有关无伸缩缝桥梁的设计与应用分析

摘要:随着我国经济建设的迅猛发展，公路交通量急剧增大，而目前我国桥梁伸缩装置的破坏率很高，破坏十分严重。与同跨度有伸缩装置传统桥梁相比,无伸缩缝桥梁由于取消了伸缩装置,从而避免了设置伸缩装置所引起的各种缺陷,不仅减小了桥梁工程造价,而且大大降低了桥梁的维修费用,并且改善了行车的舒适性。

关键词:整体式桥台桥梁;无伸缩缝桥梁;设计

公路桥梁的伸缩键是当今桥梁施工和维护中的难题之一。桥梁的伸缩维长期暴露在大气中，使用环境比较恶劣，是桥梁结构中最易遭到破坏而又较难以修补的部位。桥梁伸缩键在设计、施工上稍有缺陷或不足，就会引起其早期破坏;即使是防水伸缩装置在长期使用后也会出现漏水,使得路面表层的含盐排泄水直接侵蚀主梁梁端、支座以及钢筋混凝土下部结构,这是我们经常遇到的最主要的腐蚀问题。桥梁伸缩缝一方面承受着来自活载的磨损和重交通的冲击作用,另一方面也承受着因热胀冷缩、收缩徐变或基础沉降和土压力引起的连续变位作用的影响。目前公路超载情况越来越严重,伸缩缝会经常遭遇超过其设计承载力的荷载的冲击作用,而这些更缩短了伸缩缝的寿命。尘埃、垃圾也会逐渐填满伸缩装置的空隙,从而使导致伸缩松动、失效,而桥梁两端伸缩装置的破坏,必将引起很大的车辆冲击荷载,进一步恶化行车状况。在广大的南方地区,河网纵横,软土地基大量存在,路基的不均匀沉降更加剧了桥头跳车,不仅对行车舒适性带来不利影响,而且对行车安全埋下隐患。

针对伸缩缝和支座存在的上述问题,世界各国的学者都在努力寻求最好的伸缩缝结构，得到的结论是“最好的伸缩缝结构是无伸缩缝”。在不同的国家，无伸缩缝桥梁有着不同的名称，如：无伸缩缝桥梁、整体式桥梁、整体式桥台桥梁、半整体式桥台桥梁、框架桥、刚性框架桥及U型框架桥等。

1、无伸缩缝桥梁的发展

无伸缩缝桥梁的建造在美国已有较长的历史。大约在20世纪60年代，美国开始采用连接桥梁上部结构和桩基础的无伸缩装置的整体式桥台，堪萨斯州，密苏里州，俄亥俄州和田纳西州是较早采用这种方法的州。它的设计除了整体式桥台以及引道板与路面连接处的构造不同外，与一般桥梁设计原理基本相同。在完成主梁施工后，采用一些特殊措施将主梁、桩基础、桥台做成整体式，形成无伸缩缝桥梁。采用无伸缩缝的整体式桥台，除了行车平稳外，由于消除了伸缩装置，排除了伸缩缝处水的渗漏隐患，降低了桥梁造价及维修费用，使得这种类型的桥梁逐渐地流行起来。目前这种桥型在美国发展很快，遍及90%的州，仅在田纳西一个州就有1000多座无伸缩缝桥梁，桥型涉及钢桥、混凝土桥、直桥和曲线桥。钢桥最大长度做到127m，混凝土桥最大长度已达到358m。

日本在二战后就致力于对已建桥梁进行无伸缩缝装置化改造。英国于20世纪70年代开始了无伸缩缝桥梁的研究。在英国,跨长在65m以内的公路桥梁广泛采用无伸缩缝桥梁结构。其它国家如法国、意大利、新西兰、瑞士、伊拉克等国的无伸缩缝桥梁技术也日趋成熟。无伸缩缝桥梁和半整体式桥台桥梁得到了各国的广泛应用。

我国在20世纪末开始了建造无伸缩缝桥梁的尝试1998年在湖南省益阳至常德高速公路上建造了我国第一座整体式桥台桥梁。该桥为(11.4+33.2+l1.4)m的三跨连续梁,设计荷载为汽车一10级。1999年1月建成通车的长沙市城南路高架桥,总长171m,主跨25m,在桥梁西侧设置一道伸缩缝,桥梁东侧采用了取消伸缩缝及支座的整体式桥台。建于1999年11月的广东省清远市四九桥。全长75.48m(9+2X16+9),右角75度的四跨钢筋混凝土无伸缩缝桥梁,设计荷载为汽车一20级。福建省永春县的上坂太桥是一座刚建成的4X30混凝土T梁无伸缩缝桥梁(2004年1月),也是我国目前已建成的桥长最长的一座无伸缩缝桥梁。全桥长137.1m、设计荷载为汽一20级，挂一100。

2、无伸缩缝桥梁的结构形式

世界各国的桥梁工程师们为解决桥梁伸缩装置带来的问题，创造了无伸缩缝桥梁的多种结构形式，主要有以下几种：采用滑动接缝的无伸缩缝桥梁；不设桥台的无伸缩缝桥梁；自适应变形的伸缩缝曲线桥梁；半整体式桥台的无伸缩缝桥梁（半整体式桥台桥梁）；整体式桥台的无伸缩缝桥梁（整体式桥台桥梁）。前三种方法实施起来有许多局限性，限制了它们的发展，而半整体式桥台桥梁，由于需要采用刚性基础和活动支座，其连接部位的构造比较复杂，不如整体式桥台桥梁经济、有效，通常在无法满足整体式桥台桥梁所需最小桩长的场地中考虑使用。整体式桥台桥梁是目前世界各国应用最广，研究最多的伸缩缝桥梁。

3、无伸缩缝桥梁的特点

桥面板上没有伸缩缝的桥梁即为无伸缩缝桥梁。它是将上部梁体结构与下部结构结合成一整体的单跨或多跨桥梁。无伸缩缝桥梁由于是梁、墩台固结构造,因此墩台必须为柔性结构,以吸收梁体的变形,同时满足大变形下承载力和稳定性的要求。一般地,这些桥梁采用带有盖梁的桩柱式桥台。无伸缩缝桥梁的桥墩可以与上部结构固结,也可以与上部结构分离。半整体式桥台桥梁被定义为:由刚性的非整体基础和上部结构与桥台接触面的水平滑动支座组成的单跨或多跨连续梁桥。无伸缩缝桥梁见图1所示。

图1无伸缩缝桥梁的两种形式

正如前面所陈述,无伸缩缝桥梁与相同跨径的有伸缩缝桥梁相比,前期投入造价和后期维护费用都很低。无伸缩缝整体式桥台的桥梁主要优点如下：

（1）无伸缩缝结构

无伸缩缝桥梁是将上部梁体结构与下部结构结合成一整体的单跨或多跨桥梁。无伸缩缝结构是无伸缩缝桥梁的最主要特征。

（2）结构设计简单

无伸缩缝连续梁桥中,单排桩支撑的桥梁墩台与上部结构固结,或自支撑的墩柱通过滑动支座与上部结构分离。这些桥梁都可以简化为有一个水平杆和多个竖向杆的刚架,大大方便了桥梁的整体分析和设计。

（3）施工建造速度快

整体式桥台使用单排桩,桩较少,同时可以不用背墙结构。由于取消了支座和伸缩缝,不仅这些附属设施的安装、调试的工期和造价都会大大减少;而且与之相关的一些设施诸如支座垫石、盖梁的设计和施工都会大大简化。

（4）更大的边中跨比范围

整体式桥台可以更好地抵抗负支反力,整体式桥台可以充当平衡重(配重)。因此,对于连续梁桥,可以采用更小的边中跨比却不用设置昂贵的拉力支座。

（5）增加超静定性和抵抗灾难的能力

无伸缩缝桥梁增加了桥梁超静定约束和抵抗各种灾难事件的能力。伸缩缝是整个桥梁坍塌的潜在原因,由于墩台和梁固结,无伸缩缝桥梁大大减少了地震中的落梁现象发生的可能性,而落梁恰恰是地震中桥梁损坏的主要原因。对于多震区,无伸缩缝桥梁是一种更可取的设计方案。

（6）运营费用低

平顺的无伸缩缝结构可以改善车辆行驶的舒适性、减小车辆的冲击应力水平。同时大大降低桥梁的后期维护费用。

4、无伸缩缝桥梁的设计特点和难点

无伸缩缝桥梁由于取消支座、伸缩缝,将上部梁体结构与下部结构固结在一起,所以温度的影响和桥梁伸缩变形的处理是无伸缩缝桥梁设计主要的难点。经过美国各州公路和运输工作者协会多年的观察,温度对无伸缩装置桥梁的影响可能没有计算值那么大,但是温度对钢桥的影响要比混凝土桥梁大的多,其对无伸缩缝桥梁的影响在定量上分析还有待于进一步研究。

无伸缩缝桥梁伸缩变形的处理,主要通过其桥台、桥墩的柔性变形来适应。特别是整体式桥台,这是我们关注的重点。在无伸缩缝桥梁设计时应注意以下方面：

①首先为减小温度变形的影响,应限制桥梁的长度,其斜交角不应大于30°。

②整体式桥台适应于路堤,桩接盖梁式桥台,使用单排柔性桩,为提供柔性,桩长不应小于6m,对于地质好的山区,要给桩留下足够的变形空间。对于钢桩应调整H型弱轴方向,使之与运动方向一致。

③桥台尽量少的深入路堤,在满足内力的要求下,尽可能降低桥台高度,利用挡土墙来缩短翼墙的长度,在台后设置搭板,以减少车辆对台后填土的积压,降低被动土压力。

④为了减小台后填料的沉降同时适应膨胀和收缩,台后填料应采用透水性较好、松散的回填料,与桥台同步分层填充并且夯实。

⑤整体桥梁宜采用对称结构以减小作用于桩柱上的潜在纵向力,并且平衡桥台上的压力。

5、结论

回顾了国内外无伸缩装置桥梁的发展情况,介绍了无伸缩装置桥梁的结构特点,并对无伸缩装置桥梁的设计情况做了一些简单的探讨。

参考文献

1、《无伸缩缝桥梁的研究与实践》彭大文林志平《公路》2006年第8期

2、《无伸缩缝桥梁的发展综述》彭大文洪锦祥陈晓