某大桥模数式伸缩缝病害机理探讨

刘志军

（上海地铁咨询监理科技有限公司，上海市　200000）

某大桥模数式伸缩缝病害机理探讨

刘志军

（上海地铁咨询监理科技有限公司，上海市200000）

伸缩缝是桥梁构造的重要组成部分，桥梁伸缩缝一旦损坏，将对行车安全和桥梁结构寿命产生重要的影响。介绍了某大桥模数式伸缩缝纵、横梁断裂病害情况的调查，着重从伸缩缝材质、几何截面尺寸和受力荷载等技术标准方面对病害原因进行了计算分析和探讨，可为桥梁建设和养护管理提供参考。

模数式；伸缩缝；病害；探讨

1　概况

某大桥左右幅分离，结构形式一致，桥跨组合为7×30 m+（48 m+80 m+48 m）+7×30 m，桥梁全长603.24 m。主桥跨越三级航道，采用变截面三向预应力混凝土连续箱梁；引桥为先简支后连续组合箱梁桥，下部结构采用桩柱式墩台、钻孔灌注桩基础。主引桥7#过渡墩为D240模数式伸缩缝和10#过渡墩为D160型模数式伸缩缝，桥台处为D80型钢伸缩缝。桥梁设计荷载：公路-I级，于2008年建成通车。养护检查中发现本桥左右幅D160和D240伸缩缝均出现局部边纵梁和中纵梁断裂脱落、横梁断裂脱落等病害，及时采取了应急处治措施，对边、中纵梁断裂脱落的范围覆盖2 cm厚的钢板，在维修前保证行车安全。

2　病害调查

2.1左幅7#墩伸缩缝

伸缩缝病害示意见图1。

图1　左幅7#墩伸缩缝病害示意图（单位：mm）

2.1.1纵梁

（1）1#纵梁距外侧护栏3.9～4.8 m范围内型钢断裂、脱落，见图2。

图2　左幅7#墩伸缩缝边纵梁断裂脱落

（2）2#纵梁距外侧护栏4.1～5.7 m范围内型钢断裂补焊、下挠（见图2）；距内侧护栏0～2.2 m范围内，型钢断裂脱落、已加铺钢板（见图3）。

（3）3#纵梁距外侧护栏3.9～5.7 m范围内型钢断裂、下挠，见图3。

2.1.2横梁

横梁7道，其间距1.5 m，纵梁断裂基本发生在与横梁固结处（见图3、图4）。横梁断裂处，车辆行经时有明显大幅度的上下挠动。

图3　左幅7#墩伸缩缝中纵梁断裂脱落

图4　左幅7#墩伸缩缝中纵梁、横梁断裂脱落

2.2左幅10#墩伸缩缝

伸缩缝病害示意见图5。

图5　左幅10#墩伸缩缝病害示意图（单位：mm）

2.2.1纵梁

中纵梁距内侧护栏2～6 m范围内断裂、脱落，已加铺钢板（见图6）；距内侧护栏0 m，中纵梁断裂（见图7）。

图6　左幅10#墩伸缩缝中纵梁断裂脱落

图7　左幅10#墩伸缩缝横梁断裂脱落

2.2.2横梁

由东向西，5#中横梁缺失（见图6）。

2.3右幅7#墩伸缩缝

伸缩缝病害示意见图8。

图8　右幅7#墩伸缩缝病害示意图（单位：mm）

2.3.1纵梁

距外侧护栏3.15～5.4 m、距内侧护栏1～3.2 m范围已铺钢板（见图9、图10）；距外侧护栏5.9 m 处3#纵梁断裂（见图11），车辆行经是挠动幅度较大。

图9　右幅7#墩伸缩缝纵、横梁断裂脱落

图10　右幅10#墩伸缩缝横梁断裂脱落

图11　右幅10#墩伸缩缝边纵梁断落

2.3.2横梁

由东向西的顺序，见4处横梁：1#横梁焊接钢筋修补；2#横梁断裂，6#横梁断裂，5#～6#横梁间3#纵梁断裂掉落。

2.4右幅10#墩伸缩缝

2.4.1纵梁

中线处边纵梁断裂（见图11），脱落1节，长约30 cm。车辆行经时，纵梁挠动。

2.4.2横梁

横梁较完好。

3　中梁材质及尺寸

本桥模数式伸缩缝中梁钢采用“工”字型截面（见图12），采用游标卡尺对中梁钢的截面尺寸进行了测量。测量结果见表1。

图12　中梁截面示意图

表1　本桥中梁尺寸表

调查表明，该桥D240、D160伸缩缝中梁钢采用的是规格为15 kg/m轻型钢轨，钢材牌号为55Q。

通过对其他多座桥梁的D160、D240伸缩缝中梁钢截面形式和截面尺寸的调查，发现所调查桥梁伸缩缝中梁钢的使用均与《公路桥梁伸缩缝装置》（JT/T 327-2004）规定的截面形式一致，即“王”字型异型钢（见图13）。

图13　中梁截面示意图

通过现场查勘，并与《公路桥梁伸缩缝装置》（JT/T 327-2004）的要求和规定对比，得出本桥伸缩缝以下结论：

（1）D240、D160伸缩缝中梁钢尺寸偏小

《公路桥梁伸缩缝装置》（JT/T 327-2004）5.3.1条文规定，伸缩缝装置异型钢材断面尺寸应符合B1≥80 mm、B2≥80 mm、B≥16 mm、H≥120 mm，质量满足≥36 kg/m。由此可见本桥伸缩缝中梁钢除尺寸B1外，均小于该规范值。调查的其他桥梁伸缩缝中梁基本满足规范要求。

（2）D240、D160伸缩缝中梁钢材质不满足要求

《公路桥梁伸缩缝装置》（JT/T 327-2004）5.3.1条文规定，异型钢材不低于Q345C钢材强度，其余钢材不低于Q235C钢材强度。

15 kg/m轻型钢轨使用的 55Q钢含碳量（0.50%～0.60%）高于Q235、Q345钢材，属中碳钢。含碳量的增加，提高了钢材屈服点和抗拉强度升高，硬度增加，但塑性、韧性下降，延展性下降、冲击性降低，当碳量超过0.23%时，钢的焊接性能变差。轻型钢轨的质量要求比较低，主要用于林区、矿区、工厂及施工现场等处铺设临时运输线路和轻型机车用线路。

4　伸缩缝宽度

4.1伸缩缝宽度

采用钢尺对本桥D160和D240模数式伸缩缝宽度进行了测量。测量结果显示D240型钢伸缩缝各缝间宽度分布不均匀，中梁与边梁间的宽度大于中梁间的宽度。伸缩缝宽度示意见图14。

图14　伸缩缝宽度示意图

4.2伸缩缝高差

采用水平尺和塞尺对模数式伸缩缝型钢与桥面高差进行了测量。测量结果显示，左幅7#墩伸缩缝与桥面最大高差达30 mm，右幅7#墩伸缩缝与桥面最大高差达12 mm；左幅10#墩伸缩缝与桥面最大高差达10 mm，右幅10#墩伸缩缝与桥面最大高差达18 mm。以上高差数据均不满足规范要求。

5　受力计算

5.1计算模型

参考《公路桥梁伸缩装置设计指南》（JTQX-2011-12-1）进行中梁受力计算分析。

D240伸缩缝横梁中心距为1.5 m，计算模式见图15，计算15 kg/m轻型钢轨中梁的受力，拟对图示中梁A、B截面进行验算。由于无法准确测量横梁构件尺寸，且支撑条件未知，故未对横梁进行受力计算。

图15　伸缩缝中梁计算示意图（单位：mm）

5.2计算荷载

竖向静力荷载为《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）4.3所规定的车辆荷载后轴重力标准值140 kN和（1+μ）的乘积。后轴车辆着地范围为纵向0.2 m，横向0.6 m，D240伸缩缝单片中梁受力分配系数取0.5，则中梁受单轮竖向力为：

P=140×（1+0.45）×0.5×1/2=50.75 kN

水平静力荷载为后轴重力产生的制动力：F= P×10%=5.08 kN。

5.3荷载工况

分别选取图示A、B截面最大正弯矩和最大负弯矩工况进行受力计算。荷载加载图示见图16～图19。

图16　A截面最大负弯矩加载工况（单位：mm）

图17　A截面最大正弯矩加载工况（单位：mm）

图18　B截面最大正弯矩加载工况（单位：mm）

图19　B截面最大负弯矩加载工况（单位：mm）

5.4强度验算

中梁A、B截面最不利荷载作用下，强度和疲劳强度验算结果汇总见表2。

表2　中梁应力计算结果

（1）A截面处中梁与横梁焊接连接，属D类连接，强度和疲劳强度计算如下:

最大应力为拉应力时最大应力为压应力时

（2）B截面无连接，属A类，强度和疲劳强度计算如下:

最大应力为拉应力时

最大应力为压应力时

6　结　论

根据上述调查及计算分析表明，造成本桥D240、D160伸缩缝中梁断裂的主要原因如下：

（1）截面尺寸偏小。伸缩缝中梁钢采用的是轻型钢轨，不满足《公路桥梁伸缩缝装置》的规定。在车辆荷载作用下，中梁强度及疲劳强度不能满足规范要求。

（2）材质不满足要求。伸缩缝中梁钢采用牌号55Q，属中碳钢，其塑性、韧性、延展性下降和抗冲击性降低，焊接性能变差。

（3）焊接性能较差。55Q中梁钢与横梁焊接连接，降低了材料的韧性，焊接会导致钢材出现微裂缝和疲劳强度显著降低，在车辆荷载反复作用下，容易产生断裂。

（4）平整性不好。伸缩缝型钢顶面与桥面高程偏差较大，平顺性较差，加大了车辆荷载对中梁的冲击效应。

U445.7+1

B

1009-7716（2016）07-0205-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.059

2016-03-13

刘志军（1978-），男，山东淄博人，工程师，从事工程建设监理工作。