“关节”保卫战——悬索桥伸缩缝检测维修及易损件力学性能研究

润扬大桥模数式伸缩缝结构纵向位移伸缩量为2160mm，悬索桥处设计时速100公里，双向6车道，伸缩缝依据《公路桥梁伸缩装置》(JT/T 327-2004)及德国交通部TL/TP-FU 92等标准设计，设计使用年限40年。主要由型钢组件（边梁和中梁）、支承系统(横梁和位移箱内支座及弹簧)、位移控制系统(控制弹簧元件)、弹性支撑元件(滑动支座和滑动弹簧)及防水组件(橡胶止水带)等组成。伸缩缝型钢材质采用德国DIN 17006标准中的S355K2G3，等同国内Q355钢材，滑动弹簧、位移控制弹簧等要求具备较强变形能力，采用天然橡胶；滑动支座刚度通常较大，采用硬质尼龙材料。

模数式伸缩缝服役过程中主要承受竖向、水平向荷载，并承受一定的转动荷载。承受竖向荷载时，经过滑动支座传递至下横梁上，部分力向下传递至滑动弹簧上，由滑动弹簧的变形剪切消耗掉，另一部分沿下横梁向两侧传递至支撑横梁箱内的滑动支座上，最后传递至梁端及混凝土结构；承受水平荷载时，荷载通过横梁传递至滑动支座，再传递至中梁，进一步传递位移控制弹簧，最终至锚固端及位移箱滑动支座。主梁竖向/转角运动弯矩传递至锚固侧滑动弹簧、滑动支座，进而通过横梁传递至位移箱侧支座。

图1 伸缩缝装置构造示意图

自2005年通车至今总体概况，悬索桥伸缩缝对位移控制弹簧、滑动支座、滑动弹簧进行的多次更换，累计费用约445万元，其中近五年维修费用合计195万元，可以看出,随着伸缩缝服役年限的延长，近年来的养护维修费用有较为明显的增长，合理的管养对提升伸缩缝整体性能具有重要意义。

润扬大桥采取厂家检测、年度委托检测单位检测、定期检查单位检测。日常养护单位负责日常缝间垃圾清理，委托施工单位负责年度专项维修，长大桥隧世业洲养护基地负责跟踪监测，路桥养护工区经常性检查的管养模式。确保检测—维修—复查管养流程闭合。

伸缩缝常规检测采用人工目测和听觉判断方式为主，配备钢卷尺、榔头等工具辅助，对于隐蔽部位构件采用工业内窥镜和高精度可伸缩工业观察镜辅助检测，这些设备可抵近或进入伸缩缝内部，能够直观检查内部元件脱空、开裂等病害。

将横梁和中梁作为伸缩缝的骨架，对部件制定统一了编号规则，用于构件的编号及精确定位，如横梁符号为H，沿扬州到镇江方向看，从左向右依次编号为H1 号～H20号；边梁符号为B，分别为B1号、B2号，中梁符号为Z，分别为Z1号～Z26号；再如控制弹簧由边、中梁位置和弹性元件与横梁的交点表示，H1H2-B1Z2号表示H1号和H2号横梁之间连接B1号边梁和Z2号中梁连接的弹性元件等等，该项工作保证了对检测、维修历史的有条理的记录。

图2 构件定位骨架

经检查，横梁U型盖板主要发现连接螺栓松动脱落、螺母脱落、U型盖板局部变形、盖板端盖断裂等病害。

（a）螺栓松动脱落

 （b）端盖板断裂

（c）端盖板纵向变形

（d）螺母脱落

图3 U型盖板病害

个别横梁下滑动支座和滑动弹簧在车辆经过时整体竖向振动和弹跳以及活动端局部竖向弹跳，滑动支座和滑动弹簧存在破损、挤出及脱落等病害。

（a）支座挤出

（b）弹簧脱落

图4 滑动支座和滑动弹簧病害

检查发现大量控制弹簧因橡胶材料老化表面存在轻微开裂；另外还有个别控制弹簧存在严重开裂破损。严重开裂的位移控制弹簧的水平承载力会明显下降，影响控制弹簧水平位移控制效果。

（a）轻微老化开裂

（b）严重开裂

图5  控制弹簧病害

检查发现伸缩缝异响除了由于支座脱空及螺栓脱落引起，位移箱内侧滑块有磨损，伸缩缝纵向变形时下横梁上翼缘易与位移箱或U型盖板发生干摩擦，从而产生摩擦噪音。检查同时发现伸缩缝横梁上方的不锈钢板焊缝开裂，不锈钢存在翘曲现象，导致该区域滑动支座、滑动弹簧运动卡滞，水平受力过大，易松动甚至脱落。

（a）位移箱侧滑

（b）钢板上翘

图6  钢板及限位病害

经过对易损件的详细检查，弹簧支座损伤破坏主要集中在引桥侧，尤其是靠近引桥侧前四组。

伸缩缝管养首需确保永久型钢构件安全服役，利用路面铺装维修封车道期间,在伸缩缝处采用超声探伤仪对边梁、中梁结构进行探伤，实测超声曲线表明伸缩装置边梁、中梁主体、焊缝位置无明显损伤，钢结构整体状况良好，无裂纹和人为制造缺陷，表面涂层及型钢间止水带存在破损。

（a）桥面探伤

（b）桥下探伤

图7 永久构件检查

根据健康监测系统，采用鲁棒平滑的数据清洗算法，对每个数据点以其两侧一定窗口内的数据作为依据判断该测点是否为异常跳点或平滑性欠佳，进而对数据进行平滑处理。对于异常值、空缺值不进行累积量统计计数。统计日均累积量时采用正常数据点统计后，基于已有点数按比例换算为单日日均累积量；对于单月有效数据量小于5d 的月份，认为该月数据整体存在异常，不进行统计。

2020~2024年间，梁端日均累计位移均超过110m，与2007年相比增大约1.5倍，与车流量的变化相关，且支座滑板处涂抹润滑硅脂也会导致日均累积位移小幅上升，上述因素造成伸缩缝的运动量大，内部弹性部件摩擦距离长，剪切变形频繁，易造成部件损伤。

图8 不同时期的日均累计位移

内因方面，模数式伸缩缝在运动过程中，荷载作用下主梁振动方向频繁改变，靠近引桥侧区域相对变形过于频繁，其他区域几乎静止，且控制弹簧剪切将荷载、变形逐步缓慢传递至相邻中梁，因此变形频繁区域部件最易损伤。

（a）间隙变大

（b）间隙变小甚至顶死

图9 伸缩缝变形集中区域间隙

为评估伸缩装置的位移协调能力和新旧弹性元件工作性能，选取两根横梁，一根弹性原件全部更换、另一根部分更换，采用工业相机进行位移测量，并用毫米波雷达验证，相机测量测点的竖向位移和顺桥向位移，雷达仅测量测点的竖向位移。基于相机和雷达的多点测量特性，避免了多个测量设备布置的烦琐，也避免了测量结果后期的人工调整，特别是避免了电脑时钟的校准。

原始测量数据在进一步对比分析前进行简单的预处理，主要包括减去初始点位移和光滑位移曲线，便于后续的对比分析。

在竖向位移上，两根横梁上各测点位移量级一致，且距离主梁越近，位移越大。

在顺桥向位移上，全部更换横梁测点上各测点位移基本一致，部分更换横梁上各测点位移相差较大，且呈现距离主梁越近越大的规律，初步验证易损件全部更换相较于部分更换增强了顺桥向变形的一致性。

根据编号规则对部件进行编号定位，在新更换及退役的弹性元件上粘贴标签，记录维修情况形成养护台账，制定维修后跟踪监测方案，定期复测（每月不低于1次），绘制年度维修图纸。

施工平台及横梁顶升工装安装→拆除下横梁处全部U型箱体→横梁顶升→取出下横梁两端下滑动支座→落梁→取出下横梁两端上滑动弹簧→安装下横梁两端新的上滑动弹簧→横梁顶升→安装下横梁两端新的下滑动支座→落梁→安装U型箱体→U型箱体螺栓施加扭力。

（a）U型盖板拆除

（b）横梁顶升

图10 位移箱支座弹簧施工示意图

施工平台安装→拆除剪切控制弹簧底座→拆除存在病害的剪切控制弹簧→安装新的剪切控制弹簧→安装剪切控制弹簧底座→剪切控制弹簧底座螺栓施加扭力。

（a）拆除旧位移控制弹簧

（b）更换新弹簧

图11 位移箱支座弹簧施工示意图

施工平台及横梁顶升工装安装→拆除下横梁处全部U型箱体→横梁顶升→取出下横梁两端下滑动支座→落梁→取出下横梁两端上滑动弹簧→取出全部U型箱体盖板→解除镜面钢板与下横梁焊点→抽出镜面钢板→安装并固定新的镜面钢板→点焊镜面钢板→安装下横梁滑动支座及U型箱体盖板→安装U型箱体→U型箱体螺栓施加扭力。

为了解决横梁偏位问题，如考虑对现有被摩擦限位支座进行更换，该方法还需保证翼缘侧向不锈钢板可正常滑动。由于横梁和位移箱间隙较小，必然会涉及封道开槽及钢板更换，影响交通通行，费用较高，安全风险较高。通过对龙潭大桥新建施工时实地调研，以及其他桥梁统计，新建伸缩缝采用止滑器进行限位，将限位措施由位移箱内转移到位移箱外，方便后期维护。

对中间横梁上侧滑动支座开展了静载竖向刚度试验，初始状态下新旧样件高度差约1mm，主要由滑动支座上方的材料磨损导致，100kN（10t）竖向荷载下各个滑动支座竖向变形量均不大于0.6mm，荷载作用下的滑动支座变形量差异较小，考虑磨损后新、旧样件高度偏差达1.26mm，滑动支座高度偏差大时会造成伸缩缝结构部件受力不均，因此应控制滑动材料的磨损率。

对滑动弹簧开展了静载竖向刚度试验，10kN荷载下横梁下侧旧样件竖向变形量减少3.4～5.9mm，其缓冲能力降低，动载冲击下U型盖板等部件所受荷载增大，且荷载下外观裂纹有扩大趋势，考虑磨损后新、旧样件高度偏差最大1.57mm，仍会导致各个滑动弹簧受力不均，故滑动弹簧应采用耐老化性能好的橡胶并在顶面粘贴耐磨性能好滑板材料，降低老化速度以及磨耗速度，使其性能长期保持在较好水平。

图12 新旧滑动弹簧压缩后高度对比

开展了位移控制弹簧剪切试验，其中旧样件在剪切过程中裂缝逐渐扩展，且出现了不可恢复的残余变形（2~6mm），对于出现了明显贯穿裂纹的控制弹簧，其刚度变小；而对于表面存在细小裂纹的弹簧，橡胶老化变硬导致剪切弹簧刚度增大。所以橡胶不同程度的老化、开裂导致剪切弹簧刚度的变化存在不确定性，会加剧缝宽的不均匀性，剪切弹簧应采用耐老化性能更优的橡胶，以保证弹簧力学性能的稳定性。

本文探索总结了大位移模数式伸缩缝定位、易损件及永久构件检测、维修管养方式，对比分析了新老弹性体的力学性能，得出了以下几点结论：

（1）在管养过程中，应重视伸缩缝的全部构件的定位编号规则制定及维修后的跟踪监测，便于后期对养护历史的追溯及病害原因的分析。

（2）伸缩缝绝对位移靠近主桥端越近位移越大，相对位移靠近引桥端较大，间隙较为明显，且通过定量分析整根梁全部更换位移协调性相对部分较好。

（3）尽可能研究不封闭交通的施工方式，后期将通过对止滑器的实际应用，验证在运营期期间调整限位措施的可行性。

（4）伸缩缝的滑动材料的磨耗性能、橡胶耐老化性能对其力学性能、耐久性能提升较为重要，远期可考虑对滑板材料将开展长距离磨耗试验以及耐老化性能研究。

（5）开展不同构件维修时机研究。