中小跨径无伸缩缝桥梁技术分析

朱 俊(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

1 引言

桥梁结构在日照、气温等环境因素的影响下会发生胀缩变形以及其他变形，为消除这种变形对结构的影响，常在结构中设置伸缩缝。对于道路桥梁，为使车辆平稳通过桥面并满足桥面变形的需要，在桥面的伸缩缝处就需要设置伸缩装置。然而，在车辆、环境等因素作用下，伸缩装置病害频发，甚至失效，降低了桥梁的服务质量，影响了桥梁结构的安全性与耐久性。维修、更换伸缩装置的费用成为桥梁养护中的重要组成部分，且随着桥梁使用年限的增长而不断增加。目前，普遍认识到取消伸缩缝采用无缝桥梁是解决问题的最佳途径[1]。

2 无伸缩缝桥梁简介

2.1 无伸缩缝桥梁定义

两端引板末端范围内采用连续的上部结构、无桥面伸缩装置的桥梁，称为无伸缩缝桥梁，简称无缝桥[2]。

在这个定义中，上部结构由支撑于墩、台上的桥跨结构和支撑于路基上的引板组成。引板是指与主梁相接的桥头搭板，参与主梁的纵桥向伸缩变形和受力，并将部分伸缩变形从主梁“引”到搭板与道路接线相接处。采用引板一词是为了将其与传统有缝桥的搭板相区别。

根据上述定义，无缝桥在桥台处，主梁与引板应为连续结构，不设伸缩缝，也无伸缩装置。

2.2 桥墩处无缝化构造

2.2.1 桥面连续

桥面连续构造是在不改变主梁竖向简支受力的情况下取消伸缩装置的一种无缝化做法。桥面连续是指主梁为简支、相邻跨主梁间有缝，但桥面板（或桥面现浇层）采用连续构造。采用桥面连续构造的桥梁，常称之为结构简支、桥面连续桥，这种桥在我国和世界其他地方都有大量应用。

图1 典型桥面连续构造

2.2.2 结构连续

结构连续指相邻跨间的主梁为连续结构，主梁之间没有伸缩缝，自然桥面板也无伸缩缝和伸缩装置。如果主梁与桥墩之间采用支座支承，则为连续梁桥，如果主梁与桥墩之间为固结构造，则为连续刚构桥。从行车平顺与维护来说，这种桥型在所有无缝桥中属于最好的一种，连续刚构由于连支座都取消了，维护性能更优于连续梁桥。

2.3 桥台处无缝化构造

2.3.1 延伸桥面板桥台

延伸桥面板桥台是指与主梁之间有缝，但该缝被连成一体的桥面板和引板盖住，不设伸缩装置的桥台。与整体式桥台不同，延伸桥面板桥台的主梁与桥台之间有缝和支座；与半整体式桥台不同的是，它没有主梁端墙而有桥台背墙。

2.3.2 半整体式桥台

半整体式桥台是指其上部分（又称端墙）与主梁连成整体且支承于其下部分的桥台。桥台上部分与主梁之间没有伸缩缝和伸缩装置，这一点与整体式桥台相同；但它设有支座支承主梁，所以桥台与主梁并不是完全地连成整体。

图2 延伸桥面板桥台示意图

图3 半整体式桥台示意图

2.3.3 整体式桥台

整体式桥台是指与主梁连成整体的桥台。上部结构与桥台之间不设伸缩缝和支座，也无伸缩装置。因桥台处无伸缩构造与支座，它是各种桥台中整体性最好、养护与维修工作量最少的一种。

3 无伸缩缝桥梁理论原理

3.1 桥梁的温度胀缩变形

分析无伸缩缝桥梁的温度变形时，主要考虑年温差引起的桥梁结构水平方向的线性胀缩变形。计算公式为：

△L=αcLt△t。

式中，△L—杆件，因温度变化引起的）胀缩变形；

αc—材料线膨胀系数，混凝土梁常用的αc为0.00001[3]；

Lt—温度计算长度（温度变形覆盖区域的梁体长度）；

△t—有效温度变化值，安徽地区极端桥梁年温差△t为±25°。

以1m-20m（总桥梁20m，一端温度变形覆盖区域的梁体长度为10m）桥梁计算温度变形为例，△L=0.00001×10×25=0.0025m=2.5mm。

图4 整体式桥台示意图

为节省篇幅，对安徽省常用的中小跨径桥梁的温度胀缩变形（一端的数值，对应半联桥长）计算如下，具体计算结果如图5所示。

图5 桥长与温度变形关系图

图6 典型无缝桥引板胀缝构造示意图

图7 延伸桥面板无缝桥受力特点

3.2 无伸缩缝桥梁的实现原理

无缝桥虽然取消了伸缩装置，但无法改变结构在温度作用下热胀冷缩的自然规律，实际桥梁结构的纵桥变形向台后转移，需要依靠台后接线系统来消化吸纳这部分变形。因此，无缝桥中仍然存在一些缝，如台后接线系统的施工缝、变形缝、胀缝、缩缝、锯缝等。

从这个意义上，无缝桥只是取消了桥梁的伸缩装置，但并没有彻底的取消伸缩缝，而是将其从主梁转到桥台相接处，在减少了伸缩量后，转移到了引板与道路相接处。

根据图5 的安徽省常用的中小跨径桥梁的温度胀缩变形计算可以看出，最短的1m-13m 桥梁一端温度胀缩变形为1.63mm，最长的3m-20m 桥梁一端温度胀缩变形为7.5mm。而胀缝的缝隙宽度为20～25mm，可供膨胀位移的有效间隙一般不超过10mm。因此，通过无缝桥的台后接线系统来消化吸纳不超过1cm 的变形量理论上是完全可以实现的，这也是中小跨径无伸缩缝桥梁的理论原理。

3.3 无缝桥纵桥向受力特点

为便于了解无缝桥的受力特点，以对应2.3 节的几种典型的单跨无缝桥为例，对其受力与变形特点进行介绍。不失一般性，假定梁体膨胀伸长，并假定台后搭板是无限刚性的。

3.3.1 延伸桥面板无缝桥

上图为延伸桥面板无缝桥的受力特点，主梁温度变化时所受的约束主要来自于引板与其下土体的摩阻力。研究表明，该摩阻力很小，几乎可以忽略不计，所以其纵桥向受力和变形特点与有缝桥相近。通俗一点来说，它可看成是将有缝桥的伸缩缝从桥台与主梁相接处后移到引板与接线道路相接处（或两块引板之间）的一种无缝桥。

结构特点与受力特征是受力上台后土压力不参与主梁受力，土压力由桥台独自承担，与有缝桥基本一致。

3.3.2 半整体式无缝桥

对于图8 的半整体式无缝桥，由于主梁与桥台之间通过支座联系，所以支座以下的结构对主梁不起约束作用。反过来，温度变形也不会对支座下的桥台结构产生附加力。所以，桥台基础不必采用柔性桩，可以采用刚度较大的混凝土桩或者刚性扩大基础。然而，其主梁与桥台上部分（端梁）连接在一起，温度变化引起的梁体伸缩受到台后土以及引板与土体摩阻力等约束作用，该约束作用大于延伸桥面板无缝桥，小于整体式无缝桥。

图8 半整体式无缝桥受力特点

结构特点与受力特征，主梁与桥台的上部分连成整体，不设伸缩缝和伸缩装置，主梁与桥台之间设支座，桥台采用刚性基础，是半整体桥的结构特点，端墙与其后的土相互作用（台土相互作用）并影响到主梁的受力，是这类桥结构计算的要点与难点。

3.3.3 整体式无缝桥

如图9 所示，整体式无缝桥主梁与桥台连接在一起，梁体伸缩等变形受到桥台和接线部分的约束作用。

图9 整体式无缝桥受力特点

整体桥在所有无缝桥中对主梁的约束最大，主要有台身和台后土抗力、桩基础和桩周土抗力、引板与基层的摩擦力。其中，桩基础的影响最大。桩的刚度大，主梁所受的温度附加轴向力也大，同时桩基本身所受的水平力和弯矩也大。因此，一般要采用柔性桩。此外，整体桥由于桥台与主梁连成整体，受力分析时应上、下部结构一起考虑，按刚架（框架）模型计算。

结构特点与受力特征，上、下部结构连成整体，不设伸缩缝与支座，并且桥台、桥墩采用柔性基础，是整体式无缝桥的结构特点，上、下部结构和土相互作用（包括台土相互作用、桩土相互作用），则是这类桥结构计算的要点与难点。

4 柔性桩选型探讨

在欧美，绝大多数的整体式桥梁都是采用台身高度较小(2.0～3.0m 左右)、刚度较大的桥台，并且台下基础一般为单排柔性和延性均较好的H 型钢桩。主要原因是对于整体式无缝桥梁来说，需要柔性很好的桩来适应它的纵向变形，在这一点上钢桩比混凝土桩具有更大的优势[4]。

H 型钢桩是整体式桥台柔性桩一种很好的形式，但造价昂贵。在国内，受制于造价的因素，基本没有采用钢桩的，普遍采用现浇混凝土桩代替钢桩，但常规混凝土桩刚度大，易开裂，不适宜于整体式全无缝、连续刚构形式的中小跨径桥梁。

针对H 型钢桩造价昂贵，普通现浇混凝土桩刚度大、易开裂的问题，国内开始研究以高强混凝土管桩来代替H 型钢桩。

管桩的特点是强度大、空心截面刚度小，非常适宜用于无缝桥连续钢构体系的下部基础。可采用的预制管桩型式有高强预应力管桩（PHC 管桩）、混合配筋高强预应力管桩（PRC）、预制高强钢管混凝土管桩（SC桩）等。

5 展望

我国的中小桥量大面广，在全国目前服役的71 万余座公路桥梁中，总长100m 以内的中小型桥梁占93%，因而在中小桥上实现无缝化，尤其具有重要的意义[5]。

聚焦省内，目前安徽省平原区及丘陵区高速公路大量设计了中小跨径的桥梁及分离立交，普遍的跨径有1～13m、2～13m、3～13m、1～16m、2～16m、3～16m、1～20m、2～20m、3～20m，总桥长不超过60m 的大量中小跨径桥梁仍然采用常规的有伸缩缝、有支座设计，给后期运营养护带来了极大的困难。中小跨径无伸缩缝桥梁技术能有力改变这一现状，具有极大的研究意义。