热胀冷缩引发钢箱梁结构病害的处理技术

郑 晶

（新疆交通建设（集团）有限责任公司，新疆 乌鲁木齐830016)

0 引言

桥梁工程是交通设施改造的主要对象之一，它既可以单独遍布在江河流域之上，形成架空式运输线路，又可与地面道路相接轨，形成路桥式连体交通线路，双方面保障了车辆的正常行驶。伴随着大跨度桥梁工程的广泛实施，钢箱梁凭借其独特的应用性能得到了推广。对新建成的一批桥梁工程勘测显示，钢箱梁在温度条件发生高低变化时易产生异常变形，导致其结构发生多种病害，施工单位应详细分析病害状况，制定切实可行的处理方案。

1 工程概述

本次研究的案例为鲁木齐市外环快速路道路扩容改建工程第二标段，主桥桩号K1＋901.587～K2＋802.568，地面道路桩号K1＋900～K2＋805.534。本标段主线长度905.534m，起迄桩号为K1＋900～K2＋805.534，横断面组成为“7m的中央分隔带＋两侧布设11.5～14.5m机动车道＋3m绿化带＋3m人行道”。K2＋500处设有7m的上桥匝道。

2 钢箱梁的病害原因

随着我国交通工程建造活动的广泛开展，钢箱梁凭借其独特功能而得到推广应用，有效解决了桥梁交通期间的各种承载难题。根据多年的施工经验，笔者认为，钢箱梁病害发生与多个方面的因素相关。

2.1 温度因素

气候环境变化会带来一系列的物理现象，这些现象的发生又会改变物质的外在形态，从而约束了物质性能的综合发挥。热胀冷缩是物体的一种基本性质，物体在一般状态下，受热以后会膨胀，受冷会缩小。

2.1.1 热胀

当物体受热后，由于物质的原子核以及核外电子层的提速运动，使其产生了很强的离心力，这个离心力又使核外电子层与原子核的间距拉大。过大膨胀容易造成异常的形变，当物体形态拉大到一定程度后，常会发生瞬间性的断裂、损坏等问题。钢配件是钢箱梁的基本组成，每个结构之间会由相应的连接件组合起来，以保证箱梁体的稳定性。而当外界气温升高时，金属材质的自身性能也会发生变化。热胀是钢箱梁病害的主要原因之一，其引起的常见病害包括裂缝和形变等，使整个箱梁结构面临着较大的安全隐患。

2.1.2 冷缩

与高温条件一样，低温也是引起钢箱梁病害的一大因素，突发性的降温变化对箱梁结构的破坏作用也很大。当物质的温度降低后，原子内部的运动速度开始逐渐的下降，原子核的自转速度降低，其对核外电子的离心力作用也将逐渐的减小继而使原子核与核外电子层之间的距离变小[1]。降温会造成异常性的挤压形变，如表1所示，物体受压产生了缩小变形，改变了其原有的物理特征。钢箱梁是一种金属材质的桥梁结构，当外界温度处于偏低状态时，钢配件组合性能会存在较大差异，影响了箱梁功能的发挥。

表1 温度变化范围及线膨胀系数

2.2 施工因素

施工是钢箱梁作业的核心环节，施工质量直接决定了后期桥梁交通性能的好坏。相比于早期的单一式桥梁，钢箱梁施工面临的工艺流程、操作秩序等更加复杂，这些都有助于完善现有的交通运输体系，带动区域交通事业的优化发展。施工因素引发的钢箱梁病害，主要是由于钢配件安装不科学导致的。对比早期混凝土结构筑造的桥梁，钢箱梁在组成构件方面选用了金属材质，用以辅助桥梁结构的支撑体，进而完善了桥梁使用的交通性能。安装是组建桥梁结构的主要过程，由于现场人员操作不当而给钢箱梁使用埋下了隐患，最终导致结构病害的发生。例如，顶板、底板、腹板和横隔板在焊接安装时未按照工艺操作，钢配件在细节组织上出现便宜，每个结构之间的紧密性不足，面对路面荷载增大时会产生瞬间性的病害。

3 钢箱梁常见结构病害的处理技术

近年来桥梁工程建造的数量持续增多，钢箱梁结构在桥梁中的应用价值得以体现，充分展示了新型桥梁构造的交通性能。从物理学角度分析，热胀冷缩现象对钢箱梁结构属于潜在的病害风险，一旦梁式结构的伸缩、膨胀系数超出标准，势必影响到桥梁的正常状态。为了解决热胀冷缩造成的病害问题，施工单位应制定切实可靠的方案进行处理，保障桥梁结构性能的持久发挥。

3.1 断裂病害

钢箱梁是大跨径桥梁常用的结构形式，一般用在跨度较大的桥梁上，因整体结构的自重力较大且外形像一个箱子，故称作钢箱梁。在大跨度缆索支承桥梁中，钢箱主梁的跨度达几百米至上千米，一般分为若干梁段制造和安装，其横截面具有宽幅和扁平的外形特点，高宽比达1∶10左右。钢箱梁结构在温度巨变条件下，内外箱体易发生异常变形，最终引起断裂性病害而破坏桥梁的稳定性[2]。为解决这一问题，在安装钢箱梁时应考虑接头安装质量的控制（如表2所示），使每节钢箱梁之间有足够伸缩空间，以免热胀冷缩变化引起断裂问题。

表2 钢箱梁接头试板厚度

3.2 变形病害

异常变形是热胀冷缩条件下钢箱梁病害的最大故障，无论是膨胀还是冷缩引起的变形状态，都会破坏钢箱梁的组装体和零部件。从组装结构来说，国内现有钢箱梁一般由顶板、底板、腹板、横隔板、纵隔板及加筋肋等通过全焊接的方式连接而成，其中顶板为由盖板和纵向加筋肋构成的正交异性桥面板。热胀冷缩变化下，钢箱梁顶板膨胀而损坏了盖板的耐久性，整体桥梁失去了应有的平衡性[3]。为了防止异常变形带来的质量风险，钢箱梁安装时要注重伸缩缝的合理应用（如图1所示），避免外界温度交替变化造成的异常变形。

图1 钢箱梁常用的伸缩缝

3.3 尺寸病害

严格意义上来说，钢箱梁病害发生也与施工单位选材工作存在关联，不同桥梁工程使用的材料标准也不一样，特别是在尺寸结构上均有明确的规定。如，钢板材料切割时尺寸不规范，给实际安装操作带来了很大的难度，这往往是挤压变形等病害发生的潜在因素。应严格控制钢箱梁各板的厚度，如，盖板厚度14mm，纵向U形肋厚度6mm，上口宽320mm，下口宽170mm，高260mm，间距620mm；底板厚10mm，纵向U形加劲肋；斜腹板厚14mm，中腹板厚9mm；横隔板间距4.0m，厚度12mm；梁高2～3.5m。

4 解决钢箱梁病害的综合措施

钢板箱形梁是工程中常采用的结构形式。为了从根本上解决热胀冷缩对钢箱梁造成的病害影响，本文结合乌鲁木齐市外环快速路道路扩容改建工程存在的施工难点提出改进措施，保障了钢箱梁结构性能的持久发挥。施工前专门成立管线领导小组，组织好管线迁改和保护方案，确实无法保证时，尽快与设计和业主单位取得联系进行变更。为保证施工任务顺利完成，应制定良好的轮班制度，做好现场施工任务的协调分配，防止盲目施工造成的病害风险；现场需调整好交通车辆的运行，减小交通对施工的干扰[4]。

5 结语

总之，行业科技改造推动了我国交通运输系统的复杂化，传统单一公路式交通模式逐渐被双重结构所取代，这促进了道路与桥梁之间的紧密结合。从物理学原理来说，热胀冷缩会导致物体形态发生明显的变化，出现扩大或缩小两种情况，注重钢箱梁结构病害的处理是至关重要的。

[1]宁光恒.现代大跨度桥梁结构加固技术的分类与实际运用[J].贵州道路施工，2010，26（12）：82-84.

[2]殷美莲.热胀冷缩现象的物理学原理及结构破坏作用[J].合肥工业技术学院，2011，20（12）：32-34.

[3]边宏艺.钢箱梁结构病害的引发因素与处理对策[J].地质勘测，2010，15（11）：88-91.

[4]田静安.气候环境对路桥结构稳定性影响分析[J].中国科技信息，2010，30（6）：19-22.