，目前已经很少采用。

嵌固对接式伸缩缝又称异型钢式或仿毛勒式伸缩缝，其结构原理是将不同形状的橡胶制品用不同形状的钢构件嵌固起来，然后通过锚固系统将它们与接缝处的梁体或桥台背墙锚固成整体，由异型钢提供对车轮的支承，以橡胶条、橡胶带的拉压来吸收梁端的变形，其伸缩体可以处于受压状态，也可以处于受拉状态。这是目前在国内公路桥梁建设中使用较为广泛的一种伸缩缝，常见的有W型、SW型、M型、PG型等。此类伸缩缝适用于伸缩量小于80 mm的桥梁结构，即接缝宽度为20～80 mm。

嵌固对接式伸缩缝的主要特点为：①构造简单，受力明确，造价较低。②伸缩装置主要构件均由生产厂家加工完成，施工现场安装，与梁端连接一般通过钢筋焊接，结构可靠，施工质量易于保证。③耐久性较好。④防、排水性能好。⑤行车舒适度较好。

2.3 钢制支承式伸缩装置[6]

钢制支承式伸缩缝是用钢材装配而成的，能直接承受车轮荷载的构造。这种伸缩缝以前多用于钢桥，现在混凝土桥梁也有使用。钢制支承式伸缩缝种类、现状、尺寸繁多，应用比较广泛的主要是钢梳齿型。钢梳齿型桥梁伸缩装置的构造是由梳型板、连接件及锚固系统组成，有的钢梳齿型桥梁伸缩装置，在梳齿之间填塞有合成橡胶，以起防水作用，亦有采用专门的排水槽来解决排水问题的，如图4所示。钢梳齿型桥梁伸缩缝，亦为钢板手指状接缝，根据梳齿的支承情况分为支承式和悬臂式。

此类伸缩缝的主要特点为：

（1）构件全部采用钢材加工装配，结構强度高。

（2）可以对车轮提供连续的支承，行车舒适度好。

（3）与梁体连接均采用预埋钢构件，连接可靠。

（4）抗冲击、振动能力强，耐久性好。

（5）可以适应较大的水平变位，可用于大型桥梁。此类伸缩缝适用于伸缩量大于40 mm的桥梁，但因其造价较高，应用范围不是很广泛。

2.4 橡胶板式伸缩缝[7]

橡胶板式伸缩装置是充分利用橡胶材料剪切模量低的特性，在橡胶体内设置承重钢板与锚固钢板，并设置螺栓孔，通过螺栓与梁端连接成整体，如图5所示。这种结构依靠上下凹槽之间的橡胶体剪切变形来吸收梁的伸缩变位，橡胶体内埋设钢板，跨越梁端间隙，承受车轮荷载。这种装置在我国应用较早，全国的生产厂家比较多，名称各不相同主要应用于20世纪80～90年代。橡胶板式伸缩缝，具有构造简单、安装方便、经济适用等优点。主要为适合于伸缩量30～60 mm的二级以下的公路桥梁，在我国应用较多。

这类伸缩缝具有以下性能特点：

（1）它是依靠上、下两块钢板之间的橡胶体产生的剪切变形来满足结构的变形，该装置产生变形之后，在橡胶体内存有一定的变形能力，对结构将有一定的约束要力。

（2）承重的跨缝钢板预埋在橡胶体内，与钢结构伸缩缝比较，它对车轮的冲击力，有一定的缓冲作用，有效地保护了伸缩装置与梁体，改善了行车条件。

（3）伸缩装置的角钢，有效地加强了梁体的端部强度。橡胶板式伸缩缝的伸缩体的水平变形内力较大，一般每延米约有30～35 kN，变形越大，水平力越大，装置的整体破坏的可能性也越大。

因此，橡胶板式伸缩缝选型时，一定要考虑由于安装的误差，温度误差等因素，选用的变形富裕量不小于30 mm，以确保该类伸缩装置的正常使用。

2.5 模数式伸缩缝[8]

模数式桥梁伸缩缝，如图6所示，是由纵梁（异型钢）、横梁、位移控制箱、橡胶密封带等构件组成的伸缩缝。由V型截面或其它截面形状的橡胶密封条（带），嵌接于异型钢边梁和中梁内，组成可伸缩的密封体，由异型钢直接承受车轮荷载，并将荷载传递至横梁，由横梁传递至梁体和桥台;位移控制箱在伸缩装置吸收梁端变形时，保证异型钢间间隙保持均匀;橡胶密封带起防止杂物进入及防水。模数式伸缩缝可以根据实际伸缩量的需要，增加中梁钢和密封体的个数，可组成满足大位移量的伸缩装置，一般用于伸缩量大于80 mm的桥梁。从80 mm的单缝到1 200 mm的多缝，共分15级。

此类伸缩缝的主要特点为：

（1）整个伸缩缝由异型钢纵梁、钢横梁、控制传动机构、位移箱、密封橡胶条等多种构件组成，结构较复杂。

（2）密封性能较好，防、排水性能好。

（3）可适用于有较大伸缩量要求的桥梁。

（4）结构整体刚度较高，耐久性较好。

（5）行车舒适度较好。

但因该伸缩缝结构复杂，维修、更换均需要生产广家专业技术人员，加之造价高，一般只用于等级较高的大型桥梁。

3 公路桥梁伸缩缝常见病害及成因

3.1 混凝土锚固区表面破损

此类伸缩缝病害表现为伸缩装置混凝土锚固区出现碎裂、剥落等现象[9]，如图7所示。病害成因大致可以分为以下几种：

（1）混凝土后浇层太薄，厚度小于12 cm，极易在车轮碾压作用下发生崩裂，剥落现象。

（2）混凝土表面不平整，与桥面铺装及型钢表面存在严重的错台现象，在行车冲击荷载的作用下产生拉应力裂缝破坏，尤其在纵坡较大的桥梁上，此种破坏更为明显。

（3）混凝土配筋不足，钢筋保护层厚度超差。

（4）混凝土配合比不合理，骨料偏少或级配不合理或水泥用量过高或水灰比过大引起的混凝土耐磨性差引起的混凝土破坏。

（5）混凝土浇筑过程中养生不充分引起早期裂纹。

（6）混凝土养护期不够，开放交通较早。

此类伸缩缝病害常出现在型钢单缝、模数式伸缩缝以及梳齿板式伸缩缝。针对此类伸缩缝病害，常采用以下三种措施进行改善维护：①直接凿除破碎的锚固区混凝土，并重新浇筑混凝土;②重新规范配筋;③重新安装新的伸缩装置。

3.2 梁板坍塌

此类伸缩缝病害表现为紧挨伸缩装置的悬臂板梁出现局部坍塌、空陷现象，如图8所示。病害成因大致可以分为以下几种：

（1）伸缩装置安装处梁板厚度不足。

（2）伸缩装置安装槽口内横桥向配筋不足，梁端局部强度不够。

（3）伸缩装置安装前槽口底部梁体混凝土已出现较严重龟裂现象。

此类伸缩缝病害常出现在型钢单缝、模数式伸缩缝以及梳齿板式伸缩缝。针对此类伸缩缝病害，常采用以下三种措施进行改善维修：①直接凿除破碎的锚固区混凝土，规范配筋、并重新浇筑混凝土;②加强梁板局部强度（增加厚度，增强配筋）;③必要时在梁端设置横桥向通长的端横梁。

3.3 混凝土锚固区挤压开裂

此类伸缩缝病害表现为伸缩缝纵桥向两端抵触，锚固区混凝土龟裂、碎裂，如图9所示。病害成因大致可以分为以下几种：

（1）梁体运动在邻近墩台受到限制，梁体膨胀时伸缩缝发生抵触，引发后浇混凝土损坏。

（2）伸缩装置选型不当，伸缩量余量不足，或安装时预调间隙设置不当，夏天梁体膨胀时型钢抵触，造成混凝土破碎。

此类伸缩缝病害常出现在型钢单缝、模数式伸缩缝以及梳齿板式伸缩缝。针对此类伸缩缝病害，常采用以下措施进行改善维修：凿出旧缝，增大伸缩装置间隙，重新安装间隙更宽的伸缩缝。

3.4 支承点悬空

此类伸缩缝病害表现为伸缩缝横梁支撑点悬空[10]，如图10所示。病害成因大致可以分为以下几种：

（1）混凝土模板设置不当，造成横梁支撑点漏浆，伸缩装置关键受力点悬空。

（2）梁缝超宽，伸缩装置安装后支撑点悬在梁体外。

（3）伸缩装置安装时预调间隙设置偏小，造成支撑点悬在梁体外。

此类伸缩缝病害常出现在模数式伸缩缝。针对此类伸缩缝病害，常采用以下措施进行改善维修：①在漏浆处灌注高强度混凝土修补剂;②在悬空的支承点出设置牛腿。

3.5 钢构件损坏

此类伸缩缝病害表现为伸缩装置钢构件（异型钢等）发生断裂（图11）。病害成因大致可以分为以下几种：

（1）实际运营荷载超载，强大的冲击力作用及交变荷载作用下，导致伸缩装置结构本身出现损伤，焊缝位置出现强度破坏或疲劳破坏。

（2）伸缩缝本身材料或焊条质量达不到要求，施工过程中，安装工艺粗糙，出现碰撞等问题。

（3）伸缩缝横梁支承元件损坏加剧伸缩缝所承受冲击，同时管养不到位，未及时维修伸缩缝。

此类伸缩装置病害常出现在模数式伸缩装置。针对此类伸缩装置病害，常采用以下措施进行改善维修：①及时更换损坏的钢构件;②对无法更换的部件，咨询厂家维修建议。

3.6 支承元件损坏

此类伸缩缝病害表现为伸缩缝工作面下沉、行车异响，如图12所示。病害成因大致可以分为以下几种：

（1）支承元件老化强度降低。

（2）预压元件老化后弹性损失，预压力不足，在冲击荷载作用下发生移位。

（3）斜向支撑系统的支承元件在水平力作用下导致滑块挡边损坏。

此类伸缩缝病害常出现在模数式伸缩缝。针对此类伸缩缝病害，常采用以下措施进行改善维修：①更换损坏的支承元件;②修复损坏的不锈钢滑移面。

3.7 橡胶止水带破损

此类伸缩缝病害表现为橡胶止水带脱落、破洞、撕裂、拉断等[11]（图13）。病害成因大致可以分为以下几种：

（1）伸缩装置伸缩过量，导致止水带脱落或撕裂。

（2）伸缩装置有杂物填充，在汽车碾压下，刺破止水带。

（3）止水带橡胶老化破损。

（4）伸缩装置支承架构损坏，伸缩缝型钢振动加剧，导致止水带脱落或撕裂。

（5）设计时，对梁端位移计算不足，选用的伸缩缝不符合要求。

（6）伸缩缝安装时，对伸缩缝的预张量计算错误。

（7）结构体系发生了变化，导致梁端位移变大。

此类伸缩缝病害常出现在模数式伸缩缝。针对此类伸缩缝病害，常采用更换橡胶止水带进行改善维修。

3.8 钢构件腐蚀

此类伸缩缝病害表现为钢构件发生局部腐蚀，表皮锈层满布（图14）。病害成因大致可以分为以下几种：

（1）伸缩缝防腐涂装质量不适应使用环境。

（2）伸缩缝有杂物填充，在汽车碾压下，刺破止水带，长期漏水。

（3）伸缩缝止水带橡胶老化破损。

（4）管养不到位，未及时清理伸缩缝止水带内杂物。

此类伸缩缝病害常出现在模数式伸缩缝。针对此类伸缩缝病害，常采用以下措施进行改善维修：①对于锈蚀不是很严重的情况，可以对锈蚀表明重新进行防锈层涂装处理;②对于锈蚀严重的情况，建议更换相应钢构件。

3.9 中梁断裂

此类伸缩缝病害表现为异型钢中梁发生断裂[12]，如图15所示。病害成因大致可以分为以下几种：

（1）现场对接时，未焊透、焊缝缺陷严重，接头设置在弯矩较大地方，未设置对接加强板;

（2）伸缩缝其它部件损坏后中梁受力恶化，且长时间未及时处理。

此类伸缩缝病害常出现在模数式伸缩缝。针对此类伸缩缝病害，常采用以下措施进行改善维修：及时处理其它损坏构件，采用强度更高的中梁，并现场更换中梁。

3.10 伸缩缝缝隙杂物填充

此类伸缩缝病害表现为缝隙内被尘土、石子等杂物填充，直接造成伸缩装置无法正常伸缩，严重者会导致梁体积累内力过大发生开裂（图16）。病害成因主要如下：路面灰尘较大或者行车垃圾乱扔，伸缩缝未能定期进行清理，导致杂物长期积累在缝隙内。

此类伸缩缝病害常出现在型钢单缝、模数式伸缩缝以及梳齿板式伸缩缝。针对此类伸缩缝病害，常采用以下措施进行改善维修：加强管养，及时清理伸缩缝止水带内杂物。

3.11 螺栓剪断、松弛与梳齿板脱落

此类伸缩缝病害表现为梳齿板处连接螺栓断裂，梳齿板脱离原有位置（图17）。病害成因主要如下：

（1）施工过程中，梳齿板下部混凝土振捣不密实，导致梳齿板在车辆荷载作用下产生强烈振动，导致螺帽脱落，螺栓剪断脱落。

（2）混凝土表面不平整，行车时梳齿板扰动幅度大，造成螺栓彎曲疲劳断裂。

（3）配筋不当，螺栓锚固不牢。

此类伸缩缝病害常出现在梳齿板式伸缩缝。针对此类伸缩缝病害，常采用以下措施进行改善维修：①更换螺栓;②对螺栓施加可靠的放松措施，例如增加楔形防松垫圈。

3.12 伸缩缝处凹凸不平

此类伸缩缝病害表现为桥面铺装层老化，接缝处桥面凹凸不平（图18）。病害成因主要如下：

（1）设计所用伸缩缝伸长量不足，类型选择不合理，伸缩缝刚度与主梁刚度相差过大。

（2）实际运营荷载超载，强大的冲击力作用，导致伸缩缝结构本身出现损伤、桥面铺装破坏、锚固混凝土出现破损等。

此类伸缩缝病害常出现在型钢单缝、模数式伸缩缝以及梳齿板式伸缩缝。针对此类伸缩缝病害，常采用以下措施进行改善维修：直接凿除凹凸不平混凝土，规范配筋、并重新浇筑混凝土，并按要求安装伸缩装置。

3.13 齿板上翘

此类伸缩缝病害表现为前后两片梳齿板不平齐，其中一片梳齿板上翘突出，如图19所示。病害成因主要如下：

（1）螺帽松动脱落导致垃圾堵塞梳齿下部，致使梳齿上翘。

（2）伸缩缝结构不合理，不能适应梁端转动。

此类伸缩缝病害常出现在梳齿板式伸缩装置。针对此类伸缩装置病害，常采用以下措施进行改善维修：凿除周围混凝土，规范配筋、并重新浇筑混凝土，安装现有梳齿板，并紧固螺栓。

根据以上伸缩缝的病害调研，可以将伸缩缝病害归纳为以下几大类：后浇混凝土易破损、连接螺栓易松弛断裂、止水胶带易破损、支撑体系易破损。

其他病害，例如异型钢的断裂，梳齿板的脱落，钢构件锈蚀等，经研究，除极少数是由于制造因素和安装因素引起的，更多是以上病害最终发展导致的。

4 对伸缩缝设计、制造、施工的建议

4.1 对伸缩缝设计的建议

（1）伸缩缝槽口宜深不宜浅。

（2）新建桥梁，设计应考虑梁体收缩、徐变量。

（3）小位移伸缩缝尽量不考虑带螺栓、螺母的伸缩缝。

（4）大位移伸缩缝避免不了螺栓设计，也要考虑螺栓的放松措施持久、可靠。

（5）由于太阳照射有角度，必须考虑桥面的扇形运动，伸缩缝构造须适应。

4.2 对伸缩缝制造的建议

（1）生产前要结合项目的实际情况对伸缩缝的结构进行专项设计計算。

（2）对伸缩缝进行验算时，高速公路应按公路I级验算，城市高架应按城市A级验算。

（3）强度验算一般没问题，主要是要进行疲劳验算和变形验算。

（4）降低板厚、壁厚制造伸缩缝是伸缩缝易损坏的万恶之源。

（5）原材料及关键外购件的质量保证。

（6）锚固件、箱体的接焊接质量要保证。零部件精度控制;焊接人员的持证上岗;过程控制很关键。

4.3 对伸缩装置安装施工的建议

（1）伸缩缝施工前应对每道伸缩缝的宽度和顺直度进行检查。

（2）宽度过大的一定要凿除。

（3）宽度不够的可设牛腿补足宽度或使用大一级的伸缩缝。

（4）T梁应在安装后再现浇伸缩缝处的梁端段，保证梁端的顺直度。

（5）根据温度计算初始位移，并调整伸缩缝。

（6）对于较宽的桥面伸缩装置，由于运输的原因需对接接长时，接头应设置在受力较小处（行车道位置不应设置接缝），并要错开距离不应小于80 mm，应采用厚度大于20 mm的钢板加强。接缝处应按GB/T3323《金属熔化焊焊接接头射线照相》和GB/T11345《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》的规定进行探伤。

（7）应采用不小于1.0 cm的木模板或钢板，要求模板安装牢靠。

（8）模板要求遮挡严密，防止混凝土砂浆流入变位箱。

（9）混凝土应振捣密实。

（10）控制好混凝土的配合比和钢纤维的含量。

（11）伸缩缝的混凝土应比沥青路面稍低1～2 mm。

（12）混凝土要达到设计的强度，才能开放交通。必要时可考虑采用临时栈桥。

5 结束语

本文主要针对国内公路桥梁伸缩装置，通过文献调研与实地考察的方式，总结出目前国内伸缩装置面临的主要病害问题及其成因，对伸缩装置的设计、制造、安装等方面提出一定意见与建议。考虑到现有伸缩装置存在的缺陷，提出如下几点未来研究思路：

（1）重点研究无螺栓型伸缩缝，提升对伸缩缝防水系统的关注。

（2）伸缩缝预制成型的可行性研究。

（3）装配化伸缩缝的可行性研究。

（4）基于桥梁全寿命周期理念伸缩缝建养一体化的可行性研究。