无伸缩缝桥梁相关设计概述经验分析

刘远昆

贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州贵阳 550081

1 无伸缩缝桥梁建设现状中存在的几个问题

通过对历史数据的分析调查，桥梁伸缩缝作为桥梁的关键构件在实际使用中普遍存在严重的损坏现象，这使得研究设计和制造更先进的伸缩装置工作变得尤其重要，要彻底解决问题，推广使用无伸缩装置的桥梁结构才是根本解决方案，无伸缩缝桥梁具有很多优点，但是目前的设计方法仅依赖于观察与经验，我国伸缩缝桥梁的推广与建造还存在几个问题。首先，无伸缩缝桥梁的伸缩变形并不随着取消了伸缩装置的设计而消失，桥梁内部依然存在应力和变形，设计中需要把这些伸缩变形应力从桥梁主体有效的传导到道路上去，同时控制好对路面的影响。其次，通过技术手段对桥梁的伸缩变形做到了有效的控制后，桥台的桩基础和主梁的本身产生的内力达到多高的程度，又如何将这些附加力对桥梁和桩基础的影响控制到最小程度，这些都是需要在构造细节上采取相应的措施来解决的。

2 无伸缩缝整体式桥梁设计优势

2.1 结构设计简单

无伸缩缝连续梁桥中，桥梁结构设计被大大简化，一个水平杆、多个竖向杆和刚架结构，简化了桥梁的整体分析和设计工作，与上部结构固结或自支撑的墩柱与单排桩支撑的桥梁墩台可以通过滑动支座与上部结构分离。

2.2 边中跨比范围的扩大

传统的连续梁桥，整体式桥台可以充当平衡重（配重），通过采用整体式桥台设计可以更好地抵抗负支反力，不需要设置昂贵的拉力支座。

2.3 施工建造速度快

整体式桥台不用背墙结构，因此可以使用桩较少的单排桩。在无伸缩缝桥梁中，一些附属设施，例如支座和伸缩缝构造被取消后，有关的安装、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盖梁的设计和施工、支座垫石工序的简化，进一步提高了施工速度。

2.4 运营费用低

传统的桥梁结构会经常遭受车辆冲击，在降低了车辆驾驶舒适性的同时也对桥梁结构造成损伤，平顺的无伸缩缝结构可以改善这些体验，与此同时桥梁的后期维护费用也被大大降低。

2.5 增加超静定性和抵抗灾难的能力

伸缩缝施工设计与使用中如果存在隐患，会造成桥梁坍塌，我们通过无伸缩缝桥梁的墩台和梁固结结构构造，提高桥梁抵抗各种自然或人为灾难事件能力以及桥梁超静定约束和的能力。尤其在发生地震时，落梁现象发生的可能性大大减少，无伸缩缝桥梁在多震区被作为一种更优的设计方案。

3 无伸缩缝桥梁的构造设计经验分析

3.1 特点及细部构造分析

桥梁设计工程师要全面认识无伸缩缝桥梁的性能，对桥梁的耐久性、整体性做出科学分析，先要了解无伸缩缝桥梁的细部构造，细部构造是桥梁的基本骨架，也是桥梁设计当中一个很基础的概念与印象，无伸缩缝的整体式桥台是钢梁和混凝土梁普遍采用的细部构造。

3.2 需要考虑的影响因素

考虑到无伸缩缝桥梁，它的总量是被埋进混凝土桥台的特殊结构，工程师在进行设计时应该把对次要荷载的考虑放到重要位置，本文总结了几点次要荷载的影响。

3.2.1 徐变的影响

“徐变”是指在长期应力作用下，混凝土应变随时间而持续保持增长的一种特性。在长期荷载作用下，结构或材料承受的应力不变，而应变随时间增长的这种现象称为徐变。以混凝土为主要材料的桥梁不可避免的存在徐变，桥梁上部结构的跨径，混凝土承受荷载时的使用年限，荷载持续的时间，周围环境的温度，桥梁锁使用混凝土的质量以及混凝土构件的形状变化都会对徐变引起的应变造成影响。通过徐变，在增加钢纵梁下缘拉应力的同时，会在一定程度上减小桥台处和墩顶处截面上缘的拉应力，且若是恒载引起的应力小于10%，就可以控制对结构的有害影响。因此徐变因素的影响，在中小跨径钢砼组合梁的无缝桥梁设计时可以被忽略。

3.2.2 收缩的影响

无伸缩缝桥梁的墩部会因为混凝土桥面板和钢纵梁收缩在结构内部引起一定的自应力产生徐变，受到部分或完全的约束会导致收缩，收缩和徐变两种作用力抵消的情形出现在他们相反时；通过对大量数据的分析表明，实际上这两种力的作用不能彻底抵消，因此会产生余应力，这会导致加重混凝土裂缝现象，从而使得收缩应力得到部分的减小，运用到对无伸缩缝桥梁进行分析和设计的实际环节中的时候，要考虑到收缩对上部结构的影响。

3.2.3 沉降因素的存在

由于地基土层的不均匀性在荷载作用下会发生不均匀沉降，桥梁的上下部结构的刚度、跨数、跨径支承、台高、沉降量等几何特征和结构特征，会对沉降造成的应力影响大小起到直接作用。相较单跨桥梁，多跨桥梁的沉降影响会更大一些。因此，针对减少多跨桥梁因恒载引起的沉降，我们可以通过使用技术手段让桥台和桥墩和所受的反力大致相等来解决。至于单跨桥梁，可以忽略沉降的因素，因此，合理的桥梁构架设计可以使无伸缩缝桥梁忽略因为沉降因素产生的影响。

3.2.4 土压力的影响

土压力对桥梁的影响，也是传统桥梁建设中需要考虑的一大重要因素。在桥梁上部，结构受热发生膨胀后桥台就会填土，从而引起被动土压力，被动土压力，还存在重向与横向的分布从而造成综合影响，造成上部结构的轴力和弯矩。实践证明对于无伸缩缝桥梁，土压力的影响非常小，乃至于几乎可以忽略不计，因此在分析和设计时无伸缩缝桥梁土压力的作用可以排除在外。

3.2.5 温度的影响

作为无伸缩缝桥梁设计中的一个重要因素，温度变化对桥梁的设计影响不容小觑，但在现实中温度对桥梁影响测得的应力值却比预计的要小很多。造成这些结果的原因有两个，第一，混凝土结构体积较大的特点，使得它对温度变化敏感度比较低。钢桥的温度周期最大值要远远大于混凝土桥，混凝土大面积的吸收热量，使得它的温度周期值产生了较大的差异，美国公路运输和工作协会的工作中也提出了相关的概念。钢与混凝土的热膨胀系数相差不大，但是混凝土具有大面积吸收热量的特征，因此钢桥对温度的变化敏感度要比混凝土高。我们以后将会就此展开进一步的定量分析研究。第二，在混凝土由于温度变化膨胀或者因为收缩产生的徐变会造成桥梁应力达不到设计时预计的程度，有关部门应该根据实际情况调整设计方案，把混凝土的温度弹性模量保持动力荷载弹性模量的1/3作为原则，这样理论就能更科学精确地反映实际情况。

3.2.6 桩的应力作用

上部结构与整体式桥台的桩基础对纵向移动的抵抗作用产生直接影响，在进行无伸缩缝桥梁设计时，需要分别落实以下几项工作：首先，采用单排的细长垂直桩结构且需要限制桩的形状和整体式桥梁的基础形式；通过提供一种铰接装置来控制桩的挠曲；通过调整H形桩的弱轴方向，使桩子的弱轴方向与运动方向一致；严格限制结构斜交角的大小也是一项重要工作。我们可以通过解决平衡整体式桥台后面的主动压力问题、充分考虑留有自由空间的手段使得整体式桥台允许温度膨胀、采用合适的细部构造也可以实现这一功能等，我们需要今后在无伸缩桥梁设计中不断的进行研究和实践来寻求这些问题的解决方案，完善细节上的设计，我们通过安排一定的施工次序，或者通过设置压力释放缝、循环控制缝、引道板等来克服无伸缩缝桥梁存在的一些缺陷。但由于无伸缩缝桥梁有跨径小等方面的限制，一些设计者在实际运用中倾向于采用有伸缩缝桥梁，如何有效解决这些问题是无伸缩缝设计桥梁得到更广泛的应用的一项重要环节。

4 结语

桥梁没有伸缩缝，意味着排除一系列隐患，桥梁的维护费用和建造费用也能得到了有效的控制，其优秀的抗震能力在地震多发地区更是至关重要。同时车辆在无伸缩缝桥梁上行驶也能减少冲击，降低了车辆的损耗，反作用到桥梁使用寿命也得到了提高。无伸缩缝桥梁技术研究在美国已经开展了很多年并得到了广泛的应用，我们期待无伸缩缝桥梁在我国得到推广，但目前该项工作依然还未得到深入的研究和实践。因此学习、了解并利用国外一些先进成功经验就非常重要，先进经验的学习与总结再加上结合我国路桥建设中存在的问题与实际需要，建造出适合我国路况的无伸缩缝桥梁，从而大力发展与推进公路桥梁事业的发展，是我们从事桥梁研究专业人员的重大使命。