摘要 為探究橋梁伸縮縫錨固區(qū)破壞成因，提高橋梁工程建造水平，保證橋梁工程整體質(zhì)量，延長(zhǎng)橋梁使用壽命，文章依托多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)闡述了橋梁伸縮縫錨固區(qū)的破壞形式，分析了伸縮縫錨固區(qū)破壞產(chǎn)生機(jī)理，并對(duì)伸縮縫錨固區(qū)材料的應(yīng)用情況進(jìn)行了探究，明確了錨固區(qū)材料的應(yīng)用趨勢(shì)，旨在為后續(xù)橋梁伸縮縫錨固區(qū)施工提供參考。

關(guān)鍵詞 公路橋梁工程；伸縮縫；錨固區(qū)；材料；破壞機(jī)理

中圖分類號(hào) U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）20-0143-03

0 引言

伸縮縫作為公路橋梁工程重要組成部分，能有效防止因交通荷載及材料收縮變形作用導(dǎo)致的橋面位移、裂縫，在橋梁工程運(yùn)行過程中發(fā)揮著十分關(guān)鍵的作用。但由于受到汽車荷載長(zhǎng)期的持續(xù)作用，加之施工工藝、施工材料、自然環(huán)境等各方面因素影響，伸縮縫錨固區(qū)極易受到破壞，嚴(yán)重影響公路橋梁使用性能，縮短運(yùn)營(yíng)年限[1-2]。因此，科學(xué)實(shí)施公路橋梁伸縮縫錨固區(qū)破壞機(jī)理探究，全面掌握錨固區(qū)病害成因，從而合理選用施工工藝、材料進(jìn)行施工，對(duì)提高橋梁伸縮縫錨固區(qū)的施工質(zhì)量尤為重要[3]。該文系統(tǒng)分析了橋梁伸縮縫錨固區(qū)的破壞機(jī)理及材料應(yīng)用現(xiàn)狀，并提出了錨固區(qū)選材建議，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 橋梁伸縮縫錨固區(qū)破壞及機(jī)理分析

橋梁伸縮縫形式多樣，主要包括對(duì)接式、模數(shù)支承式、鋼制支承式、剪切式及彈性體等，各種伸縮縫的適用條件存在一定差異，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行合理選用。對(duì)于跨度較大的大型橋梁通常采用模數(shù)支承式伸縮縫，構(gòu)造示意圖見圖1所示：

模數(shù)支承式伸縮裝置構(gòu)造較為復(fù)雜，基本組件包括邊梁、中梁、橫梁、位移控制裝置及密封條等，其最大優(yōu)點(diǎn)為承載體系與位移控制體系彼此分離，二者之間各自獨(dú)立，互不影響。承載體系可有效承受交通荷載作用，確保伸縮縫受力安全；位移控制體系能有效調(diào)節(jié)上部結(jié)構(gòu)變形，確保橋面整體協(xié)調(diào)性，可應(yīng)對(duì)各種形式的變形。在實(shí)際運(yùn)行過程中，主要借助密封條與控制體系內(nèi)的彈性支座完成對(duì)橋面變形的調(diào)節(jié)。當(dāng)汽車運(yùn)行至伸縮縫表面，由中梁裝置將交通荷載作用傳至橫梁，并經(jīng)橫梁下部彈性橡膠支座傳至位移控制裝置，然后傳至錨固區(qū)，最后由錨固區(qū)的鋼筋混凝土直接傳至橋梁結(jié)構(gòu)。因此，在汽車運(yùn)行過程中，伸縮縫錨固區(qū)承受較大的沖擊荷載作用，在交通荷載長(zhǎng)期作用下，極易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞[4-6]。

相關(guān)研究表明，車輛運(yùn)行速率越快，伸縮縫受到的沖擊荷載作用越大，其振動(dòng)頻率、幅度均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并且中梁裝置受力逐漸增加，使用壽命下降。對(duì)于板式橡膠伸縮縫，由于錨固區(qū)容易產(chǎn)生疲勞破壞，其運(yùn)營(yíng)年限通常不超過15年。同時(shí)，相關(guān)人士借助數(shù)值模型對(duì)交通荷載條件下的模數(shù)式、梳齒式伸縮裝置受力情況進(jìn)行了模擬分析，得到了兩種伸縮縫疲勞破壞情況。其中，模數(shù)式伸縮裝置在車輛沖擊荷載條件下未產(chǎn)生疲勞損壞，而梳齒式伸縮裝置錨固區(qū)混凝土出現(xiàn)疲勞損壞，因此在實(shí)際施工時(shí)應(yīng)選用高強(qiáng)度混凝土進(jìn)行施工，以有效提升錨固區(qū)承載性能。由此可見，在公路橋梁運(yùn)行過程中，受車輛沖擊荷載作用，橋梁伸縮縫錨固區(qū)極易出現(xiàn)疲勞破壞，嚴(yán)重影響橋梁的整體使用性能，縮短橋梁的運(yùn)營(yíng)年限。所以，在公路橋梁工程建設(shè)中，加強(qiáng)伸縮縫錨固區(qū)施工質(zhì)量控制尤為重要。

1.1 伸縮縫錨固區(qū)破壞形式

橋梁伸縮縫錨固區(qū)混凝土病害類型較多，主要包括混凝土裂縫及掉塊、脫模分離、局部網(wǎng)裂等。具體表現(xiàn)形式如下：

（1）混凝土裂縫、掉塊。該病害為橋梁伸縮縫最常見的病害，主要裂縫形式為縱裂，具體表現(xiàn)為以錨固區(qū)橫裂為基礎(chǔ)逐漸向兩端發(fā)展，且裂縫主要位于橋梁兩端，而跨中部位的數(shù)量相對(duì)較少。裂縫病害主要出現(xiàn)在橋梁運(yùn)營(yíng)初期，其具體成因如下：1）路橋結(jié)合部位存在差異性沉降，在交通荷載持續(xù)影響下，混凝土結(jié)構(gòu)局部受力過大，從而導(dǎo)致混凝土裂縫。2）在混凝土施工階段，由于振搗不密實(shí)、養(yǎng)護(hù)不到位等因素，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)，加之投入使用時(shí)間過早，使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞，從而形成結(jié)構(gòu)裂縫。混凝土掉塊根本原因在于自身強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)、承載能力較差，在車輛沖擊荷載作用下，產(chǎn)生破碎掉落。混凝土掉塊早期表現(xiàn)形式為結(jié)構(gòu)裂縫，隨著交通荷載的持續(xù)作用，結(jié)構(gòu)裂縫逐漸發(fā)展，混凝土承載能力顯著降低，逐漸出現(xiàn)破碎、掉塊、露筋問題。此外，結(jié)構(gòu)表面混凝土平整度差，使得鋪裝層與伸縮裝置鋼板之間出現(xiàn)錯(cuò)位，也在一定程度上加劇混凝土裂縫產(chǎn)生，尤其當(dāng)橋面縱坡較大時(shí)，伸縮縫錨固區(qū)更加容易出現(xiàn)破壞。

（2）混凝土脫模分離。該病害具體表現(xiàn)形式為錨固區(qū)與主體結(jié)構(gòu)及鋪裝層出現(xiàn)脫離。橋梁伸縮縫出現(xiàn)該類病害的根本原因在于混凝土材料性能變化較大，在實(shí)際施工時(shí)混凝土材料產(chǎn)生較大收縮變形，且與鋪裝層材料模量存在較大差異，導(dǎo)致其與鋪裝層材料結(jié)合效果較差，在交通荷載持續(xù)影響下，結(jié)合部位出現(xiàn)局部受力過大現(xiàn)象，從而導(dǎo)致伸縮縫錨固區(qū)混凝土遭到破壞。

（3）局部網(wǎng)裂[7]。此病害具體成因與設(shè)計(jì)及施工因素密切相關(guān)。橋梁工程設(shè)計(jì)時(shí)，伸縮縫錨固區(qū)混凝土厚度通常較薄，但由于該部位鋼筋及預(yù)埋件較多，顯著增大后續(xù)的施工難度，在錨固區(qū)混凝土過程中極易出現(xiàn)振搗不到位的狀況，難以保證混凝土密實(shí)度，嚴(yán)重影響其承載能力，在交通荷載作用下，極易產(chǎn)生局部破碎問題。

1.2 伸縮縫錨固區(qū)破壞機(jī)理

橋梁伸縮縫是一種布置在梁端、梁端與橋臺(tái)后壁或鉸接部位的輔助結(jié)構(gòu)，其主要功能是在溫度變化、混凝土收縮徐變、荷載等共同作用下，避免由于變形受阻引起的應(yīng)力損傷，從而影響橋梁的正常使用。我國(guó)橋梁數(shù)目龐大，且隨著交通量及車輛荷載的不斷增長(zhǎng)，其病害發(fā)生率逐年上升，給公路養(yǎng)護(hù)部門帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)壓力。已有的研究表明，在汽車荷載和復(fù)雜環(huán)境作用下，伸縮縫錨固區(qū)混凝土首先發(fā)生失效，錨固區(qū)混凝土失效是其最常見的病害之一。

在橋梁運(yùn)營(yíng)過程中，當(dāng)車輛運(yùn)行至伸縮縫部位時(shí)，交通荷載直接作用于錨固區(qū)混凝土表面，在荷載作用下錨固區(qū)梁板出現(xiàn)變形；加之自然環(huán)境、施工等因素影響，錨固區(qū)混凝土性能嚴(yán)重降低，承載能力無(wú)法滿足實(shí)際需求；并且錨固區(qū)混凝土和伸縮裝置、鋪裝層之間均為剛?cè)嵯酀?jì)，兩種材料模量、性能存在顯著差異，結(jié)合效果較差，造成剛?cè)峤Y(jié)合部位產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)問題，引發(fā)跳車現(xiàn)象，嚴(yán)重影響車輛運(yùn)行安全。同時(shí)，由于伸縮裝置兩側(cè)新、舊混凝土結(jié)合部位的混凝土結(jié)合效果較差，在車輛運(yùn)行過程中，新舊混凝土結(jié)合部位逐漸產(chǎn)生裂縫，在交通荷載持續(xù)作用下，相繼出現(xiàn)混凝土破碎、掉塊等問題；后續(xù)隨密封條不斷老化、失效，雨水沿裂縫逐漸進(jìn)入伸縮縫內(nèi)部，導(dǎo)致內(nèi)部構(gòu)件產(chǎn)生侵蝕破壞，進(jìn)一步加劇錨固區(qū)破壞，從而導(dǎo)致局部產(chǎn)生破碎問題。

橋梁伸縮縫錨固區(qū)混凝土在交通荷載持續(xù)作用下，容易出現(xiàn)疲勞破壞，其具體成因在于混凝土施工階段混凝土澆筑質(zhì)量差、振搗不密實(shí)，加之后期養(yǎng)護(hù)缺失，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)，承載能力嚴(yán)重下降。同時(shí)，在汽車運(yùn)行過程中，由于振動(dòng)作用產(chǎn)生較大沖擊力，使錨固區(qū)混凝土受到的荷載作用顯著增大，當(dāng)荷載達(dá)到一定程度后伸縮縫出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形，隨著變形的逐漸加大，錨固區(qū)混凝土產(chǎn)生破壞。為更加全面掌握橋梁伸縮縫錨固區(qū)的破壞機(jī)理，相關(guān)科研工作者實(shí)施了更加深入的研究，借助ANSYS有限元分析模型，對(duì)各種交通荷載、混凝土模量及加載位置條件下，橋梁伸縮縫錨固區(qū)力學(xué)性能變化特征實(shí)施模擬分析，研究發(fā)現(xiàn)伸縮縫錨固區(qū)混凝土材料和鋪裝層瀝青混合料結(jié)合面，以及鋼梁結(jié)合面之間分別存在拉力作用和剪切應(yīng)力作用，在實(shí)際分析時(shí)對(duì)于各結(jié)合面力學(xué)特性應(yīng)采用不同的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析。專業(yè)學(xué)者通過數(shù)值模型及Miner疲勞破壞理論的綜合應(yīng)用，對(duì)橋梁伸縮縫錨固區(qū)各種材料的使用壽命實(shí)施了分析，結(jié)果表明，伸縮縫錨固區(qū)的混凝土壽命最短，且隨著伸縮縫錨固區(qū)混凝土強(qiáng)度的增加，伸縮裝置、鋼筋等各種材料使用壽命呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。同時(shí)，錨固區(qū)混凝土力學(xué)性能與伸縮縫種類存在密切關(guān)聯(lián)，其中當(dāng)伸縮縫邊梁錨固區(qū)呈C形時(shí)，結(jié)構(gòu)受到的壓力較大，伸縮裝置與錨固區(qū)混凝土之間的位移相對(duì)較小；而當(dāng)伸縮縫邊梁錨固區(qū)呈Z形時(shí)，伸縮裝置與錨固區(qū)混凝土之間的位移相對(duì)較大。此外，研究表明，橋梁伸縮縫錨固區(qū)混凝土強(qiáng)度越大，結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)壽命越長(zhǎng)。由于橋梁伸縮縫錨固區(qū)混凝土破壞是造成伸縮縫結(jié)構(gòu)破壞、失效的根本原因，因此，為提升橋梁伸縮縫施工質(zhì)量，確保橋梁整體運(yùn)營(yíng)質(zhì)量，延長(zhǎng)橋梁使用壽命，必須科學(xué)提升伸縮縫錨固區(qū)的混凝土強(qiáng)度[8]。

2 伸縮縫錨固區(qū)材料應(yīng)用現(xiàn)狀

在橋梁運(yùn)營(yíng)過程中，伸縮縫錨固區(qū)受力形式較為復(fù)雜，除承擔(dān)交通荷載作用外，還需承擔(dān)傳導(dǎo)力作用；加之外部環(huán)境因素影響，極易出現(xiàn)破壞，嚴(yán)重降低其使用性能，縮短使用壽命。通過上述伸縮縫錨固區(qū)破壞機(jī)理的探究可知，伸縮縫錨固區(qū)破壞的主要原因在于錨固區(qū)混凝土材料的疲勞破壞，從而導(dǎo)致伸縮縫整體受到損壞。而伸縮縫混凝土材料疲勞破壞的具體成因是強(qiáng)度不足、抗沖擊能力差、使用壽命短等，從而造成錨固區(qū)混凝土承載能力不達(dá)標(biāo)，在交通荷載持續(xù)作用下結(jié)構(gòu)受到破壞。因此，橋梁工程伸縮縫錨固區(qū)施工時(shí)必須選用性能更加優(yōu)良的混凝土材料。

根據(jù)現(xiàn)行《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650—2020）相關(guān)要求，橋梁伸縮縫錨固區(qū)混凝土應(yīng)選用強(qiáng)度等級(jí)不低于C40的環(huán)氧混凝土，以及強(qiáng)度不低于C50的鋼纖維混凝土，并按要求振搗密實(shí)。施工規(guī)范僅對(duì)混凝土強(qiáng)度作了具體規(guī)定，而對(duì)于其他方面并未進(jìn)行具體說明。因此，在實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)做好錨固區(qū)混凝土的材料選擇工作。超高性能混凝土（UHPC）作為一種新型材料，其性能優(yōu)良，抗壓、抗折強(qiáng)度較高，可達(dá)普通混凝土強(qiáng)度的3～4倍，抗沖擊能力高達(dá)15倍左右。相較于環(huán)氧混凝土材料，UHPC強(qiáng)度提升幅度高達(dá)60%左右，承載能力極為突出，完全滿足伸縮縫錨固區(qū)混凝土材料的使用要求。同時(shí)，UHPC混凝土材料力學(xué)性能突出，在其中摻加適量鋼纖維材料后，其抗裂性能及韌性得到大幅度提升，顯著增強(qiáng)其抗裂能力。因此，在橋梁工程建設(shè)中，為有效提升伸縮縫錨固區(qū)混凝土的抗沖擊性能，延長(zhǎng)錨固區(qū)運(yùn)營(yíng)壽命，UHPC混凝土材料不失為一種理想選擇。

目前，在工程實(shí)踐中，對(duì)于橋梁伸縮縫錨固區(qū)施工通常選用C50普通混凝土、環(huán)氧混凝土、鋼纖維混凝土等幾種類型。其中，以普通混凝土、鋼纖維混凝土應(yīng)用最為普遍，但由于受材料自身性能限制，其與伸縮裝置鋼板及橋面鋪裝結(jié)合效果并不理想，且其抗折性能較低，嚴(yán)重降低錨固區(qū)的承載能力，影響橋梁的使用壽命。而環(huán)氧混凝土施工技術(shù)要求較高，施工難度較大且成本較高，無(wú)法進(jìn)行有效普及。因此，綜合各方面情況來看，UHPC使用性能、耐久性優(yōu)良，是最為理想的錨固區(qū)混凝土材料，今后應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)UHPC混凝土的研究，以有效推動(dòng)UHPC混凝土在橋梁工程伸縮縫錨固區(qū)的應(yīng)用，提升伸縮縫整體施工質(zhì)量，從而保證橋梁安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，伸縮縫錨固區(qū)作為橋梁工程極為關(guān)鍵的部位，其施工質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接決定伸縮縫整體工作性能的好壞，對(duì)確保車輛運(yùn)行安全具有重要作用。該文通過對(duì)橋梁伸縮縫錨固區(qū)破壞機(jī)理的分析，確定了錨固區(qū)破壞的具體成因，并提出了合理的選材建議，具體結(jié)論如下：

（1）在橋梁運(yùn)營(yíng)過程中，伸縮縫錨固區(qū)破壞主要包括混凝土裂縫及掉塊、脫模分離、局部網(wǎng)裂等。伸縮縫錨固區(qū)破壞的主要原因在于錨固區(qū)混凝土材料的疲勞破壞，進(jìn)而導(dǎo)致伸縮縫整體受到損壞。而伸縮縫混凝土材料疲勞破壞的具體成因是強(qiáng)度不足、抗沖擊能力差、使用壽命短等，造成錨固區(qū)混凝土承載能力不達(dá)標(biāo)，在交通荷載持續(xù)作用下結(jié)構(gòu)受到破壞。

（2）橋梁伸縮縫錨固區(qū)受力較為復(fù)雜，除承擔(dān)交通荷載作用外，還承擔(dān)傳導(dǎo)力作用，并且受自然環(huán)境影響較大，極易產(chǎn)生破壞。因此，在進(jìn)行錨固區(qū)混凝土材料選擇時(shí)，不僅要考慮強(qiáng)度、穩(wěn)定性等各方面要求，還應(yīng)充分考慮混凝土材料與伸縮裝置、橋面鋪裝之間的黏結(jié)性能，以有效提升錨固區(qū)的整體質(zhì)量，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。

（3）UHPC混凝土材料作為一種新型材料，力學(xué)性能突出，將其應(yīng)用于伸縮縫錨固區(qū)施工，能顯著增強(qiáng)抗沖擊性能，延長(zhǎng)耐久年限，是一種較為理想的材料，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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收稿日期：2024-07-05

作者簡(jiǎn)介：張大衛(wèi)（1987—），男，本科，高級(jí)工程師，從事道路與橋梁設(shè)計(jì)與施工工作。