中國(guó)無伸縮縫橋梁調(diào)查與分析

陳寶春，王晨輝，薛俊青，黃福云

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州 350108)

0引 言

無縫橋取消了伸縮裝置(伸縮縫)，從根本上免除了伸縮裝置帶來的病害與維修更換問題，具有改善行車條件，提高橋梁使用壽命，減少養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)。無縫橋的關(guān)鍵在于取消橋臺(tái)處的伸縮縫。根據(jù)所采用的橋臺(tái)類型不同，常見的無縫梁橋可分為整體橋、半整體橋和延伸橋面板橋3種形式[1]。無縫結(jié)構(gòu)還可被應(yīng)用于其他橋梁結(jié)構(gòu)形式的橋梁中，如無縫拱橋。本文調(diào)查范圍為前述3種主要類型無縫梁橋。

無縫橋在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家(如美國(guó)、加拿大、英國(guó)、日本等)應(yīng)用廣泛，其中在美國(guó)應(yīng)用最多[1-2]。為促進(jìn)其應(yīng)用與發(fā)展，美國(guó)聯(lián)邦公路署分別于1985年、1995年、2004年和2009年對(duì)無縫橋進(jìn)行全國(guó)性調(diào)查，其中2004年調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，全美約有9 000座整體橋、4 000座半整體橋、3 900座延伸橋面板橋[1]，可見3種無縫橋在美國(guó)應(yīng)用均較為成熟。

中國(guó)自20世紀(jì)末開始進(jìn)行現(xiàn)代無縫橋的研究與應(yīng)用并取得了重要進(jìn)展，但無縫橋數(shù)量偏少，尚未大面積推廣應(yīng)用[3]。文獻(xiàn)[3]首次對(duì)截至2016年中國(guó)無縫橋建設(shè)情況進(jìn)行了調(diào)查，但是調(diào)查中缺少對(duì)無縫橋上下部結(jié)構(gòu)及引板等具體類型的統(tǒng)計(jì)分析，再加上近幾年中國(guó)無縫橋發(fā)展速度有所加快，已有調(diào)查滯后于中國(guó)無縫橋的發(fā)展現(xiàn)狀，不能全面反映各結(jié)構(gòu)參數(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)。為此本文收集了中國(guó)無縫橋的最新建設(shè)情況，并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1應(yīng)用概況

1.1建設(shè)趨勢(shì)

截至2022年5月，中國(guó)已建無縫橋70座(表1)，比文獻(xiàn)[3]所收集截至2016年4月的40座增加了30座，其中2016年至今新建無縫橋21座，文獻(xiàn)[3]未統(tǒng)計(jì)的有9座。中國(guó)無縫橋隨時(shí)間增長(zhǎng)的修建總數(shù)曲線如圖1所示。分析可知，中國(guó)無縫橋的數(shù)量總體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；2010年開始增速加快，每年新建無縫橋平均數(shù)量為4～5座。

分析無縫橋建成時(shí)間(圖2)發(fā)現(xiàn)，2010年以前，中國(guó)無縫橋的建成時(shí)間呈非連續(xù)狀，這些無縫橋多為科研項(xiàng)目的依托工程，從而形成明顯的時(shí)間段；2010年至今，中國(guó)無縫橋修建數(shù)量連續(xù)增加。近幾年，相關(guān)技術(shù)指南與標(biāo)準(zhǔn)的頒布[4-6]為中國(guó)無縫橋的快速發(fā)展提供了條件。

從總量上看，中國(guó)目前已建無縫橋僅70座。交通運(yùn)輸部2020年的統(tǒng)計(jì)資料顯示，中國(guó)共有公路橋梁91.28萬(wàn)座，其中中小橋梁78.64萬(wàn)座[7]，無縫橋僅占中小橋梁的0.009%和全部橋梁的0.008%。美國(guó)聯(lián)邦公路署2004年的調(diào)查顯示，美國(guó)共建成無縫橋16 900余座，占全部橋梁的2.9%[8]。美國(guó)2004年無縫橋的總數(shù)與相對(duì)數(shù)分別為中國(guó)的241倍和363倍。相比較而言，中國(guó)無縫橋的研究與應(yīng)用起步較晚，且無論是總數(shù)還是相對(duì)數(shù)均太少。

1.2無縫橋類型

無縫橋的類型主要有整體橋、半整體橋和延伸橋面板橋。其中，整體橋的整體性和可持續(xù)性最好，在美國(guó)、歐洲、澳洲等無縫橋中應(yīng)用最多。美國(guó)的16 900余座無縫橋中，約9 000座為整體橋，占比53%[7]。美國(guó)2009年對(duì)整體橋的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有41個(gè)州應(yīng)用整體橋，其中有8個(gè)州的整體橋數(shù)量超過1 000座[9]。

中國(guó)和美國(guó)無縫橋類型比例如圖3所示。分析可知，中國(guó)的兩次調(diào)查結(jié)果中，應(yīng)用最少的都是整體橋。本次調(diào)查的70座無縫橋中，整體橋?yàn)?0座，占比29%，較2016年調(diào)查的占比10%[3]有較大提升，但與美國(guó)2004年調(diào)查的整體橋占比53%相比還是差距較大。

表1中國(guó)已建和在建無縫橋統(tǒng)計(jì)Table 1Statistics of Jointless Bridges Built and Building in China

續(xù)表1

圖1無縫橋數(shù)量增長(zhǎng)趨勢(shì)Fig.1Growth Trend of Number of Jointless Bridges

圖2無縫橋建成時(shí)間Fig.2Completion Years of Jointless Bridges

圖3中國(guó)和美國(guó)無縫橋類型比例統(tǒng)計(jì)Fig.3Statistics of Proportion of Different Types of Jointless Bridges in China and the United States

1.3區(qū)域分布

中國(guó)無縫橋應(yīng)用省份如圖4所示。分析可知，截至2022年，中國(guó)15個(gè)省份、直轄市或自治區(qū)建有無縫橋，較2016年調(diào)查的11個(gè)省份[3]，新增了黑龍江、寧夏、山東、內(nèi)蒙古4個(gè)省份或自治區(qū)，表明中國(guó)無縫橋的應(yīng)用地域在擴(kuò)大，總體上以中部和南部為主，在北方的應(yīng)用較少。與美國(guó)2009年調(diào)查[8]的41個(gè)州建有整體橋，占比82%相比，中國(guó)無縫橋的應(yīng)用地域明顯偏少。

圖4中國(guó)無縫橋應(yīng)用省份統(tǒng)計(jì)Fig.4Statistics of Provinces with Jointless Bridges in China

根據(jù)文獻(xiàn)[10]中的全國(guó)氣候分區(qū)，中國(guó)不同溫度區(qū)域的無縫橋統(tǒng)計(jì)如圖5所示。從圖5可以看出，位于溫?zé)岬貐^(qū)的無縫橋數(shù)量最多，為54座，占比77%，其次是寒冷地區(qū)，為14座，占比20%，嚴(yán)寒地區(qū)的無縫橋數(shù)量最少，僅2座，占比3%。圖6為不同類型無縫橋的溫度區(qū)域分布。分析可知，3種類型無縫橋均主要修建在溫?zé)岬貐^(qū)，寒冷地區(qū)較少，嚴(yán)寒地區(qū)最少，與無縫橋總體分布情形相似。寒冷地區(qū)主要應(yīng)用的橋型為延伸橋面板橋和半整體橋，較少修建整體橋，這主要是因?yàn)楹涞貐^(qū)溫差較大，對(duì)橋梁縱向變形能力要求較高，在中國(guó)無縫橋發(fā)展初期，采用縱向變形能力更強(qiáng)的延伸橋面板橋和半整體橋是恰當(dāng)?shù)?。?yán)寒地區(qū)僅有的2座無縫橋分別為整體橋和半整體橋。由于無縫橋可避免化冰鹽對(duì)伸縮裝置、支座和下部結(jié)構(gòu)的腐蝕，在寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)建設(shè)無縫橋可明顯提高橋梁的耐久性。然而，這些地區(qū)溫差大，橋梁縱橋向脹縮量大，需要開展無縫橋的適應(yīng)性專題研究，從而推動(dòng)無縫橋在寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)的應(yīng)用。福州大學(xué)和長(zhǎng)安大學(xué)的多位學(xué)者已開展適用于無縫橋的有效溫度和豎向溫度梯度研究，但仍需進(jìn)一步開展相關(guān)研究。

圖5不同溫度區(qū)域無縫橋數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.5Statistics of Number of Jointless Bridges in Different Temperature Regions

圖6不同溫度區(qū)域的各類型無縫橋數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.6Statistics of Number of Jointless Bridges with Different Types in Different Temperature Regions

1.4橋長(zhǎng)與跨數(shù)

1.4.1 橋 長(zhǎng)

無縫橋的應(yīng)用受橋長(zhǎng)影響較大，受跨徑影響較小。橋長(zhǎng)為多跨跨徑總長(zhǎng)，簡(jiǎn)稱總長(zhǎng)。不同類型無縫橋的總長(zhǎng)與數(shù)量關(guān)系如圖7所示?？傞L(zhǎng)小于100 m的中小橋有63座，占比90%，是中國(guó)無縫橋的主要應(yīng)用對(duì)象；大于100 m以上的橋梁僅7座，占比10%。整體橋在總長(zhǎng)20～50 m的范圍內(nèi)應(yīng)用最多；半整體橋在總長(zhǎng)20 m以內(nèi)應(yīng)用最多；延伸橋面板橋在總長(zhǎng)50～100 m的范圍內(nèi)應(yīng)用最多。

圖7無縫橋總長(zhǎng)與數(shù)量的關(guān)系Fig.7Relationship Between Total Length and Number of Jointless Bridges

1.4.2 跨 數(shù)

無縫橋的跨數(shù)與數(shù)量關(guān)系如圖8所示，其中，單跨無縫橋23座，占比33%，其余47座(占比67%)為多跨無縫橋?？梢娭袊?guó)的無縫橋以多跨橋?yàn)橹?。在多跨橋中?跨與4跨的無縫橋數(shù)量較多，分別為23座和12座，占比33%和17%；其次是2跨與6跨，分別為5座和3座，占比7%和4%；5跨、7跨、8跨、10跨均為1座，各占比1%。跨數(shù)最多的無縫橋是廣東清遠(yuǎn)的龍?zhí)翗?，上部結(jié)構(gòu)為2×11.4 m+11.1 m+11.65 m+4×9.15 m+2×13.55 m的鋼筋混凝土I型梁，相鄰兩跨主梁的梁肋間加設(shè)連接鋼板，橋面連續(xù)[11]。

圖8無縫橋跨數(shù)與數(shù)量的關(guān)系Fig.8Relationship Between Number of Span and Number of Jointless Bridges

圖9無縫橋跨數(shù)與總長(zhǎng)的關(guān)系Fig.9Relationship Between Number of Span and Total Length of Jointless Bridges

分析無縫橋的跨數(shù)與總長(zhǎng)關(guān)系(圖9)發(fā)現(xiàn)，二者呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，說明中國(guó)總長(zhǎng)較長(zhǎng)的無縫橋主要為多跨橋，這與國(guó)外的情形相似。

2結(jié) 構(gòu)

2.1上部結(jié)構(gòu)

70座無縫橋中上部結(jié)構(gòu)為空心板和實(shí)心板的分別有44座和2座，占比66%，其余為T梁、小箱梁和箱梁，這與中國(guó)無縫橋的應(yīng)用以中小跨徑橋梁為主密切相關(guān)。根據(jù)橋梁的平面線形分類，70座無縫橋中，直橋?yàn)?5座，占比64%；彎橋?yàn)?座，斜橋?yàn)?5座，彎斜橋?yàn)?座，共占比36%。其中，彎橋的圓曲線半徑在109～7 000 m范圍內(nèi)，斜橋的交角在3.65°～45°范圍內(nèi)。彎、斜無縫橋的縱橋向變形受到約束時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沿徑向的變形或轉(zhuǎn)動(dòng)，需要特殊的結(jié)構(gòu)考慮與處理[12-13]。中國(guó)的無縫橋應(yīng)用仍處于起步階段，在彎、斜橋中的應(yīng)用不多，且曲率半徑較大，斜交角較小。今后應(yīng)加大彎、斜無縫橋的研究和經(jīng)驗(yàn)積累，從而將無縫橋應(yīng)用到更多的彎、斜橋中。

在上部結(jié)構(gòu)材料方面，已知材料的64座橋中，采用預(yù)應(yīng)力混凝土主梁和鋼筋混凝土主梁的無縫橋分別為46座和12座，占比91%，另有5座和1座分別采用鋼-混凝土組合主梁和鋼主梁，各占比8%和2%。無縫橋上部結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用以混凝土為主，這與中國(guó)公路中小橋梁以混凝土主梁為主的現(xiàn)狀相適應(yīng)。

2.2橋臺(tái)與基礎(chǔ)

根據(jù)橋臺(tái)與臺(tái)后填土的關(guān)系，橋臺(tái)主要有全擋土、埋置式和其他三大類[14]。中國(guó)不同橋臺(tái)類型的無縫橋數(shù)量統(tǒng)計(jì)如圖10所示。在65座已知橋臺(tái)類型的無縫橋中，采用全擋土橋臺(tái)中的重力式橋臺(tái)和薄壁輕型橋臺(tái)的無縫橋分別為19.5座(占比30%)和14.5座(占比22%)；采用埋置式橋臺(tái)中的柱式橋臺(tái)和肋式橋臺(tái)的無縫橋分別為21座(占比32%)和5座(占比8%)；采用其他類中的組合式橋臺(tái)的無縫橋?yàn)?座(占比8%)。顯然，采用重力式橋臺(tái)和柱式埋置式橋臺(tái)的無縫橋數(shù)量最多。上述數(shù)量中，0.5座是指某座橋中的一側(cè)采用了該類型橋臺(tái)。

圖10不同橋臺(tái)類型的無縫橋數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.10Statistics of Number of Jointless Bridges with Different Abutment Types

3種無縫橋中不同類型橋臺(tái)數(shù)量統(tǒng)計(jì)如圖11所示。在16座整體橋中，采用薄壁輕型橋臺(tái)和柱式橋臺(tái)的整體橋?yàn)?5座，占比94%，前者臺(tái)身柔度較大，后者采用樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)柔度較大；只有1座跨徑為6 m的單跨橋采用剛度較大的重力式橋臺(tái)。重力式橋臺(tái)和柱式橋臺(tái)在半整體橋和延伸橋面板橋中應(yīng)用較多，分別為12座(占比63%)和23.5座(占比78%)。薄壁輕型橋臺(tái)由于變形能力較強(qiáng)，適用于整體橋；重力式橋臺(tái)的變形能力較弱，適用于上下部結(jié)構(gòu)不固接的半整體橋和延伸橋面板橋；柱式橋臺(tái)的剛度與基礎(chǔ)密切相關(guān)，適應(yīng)于各種類型無縫橋；肋式橋臺(tái)和組合式橋臺(tái)在中國(guó)無縫橋中應(yīng)用較少。

圖113種無縫橋中不同類型橋臺(tái)數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.11Statistics of Number of Different Abutment Types in Three Kinds of Jointless Bridges

中國(guó)無縫橋的橋臺(tái)基礎(chǔ)以混凝土樁為主，在已知基礎(chǔ)形式的48座橋中有39座，占比81%；另有9座采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，占比19%。樁基礎(chǔ)具有一定的柔度，適用于不同類型的無縫橋；擴(kuò)大基礎(chǔ)剛度較大，變形能力較弱，因此主要應(yīng)用于半整體橋和延伸橋面板橋。

針對(duì)無縫橋臺(tái)-樁-土相互作用，福州大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)和清華大學(xué)的多位學(xué)者已開展研究，但仍需進(jìn)一步開展相關(guān)研究。

2.3多跨無縫橋的橋墩與主梁結(jié)構(gòu)

在47座多跨無縫橋中，已知橋墩結(jié)構(gòu)形式的有44座，其中采用樁柱式橋墩的多跨無縫橋?yàn)?1座，占比93%，采用重力式墩和空心墩的多跨無縫橋分別為2座和1座，各占比5%和2%。

根據(jù)相鄰主梁之間連接方式的不同，多跨無縫橋可分為結(jié)構(gòu)連續(xù)橋和僅橋面連續(xù)橋。根據(jù)橋墩與主梁連接方式的不同，結(jié)構(gòu)連續(xù)橋可分為連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋和連續(xù)半剛構(gòu)橋[1]。分析不同連接方式的多跨無縫橋數(shù)量統(tǒng)計(jì)(圖12)可知，在43座已知相鄰主梁之間及橋墩與主梁之間連接方式的多跨無縫橋中，僅橋面連續(xù)橋和連續(xù)梁橋各為18座，二者總占比84%；連續(xù)半剛構(gòu)橋和連續(xù)剛構(gòu)橋分別為3座和4座，各占比7%和9%。

圖12不同連接方式的多跨無縫橋數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.12Statistics of Multi-span Jointless Bridge Numbers with Different Connection Types

圖13不同橋跨連接形式的多跨無縫橋數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.13Statistics of Number of Multi-span Jointless Bridge with Different Connection Types

分析不同橋跨連接形式的多跨無縫橋的數(shù)量(圖13)可知，僅橋面連續(xù)橋只應(yīng)用于延伸橋面板橋(11座)和半整體橋(7座)。從機(jī)理角度出發(fā)，僅橋面連續(xù)橋不適用于整體橋。因?yàn)檎w橋的橋臺(tái)與上部結(jié)構(gòu)連成整體，橋臺(tái)對(duì)主梁的縱橋向脹縮變形約束很大，變形將集中于橋面板連續(xù)部分，使其成為易損部位。僅橋面連續(xù)橋的橋面連續(xù)構(gòu)造處受力復(fù)雜，易出現(xiàn)開裂等病害。為此，已開展在該處采用抗拉性能較強(qiáng)的混凝土如纖維增強(qiáng)混凝土[15]、高延性纖維混凝土(ECC)[16]和超高性能混凝土(UHPC)的應(yīng)用研究。其中UHPC的應(yīng)用方面取得突破，已應(yīng)用于美國(guó)的多座無縫橋中。

多跨無縫橋的主梁宜盡可能采用連續(xù)結(jié)構(gòu)。至于是做成連續(xù)梁還是連續(xù)剛構(gòu)，主要視橋墩的柔度。當(dāng)橋墩較剛時(shí)，宜采用連續(xù)梁。從圖13可以看出，連續(xù)梁橋在3種無縫橋中均有應(yīng)用，總數(shù)達(dá)到18座，而連續(xù)剛構(gòu)橋僅為4座。這是因?yàn)榇蟛糠譄o縫橋的跨徑和墩高均較小，橋墩剛度較大，不適于采用連續(xù)剛構(gòu)。為加強(qiáng)上下部結(jié)構(gòu)的連接，有3座多跨無縫橋采用半剛構(gòu)的形式。

2.4引 板

無縫橋的引板由有縫橋的搭板發(fā)展而來。除了保證橋梁與接線道路之間過渡平穩(wěn)、防止橋頭跳車作用外，它還可把主梁縱橋向脹縮變形“引到”其末端與道路相接處，故稱為引板。從其與臺(tái)后填土的位置和形式來看，主要有面板式、平埋入式、斜埋入式和Z形引板。文獻(xiàn)[17]對(duì)中國(guó)43座無縫橋的引板信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，中國(guó)無縫橋引板以面板式引板為主，為29座，占比67%；其次是埋入式引板，為12座，占比28%；采用Z形引板的無縫橋有2座，占比5%。

本文統(tǒng)計(jì)的不同引板類型的無縫橋數(shù)量(59座)如圖14所示。采用面板式引板的無縫橋?yàn)?3座，占比73%；采用斜埋入式引板的無縫橋?yàn)?3座，占比22%；采用Z形引板的無縫橋?yàn)?座，占比5%。總體情況與文獻(xiàn)[17]相同，具體數(shù)據(jù)有所不同。

圖14不同引板類型的無縫橋數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.14Statistics of Number of Jointless Bridge with Different Approach Slab Types

采用面板式引板的無縫橋數(shù)量最多，這與中國(guó)無縫橋通常建造在采用水泥混凝土路面的一般公路與城市道路中有關(guān)。在以瀝青路面為主的高速公路中，可采用埋入式引板。今后應(yīng)加強(qiáng)埋入式引板的研究，為在高速公路中應(yīng)用無縫橋打下理論基礎(chǔ)；同時(shí)，Z形引板作為一種適應(yīng)能力更強(qiáng)的新型引板，具有較好的性能，還要繼續(xù)研究，擴(kuò)大應(yīng)用。福州大學(xué)和湖南大學(xué)多位學(xué)者已開展各種形式的無縫橋引板研究，但仍需進(jìn)一步開展相關(guān)研究。

3結(jié)語(yǔ)

(1)中國(guó)無縫橋修建數(shù)量不斷增加，2010年之后增速加快；整體橋的應(yīng)用比例不斷上升；應(yīng)用省份不斷擴(kuò)大，新增在北方嚴(yán)寒地區(qū)的應(yīng)用；無縫橋以中小跨徑為主，總長(zhǎng)不長(zhǎng)，在多跨橋中應(yīng)用較多。

(2)中國(guó)無縫橋的上部結(jié)構(gòu)以混凝土空心板為主；下部結(jié)構(gòu)中，柱式埋置式橋臺(tái)在各種無縫橋中均有較多的應(yīng)用，且整體橋較多采用薄壁輕型橋臺(tái)，半整體橋和延伸橋面板橋較多采用重力式橋臺(tái)；橋墩以混凝土樁柱式為主；引板主要采用面板式引板。

(3)中國(guó)無縫橋的研究與應(yīng)用起步較晚，但近年來在無縫橋標(biāo)準(zhǔn)、學(xué)術(shù)交流、實(shí)際應(yīng)用等方面均取得明顯進(jìn)展。在適用于無縫橋的有效溫度和豎向溫度梯度取值、無縫橋臺(tái)-樁-土相互作用和引板類型方面已開展研究，提出多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新。隨著中國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，無縫橋這種少維護(hù)的橋梁必然得到越來越多的應(yīng)用。今后應(yīng)不斷增加無縫橋的應(yīng)用數(shù)量以及在不同省份和地區(qū)(尤其是北方寒冷地地區(qū))的應(yīng)用，使其為更多的工程師和管理者所認(rèn)識(shí)和接受，成為可常規(guī)應(yīng)用的橋梁形式；繼續(xù)加大整體橋的推廣力度，擴(kuò)大應(yīng)用的跨徑、橋長(zhǎng)、曲率半徑、斜交角的范圍，加強(qiáng)既有橋梁無縫化改造的研究與應(yīng)用，不斷推動(dòng)中國(guó)無縫橋技術(shù)的發(fā)展。