王稷良,馬淑梅,呂志剛

(1.河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院,邯鄲 056038;2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院,北京 100088; 3.內(nèi)蒙古綜合交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,呼和浩特 010051)

橋梁伸縮縫是橋梁工程設(shè)置于兩梁端之間、梁端與橋臺(tái)背墻之間或橋梁鉸接位置的一種重要附屬結(jié)構(gòu),它能在溫度變化、混凝土收縮、徐變及載荷的作用下實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自由伸縮變形,防止因變形受阻而產(chǎn)生應(yīng)力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成破壞[1]。隨著交通量和行車荷載的增加,橋梁伸縮縫破壞日益嚴(yán)重。法國、葡萄牙等地調(diào)查顯示,每年用在伸縮縫的維修成本約占橋梁維修總成本的7%～22%[2]。我國橋梁數(shù)量眾多,橋梁伸縮縫破壞率較高,其破壞情況更為嚴(yán)重,大大增加了我國公路管理部門對(duì)橋梁工程的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。通過對(duì)橋梁伸縮縫研究,發(fā)現(xiàn)在車輛荷載及復(fù)雜環(huán)境下,伸縮縫的破壞最先從錨固區(qū)混凝土開始,錨固區(qū)混凝土破壞是橋梁伸縮縫常見的病害[3]。

伸縮縫錨固區(qū)混凝土直接承受車輪荷載沖擊且長期暴露在空氣中,其受力情況比較復(fù)雜。當(dāng)車輛直接經(jīng)過橋梁伸縮縫時(shí),由于材料剛度差異,難免會(huì)發(fā)生“跳車”現(xiàn)象,導(dǎo)致錨固區(qū)混凝土破壞。此外,車輛的往復(fù)行駛加重了錨固系統(tǒng)和承重體系的疲勞破壞,進(jìn)一步加快了錨固區(qū)混凝土的損壞,縮短了橋梁伸縮縫的使用壽命。加強(qiáng)對(duì)橋梁伸縮縫錨固區(qū)病害調(diào)查及機(jī)理分析,應(yīng)用綜合性能更優(yōu)的錨固區(qū)材料,為橋梁伸縮縫錨固區(qū)應(yīng)用及修復(fù)提供理論依據(jù),這對(duì)提升橋梁的使用質(zhì)量、減少養(yǎng)護(hù)成本、提高伸縮縫使用壽命具有十分重要的作用。

1 橋梁伸縮縫錨固區(qū)破壞及機(jī)理分析

目前,橋梁工程中常用的伸縮縫主要有橡膠式伸縮縫、梳齒板式伸縮縫、模數(shù)式伸縮縫和無縫式伸縮縫。其中,模數(shù)式伸縮縫是中大跨徑橋梁中常用的伸縮縫形式,結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

模數(shù)式伸縮縫主要由邊梁型鋼、中梁型鋼、支撐橫梁、位移控制系統(tǒng)及密封橡膠帶等組成,和其它伸縮縫的區(qū)別在于模數(shù)式伸縮縫承重系統(tǒng)和位移控制系統(tǒng)是分開工作的。承重系統(tǒng)主要用來滿足伸縮裝置的受力安全,而位移控制系統(tǒng)保證位移均勻,適用于橋梁的不同變形。模數(shù)式伸縮縫是通過密封條和位移箱內(nèi)橡膠支座的變形來適應(yīng)橋梁的位移變形的。當(dāng)車輛行駛至縫中位置時(shí),接觸到中梁型鋼,中梁型鋼將荷載傳遞給支撐橫梁,支撐橫梁通過位移控制系統(tǒng)中的橡膠支座將荷載傳遞給位移箱體,位移箱體再傳遞給錨固筋等。錨固筋上澆筑混凝土,荷載作用在錨固區(qū)混凝土上,通過錨固區(qū)混凝土最后將荷載傳遞給橋梁。當(dāng)車輛荷載經(jīng)過伸縮縫時(shí),不僅伸縮縫會(huì)受到荷載的作用,錨固區(qū)混凝土也要承受荷載的傳遞作用力,各個(gè)結(jié)構(gòu)之間相互作用。

隨著伸縮縫破壞日益增多,許多學(xué)者對(duì)橋梁伸縮縫結(jié)構(gòu)破壞性能展開研究。張?zhí)煊璧萚4]分析了毛勒式伸縮裝置在不同速度下的應(yīng)力歷程,發(fā)現(xiàn)隨著車速增加,伸縮裝置的各應(yīng)力值出現(xiàn)反復(fù)循環(huán)變化,且振幅也會(huì)隨之增大,中梁型鋼處于持續(xù)高應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)增多,疲勞壽命降低。鐵明亮[5]通過有限單元法對(duì)板式橡膠伸縮縫進(jìn)行了受力分析,采用線性疲勞累計(jì)損傷理論對(duì)其進(jìn)行疲勞壽命估算。板式橡膠伸縮裝置的使用壽命受限于錨固區(qū)混凝土,使用壽命約為13年,錨固區(qū)混凝土易出現(xiàn)疲勞損壞。張緯[6]利用有限元對(duì)模數(shù)式伸縮縫和梳齒板式伸縮縫在荷載作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究,對(duì)工程常見破壞位置的應(yīng)力和變形進(jìn)行強(qiáng)度分析,發(fā)現(xiàn)模數(shù)式伸縮縫在豎向輪壓荷載作用下不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞,梳齒板式伸縮縫縫腔邊緣位置混凝土易產(chǎn)生強(qiáng)度破壞,并建議在工程中采用抗沖擊性較強(qiáng)的CF50級(jí)鋼纖維混凝土。通過對(duì)橋梁伸縮縫研究現(xiàn)狀總結(jié),發(fā)現(xiàn)在不同的荷載作用下,伸縮縫內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生不同的應(yīng)力破壞,而錨固區(qū)混凝土是伸縮縫最常見也是最先表現(xiàn)出病害的位置。錨固區(qū)混凝土早期破壞加速了伸縮縫的破壞進(jìn)程,縮短了橋梁的服役壽命。

1.1 伸縮縫錨固區(qū)破壞形式

橋梁伸縮縫錨固區(qū)的幾種常見破壞形式如圖2所示,主要有錨固區(qū)混凝土表面出現(xiàn)開裂、剝落、破碎,錨固區(qū)混凝土的脫粘分離以及錨固區(qū)混凝土的局部網(wǎng)裂等[7]。

1)錨固區(qū)混凝土開裂、剝落、破碎

錨固區(qū)混凝土表面易出現(xiàn)開裂、剝落、破碎等現(xiàn)象,其開裂以縱向裂縫出現(xiàn)較多,主要特征變化為沿伸縮縫的橫向開裂延伸至梁端,縱向分布,裂縫大多集中在橋頭和橋尾處,中間跨開裂較少[8]?；炷灵_裂易在橋梁開通早期出現(xiàn),產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因有:1)橋臺(tái)兩側(cè)沉降不均,在車輛荷載反復(fù)沖擊作用下,混凝土易出現(xiàn)局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象,引起混凝土開裂;2)在施工時(shí)混凝土澆筑不密實(shí),后期養(yǎng)護(hù)不足,提早開放交通,混凝土實(shí)際強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)度,造成混凝土開裂。錨固區(qū)混凝土剝落主要是由于自身的抗沖擊力較小,混凝土自身強(qiáng)度沒發(fā)揮到極致,橋梁伸縮縫的服役環(huán)境差等造成的。當(dāng)混凝土出現(xiàn)開裂、剝落時(shí),混凝土承受荷載能力下降,在車輛的反復(fù)沖擊和惡劣環(huán)境中,混凝土易出現(xiàn)破碎現(xiàn)象,使內(nèi)部鋼筋裸露?；炷恋脑缙谄茐募涌炝似扑榈乃俣??；炷帘砻娌黄秸?與橋面鋪裝和型鋼表面容易產(chǎn)生錯(cuò)位現(xiàn)象,在行車荷載作用下發(fā)生拉應(yīng)力裂縫破壞,特別是在大縱坡度的橋梁中,錨固區(qū)混凝土表面的破壞尤為突出。

2)錨固區(qū)混凝土脫粘分離

錨固區(qū)混凝土的脫粘分離主要表現(xiàn)在混凝土與橋梁主體結(jié)構(gòu)、橋面瀝青混凝土鋪裝層發(fā)生脫粘分離等。發(fā)生此現(xiàn)象主要原因?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性,在施工過程中混凝土易表現(xiàn)出收縮、徐變等性能,水泥混凝土與瀝青混凝土彈性模量差別大,造成混凝土和瀝青橋面鋪裝層粘結(jié)性不強(qiáng)。在荷載作用下,聯(lián)結(jié)處受力不均勻,使伸縮縫型鋼受力大,造成破壞。

3)錨固區(qū)混凝土局部網(wǎng)裂

錨固區(qū)混凝土發(fā)生局部網(wǎng)裂主要是由于伸縮裝置兩側(cè)的混凝土一般設(shè)計(jì)的比較薄,加上預(yù)埋件的干擾,后期施工難度加大,澆筑混凝土?xí)r易出現(xiàn)振搗不密實(shí)、漏振等現(xiàn)象,造成內(nèi)部產(chǎn)生大量空洞、蜂窩,密實(shí)度和強(qiáng)度隨之降低,再經(jīng)過車輛的碾壓,錨固區(qū)混凝土易出現(xiàn)網(wǎng)裂,嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生破碎現(xiàn)象。

1.2 伸縮縫錨固區(qū)破壞機(jī)理

當(dāng)車輛荷載行駛至伸縮縫時(shí),錨固區(qū)混凝土承受來自車輛荷載的壓力,壓力傳給梁和板會(huì)產(chǎn)生擠壓變形,且伸縮縫常年暴露于大氣環(huán)境中,所處環(huán)境比較惡劣,受溫度、濕度的影響,混凝土材料性能有所下降,難以承受車輛荷載反復(fù)沖擊作用;錨固區(qū)混凝土與型鋼邊梁、鋪裝層是剛性與柔性的連接,粘結(jié)性不強(qiáng),導(dǎo)致連接處平整度差,難以實(shí)現(xiàn)攤鋪平順,出現(xiàn)高差錯(cuò)位、不平整等問題在伸縮縫處十分常見;車輛在行駛過程中常出現(xiàn)跳車現(xiàn)象,且伸縮縫新、老混凝土交界粘結(jié)處是伸縮縫最薄弱部位,經(jīng)過車輛荷載作用,新老混凝土最先開始開裂分離,經(jīng)過長時(shí)間疲勞荷載沖擊作用,錨固區(qū)混凝土進(jìn)而出現(xiàn)啃邊、破碎等現(xiàn)象,最后,隨著密封橡膠帶的老化、脫落及破壞,雨水侵蝕使內(nèi)部鋼筋等加固構(gòu)件受到腐蝕,加劇了錨固區(qū)混凝土的破壞,最終使錨固區(qū)混凝土破碎。

伸縮縫錨固區(qū)長期經(jīng)受車輛荷載作用,易發(fā)生疲勞變形破壞。其破壞原因?yàn)榛炷翝仓箴B(yǎng)護(hù)不到位、強(qiáng)度不足、錨固鋼筋直徑過小;施工時(shí)不注重混凝土材料的質(zhì)量,時(shí)常出現(xiàn)大量孔隙、密實(shí)度不足、達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求,行駛車輛產(chǎn)生的振動(dòng)易形成沖擊力,極大地增加了伸縮縫裝置和錨固區(qū)混凝土的受力,在反復(fù)荷載振動(dòng)下伸縮裝置會(huì)產(chǎn)生一定的變形,變形過大將會(huì)導(dǎo)致伸縮裝置與混凝土剝離,使伸縮縫整體強(qiáng)度降低,最終導(dǎo)致伸縮縫發(fā)生損壞。

為了進(jìn)一步了解伸縮縫錨固區(qū)混凝土的破壞性能變化規(guī)律,研究人員進(jìn)行了廣泛探索。楊洋[9]通過ANSYS建模研究了在不同軸載、荷載作用位置及混凝土模量下伸縮縫錨固區(qū)混凝土的受力情況,結(jié)果表明錨固區(qū)混凝土與橋面鋪裝層粘結(jié)面上會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,而錨固區(qū)混凝土與鋼梁的粘結(jié)界面上產(chǎn)生剪應(yīng)力較大,應(yīng)在不同界面應(yīng)用不同力學(xué)指標(biāo)分析受力性能。賀志勇等[10]利用有限元建模并結(jié)合Miner疲勞累計(jì)損傷理論,對(duì)伸縮縫中錨固區(qū)混凝土、鋼筋及中梁的疲勞壽命進(jìn)行了估算,研究結(jié)果顯示:錨固區(qū)混凝土的使用壽命最小,當(dāng)錨固區(qū)混凝土強(qiáng)度增大時(shí),混凝土和預(yù)埋鋼筋的使用壽命也會(huì)增大。不同類型的伸縮縫受力特點(diǎn)也存在差異,方園[3]對(duì)不同形狀結(jié)構(gòu)邊梁錨固區(qū)混凝土的受力情況進(jìn)行分析,結(jié)果表明C型鋼錨固區(qū)混凝土主拉應(yīng)力最大,與混凝土的脫粘位移最小,Z型鋼所受的拉應(yīng)力值最小。陽初[11]認(rèn)為車輛疲勞荷載是導(dǎo)致伸縮縫裝置損壞的主要原因,在行車荷載反復(fù)沖擊作用下,錨固區(qū)混凝土?xí)l(fā)生不同疲勞損傷及破壞。隨著錨固區(qū)混凝土強(qiáng)度增加,使用壽命也會(huì)延長。伸縮縫會(huì)發(fā)生各種結(jié)構(gòu)破壞,而錨固區(qū)混凝土破壞是最常見的破壞現(xiàn)象。因此延長伸縮縫錨固區(qū)的使用壽命,增強(qiáng)錨固區(qū)混凝土強(qiáng)度是行之有效的方法之一。

2 伸縮縫錨固區(qū)材料應(yīng)用現(xiàn)狀

橋梁伸縮縫錨固區(qū)混凝土不僅要承受車輛荷載的沖擊,還要受伸縮縫傳導(dǎo)力及外界環(huán)境的影響。根據(jù)橋梁伸縮縫錨固區(qū)病害總結(jié)及機(jī)理分析,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)破壞是由于錨固區(qū)材料損壞,最后使伸縮裝置失去承擔(dān)荷載的能力。而錨固區(qū)材料破壞主要原因在于斷裂韌性不足,同時(shí)其強(qiáng)度、沖擊韌性、與舊混凝土粘結(jié)性不足、疲勞損傷等因素也會(huì)引起錨固區(qū)出現(xiàn)各種各樣病害[12]。伸縮縫錨固區(qū)的作用位置對(duì)錨固區(qū)材料提出了更高的使用需求,這就要求伸縮縫錨固區(qū)材料的性能要比其它建筑工程的使用性能高。

JT/T 327—2004《公路橋梁伸縮裝置》中規(guī)定:伸縮縫錨固區(qū)應(yīng)澆注C40環(huán)氧樹脂混凝土、C50鋼纖維混凝或C50以上強(qiáng)度等級(jí)的混凝土填充搗實(shí)。該規(guī)定只對(duì)錨固區(qū)混凝土強(qiáng)度提出了要求,對(duì)其它性能沒有敘述。表1為常用伸縮縫錨固區(qū)材料性能。從表1可以看出,與其它混凝土相比,超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC)的力學(xué)性能更好?？箟簭?qiáng)度是常用混凝土的2～5倍,抗折強(qiáng)度最高能達(dá)到35.5 MPa,比環(huán)氧樹脂混凝土提高了67%,抗沖擊性能較其它混凝土提高14倍左右,超高性能混凝土與普通混凝土的粘結(jié)劈拉強(qiáng)度可達(dá)4.93 MPa,遠(yuǎn)大于橋梁對(duì)伸縮縫錨固區(qū)混凝土的性能要求。

表1 常用伸縮縫錨固區(qū)材料性能

UHPC除了具有超高的抗壓強(qiáng)度外,其他力學(xué)性能也明顯優(yōu)于普通混凝土。摻入鋼纖維可以提高UHPC的強(qiáng)度和韌性,且隨鋼纖維摻量的增加抗折承載能力和韌性逐漸升高[14,15]。與未摻鋼纖維相比,摻入1%的鋼纖維后,UHPC的初始裂縫強(qiáng)度和韌性指數(shù)均有所改善。初始裂縫強(qiáng)度比未摻鋼纖維的混凝土增長了12%,未摻鋼纖維的韌性指數(shù)I5為1.1,而摻入鋼纖維的UHPC的I5達(dá)到5.0以上,鋼纖維的摻入能夠顯著提高混凝土的彈塑性變形能力[16]。為了提高錨固區(qū)材料在橋梁伸縮縫錨固區(qū)的使用壽命,UHPC作為一種超高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性的新型水泥基復(fù)合材料,有望成為伸縮縫錨固區(qū)材料應(yīng)用的新趨勢。

在實(shí)際橋梁工程中,伸縮縫錨固區(qū)多采用強(qiáng)度等級(jí)較高的C50普通混凝土、鋼纖維混凝土、環(huán)氧樹脂混凝土。普通混凝土和鋼纖維混凝土是當(dāng)前橋梁伸縮縫錨固區(qū)最常用的混凝土,但因其抗折強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度較低在工程中還存在一些問題。環(huán)氧樹脂混凝土相較于傳統(tǒng)混凝土施工工藝復(fù)雜,造價(jià)高,目前在橋梁伸縮縫錨固區(qū)應(yīng)用推廣難度較大,應(yīng)用較少。超高性能混凝土是一種新型的水泥基材料,它以超高的強(qiáng)度和耐久性而突出,后期應(yīng)加強(qiáng)對(duì)超高性能混凝土在橋梁伸縮縫錨固區(qū)的應(yīng)用展開系統(tǒng)研究,為超高性能混凝土在伸縮縫錨固區(qū)的大規(guī)模應(yīng)用提供理論依據(jù)。

3 結(jié) 論

伸縮縫是橋梁的重要組成部分,保證其結(jié)構(gòu)的完整性對(duì)橋梁質(zhì)量和行車安全都有重大意義。而錨固區(qū)材料是橋梁結(jié)構(gòu)與伸縮縫間重要的過渡部位,其性能的好壞對(duì)伸縮縫使用狀況、服務(wù)壽命等有著極其重要的影響。

a.錨固區(qū)材料在車輛荷載和伸縮縫傳導(dǎo)力雙重作用下,易使梁和板產(chǎn)生擠壓變形,行駛車輛產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊力也加快了錨固區(qū)和伸縮縫的破壞速度。

b.伸縮縫錨固區(qū)因所處位置的特殊性,對(duì)錨固區(qū)材料的性能要求較高,除了要滿足車輛荷載反復(fù)沖擊所需的高強(qiáng)度、高韌性外,還要提高錨固區(qū)材料與瀝青混凝土及伸縮裝置的粘結(jié)性能以及錨固區(qū)材料自身要具有良好的長期耐久性。

c.超高性能混凝土具有超高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性等優(yōu)點(diǎn),更加適合伸縮縫對(duì)于韌性及耐久性的要求,是錨固區(qū)材料應(yīng)用發(fā)展的新趨勢。