浅谈整体式全无缝桥梁的优化设计

王英伟

（大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司，辽宁 大连 116023）

浅谈整体式全无缝桥梁的优化设计

王英伟

（大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司，辽宁 大连 116023）

无缝桥梁作为一种新型桥梁结构其设计形式解决了伸缩缝造成的许多无法避免的问题。简述三种新型桥台形式的桥梁，并以我国第一座整体式全无缝桥梁——广东清远四九中桥为例，介绍了整体式全无缝桥梁的优化设计，阐述中国近几年整体式全无缝桥梁的创新和进步，以期推广应用。

新型桥台形式；整体式无缝桥梁；半整体式桥台；优化设计

1　概　述

传统的整体式无缝桥梁是把桥梁结构的变形引到台后的搭板和接线道路的衔接处,以达到桥梁结构的桥面无缝的目的。但这种方法仍然可能使混凝土路面板出现跳车、缺损等状况,仍然无法避免路面接缝定期维修、更换等问题。

针对这种情况,湖南大学桥梁工程研究所提出了一种新型的全无缝桥梁优化设计,即在传统的整体式无缝桥的基础之上将斜置搭板与加筋接线路面相结合的方法,把路桥结合处的路面接缝消除,从而实现了真正“零维护”，具有防水防杂物、经济、行驶性能好、养护费用低、抗震性能强、养护费用低等功能。

2　三种新型桥台形式的桥梁

2.1柔性桩基与柔性桥台结合的整体式桥台结构

国外经常用的整体式桥台是柔性桥台与梁采用固接的方法,也就是取消了支座与伸缩设置的桥台结构,采用最多的结构方式是把台帽与单排柔性桩进行结合,但是也有柔性墙与扩大基础相结合，刚性桥台的承台和柔性群桩相结合的形式等。在整体式桥台的设计之中,最关键的一部分是梁、台、桩三者的刚度要保持协调一致，否则会因为梁体的刚度太大,在台梁结合处就会出现应力太过集中反而出现裂缝；相反，桥台的刚度太大,在台桩结合处就会出现应力过于集中的状况[1]。

2.2优化的半整体式桥台结构

还有一些半整体式桥台，即刚性桥台与梁体运用铰接方式连接,该方式也是整体式桥台的应用推广,但只能微量地将转动位移传递至刚性桥台或者粗短柱式的桥台下的桩基础上。因为桥台有刚性的特点,无论是温升或温降,它的位移量很小，当梁端变形量比较大的时候,就需要提高端墙高度和降低支座标高,这样做会使桥面的标高提升,因此便会限制它的应用范围。于此同时,因梁体反复涨缩,剪力键容易损坏,一旦出现损坏,颗粒土和水容易渗到支座处,进而影响了支座正常工作。当支座受损时,换起来是十分困难的，因此剪力键处的耐久性和密封性也要严格要求，因为台后填土是塑性体,在梁体和汽车荷载的长时间推挤下,容易在梁端的土体中出现空洞的现象,进而进一步影响整个桥梁结构受力。

2.3全无缝桥梁体系设计

传统的整体式无缝桥梁，即把桥梁结构的变形引到台后的搭板和接线道路的衔接处,以确保桥梁的桥面无缝。比如,美、英等国一般是取消全桥的伸缩缝，即包括梁端和桥台之间的伸缩缝,将桥台、主梁和搭板的连接,或者是在整体式桥台和搭板之间架设伸缩缝,或是在平置的搭板末端和接线路面间架设道路接缝和吸纳桥梁变形,而后者使用得较多。但这种路面的接缝仍会使得缝边的混凝土路面板出现跳车、缺损等危险状况,仍存在路面接缝需要定期维修、更换的问题[2]。

3　我国第一座整体式全无缝桥梁

3.1工程施工综合情况

我国第一座整体式全无缝桥梁为广东清远市四九桥。清远市属于亚热带海洋性季风气候,常年湿热多雨,全年最高气温36℃,平均最低气温2℃。桥位所在地层从上而下分为七层，依次是素填土、亚填土、砾砂、圆砾、残积砾质亚黏土、残积亚黏土、强风化花岗岩(可以作为桩基础的持力层)。良口方向河岸的地质情况比汤塘好。

3.2总体设计

四九桥全长为75.48 m,经计算总温度跨长51.48 m,桥面宽是8.50 m,主跨16 m,全桥纵坡0.756%,斜交角为15°,是四跨钢筋混凝土连续刚构全无缝桥梁。它的设计荷载是汽车—20,挂车—100。全桥没有一个支座,也没有一道伸缩装置。该桥采用沥青混凝土桥面进行铺装,路桥的连接处也无另外设缝。上部梁体则采用梁宽为8.50 m、梁高是0.75 m的钢筋混凝土实体板梁结构；下部结构采用的方法是双柱式的轻型桥墩,并挖孔桩基础。桥的两侧采用整体式桥台。

3.3整体式桥台优化设计

整体式无缝桥台对整个设计来说是非常重要的一部分。在对桥墩、台底约束条件进行考虑时，应考虑整座桥梁的外部约束为墩、下部及桥面板固结、台底约束。在实际施工中，桩基并不是完全固定在土层当中，根据《公路桥涵地基和基础设计规范》（JTG D63—2007），运用我国水利、房屋建筑及公路等领域在桩的设计当中常用的“m”法来计算桩顶弹性系数，也就是墩台底的弹性约束系数。传统的桥台设计之中,桥台与主梁是分离的,在桥梁和桥台之间设置支座和伸缩缝，所以，在这个部位很容易产生跳车的状况,既对行驶的顺畅产生影响,又需要投入大量的人力、财力和物力进行定期维修、养护和更换。在进行桥台设计的时候，必须要保证桥台自身有足够的稳定性、刚度和强度,并且要避免发生过大的水平沉降、位移或转动。针对这些缺陷,新型的整体式桥台打破常规的构造措施和方法,将主梁和桥台固结起来,将全桥内的伸缩装置取消,梁体变形依靠台下的柔性桩基和台后的特殊设备或柔性桥台予以吸收[3]。

清远市四九桥合拢温度是8℃,这对清远市来说,应该属于低温,所以此桥主要温度变形是温度上升之时的膨胀变形,而混凝土的渐变和收缩,桥台、台后填土，桥墩的约束性都对减少变形量有利。如变形分布对称,那么梁两端的变形量最大是7.7 mm，因为桥两端的约束不一样,变形会向约束较小的一端变形,那么梁端的变形量最大值是15.4 mm。因此,必须将是否能够满足大变形为前提的承载力和稳定性的基本要求作为该整体式桥台及基础的前提。

3.4四九桥整体式桥台台后结构的设计

台后设计对整个设计来说也是关键之一。在考虑台后填土时，应该根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）中4.2.3来计算台后土的压力，并且根据柱式墩台土压力的计算宽度，按库仑土压力假设条件来计算台后填土的主动土压力和被动土压力（为密实砂土）。在设计计算中应考虑这两种土压力效应，在计算下部结构强度时，要按最不利的工况进行被动土压力组合，升温荷载、降温荷载和主动土压力组合。

清远市位于雨量集中区,如果台后填料出现排水不顺畅的现象,容易使二次沉降变严重，因此桥的台后填料应该选用具有透水性的砂砾石,并且应要求夯实度不能小于95%,以达到减少工后沉降的目的,确保排水顺畅。整体式桥台的台后应该架设搭板,它和整体桥台、主梁之间通过主筋进行连接,随着梁和台一起变形。它不仅仅是路桥连接的构造,还起着传递梁体变形的作用。

结合该桥桥位所处的综合情况,经过测算，对四九桥的台后设计了长达11 m的三段式斜置式斜搭板和接线路面过渡,并分别设置良口一侧的坡度为3%，汤塘一侧的坡度为5%,以方便用来分析和比较。对路面应力比较集中的铰缝位置、搭板末端,比较容易发生裂缝,因此在搭板的上方用了两层土工格栅以防反射裂缝的发生。

3.5上部桥面板内力分析

与具有伸缩缝的简支转动连续梁比较，只对桥面板进行设计分析时，单元划分精度和无缝桥梁是相同的，采用同样的施工工况控制，只是在连续梁拆除临时的支座之后，在1＃墩位置架设固定铰支座，在0＃台、3＃台和2＃墩处架置活动铰支座。经过比较发现，无缝桥梁与有伸缩缝的连续梁在桥面板单元中产生的内力是不同的，无缝桥梁在边跨跨中处的弯矩和有伸缩缝的产生的弯矩先比，后者小约10%，但是在中跨跨中处无缝桥梁所产生的弯矩约为5%，只是在荷载作用下无缝桥梁桥面板单元会承受一定的轴向压力。

该桥于2000年竣工通车,目前为止未发现有桥台沉降、台梁结合部位开裂等不良现象的发生。这些与国外常规无缝桥梁的结构不同的新型整体式全无缝桥梁的优化设计,将无缝桥梁的技术先进性和创新性又向前推进了一大步,这足以证明中国无缝桥梁建设在不断地优化，并且完全可以依照我国的实际情况走自己的道路。4结语

综上所述，自20世纪90年代末以来，我国对常规的整体式或者半整体式无缝桥梁的设计进行了多项优化和创新,并在广东清远四九中桥进行了推广应用，带来良好的社会效益和经济效益，证明了我国整体式全无缝桥梁的设计得到了进一步优化和创新。

[1]林志平.整体式桥台曲线箱梁受力性能与设计理论研究[D].福州：福州大学,2010.

[2]杜永超.半整体式全无缝桥梁的适应性及在弯桥上的研究与应用[D].长沙：湖南大学,2011.

[3]马永春,邵旭东,余加勇，等.中低设防烈度地区全无缝桥梁抗震性能分析[J].湖南大学学报：自然科学版,2013,40(5):11-17.

U442.5

B

1009-7716（2016）04-0087-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.027

2015-12-17

王英伟（1979-），男，吉林长春人，高级工程师，从事道路桥梁设计工作。