全無(wú)縫橋梁接線道路的研究與應(yīng)用

高超 朱琳

(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082)

引言

橋梁結(jié)構(gòu)伸縮系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)、施工、使用及產(chǎn)品質(zhì)量等方面的不足所產(chǎn)生的病害問(wèn)題屢見不鮮，嚴(yán)重的會(huì)影響到主體結(jié)構(gòu)安全。其伸縮裝置屬于附屬構(gòu)造物，與橋梁主體間的材料魯棒性較低，自身又存在耐久性差的缺點(diǎn)，且出現(xiàn)損壞后更換難度大，維護(hù)費(fèi)用高。

為此提出無(wú)縫橋梁的概念。其除了對(duì)橋跨之間采用連續(xù)結(jié)構(gòu)外，又將主梁與橋臺(tái)連成整體，縱橋向的變形一方面通過(guò)體系剛度的轉(zhuǎn)化被自身吸收一部分，另一方面又通過(guò)樁及臺(tái)背后的土抗力作用再次吸納，從而達(dá)到橋區(qū)范圍內(nèi)取消伸縮縫。

然而傳統(tǒng)無(wú)縫橋只是將伸縮縫由橋臺(tái)處移至搭板末端，雖然解決了橋區(qū)內(nèi)伸縮縫的諸多問(wèn)題，但搭板末端的路面接縫仍處于易損狀態(tài)[1]。本文提出新形式全無(wú)縫橋并運(yùn)用到實(shí)際工程中，對(duì)接線道路進(jìn)行計(jì)算分析，驗(yàn)證采用全無(wú)縫結(jié)構(gòu)的合理性，為我國(guó)無(wú)縫橋技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 全無(wú)縫橋及其設(shè)計(jì)思路

全無(wú)縫橋是在常規(guī)無(wú)縫橋的基礎(chǔ)上，利用連續(xù)配筋混凝土路面允許帶裂縫工作的特點(diǎn)，采用搭板兩端分別與主梁及連續(xù)配筋接線路面連接，并在接線道路的端部設(shè)置地梁的方式，進(jìn)一步消除了路橋結(jié)合處的路面接縫的新型無(wú)縫橋體系，其在傳統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了過(guò)渡板、傳力裝置、錨固地梁等構(gòu)造措施。其設(shè)計(jì)思路流程見圖1。

圖1 全無(wú)縫橋設(shè)計(jì)思路流程Fig.1 Design process of seamless bridge

2 工程概況及結(jié)構(gòu)選型

通惠河橋位于通州新城運(yùn)河核心區(qū)，道路規(guī)劃為城市次干路，設(shè)計(jì)速度40km/h，紅線寬度45m，夾角為87.07°，橋長(zhǎng)經(jīng)規(guī)劃會(huì)議確定為90m?？讖讲贾眉敖Y(jié)構(gòu)形式受制于幾點(diǎn)因素：

(1)景觀要求：采用拱橋形式，主拱需對(duì)稱河道布置；

(2)行洪要求：主跨一跨過(guò)河，凈寬需大于50m，且拱腳盡量避開現(xiàn)況河道擋墻；

(3)周邊地物：橋區(qū)范圍內(nèi)存在現(xiàn)況管線，基礎(chǔ)布置需避讓并留出安全距離；地鐵M6 線從橋位西側(cè)向北穿過(guò)，距離北側(cè)橋臺(tái)和主墩的基礎(chǔ)較近。

綜合以上因素，設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)形式最終選定如圖2所示?？鐝綖?1.5m+60m+18.5m，矢跨比1/7。因主跨大，邊跨過(guò)小，造成邊跨梁端出現(xiàn)負(fù)反力，工程設(shè)計(jì)中將這種構(gòu)造需求與整體式全無(wú)縫橋技術(shù)結(jié)合，將橋臺(tái)與縱梁固結(jié)，下部接柔性樁，橋頭搭板與橋臺(tái)通過(guò)鋼筋連接，充分利用其自重作為壓重，取消了伸縮縫。這樣，既滿足了邊中跨不匹配帶來(lái)的平衡需求，又提高了橋面行車舒適性，減少了橋梁運(yùn)營(yíng)期間的維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，一舉多得。

經(jīng)主橋有限元計(jì)算結(jié)果得知，結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件各階段驗(yàn)算均滿足要求，其中車道荷載產(chǎn)生的撓度較小，驗(yàn)證了整體式橋梁剛度大、行車舒適性好的優(yōu)點(diǎn)。

圖2 通惠河橋立面布置示意(單位：cm)Fig.2 Elevation design drawings of Tonghui River Bridge(unit：cm)

3 接線道路設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

搭板與橋臺(tái)按照常規(guī)搭接，考慮橋梁整體伸縮量設(shè)置2～3 道過(guò)渡板，端部設(shè)置錨固地梁，搭板與過(guò)渡板、過(guò)渡板之間、過(guò)渡板與錨固地梁間設(shè)置1cm 斷縫，斷縫間設(shè)置彈性傳力桿件傳遞梁體的變形，以使其上的瀝青鋪裝不致承擔(dān)過(guò)大變形，同時(shí)在板與瀝青鋪裝之間設(shè)置應(yīng)力吸收層，避免反射裂縫擴(kuò)散到路面，此外在路橋分界處設(shè)置路面多層土工材料搭接處理。見圖3。

圖3 通惠河橋接線道路結(jié)構(gòu)形式示意(單位：cm)Fig.3 Schematic diagram of structure form for connection road of Tonghui River Bridge(unit：cm)

該形式無(wú)縫橋接線道路不僅構(gòu)造簡(jiǎn)便易于實(shí)施，并且可以實(shí)現(xiàn)以較短的長(zhǎng)度吸收無(wú)縫橋溫度效應(yīng)下的大變形，使其更加經(jīng)濟(jì)。

3.2 受力機(jī)理分析

在各塊過(guò)渡板間設(shè)置合理的剛度連接，使接縫能夠合理均勻地吸收溫度效應(yīng)下無(wú)縫橋的變形，接線道路簡(jiǎn)化計(jì)算模型如圖4所示。

模型中不考慮錨固地梁與土之間的粘著力和摩擦力。在溫度效應(yīng)下接線道路受搭板推力、地基摩擦力以及錨固地梁處土壓力共同作用，端部地梁將受到接線道路以及地梁處土基對(duì)地梁的作用力，根據(jù)平衡條件可得：

式中：f1、f2、…、fn為無(wú)縫橋搭板及各個(gè)過(guò)渡板所受的滑動(dòng)摩擦力；Nd為土基施加給地梁的反作用力。

圖4 接線道路計(jì)算模型簡(jiǎn)圖Fig.4 Brief drawing of connection road computing model

首先假設(shè)地梁混凝土為線彈性材料，忽略地梁處土基對(duì)地梁的附著力和摩擦力且在當(dāng)小位移時(shí)地梁處土基符合文克爾假定，基床系數(shù)可有條件地采用魏西克提出的基床系數(shù)計(jì)算公式[2]，該公式是國(guó)外出版書籍中普遍采用的地基基床系數(shù)計(jì)算公式，公式如下：

式中：μ0為土地基泊松比；Et為土基的彈性模量(MPa)；Ec為混凝土的彈性模量(MPa)；b為地梁寬度(m)；I為地梁的慣性矩(m4)。

再根據(jù)圖3中計(jì)算模型，由矩陣位移法可以計(jì)算出接線道路端部地梁位移公式[3]為：

式中：K0為地梁處土基的基床系數(shù)(MPa/m)；h為地梁高度(m)。

所以當(dāng)在接線道路末端設(shè)置單個(gè)地梁的情況下，為確保端部地梁的位移在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，可以得到各過(guò)渡板間連接剛度與其相應(yīng)變形量的關(guān)系式為：

式中：n為無(wú)縫橋接線道路中過(guò)渡板間接縫數(shù)量；μ為地基摩阻系數(shù)；m為地梁的重量(kN)。

由式(4)可知，只要在各過(guò)渡板與路基之間的摩擦系數(shù)以及無(wú)縫橋的溫升效應(yīng)形變量確定的情況下，就可以得出各過(guò)渡板間的合理連接剛度以及在該連接剛度下各過(guò)渡板間形變量，從而確保無(wú)縫橋接線道路良好工作且保證接線道路端部地梁位移符合設(shè)計(jì)允許值。

3.3 模型建立

通惠河橋接線道路由兩塊長(zhǎng)為3m 的過(guò)渡板組成，過(guò)渡板末端設(shè)置1.5m 高地梁。首先在Midas 中建立通惠河無(wú)縫橋的全橋模型如圖5所示。

圖5 計(jì)算模型示意Fig.5 Schematic diagram of computational model

在考慮溫升荷載作用下，經(jīng)計(jì)算該橋一側(cè)最大形變量為15.60mm。通惠河無(wú)縫橋接線道路其他設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 通惠河無(wú)縫橋接線道路參數(shù)取值Tab.1 Connection road parameter of Tonghui River Bridge

結(jié)合表1中參數(shù)，采用前述式(2)可得地梁處地基基床系數(shù)為162MPa/m。

3.4 計(jì)算及結(jié)果分析

1.理想剛度試算

假定端部地梁設(shè)計(jì)允許位移為0.25mm，按式(5)計(jì)算出過(guò)渡板與錨固地梁間的連接剛度K3為3090kN/m。為了保證各過(guò)渡板間均勻伸縮5mm～6mm 吸收溫升效應(yīng)下無(wú)縫橋的變形，取不同地基摩阻系數(shù)，通過(guò)式(4)可以得出其余各過(guò)渡板間的理想剛度值如表2所示。

表2 過(guò)渡板間合理剛度計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of reasonable stiffness between transition plates

由表2可以看出：

(1)當(dāng)過(guò)渡板與錨固地梁的連接剛度小于等于3090kN/m 時(shí)，能保證在溫度效應(yīng)下端部錨固地梁的位移小于設(shè)計(jì)允許值0.25mm；

(2)當(dāng)?shù)鼗ψ柘禂?shù)趨于0 時(shí)，各過(guò)渡板間的理想連接剛度趨于一致。

2.等剛度處理

若各過(guò)渡板間的彈性傳力裝置按地基摩阻系數(shù)的不同做成不等剛度的構(gòu)件，增加施工難度，且設(shè)計(jì)容錯(cuò)率偏低。故本工程過(guò)渡板間借鑒路面?zhèn)髁U設(shè)計(jì)思路，在傳力桿一端設(shè)置開孔橡膠板，以實(shí)現(xiàn)壓縮變形，孔徑為3cm，經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算得出其剛度為3200kN/m(過(guò)渡板間等剛度連接)，形式如圖6所示。

圖6 縱縫傳力桿及橡膠板示意(單位：cm)Fig.6 Schematic diagram of force transfer rod and rubber plate(unit：cm)

3.壓縮量計(jì)算

在Midas 中將計(jì)算得出的地基反應(yīng)系數(shù)值賦予地梁處。在通惠河無(wú)縫橋接線道路中過(guò)渡板間的傳力連接裝置采用挖孔3cm 的橡膠板，經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算得到該形式橡膠板的剛度并用彈性連接進(jìn)行模擬。分別考慮過(guò)渡板與土基的摩擦系數(shù)為0、0.1、0.2、0.3、0.4 和 0.5，計(jì)算在溫升效應(yīng)下接線道路處各過(guò)渡板間的壓縮形變量以及錨固地梁的位移，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同地基摩擦系數(shù)下過(guò)渡板間壓縮量計(jì)算結(jié)果Tab.3 Compression between transition plates under different friction coefficients of foundation

圖7 過(guò)渡板結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Schematic diagram of transition plates

由表3中數(shù)據(jù)可得出各過(guò)渡板接縫處壓縮量與地基摩擦系數(shù)之間的關(guān)系如圖8所示。

對(duì)以上的數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析后可得以下結(jié)論：

(1)通過(guò)開孔橡膠的傳力連接裝置的設(shè)計(jì)，可有效控制伸縮量并可緩沖結(jié)構(gòu)變形，同時(shí)控制錨固地梁位移量，確保接線平順。

圖8 地基摩擦系數(shù)對(duì)各過(guò)渡板接縫間壓縮量的影響Fig.8 Joint compression of transition plate caused by friction coefficient of foundation

(2)錨固地梁的端部位移隨著地基摩擦系數(shù)的增大而減小，當(dāng)不考慮地基摩擦系數(shù)時(shí)錨固地梁的端部位移最大0.29mm，當(dāng)摩擦系數(shù)取0.5 時(shí)端部位移僅為0.09mm，總的來(lái)看地梁的變形較小，符合設(shè)計(jì)需要，對(duì)其后普通路面的穩(wěn)定有好處；

(3)梁體溫度變形主要由搭板間及過(guò)渡板與地梁間接縫消納，可以近似認(rèn)為梁體變形都由接縫承擔(dān)；隨著地基摩擦系數(shù)的減小，各分縫的壓縮量趨于均勻。

(4)地基摩阻系數(shù)越小越有利于接線道路均勻吸納橋梁形變，應(yīng)設(shè)計(jì)減小地基摩阻系數(shù)。

從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，期望各分縫越均勻越好，過(guò)大的變形量不利于搭板與路面結(jié)構(gòu)的粘結(jié)，易形成路面反射裂縫，因此本工程采取摩擦阻力較小的雙層油毛氈墊層等措施以減小地基的摩阻系數(shù)。

4 結(jié)論

通惠河橋設(shè)計(jì)的鋼梁拱組合結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)無(wú)縫橋中尚無(wú)先例，其克服了北方寒冷地區(qū)及高地震烈度區(qū)的不利條件，同時(shí)借鑒國(guó)內(nèi)組合路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成熟經(jīng)驗(yàn)，提出適宜的全無(wú)縫結(jié)構(gòu)新形式。本文對(duì)全無(wú)縫橋梁進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究，得出如下結(jié)論及建議，希望可供參考和借鑒：

(1)設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)充分考慮到荷載因素對(duì)伸縮量的影響，在適當(dāng)?shù)臈l件下盡可能地選用無(wú)縫結(jié)構(gòu)從根本上減少病害發(fā)生。

(2)無(wú)縫橋的穩(wěn)定性和整體性較之有縫橋有了很大的提高。

(3)新建橋梁設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮整體式結(jié)構(gòu)，其次半整體式，并注意對(duì)接線路面進(jìn)行全無(wú)縫優(yōu)化。

(4)通惠河橋新型全無(wú)縫接線體系，由橋頭搭板、過(guò)渡板、錨固地梁組成。三者之間通過(guò)彈性傳力裝置分散整體變形，并與道路面層間設(shè)置應(yīng)力吸收層防止路面反射裂縫。經(jīng)過(guò)近三年的使用，該體系被證明是有效的。

(5)摩阻系數(shù)是控制接縫縫隙均勻度的重要參數(shù)，應(yīng)采取措施降低地基摩阻系數(shù)。

本工程竣工至今已近三年，目前運(yùn)營(yíng)情況良好，橋面及接線路面完整而平順。實(shí)踐證明，這座整體式大跨度全無(wú)縫鋼橋設(shè)計(jì)合理，這種全新設(shè)計(jì)理念的無(wú)縫橋梁尚處在摸索階段，但其顯示出來(lái)的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的，大大減少了在使用壽命周期內(nèi)的橋梁伸縮縫養(yǎng)護(hù)、維修及更換等問(wèn)題。