中小跨徑無伸縮縫橋梁技術分析

朱 俊(安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

1 引言

橋梁結(jié)構(gòu)在日照、氣溫等環(huán)境因素的影響下會發(fā)生脹縮變形以及其他變形，為消除這種變形對結(jié)構(gòu)的影響，常在結(jié)構(gòu)中設置伸縮縫。對于道路橋梁，為使車輛平穩(wěn)通過橋面并滿足橋面變形的需要，在橋面的伸縮縫處就需要設置伸縮裝置。然而，在車輛、環(huán)境等因素作用下，伸縮裝置病害頻發(fā)，甚至失效，降低了橋梁的服務質(zhì)量，影響了橋梁結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性。維修、更換伸縮裝置的費用成為橋梁養(yǎng)護中的重要組成部分，且隨著橋梁使用年限的增長而不斷增加。目前，普遍認識到取消伸縮縫采用無縫橋梁是解決問題的最佳途徑[1]。

2 無伸縮縫橋梁簡介

2.1 無伸縮縫橋梁定義

兩端引板末端范圍內(nèi)采用連續(xù)的上部結(jié)構(gòu)、無橋面伸縮裝置的橋梁，稱為無伸縮縫橋梁，簡稱無縫橋[2]。

在這個定義中，上部結(jié)構(gòu)由支撐于墩、臺上的橋跨結(jié)構(gòu)和支撐于路基上的引板組成。引板是指與主梁相接的橋頭搭板，參與主梁的縱橋向伸縮變形和受力，并將部分伸縮變形從主梁“引”到搭板與道路接線相接處。采用引板一詞是為了將其與傳統(tǒng)有縫橋的搭板相區(qū)別。

根據(jù)上述定義，無縫橋在橋臺處，主梁與引板應為連續(xù)結(jié)構(gòu)，不設伸縮縫，也無伸縮裝置。

2.2 橋墩處無縫化構(gòu)造

2.2.1 橋面連續(xù)

橋面連續(xù)構(gòu)造是在不改變主梁豎向簡支受力的情況下取消伸縮裝置的一種無縫化做法。橋面連續(xù)是指主梁為簡支、相鄰跨主梁間有縫，但橋面板（或橋面現(xiàn)澆層）采用連續(xù)構(gòu)造。采用橋面連續(xù)構(gòu)造的橋梁，常稱之為結(jié)構(gòu)簡支、橋面連續(xù)橋，這種橋在我國和世界其他地方都有大量應用。

圖1 典型橋面連續(xù)構(gòu)造

2.2.2 結(jié)構(gòu)連續(xù)

結(jié)構(gòu)連續(xù)指相鄰跨間的主梁為連續(xù)結(jié)構(gòu)，主梁之間沒有伸縮縫，自然橋面板也無伸縮縫和伸縮裝置。如果主梁與橋墩之間采用支座支承，則為連續(xù)梁橋，如果主梁與橋墩之間為固結(jié)構(gòu)造，則為連續(xù)剛構(gòu)橋。從行車平順與維護來說，這種橋型在所有無縫橋中屬于最好的一種，連續(xù)剛構(gòu)由于連支座都取消了，維護性能更優(yōu)于連續(xù)梁橋。

2.3 橋臺處無縫化構(gòu)造

2.3.1 延伸橋面板橋臺

延伸橋面板橋臺是指與主梁之間有縫，但該縫被連成一體的橋面板和引板蓋住，不設伸縮裝置的橋臺。與整體式橋臺不同，延伸橋面板橋臺的主梁與橋臺之間有縫和支座；與半整體式橋臺不同的是，它沒有主梁端墻而有橋臺背墻。

2.3.2 半整體式橋臺

半整體式橋臺是指其上部分（又稱端墻）與主梁連成整體且支承于其下部分的橋臺。橋臺上部分與主梁之間沒有伸縮縫和伸縮裝置，這一點與整體式橋臺相同；但它設有支座支承主梁，所以橋臺與主梁并不是完全地連成整體。

圖2 延伸橋面板橋臺示意圖

圖3 半整體式橋臺示意圖

2.3.3 整體式橋臺

整體式橋臺是指與主梁連成整體的橋臺。上部結(jié)構(gòu)與橋臺之間不設伸縮縫和支座，也無伸縮裝置。因橋臺處無伸縮構(gòu)造與支座，它是各種橋臺中整體性最好、養(yǎng)護與維修工作量最少的一種。

3 無伸縮縫橋梁理論原理

3.1 橋梁的溫度脹縮變形

分析無伸縮縫橋梁的溫度變形時，主要考慮年溫差引起的橋梁結(jié)構(gòu)水平方向的線性脹縮變形。計算公式為：

△L=αcLt△t。

式中，△L—桿件，因溫度變化引起的）脹縮變形；

αc—材料線膨脹系數(shù)，混凝土梁常用的αc為0.00001[3]；

Lt—溫度計算長度（溫度變形覆蓋區(qū)域的梁體長度）；

△t—有效溫度變化值，安徽地區(qū)極端橋梁年溫差△t為±25°。

以1m-20m（總橋梁20m，一端溫度變形覆蓋區(qū)域的梁體長度為10m）橋梁計算溫度變形為例，△L=0.00001×10×25=0.0025m=2.5mm。

圖4 整體式橋臺示意圖

為節(jié)省篇幅，對安徽省常用的中小跨徑橋梁的溫度脹縮變形（一端的數(shù)值，對應半聯(lián)橋長）計算如下，具體計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 橋長與溫度變形關系圖

圖6 典型無縫橋引板脹縫構(gòu)造示意圖

圖7 延伸橋面板無縫橋受力特點

3.2 無伸縮縫橋梁的實現(xiàn)原理

無縫橋雖然取消了伸縮裝置，但無法改變結(jié)構(gòu)在溫度作用下熱脹冷縮的自然規(guī)律，實際橋梁結(jié)構(gòu)的縱橋變形向臺后轉(zhuǎn)移，需要依靠臺后接線系統(tǒng)來消化吸納這部分變形。因此，無縫橋中仍然存在一些縫，如臺后接線系統(tǒng)的施工縫、變形縫、脹縫、縮縫、鋸縫等。

從這個意義上，無縫橋只是取消了橋梁的伸縮裝置，但并沒有徹底的取消伸縮縫，而是將其從主梁轉(zhuǎn)到橋臺相接處，在減少了伸縮量后，轉(zhuǎn)移到了引板與道路相接處。

根據(jù)圖5 的安徽省常用的中小跨徑橋梁的溫度脹縮變形計算可以看出，最短的1m-13m 橋梁一端溫度脹縮變形為1.63mm，最長的3m-20m 橋梁一端溫度脹縮變形為7.5mm。而脹縫的縫隙寬度為20～25mm，可供膨脹位移的有效間隙一般不超過10mm。因此，通過無縫橋的臺后接線系統(tǒng)來消化吸納不超過1cm 的變形量理論上是完全可以實現(xiàn)的，這也是中小跨徑無伸縮縫橋梁的理論原理。

3.3 無縫橋縱橋向受力特點

為便于了解無縫橋的受力特點，以對應2.3 節(jié)的幾種典型的單跨無縫橋為例，對其受力與變形特點進行介紹。不失一般性，假定梁體膨脹伸長，并假定臺后搭板是無限剛性的。

3.3.1 延伸橋面板無縫橋

上圖為延伸橋面板無縫橋的受力特點，主梁溫度變化時所受的約束主要來自于引板與其下土體的摩阻力。研究表明，該摩阻力很小，幾乎可以忽略不計，所以其縱橋向受力和變形特點與有縫橋相近。通俗一點來說，它可看成是將有縫橋的伸縮縫從橋臺與主梁相接處后移到引板與接線道路相接處（或兩塊引板之間）的一種無縫橋。

結(jié)構(gòu)特點與受力特征是受力上臺后土壓力不參與主梁受力，土壓力由橋臺獨自承擔，與有縫橋基本一致。

3.3.2 半整體式無縫橋

對于圖8 的半整體式無縫橋，由于主梁與橋臺之間通過支座聯(lián)系，所以支座以下的結(jié)構(gòu)對主梁不起約束作用。反過來，溫度變形也不會對支座下的橋臺結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加力。所以，橋臺基礎不必采用柔性樁，可以采用剛度較大的混凝土樁或者剛性擴大基礎。然而，其主梁與橋臺上部分（端梁）連接在一起，溫度變化引起的梁體伸縮受到臺后土以及引板與土體摩阻力等約束作用，該約束作用大于延伸橋面板無縫橋，小于整體式無縫橋。

圖8 半整體式無縫橋受力特點

結(jié)構(gòu)特點與受力特征，主梁與橋臺的上部分連成整體，不設伸縮縫和伸縮裝置，主梁與橋臺之間設支座，橋臺采用剛性基礎，是半整體橋的結(jié)構(gòu)特點，端墻與其后的土相互作用（臺土相互作用）并影響到主梁的受力，是這類橋結(jié)構(gòu)計算的要點與難點。

3.3.3 整體式無縫橋

如圖9 所示，整體式無縫橋主梁與橋臺連接在一起，梁體伸縮等變形受到橋臺和接線部分的約束作用。

圖9 整體式無縫橋受力特點

整體橋在所有無縫橋中對主梁的約束最大，主要有臺身和臺后土抗力、樁基礎和樁周土抗力、引板與基層的摩擦力。其中，樁基礎的影響最大。樁的剛度大，主梁所受的溫度附加軸向力也大，同時樁基本身所受的水平力和彎矩也大。因此，一般要采用柔性樁。此外，整體橋由于橋臺與主梁連成整體，受力分析時應上、下部結(jié)構(gòu)一起考慮，按剛架（框架）模型計算。

結(jié)構(gòu)特點與受力特征，上、下部結(jié)構(gòu)連成整體，不設伸縮縫與支座，并且橋臺、橋墩采用柔性基礎，是整體式無縫橋的結(jié)構(gòu)特點，上、下部結(jié)構(gòu)和土相互作用（包括臺土相互作用、樁土相互作用），則是這類橋結(jié)構(gòu)計算的要點與難點。

4 柔性樁選型探討

在歐美，絕大多數(shù)的整體式橋梁都是采用臺身高度較小(2.0～3.0m 左右)、剛度較大的橋臺，并且臺下基礎一般為單排柔性和延性均較好的H 型鋼樁。主要原因是對于整體式無縫橋梁來說，需要柔性很好的樁來適應它的縱向變形，在這一點上鋼樁比混凝土樁具有更大的優(yōu)勢[4]。

H 型鋼樁是整體式橋臺柔性樁一種很好的形式，但造價昂貴。在國內(nèi)，受制于造價的因素，基本沒有采用鋼樁的，普遍采用現(xiàn)澆混凝土樁代替鋼樁，但常規(guī)混凝土樁剛度大，易開裂，不適宜于整體式全無縫、連續(xù)剛構(gòu)形式的中小跨徑橋梁。

針對H 型鋼樁造價昂貴，普通現(xiàn)澆混凝土樁剛度大、易開裂的問題，國內(nèi)開始研究以高強混凝土管樁來代替H 型鋼樁。

管樁的特點是強度大、空心截面剛度小，非常適宜用于無縫橋連續(xù)鋼構(gòu)體系的下部基礎?？刹捎玫念A制管樁型式有高強預應力管樁（PHC 管樁）、混合配筋高強預應力管樁（PRC）、預制高強鋼管混凝土管樁（SC樁）等。

5 展望

我國的中小橋量大面廣，在全國目前服役的71 萬余座公路橋梁中，總長100m 以內(nèi)的中小型橋梁占93%，因而在中小橋上實現(xiàn)無縫化，尤其具有重要的意義[5]。

聚焦省內(nèi)，目前安徽省平原區(qū)及丘陵區(qū)高速公路大量設計了中小跨徑的橋梁及分離立交，普遍的跨徑有1～13m、2～13m、3～13m、1～16m、2～16m、3～16m、1～20m、2～20m、3～20m，總橋長不超過60m 的大量中小跨徑橋梁仍然采用常規(guī)的有伸縮縫、有支座設計，給后期運營養(yǎng)護帶來了極大的困難。中小跨徑無伸縮縫橋梁技術能有力改變這一現(xiàn)狀，具有極大的研究意義。