一种新型无缝桥面伸缩缝的模型试验研究

一种新型无缝桥面伸缩缝的模型试验研究甘勇义1，宁万超2，刘东1，夏招广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. 西南交通大学 土木工程学院，四川省 成都市 610031；3. 河南省维路工程材料有限公司，河南省 郑州市 450000；)摘要：提出一种新型构造形式的无缝桥面伸缩缝结构，是将常用的弹塑体伸缩缝布置在桥梁混凝土现浇结构层，桥面施工时贯通铺筑桥面沥青混凝土层，从而形成真正的无缝桥面结构。为研究无缝桥面伸缩缝结构的使用性能，通过3类伸缩缝结构的室内模型试验，对比分析了无缝桥面结构的伸缩性能以及伸缩过程的力学状态，提出了能满足工程使用的限制条件，根据限制条件在四川成仁高速CR8段千合大桥上进行了对比现场试验，无缝桥面伸缩缝结构在近一年的使用中没有出现明显的破坏，只出现轻微的下层，结果表明无缝桥面伸缩缝结构在满足一定条件时能在实际工程中得到应用。关键词：简支梁桥；弹塑体；伸缩缝；无缝桥面；室内模型；现场试验中图分类号：U443.3;U444 文献标志码：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 ChengYu 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 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 bridge 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 restrictions, 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 expansion 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. 引言桥梁伸缩装置应该能够满足梁体伸缩自如，具有较好的耐久性、行驶的舒适性、良好的防水性、施工的方便性、维修的简便性和经济上的合理性。而要保证伸缩装置的自由收缩，必须使伸缩装置能够承受温度变化、混凝土收缩与徐变、墩台的沉降与梁端转动引起的变形，以及车辆行驶产生的巨大的摩阻力和冲击力的影响。所以根据不同道路性质、桥梁类型、伸缩装置所需的伸缩量，来选择不同型式的桥梁伸缩装置。弹塑体伸缩缝是20世纪70年代开始在英国发展起来的一种新形式的桥梁伸缩装置，于20世纪90年代末引入我国，后经自主开发研究推出了弹塑体伸缩装置。这类伸缩装置在中小跨径桥梁中应用广泛，且更多的用于伸缩缝的改造。在引进之初，弹塑体伸缩缝的有着比较良好的使用效果，随着使用时间的增加以及产品种类的不断增多，部分弹塑体伸缩缝在使用中出现了表面剥落、粘结面脱开、弹塑体裂开、有明显的车辙甚至局部脱落的病害等。出现病害的原因除了与弹塑体自身材料性能有关外，使用环境对其使用性能也有较大的影响。因此，我们提出将弹塑体伸缩缝布置在桥梁的现浇混凝土结构层，将桥面层沥青混凝土贯通铺筑，形成了真正的无缝桥面，这样弹塑体伸缩缝完全覆盖在桥面层以下。为了解这一新型伸缩缝结构的使用性能，本文首先通过室内模型试验对无缝桥面结构进行了初步研究，了解了结构的变形性能及在各变形过程中的力学状态，以此为基础提出无缝桥面结构在工程应用的限制条件，然后结合实际桥梁工程进行了现场试验，现场试验的使用效果表明无缝桥面伸缩缝结构在达到一定条件的情况下能满足实际工程的使用。 2. 室内模型试验的设计及加载无缝桥面伸缩缝结构的室内模型试验是为了更快、直观并准确的了解其使用效果，中小跨径简支桥梁通常都是采用的混凝土梁或板结构，在进行设计时，用两块一定尺寸的混凝土板模拟桥梁结构相邻两跨的梁体，在两块混凝土板之间布置弹塑体伸缩缝，弹塑体伸缩缝的尺寸采用适中的50cm10cm，混凝土板宽度按照近似一个车道的宽度取3m，长度按照能满足沥青混凝土与混凝土板的粘结力长度取2m，厚度按照一般简支梁桥梁体顶板高度取0.3m。两块混凝土板分为固定板和活动板，其中固定板通过台座与大地固定，活动板与台座之间设置聚四氟乙烯板保证能自由伸缩，同时活动板与MTS结构试验试验系统连接。沥青混凝土的摊铺则采用室内沥青混凝土试验常用的打夯机进行摊铺压实。为了充分研究无缝桥面整体结构和各组成结构部分的使用性能，室内模型试验分3种类型分别进行，其中第一类为完整的无缝桥面结构试验模型，即在桥梁的混凝土现浇结构层设置弹塑体伸缩缝，并贯通铺筑桥面沥青混凝土，主要观测研究整体结构在一起作用时整体结构的伸缩性能以及力学性能；第二类是在混凝土结构层设置弹塑体伸缩缝且不进行桥面铺装的模型试验，主要观测研究弹塑体混合料与混凝土之间的粘结力的强弱、弹塑体伸缩缝自身的伸缩性能及力学性能，第三类为目前桥梁工程常用的桥面弹塑体伸缩缝结构的模型试验，是在桥面沥青混凝土层设置弹塑体伸缩缝，主要观测弹塑体伸缩缝布置于桥面层时的伸缩性能，作为参考试验与前两类试验进行对比。试验分类见表1，各类型试验模型示意图见图1图3。 表1 室内模型试验分类类型试验对象结构形式第一类无缝桥面伸缩缝结构弹塑体混合料位于混凝土板层，上层沥青混凝土贯通铺筑第二类混凝土-弹塑体伸缩缝弹塑体混合料位于混凝土板层，不铺筑沥青混凝土第三类沥青混凝土-弹塑体伸缩缝弹塑体伸缩缝位于沥青铺装层图1 第一类室内模型试验结构示意图图2 第二类室内模型试验结构示意图图3 第三类室内模型试验结构示意图伸缩缝结构主要使用要求是满足桥梁结构的伸缩位移要求，因此在室内模型试验主要内容是拉压试验，拉压试验通过MTS结构试验系统对活动板的推进或拉伸加载而固定板保持不动实现对弹塑体伸缩缝以及桥面沥青混凝土产生伸缩位移，试验通过MTS的系统位移控制加载，加载位移变化采用余弦变化规律从0开始到最大位移，其中第一类结构试验根据最大位移分别为3.0mm、4.0mm、5.0mm、6.0mm、7.5mm、9.0mm、10.0mm、12.5mm、15.0mm、17.5mm、20.0mm分为工况1工况11，每个工况以15min为一个周期持续3h；第二类和第三类结构试验根据最大位移分别为5.0mm、7.5mm、9.0mm、11.0mm、12.5mm、15.0mm、17.5mm、20.0mm分为工况1工况8，每个工况以15min为一个周期持续3h。在混凝土两侧设激光位移传感器，记录MTS结构试验系统的位移变化读数、拉压力变化读数、激光位移传感器位移变化读数，观察结构的变形以及结构表面是否出现开裂，并记录开裂后裂缝的发展。3. 室内模型试验结果根据以上设计进行试验，三类结构分别得出以下试验结果。3.1 第一类试验结果无缝桥面结构最大能满足9mm的拉位移，满足最大拉位移控制因素为上层沥青混凝土开裂，试验中结构在受压情况下没有明显的变化，试验变形结果参见图4图5。MTS结构试验系统在与混凝土板连接后的空载加载力为0.35kN，说明混凝土板的摩阻力很小，试验加载在9mm及以下位移工况中扣除摩阻力的影响后MTS结构试验系统的加载力值较大，说明无缝桥面结构使用中有较大的伸缩阻力，受拉时最大伸缩阻力超过30kN/m，试验最大加载力变化见图6图7。3.2 第二类试验结果弹塑体伸缩缝最大能满足15mm的拉位移，结构拉伸破坏位置为伸缩缝与混凝土粘结粘结面，试验中结构在受压情况下没有明显的变化，试验加载在扣除摩阻力的影响后MTS结构试验系统的加载力始终处于比较高的水平，在15mm及以下工况时受拉阻力在15kN/m左右，一方面说明弹塑体混合料有较大的伸缩阻力，另一方面结合第一类试验结果说明无缝桥面结构中桥面沥青混凝土也受到较大的拉压力。 3.3 第三类试验结果桥面弹塑体伸缩缝最大能满足17.5mm的拉位移，结构破坏位置为混合料与沥青混凝土粘结面。试验中伸缩缝结构受压性能较好，但当压位移较大时，弹塑体伸缩缝会有上凸的状况出现，在压位移达到30.0mm时，伸缩缝中部有比较明显的上凸状况出现，上凸8.5mm。图49.0mm加载工况伸缩缝状况图5 10mm加载工况伸缩缝状况图6 各加载工况MTS最大拉力变化图7 各加载工况MTS最大压拉力变化3.4 结论及建议通过以上三种类型结构的模型试验，可以认为，传统的桥面弹塑体伸缩缝(第三类试验)有良好的伸缩性能，沥青混凝土与弹塑体伸缩缝有相对良好粘结性，且两者在桥面层粘结后更大的发挥了混合料的伸缩性能，经过合理的设计选择，能满足中小跨径桥梁的伸缩要求；第二类试验说明弹塑体伸缩缝自身具有较强的伸缩性能，但其与混凝土的粘结性能成为伸缩过程的破坏因素；第一类试验说明无缝桥面结构的关键制约因素在与桥面沥青混凝土，且沥青混凝土与弹塑体混合料按照上下层布置后，弹塑体伸缩性能有所减小，因此要实现无缝桥面必须做进一步的优化研究。为了使无缝桥面技术能在实际工程应用取得更好的使用效果，对无缝桥面伸缩缝的使用提出以下使用条件：(1)建议每50m或50m以下设置一条50cm10cm弹塑体混合料伸缩缝；(2) 建议沥青混凝土施工温度选择在日平均温度为10左右、最高温度不超过15时进行。4. 现场试验 对无缝桥面伸缩缝结构进行室内模型试验研究后，为了验证结构在上述使用条件下的使用性能，在成都自贡泸州赤水(川黔界)高速公路成仁段中对无缝桥面伸缩缝进行了现场试验的对比研究。4.1 千合大桥概况成都自贡泸州赤水(川黔界)高速公路成仁段中中小跨径的桥梁使用较多，其中千合大桥是该线路中CR8合同段为跨河沟和机耕道而设，采用公路-级汽车荷载，全桥共布置4联：4x20+5x20+5x20+5x20米，上部结构采用预应力砼简支小箱梁，桥面连续，桥平面位于R=1100m，Ls=300m的右偏圆曲线及其缓和曲线上，纵断面位于R=30000m的凹形竖曲线和i=-0.50%的单坡段内。原设计中本桥在两岸台口和4、9、14号墩顶设置设置80型型钢伸缩缝，相应墩台位置采用GJZF/4400x450x66mm四氟滑板式橡胶支座；其余桥墩设置桥面连续，相应位置采用GJZ400x450x64mm板式橡胶支座。4.2 试验的设计与实施根据千合大桥的桥跨布置及原伸缩缝的布置设计，拟对千合大桥左幅弹塑体伸缩缝采用表2所列进行布置设计。结合千合大桥的施工进展情况，主要在桥跨布置和施工温度上进行了调整。混凝土层弹塑体伸缩缝的施工于2011年9月率先在千合大桥左幅完成，然后用于施工通车使用，该结构与室内模型中的第二类试验结构相同，观测研究弹塑体混合料与混凝土之间的粘结面是否出现开裂。2011年12月(环境温度在10以下)完成了左幅的桥面沥青混凝土铺装施工已经桥面弹塑体伸缩缝的，完成后继续通车使用，主要观察无缝桥面伸缩缝位置的沥青混凝土路面的使用状况以及0#桥台、9#桥墩、19#桥台位置桥面弹塑体伸缩缝的使用状况。表2 千合大桥弹塑体伸缩缝布置墩台编号(成都往仁寿方向)弹塑体伸缩缝所在位置0#桥台沥青层4#桥墩混凝土层6#桥墩混凝土层9#桥墩沥青层11#桥墩混凝土层14#桥墩混凝土层16#桥墩混凝土层19#桥墩沥青层4.3 试验结果及分析按照上述设计进行现场试验，对伸缩缝及桥面的使用情况进行了观察和记录，其中弹塑体伸缩缝使用效果见图8，使用结果表明：在温度降低超过20时(伸缩缝施工完成时环境温度超过30，沥青铺装时环境温度低于10)，部分伸缩缝出现交界面局部脱开的现象，说明伸缩缝与混凝土之间粘结力为伸缩缝使用的薄弱因素。图8 沥青铺装前伸缩缝使用状况图9无缝桥面使用状况(2012年9月)图4-5桥面弹塑体伸缩缝使用状况(2012年6月)自2011年12月无缝桥面施工完成通车到2012年9月，无缝桥面伸缩缝结构的沥青混凝土桥面使用效果见图9，使用结果表明：无缝桥面结构一直保持良好的通车舒适性，桥面沥青混凝土没有明显的裂缝出现，大部分伸缩缝位置的桥面沥青混凝土外观没有变化(与周围沥青混凝土对比)，而在4#桥墩处，桥面沥青混凝土出现了轻微的凹陷，但凹陷对通车平顺性没有明显影响。桥面弹塑体伸缩缝在试验过程中始终保持良好的使用状态，使用效果见图10，使用结果表明结构具有良好的使用效果。5. 结论无缝桥面伸缩缝结构的室内模型试验结果认为：弹塑体伸缩缝有良好的伸缩缝性能，但其与混凝土粘结力不够，且桥面沥青混凝土伸缩性能不足是结构使用的关键因素，提出如果要使用应达到桥梁跨径50m及以下并且沥青混凝土施工温度在日平均温度为10左右的条件。按照上述条件进行的现场试验表明：无论是弹塑体伸缩缝结构还是无缝桥面伸缩缝结构，都有比较良好的阶段性使用效果。首先是弹塑体伸缩缝结构及桥面弹塑体伸缩缝的使用结果与室内模型试验结果比较吻合，证实了弹塑体混合料有一定的伸缩性能，但弹塑体与混凝土的粘结力有限，稍不合理可能会出现早期局部开裂的情况。其次是无缝桥面结构的使用效果优于室内模型试验，使用过程中桥面沥青混凝土未出现明显的开裂，说明无缝桥面结构在满足一定的施工条件后可以在桥梁结构中得到应用，但在竖向荷载的长期循环作用下，局部桥面沥青混凝土出现了轻微的下凹。参考文献：1 甘勇义,朱洪林,刘东,等. 道路工程无缝桥面伸缩缝结构及其施工工艺: 四川, CN102660922AP. 2012-09-122 余家俭. 日本道路桥梁埋设型伸缩缝J. 国外公路, 1995, 05: 40-43.3 刘焱. 浅析TST伸缩装置在中、小桥梁中的病害与防治J. 科技信息, 2012, 24: 401+403.4 罗泽辉. 斜拉桥联塔结构行为模型试验研究D. 西南交通大学硕士学位论文. 2009.5公路桥梁橡胶伸缩装置(JT/T327一1997).人民交通出版社.1997.6 林琳. 小变位量桥涵弹塑性伸缩装置的应用研究D. 重庆交通大学硕士学位论文. 2008.联系人姓名：宁万超性别：男 籍贯：四川省眉山市出生年月：1988.2.15学历：在读研究生职称：单位：西南交通大学联系电话：15198110046详细邮寄地址：西南交通大学九里校区眷诚斋1535第一作者姓名：甘勇义性别：男 出生年月：1963学历：本科职称：高级工程师工作单位：四川成渝高速公路股份有限公司