全无缝桥梁接线道路的研究与应用

高超 朱琳

(北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082)

引言

桥梁结构伸缩系统由于设计、施工、使用及产品质量等方面的不足所产生的病害问题屡见不鲜，严重的会影响到主体结构安全。其伸缩装置属于附属构造物，与桥梁主体间的材料鲁棒性较低，自身又存在耐久性差的缺点，且出现损坏后更换难度大，维护费用高。

为此提出无缝桥梁的概念。其除了对桥跨之间采用连续结构外，又将主梁与桥台连成整体，纵桥向的变形一方面通过体系刚度的转化被自身吸收一部分，另一方面又通过桩及台背后的土抗力作用再次吸纳，从而达到桥区范围内取消伸缩缝。

然而传统无缝桥只是将伸缩缝由桥台处移至搭板末端，虽然解决了桥区内伸缩缝的诸多问题，但搭板末端的路面接缝仍处于易损状态[1]。本文提出新形式全无缝桥并运用到实际工程中，对接线道路进行计算分析，验证采用全无缝结构的合理性，为我国无缝桥技术的发展提供参考。

1 全无缝桥及其设计思路

全无缝桥是在常规无缝桥的基础上，利用连续配筋混凝土路面允许带裂缝工作的特点，采用搭板两端分别与主梁及连续配筋接线路面连接，并在接线道路的端部设置地梁的方式，进一步消除了路桥结合处的路面接缝的新型无缝桥体系，其在传统基础上增加了过渡板、传力装置、锚固地梁等构造措施。其设计思路流程见图1。

图1 全无缝桥设计思路流程Fig.1 Design process of seamless bridge

2 工程概况及结构选型

通惠河桥位于通州新城运河核心区，道路规划为城市次干路，设计速度40km/h，红线宽度45m，夹角为87.07°，桥长经规划会议确定为90m。孔径布置及结构形式受制于几点因素：

(1)景观要求：采用拱桥形式，主拱需对称河道布置；

(2)行洪要求：主跨一跨过河，净宽需大于50m，且拱脚尽量避开现况河道挡墙；

(3)周边地物：桥区范围内存在现况管线，基础布置需避让并留出安全距离；地铁M6 线从桥位西侧向北穿过，距离北侧桥台和主墩的基础较近。

综合以上因素，设计桥梁结构形式最终选定如图2所示。跨径为11.5m+60m+18.5m，矢跨比1/7。因主跨大，边跨过小，造成边跨梁端出现负反力，工程设计中将这种构造需求与整体式全无缝桥技术结合，将桥台与纵梁固结，下部接柔性桩，桥头搭板与桥台通过钢筋连接，充分利用其自重作为压重，取消了伸缩缝。这样，既满足了边中跨不匹配带来的平衡需求，又提高了桥面行车舒适性，减少了桥梁运营期间的维修养护费用，一举多得。

经主桥有限元计算结果得知，结构主要构件各阶段验算均满足要求，其中车道荷载产生的挠度较小，验证了整体式桥梁刚度大、行车舒适性好的优点。

图2 通惠河桥立面布置示意(单位：cm)Fig.2 Elevation design drawings of Tonghui River Bridge(unit：cm)

3 接线道路设计

3.1 设计思路

搭板与桥台按照常规搭接，考虑桥梁整体伸缩量设置2～3 道过渡板，端部设置锚固地梁，搭板与过渡板、过渡板之间、过渡板与锚固地梁间设置1cm 断缝，断缝间设置弹性传力杆件传递梁体的变形，以使其上的沥青铺装不致承担过大变形，同时在板与沥青铺装之间设置应力吸收层，避免反射裂缝扩散到路面，此外在路桥分界处设置路面多层土工材料搭接处理。见图3。

图3 通惠河桥接线道路结构形式示意(单位：cm)Fig.3 Schematic diagram of structure form for connection road of Tonghui River Bridge(unit：cm)

该形式无缝桥接线道路不仅构造简便易于实施，并且可以实现以较短的长度吸收无缝桥温度效应下的大变形，使其更加经济。

3.2 受力机理分析

在各块过渡板间设置合理的刚度连接，使接缝能够合理均匀地吸收温度效应下无缝桥的变形，接线道路简化计算模型如图4所示。

模型中不考虑锚固地梁与土之间的粘着力和摩擦力。在温度效应下接线道路受搭板推力、地基摩擦力以及锚固地梁处土压力共同作用，端部地梁将受到接线道路以及地梁处土基对地梁的作用力，根据平衡条件可得：

式中：f1、f2、…、fn为无缝桥搭板及各个过渡板所受的滑动摩擦力；Nd为土基施加给地梁的反作用力。

图4 接线道路计算模型简图Fig.4 Brief drawing of connection road computing model

首先假设地梁混凝土为线弹性材料，忽略地梁处土基对地梁的附着力和摩擦力且在当小位移时地梁处土基符合文克尔假定，基床系数可有条件地采用魏西克提出的基床系数计算公式[2]，该公式是国外出版书籍中普遍采用的地基基床系数计算公式，公式如下：

式中：μ0为土地基泊松比；Et为土基的弹性模量(MPa)；Ec为混凝土的弹性模量(MPa)；b为地梁宽度(m)；I为地梁的惯性矩(m4)。

再根据图3中计算模型，由矩阵位移法可以计算出接线道路端部地梁位移公式[3]为：

式中：K0为地梁处土基的基床系数(MPa/m)；h为地梁高度(m)。

所以当在接线道路末端设置单个地梁的情况下，为确保端部地梁的位移在设计允许范围内，可以得到各过渡板间连接刚度与其相应变形量的关系式为：

式中：n为无缝桥接线道路中过渡板间接缝数量；μ为地基摩阻系数；m为地梁的重量(kN)。

由式(4)可知，只要在各过渡板与路基之间的摩擦系数以及无缝桥的温升效应形变量确定的情况下，就可以得出各过渡板间的合理连接刚度以及在该连接刚度下各过渡板间形变量，从而确保无缝桥接线道路良好工作且保证接线道路端部地梁位移符合设计允许值。

3.3 模型建立

通惠河桥接线道路由两块长为3m 的过渡板组成，过渡板末端设置1.5m 高地梁。首先在Midas 中建立通惠河无缝桥的全桥模型如图5所示。

图5 计算模型示意Fig.5 Schematic diagram of computational model

在考虑温升荷载作用下，经计算该桥一侧最大形变量为15.60mm。通惠河无缝桥接线道路其他设计参数见表1。

表1 通惠河无缝桥接线道路参数取值Tab.1 Connection road parameter of Tonghui River Bridge

结合表1中参数，采用前述式(2)可得地梁处地基基床系数为162MPa/m。

3.4 计算及结果分析

1.理想刚度试算

假定端部地梁设计允许位移为0.25mm，按式(5)计算出过渡板与锚固地梁间的连接刚度K3为3090kN/m。为了保证各过渡板间均匀伸缩5mm～6mm 吸收温升效应下无缝桥的变形，取不同地基摩阻系数，通过式(4)可以得出其余各过渡板间的理想刚度值如表2所示。

表2 过渡板间合理刚度计算结果Tab.2 Calculation results of reasonable stiffness between transition plates

由表2可以看出：

(1)当过渡板与锚固地梁的连接刚度小于等于3090kN/m 时，能保证在温度效应下端部锚固地梁的位移小于设计允许值0.25mm；

(2)当地基摩阻系数趋于0 时，各过渡板间的理想连接刚度趋于一致。

2.等刚度处理

若各过渡板间的弹性传力装置按地基摩阻系数的不同做成不等刚度的构件，增加施工难度，且设计容错率偏低。故本工程过渡板间借鉴路面传力杆设计思路，在传力杆一端设置开孔橡胶板，以实现压缩变形，孔径为3cm，经数值模拟计算得出其刚度为3200kN/m(过渡板间等刚度连接)，形式如图6所示。

图6 纵缝传力杆及橡胶板示意(单位：cm)Fig.6 Schematic diagram of force transfer rod and rubber plate(unit：cm)

3.压缩量计算

在Midas 中将计算得出的地基反应系数值赋予地梁处。在通惠河无缝桥接线道路中过渡板间的传力连接装置采用挖孔3cm 的橡胶板，经过数值计算得到该形式橡胶板的刚度并用弹性连接进行模拟。分别考虑过渡板与土基的摩擦系数为0、0.1、0.2、0.3、0.4 和 0.5，计算在温升效应下接线道路处各过渡板间的压缩形变量以及锚固地梁的位移，计算结果如表3所示。

表3 不同地基摩擦系数下过渡板间压缩量计算结果Tab.3 Compression between transition plates under different friction coefficients of foundation

图7 过渡板结构示意Fig.7 Schematic diagram of transition plates

由表3中数据可得出各过渡板接缝处压缩量与地基摩擦系数之间的关系如图8所示。

对以上的数值计算结果分析后可得以下结论：

(1)通过开孔橡胶的传力连接装置的设计，可有效控制伸缩量并可缓冲结构变形，同时控制锚固地梁位移量，确保接线平顺。

图8 地基摩擦系数对各过渡板接缝间压缩量的影响Fig.8 Joint compression of transition plate caused by friction coefficient of foundation

(2)锚固地梁的端部位移随着地基摩擦系数的增大而减小，当不考虑地基摩擦系数时锚固地梁的端部位移最大0.29mm，当摩擦系数取0.5 时端部位移仅为0.09mm，总的来看地梁的变形较小，符合设计需要，对其后普通路面的稳定有好处；

(3)梁体温度变形主要由搭板间及过渡板与地梁间接缝消纳，可以近似认为梁体变形都由接缝承担；随着地基摩擦系数的减小，各分缝的压缩量趋于均匀。

(4)地基摩阻系数越小越有利于接线道路均匀吸纳桥梁形变，应设计减小地基摩阻系数。

从设计角度出发，期望各分缝越均匀越好，过大的变形量不利于搭板与路面结构的粘结，易形成路面反射裂缝，因此本工程采取摩擦阻力较小的双层油毛毡垫层等措施以减小地基的摩阻系数。

4 结论

通惠河桥设计的钢梁拱组合结构在国内无缝桥中尚无先例，其克服了北方寒冷地区及高地震烈度区的不利条件，同时借鉴国内组合路面结构设计的成熟经验，提出适宜的全无缝结构新形式。本文对全无缝桥梁进行了系统的设计与研究，得出如下结论及建议，希望可供参考和借鉴：

(1)设计施工时应充分考虑到荷载因素对伸缩量的影响，在适当的条件下尽可能地选用无缝结构从根本上减少病害发生。

(2)无缝桥的稳定性和整体性较之有缝桥有了很大的提高。

(3)新建桥梁设计优先考虑整体式结构，其次半整体式，并注意对接线路面进行全无缝优化。

(4)通惠河桥新型全无缝接线体系，由桥头搭板、过渡板、锚固地梁组成。三者之间通过弹性传力装置分散整体变形，并与道路面层间设置应力吸收层防止路面反射裂缝。经过近三年的使用，该体系被证明是有效的。

(5)摩阻系数是控制接缝缝隙均匀度的重要参数，应采取措施降低地基摩阻系数。

本工程竣工至今已近三年，目前运营情况良好，桥面及接线路面完整而平顺。实践证明，这座整体式大跨度全无缝钢桥设计合理，这种全新设计理念的无缝桥梁尚处在摸索阶段，但其显示出来的优势是显而易见的，大大减少了在使用寿命周期内的桥梁伸缩缝养护、维修及更换等问题。