桥梁伸缩缝病害调查及机理分析

陈宇源 奥村运明 罗小云 张肖雅

(1.郑州大学水利科学与工程学院，河南 郑州 450000； 2.重庆渝黔高速公路有限公司，重庆 401336)

1 概述

截止2017年，我国公路桥梁总数已超过80万座[1]，已经由桥梁大国转变为桥梁强国，桥梁伸缩缝作为桥梁结构中必不可少的一部分，起着满足桥梁上部结构变形，直接承受车辆荷载作用并通过过渡区混凝土将其传递到主梁结构和桥面铺装层的作用[2，3]，桥梁伸缩缝通常设置在两梁端之间、梁端与桥台之间或桥梁的铰接位置。由于伸缩缝直接暴露在自然环境中，极易受到损坏，有研究者统计伸缩缝的使用寿命一般低于10年，远小于桥梁设计使用年限[4]。因此，很有必要对桥梁伸缩缝病害调查及机理分析，为今后其维修延长使用寿命提供基础资料。

渝黔高速全长约90.73 km，总投资58.7亿元，全线共有主线桥梁79座，占总里程数的18.47%，共有伸缩缝408条,一期桥梁35座(伸缩缝173条)，二期内44座(伸缩缝235条)。一期工程桥台采用浆砌块石重力式桥台，二期工程桥梁桥台采用片石混凝土重力式桥台。路段位于重庆市巴南区和綦江区境内，区域属亚热带湿润气候区，具有副热带东亚季风特点。气候表现为冬暖、春早、夏热、秋阴，云多日照少，雨量充沛，温、光、水地域差异大。年平均气温18.8 ℃，平均降水量1 000 mm～1 400 mm，年均无霜期320 d～350 d。2017年渝黔高速日均交通量5.69万辆次。

为了更好地了解该路段桥梁伸缩缝病害的现场，本研究于2015年3月、2016年6月及2017年9月三年春、夏、秋三个不同季节对桥梁伸缩缝服役情况进行全面调查，并对桥梁伸缩缝病害的成因进行了分析，以便为其维修治理措施提供技术依据。

2 桥梁伸缩缝病害现场调查

2.1 桥梁伸缩缝常见损伤形式

图1～图6为现场调查中拍摄的桥梁伸缩缝处的不同的损伤形式的相片。由图可知，伸缩缝的病害多表现为过渡区混凝土的开裂破坏。

2.2 桥梁伸缩缝病害常发位置调查

根据现场调查结果表明，桥梁伸缩缝破损主要集中在渝黔一期的桥梁，且主要集中在桥梁的桥头桥尾的桥台位置上，表1为桥梁伸缩缝损坏位置统计资料，从统计结果可以得知桥梁伸缩缝混凝土开裂的绝大部分发生在桥头与桥尾两部位，桥梁中间跨的伸缩缝开裂现象较少(见图7，图8)。行车道处的混凝土开裂比超车道严重(见图2)，紧急停车道的裂缝较少。桥头桥尾处因沉降高差多有台阶生成，因此，可以推论出桥头跳车的冲击荷载是桥梁伸缩缝损伤的主要因素之一。

表1 桥梁伸缩缝损伤位置的比对

3 桥梁伸缩缝混凝土开裂的成因分析

3.1 伸缩缝混凝土开裂的主要原因

车辆经过伸缩缝时，会对过渡区混凝土产生频繁冲击作用，车辆冲击荷载作用是造成伸缩缝两侧混凝土沿纵向开裂的主要原因，且纵向裂缝多分布在行车道及靠近行车道的位置(见图9)，而伸缩缝处的平整度差则对于车辆冲击荷载具有明显的放大作用。

3.2 伸缩缝平整度影响因素

1)材料特性差异。水泥混凝土和沥青混凝土两者弹性模量相差巨大，水泥混凝土刚度和抵御变形的能力远大于沥青混凝土，软硬相接处容易形成台阶且伴有横向裂缝的产生(见图10)，车辆驶过由于台阶高差对混凝土冲击作用明显放大，从而造成破坏。

2)桥台背墙的结构形式。桥台背墙起着挡土使桥台后的填土保持稳定的作用。渝黔高速1997年开工建设，当时出于经济考量，桥台背墙采用条石垒砌而成。目前渝黔高速公路日均车流量高达5.69万辆次，且货车比例较大。车载冲击荷载的疲劳作用导致渝黔高速一期工程中桥梁浆砌块石桥台的松动和沉降。且重庆地区降雨频繁，气候湿润，雨水下渗对台后填土侵蚀和软化，车辆行经桥台时产生振动，水流带着土颗粒沿着条石缝隙流出，造成桥头搭板脱空。从图11可见条石缝隙中有明显植物生长，证明了上述的推论。久而久之，会在台后填土内部形成渗水通道，使其压实度愈加恶化，结构稳定性下降，桥台处发生一定程度的沉降，从而在桥台与桥梁上部梁端之间产生高差，形成台阶，车辆驶过会发生桥头跳车现象，车辆冲击荷载将会造成伸缩缝过渡区混凝土开裂，从而加剧了其上部伸缩缝的破坏进程。因此，桥台侧伸缩缝开裂损坏的根本原因在于桥台的松动，而仅仅维修上部的伸缩缝不能解决根本问题，这就是每年都在重复维修相同地方的伸缩缝，浪费了大量的人力、物力。需要同时治理桥台沉降松动与伸缩缝开裂标本兼治才能彻底根治伸缩缝的频繁破损(见图12)。

3)路基沉降。一般而言，桥墩和桥台的基础均做过加固处理，除了上述的桥台由于土壤流失会有些许沉降外，两者的沉降量均相对较少。靠近桥台处路基由于大型碾压机械不便作业，压实度较难达到要求，综合考虑工后沉降等因素，路基在建成通车后沉降量会逐渐增大到一定值。路基相较桥台的沉降差会导致桥头搭板以桥台为轴转动，车辆行驶上桥时会有向上跳跃，亦会发生桥头跳车现象，顺而碾压伸缩缝混凝土，造成开裂。

4)其他。a.过渡区混凝土损坏形成坑槽甚至钢筋裸露，使伸缩缝处路面平整度变差，车辆驶过亦会产生跳车现象；b.夏天桥梁上部结构热胀使沥青等填缝料挤出、上拱，车辆驶过亦会发生跳车现象；c.养护单位针对伸缩缝过渡区混凝土坑槽用沥青随意修补，伴随高温软化和车辆碾压作用下，形成一个个小鼓包，对平整度影响极大，车辆躲避不及则会跃起发生跳车现象。

4 结论

本文以渝黔高速公路桥梁伸缩缝典型病害路段的调查结果为基础，主要得到如下结论：

1)桥梁伸缩缝的破坏大多发生在桥头桥尾处，而桥梁中部的伸缩缝则相对完好；就具体车道而言，伸缩缝的破坏大多发生在行车道或邻近行车道位置。2)桥梁伸缩缝的破坏形式多为过渡区混凝土的开裂，且主要表现为与伸缩缝垂直的纵向裂缝，而过渡区混凝土的开裂多由车辆冲击荷载频繁作用造成。3)平整度与车辆冲击荷载密切相关，以下因素皆会使伸缩缝处平整度变差，从而导致冲击荷载作用被放大：a.路基沉降导致的路基与桥台高差；b.桥台台后填土流失导致的桥台与梁端高差；c.过渡区混凝土破损导致的路面不平整；d.过渡区混凝土和桥面铺装层沥青混凝土软硬相接形成台阶；e.夏季桥梁受热导致伸缩缝填缝料挤出、上拱；f.沥青修补料受热流淌及受车辆碾压形成鼓包。