一種新型無縫橋面伸縮縫的模型試驗研究

1、一種新型無縫橋面伸縮縫的模型試驗研究甘勇義1，寧萬超2，劉東1，夏招廣2，李欣3 (1. 四川成渝高速公路股份有限公司，四川省 成都市 610041；2. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川省 成都市 610031；3. 河南省維路工程材料有限公司，河南省 鄭州市 450000；)摘要：提出一種新型構(gòu)造形式的無縫橋面伸縮縫結(jié)構(gòu)，是將常用的彈塑體伸縮縫布置在橋梁混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)層，橋面施工時貫通鋪筑橋面瀝青混凝土層，從而形成真正的無縫橋面結(jié)構(gòu)。為研究無縫橋面伸縮縫結(jié)構(gòu)的使用性能，通過3類伸縮縫結(jié)構(gòu)的室內(nèi)模型試驗，對比分析了無縫橋面結(jié)構(gòu)的伸縮性能以及伸縮過程的力學(xué)狀態(tài)，提出了能滿足工程使用的限制條件，

2、根據(jù)限制條件在四川成仁高速CR8段千合大橋上進(jìn)行了對比現(xiàn)場試驗，無縫橋面伸縮縫結(jié)構(gòu)在近一年的使用中沒有出現(xiàn)明顯的破壞，只出現(xiàn)輕微的下層，結(jié)果表明無縫橋面伸縮縫結(jié)構(gòu)在滿足一定條件時能在實際工程中得到應(yīng)用。關(guān)鍵詞：簡支梁橋；彈塑體；伸縮縫；無縫橋面；室內(nèi)模型；現(xiàn)場試驗中圖分類號：U443.3;U444 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：AThe model test research a new type of seamless bridge expansion jointGan Yong-Yi1，Ning Wan-Chao2，Liu Dong1，Xia Zhao-Guang2，Li Xin3(1.Sichuan Ch

3、engYu highway co., LTD., Chengdu 610041,China；2.Southwest jiaotong university institute of civil engineering，Chengdu 610031,China；3.Henan Provincial WeiLu engineering materials co., LTD ，Zhengzhou 45000,China)Abstract: This paper brings forward a new form of seamless bridge expansion joint structure

4、 which is commonly using elastic-plastic body expansion joint to allocate in the bridge concrete cast-in-place structure layer, and by which pass through bridge paving asphalt concrete layer bridge construction, thus forming the real seamless bridge deck structure. For the research of seamless bridg

5、e expansion joint structure performance, and through the three kinds of expansion joint structure of the indoor model test, analyzing the structure of the bridge deck seamless retractility can and expansion process, this paper puts forward the mechanical state that can meet the engineering use restr

6、ictions, according to the compared situ test in Sichuan high speed CR8 section on the bridge in line with restrictions , the seamless bridge expansion joint structure has no apparent damage in the use of nearly a year, appearing only slightly lower, and the results show that seamless bridge expansio

7、n could have its practical application by meeting certain conditions.Key words: Simply supported girder bridge; Elastic-plastic body Expansion joint; Seamless bridge deck; Indoor model; Field test1. 引言橋梁伸縮裝置應(yīng)該能夠滿足梁體伸縮自如，具有較好的耐久性、行駛的舒適性、良好的防水性、施工的方便性、維修的簡便性和經(jīng)濟(jì)上的合理性。而要保證伸縮裝置的自由收縮，必須使伸縮裝置能夠承受溫度變化、混凝土收縮

8、與徐變、墩臺的沉降與梁端轉(zhuǎn)動引起的變形，以及車輛行駛產(chǎn)生的巨大的摩阻力和沖擊力的影響。所以根據(jù)不同道路性質(zhì)、橋梁類型、伸縮裝置所需的伸縮量，來選擇不同型式的橋梁伸縮裝置。彈塑體伸縮縫是20世紀(jì)70年代開始在英國發(fā)展起來的一種新形式的橋梁伸縮裝置，于20世紀(jì)90年代末引入我國，后經(jīng)自主開發(fā)研究推出了彈塑體伸縮裝置。這類伸縮裝置在中小跨徑橋梁中應(yīng)用廣泛，且更多的用于伸縮縫的改造。在引進(jìn)之初，彈塑體伸縮縫的有著比較良好的使用效果，隨著使用時間的增加以及產(chǎn)品種類的不斷增多，部分彈塑體伸縮縫在使用中出現(xiàn)了表面剝落、粘結(jié)面脫開、彈塑體裂開、有明顯的車轍甚至局部脫落的病害等。出現(xiàn)病害的原因除了與彈塑體自身材

9、料性能有關(guān)外，使用環(huán)境對其使用性能也有較大的影響。因此，我們提出將彈塑體伸縮縫布置在橋梁的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)層，將橋面層瀝青混凝土貫通鋪筑，形成了真正的無縫橋面，這樣彈塑體伸縮縫完全覆蓋在橋面層以下。為了解這一新型伸縮縫結(jié)構(gòu)的使用性能，本文首先通過室內(nèi)模型試驗對無縫橋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步研究，了解了結(jié)構(gòu)的變形性能及在各變形過程中的力學(xué)狀態(tài)，以此為基礎(chǔ)提出無縫橋面結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用的限制條件，然后結(jié)合實際橋梁工程進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，現(xiàn)場試驗的使用效果表明無縫橋面伸縮縫結(jié)構(gòu)在達(dá)到一定條件的情況下能滿足實際工程的使用。 2. 室內(nèi)模型試驗的設(shè)計及加載無縫橋面伸縮縫結(jié)構(gòu)的室內(nèi)模型試驗是為了更快、直觀并準(zhǔn)確的了解其使用

10、效果，中小跨徑簡支橋梁通常都是采用的混凝土梁或板結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行設(shè)計時，用兩塊一定尺寸的混凝土板模擬橋梁結(jié)構(gòu)相鄰兩跨的梁體，在兩塊混凝土板之間布置彈塑體伸縮縫，彈塑體伸縮縫的尺寸采用適中的50cm×10cm，混凝土板寬度按照近似一個車道的寬度取3m，長度按照能滿足瀝青混凝土與混凝土板的粘結(jié)力長度取2m，厚度按照一般簡支梁橋梁體頂板高度取0.3m。兩塊混凝土板分為固定板和活動板，其中固定板通過臺座與大地固定，活動板與臺座之間設(shè)置聚四氟乙烯板保證能自由伸縮，同時活動板與MTS結(jié)構(gòu)試驗試驗系統(tǒng)連接。瀝青混凝土的攤鋪則采用室內(nèi)瀝青混凝土試驗常用的打夯機(jī)進(jìn)行攤鋪壓實。為了充分研究無縫橋面整體結(jié)構(gòu)和

11、各組成結(jié)構(gòu)部分的使用性能，室內(nèi)模型試驗分3種類型分別進(jìn)行，其中第一類為完整的無縫橋面結(jié)構(gòu)試驗?zāi)Ｐ?，即在橋梁的混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)層設(shè)置彈塑體伸縮縫，并貫通鋪筑橋面瀝青混凝土，主要觀測研究整體結(jié)構(gòu)在一起作用時整體結(jié)構(gòu)的伸縮性能以及力學(xué)性能；第二類是在混凝土結(jié)構(gòu)層設(shè)置彈塑體伸縮縫且不進(jìn)行橋面鋪裝的模型試驗，主要觀測研究彈塑體混合料與混凝土之間的粘結(jié)力的強(qiáng)弱、彈塑體伸縮縫自身的伸縮性能及力學(xué)性能，第三類為目前橋梁工程常用的橋面彈塑體伸縮縫結(jié)構(gòu)的模型試驗，是在橋面瀝青混凝土層設(shè)置彈塑體伸縮縫，主要觀測彈塑體伸縮縫布置于橋面層時的伸縮性能，作為參考試驗與前兩類試驗進(jìn)行對比。試驗分類見表1，各類型試驗?zāi)Ｐ褪疽鈭D

12、見圖1圖3。 表1 室內(nèi)模型試驗分類類型試驗對象結(jié)構(gòu)形式第一類無縫橋面伸縮縫結(jié)構(gòu)彈塑體混合料位于混凝土板層，上層瀝青混凝土貫通鋪筑第二類混凝土-彈塑體伸縮縫彈塑體混合料位于混凝土板層，不鋪筑瀝青混凝土第三類瀝青混凝土-彈塑體伸縮縫彈塑體伸縮縫位于瀝青鋪裝層圖1 第一類室內(nèi)模型試驗結(jié)構(gòu)示意圖圖2 第二類室內(nèi)模型試驗結(jié)構(gòu)示意圖圖3 第三類室內(nèi)模型試驗結(jié)構(gòu)示意圖伸縮縫結(jié)構(gòu)主要使用要求是滿足橋梁結(jié)構(gòu)的伸縮位移要求，因此在室內(nèi)模型試驗主要內(nèi)容是拉壓試驗，拉壓試驗通過MTS結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)對活動板的推進(jìn)或拉伸加載而固定板保持不動實現(xiàn)對彈塑體伸縮縫以及橋面瀝青混凝土產(chǎn)生伸縮位移，試驗通過MTS的系統(tǒng)位移控制加載

13、，加載位移變化采用余弦變化規(guī)律從0開始到最大位移，其中第一類結(jié)構(gòu)試驗根據(jù)最大位移分別為±3.0mm、±4.0mm、±5.0mm、±6.0mm、±7.5mm、±9.0mm、±10.0mm、±12.5mm、±15.0mm、±17.5mm、±20.0mm分為工況1工況11，每個工況以15min為一個周期持續(xù)3h；第二類和第三類結(jié)構(gòu)試驗根據(jù)最大位移分別為±5.0mm、±7.5mm、±9.0mm、±11.0mm、±12.5mm、±15.

14、0mm、±17.5mm、±20.0mm分為工況1工況8，每個工況以15min為一個周期持續(xù)3h。在混凝土兩側(cè)設(shè)激光位移傳感器，記錄MTS結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)的位移變化讀數(shù)、拉壓力變化讀數(shù)、激光位移傳感器位移變化讀數(shù)，觀察結(jié)構(gòu)的變形以及結(jié)構(gòu)表面是否出現(xiàn)開裂，并記錄開裂后裂縫的發(fā)展。3. 室內(nèi)模型試驗結(jié)果根據(jù)以上設(shè)計進(jìn)行試驗，三類結(jié)構(gòu)分別得出以下試驗結(jié)果。3.1 第一類試驗結(jié)果無縫橋面結(jié)構(gòu)最大能滿足9mm的拉位移，滿足最大拉位移控制因素為上層瀝青混凝土開裂，試驗中結(jié)構(gòu)在受壓情況下沒有明顯的變化，試驗變形結(jié)果參見圖4圖5。MTS結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)在與混凝土板連接后的空載加載力為0.35kN，說

15、明混凝土板的摩阻力很小，試驗加載在±9mm及以下位移工況中扣除摩阻力的影響后MTS結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)的加載力值較大，說明無縫橋面結(jié)構(gòu)使用中有較大的伸縮阻力，受拉時最大伸縮阻力超過30kN/m，試驗最大加載力變化見圖6圖7。3.2 第二類試驗結(jié)果彈塑體伸縮縫最大能滿足15mm的拉位移，結(jié)構(gòu)拉伸破壞位置為伸縮縫與混凝土粘結(jié)粘結(jié)面，試驗中結(jié)構(gòu)在受壓情況下沒有明顯的變化，試驗加載在扣除摩阻力的影響后MTS結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)的加載力始終處于比較高的水平，在15mm及以下工況時受拉阻力在15kN/m左右，一方面說明彈塑體混合料有較大的伸縮阻力，另一方面結(jié)合第一類試驗結(jié)果說明無縫橋面結(jié)構(gòu)中橋面瀝青混凝土也受到

16、較大的拉壓力。 3.3 第三類試驗結(jié)果橋面彈塑體伸縮縫最大能滿足17.5mm的拉位移，結(jié)構(gòu)破壞位置為混合料與瀝青混凝土粘結(jié)面。試驗中伸縮縫結(jié)構(gòu)受壓性能較好，但當(dāng)壓位移較大時，彈塑體伸縮縫會有上凸的狀況出現(xiàn)，在壓位移達(dá)到30.0mm時，伸縮縫中部有比較明顯的上凸?fàn)顩r出現(xiàn)，上凸8.5mm。圖4±9.0mm加載工況伸縮縫狀況圖5 ±10mm加載工況伸縮縫狀況圖6 各加載工況MTS最大拉力變化圖7 各加載工況MTS最大壓拉力變化3.4 結(jié)論及建議通過以上三種類型結(jié)構(gòu)的模型試驗，可以認(rèn)為，傳統(tǒng)的橋面彈塑體伸縮縫(第三類試驗)有良好的伸縮性能，瀝青混凝土與彈塑體伸縮縫有相對良好粘結(jié)性，

17、且兩者在橋面層粘結(jié)后更大的發(fā)揮了混合料的伸縮性能，經(jīng)過合理的設(shè)計選擇，能滿足中小跨徑橋梁的伸縮要求；第二類試驗說明彈塑體伸縮縫自身具有較強(qiáng)的伸縮性能，但其與混凝土的粘結(jié)性能成為伸縮過程的破壞因素；第一類試驗說明無縫橋面結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵制約因素在與橋面瀝青混凝土，且瀝青混凝土與彈塑體混合料按照上下層布置后，彈塑體伸縮性能有所減小，因此要實現(xiàn)無縫橋面必須做進(jìn)一步的優(yōu)化研究。為了使無縫橋面技術(shù)能在實際工程應(yīng)用取得更好的使用效果，對無縫橋面伸縮縫的使用提出以下使用條件：(1)建議每50m或50m以下設(shè)置一條50cm×10cm彈塑體混合料伸縮縫；(2) 建議瀝青混凝土施工溫度選擇在日平均溫度為10左

18、右、最高溫度不超過15時進(jìn)行。4. 現(xiàn)場試驗 對無縫橋面伸縮縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行室內(nèi)模型試驗研究后，為了驗證結(jié)構(gòu)在上述使用條件下的使用性能，在成都自貢瀘州赤水(川黔界)高速公路成仁段中對無縫橋面伸縮縫進(jìn)行了現(xiàn)場試驗的對比研究。4.1 千合大橋概況成都自貢瀘州赤水(川黔界)高速公路成仁段中中小跨徑的橋梁使用較多，其中千合大橋是該線路中CR8合同段為跨河溝和機(jī)耕道而設(shè)，采用公路-級汽車荷載，全橋共布置4聯(lián)：4x20+5x20+5x20+5x20米，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力砼簡支小箱梁，橋面連續(xù)，橋平面位于R=1100m，Ls=300m的右偏圓曲線及其緩和曲線上，縱斷面位于R=30000m的凹形豎曲線和i=-0.5

19、0%的單坡段內(nèi)。原設(shè)計中本橋在兩岸臺口和4、9、14號墩頂設(shè)置設(shè)置80型型鋼伸縮縫，相應(yīng)墩臺位置采用GJZF/4400x450x66mm四氟滑板式橡膠支座；其余橋墩設(shè)置橋面連續(xù)，相應(yīng)位置采用GJZ400x450x64mm板式橡膠支座。4.2 試驗的設(shè)計與實施根據(jù)千合大橋的橋跨布置及原伸縮縫的布置設(shè)計，擬對千合大橋左幅彈塑體伸縮縫采用表2所列進(jìn)行布置設(shè)計。結(jié)合千合大橋的施工進(jìn)展情況，主要在橋跨布置和施工溫度上進(jìn)行了調(diào)整?；炷翆訌椝荏w伸縮縫的施工于2011年9月率先在千合大橋左幅完成，然后用于施工通車使用，該結(jié)構(gòu)與室內(nèi)模型中的第二類試驗結(jié)構(gòu)相同，觀測研究彈塑體混合料與混凝土之間的粘結(jié)面是否出現(xiàn)開

20、裂。2011年12月(環(huán)境溫度在10以下)完成了左幅的橋面瀝青混凝土鋪裝施工已經(jīng)橋面彈塑體伸縮縫的，完成后繼續(xù)通車使用，主要觀察無縫橋面伸縮縫位置的瀝青混凝土路面的使用狀況以及0#橋臺、9#橋墩、19#橋臺位置橋面彈塑體伸縮縫的使用狀況。表2 千合大橋彈塑體伸縮縫布置墩臺編號(成都往仁壽方向)彈塑體伸縮縫所在位置0#橋臺瀝青層4#橋墩混凝土層6#橋墩混凝土層9#橋墩瀝青層11#橋墩混凝土層14#橋墩混凝土層16#橋墩混凝土層19#橋墩瀝青層4.3 試驗結(jié)果及分析按照上述設(shè)計進(jìn)行現(xiàn)場試驗，對伸縮縫及橋面的使用情況進(jìn)行了觀察和記錄，其中彈塑體伸縮縫使用效果見圖8，使用結(jié)果表明：在溫度降低超過20時

21、(伸縮縫施工完成時環(huán)境溫度超過30，瀝青鋪裝時環(huán)境溫度低于10)，部分伸縮縫出現(xiàn)交界面局部脫開的現(xiàn)象，說明伸縮縫與混凝土之間粘結(jié)力為伸縮縫使用的薄弱因素。圖8 瀝青鋪裝前伸縮縫使用狀況圖9無縫橋面使用狀況(2012年9月)圖4-5橋面彈塑體伸縮縫使用狀況(2012年6月)自2011年12月無縫橋面施工完成通車到2012年9月，無縫橋面伸縮縫結(jié)構(gòu)的瀝青混凝土橋面使用效果見圖9，使用結(jié)果表明：無縫橋面結(jié)構(gòu)一直保持良好的通車舒適性，橋面瀝青混凝土沒有明顯的裂縫出現(xiàn)，大部分伸縮縫位置的橋面瀝青混凝土外觀沒有變化(與周圍瀝青混凝土對比)，而在4#橋墩處，橋面瀝青混凝土出現(xiàn)了輕微的凹陷，但凹陷對通車平順性沒有明顯影響。橋面彈塑體伸縮縫在試驗過程中始終保持良好的使用狀態(tài)，使用效果見圖10，使用結(jié)果表明結(jié)構(gòu)具有良好的使用效果。5. 結(jié)論無縫橋面伸縮縫結(jié)構(gòu)的室內(nèi)模型試驗結(jié)果認(rèn)為：彈塑體伸縮縫有良好的伸縮縫性能，但其與混凝土粘結(jié)力不夠，且橋面瀝青混凝土伸縮性能不足是結(jié)構(gòu)使用的關(guān)鍵因素，提出如果要使用應(yīng)達(dá)到橋梁跨徑50m及以下并且瀝青混凝土施工溫度在日