朱 俊(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)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(huì)發(fā)生脹縮變形以及其他變形，為消除這種變形對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，常在結(jié)構(gòu)中設(shè)置伸縮縫。對(duì)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(shè)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(wù)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(fèi)用成為橋梁養(yǎng)護(hù)中的重要組成部分，且隨著橋梁使用年限的增長(zhǎng)而不斷增加。目前，普遍認(rèn)識(shí)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(jiǎn)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(jiǎn)稱無縫橋[2]。

在這個(gè)定義中，上部結(jié)構(gòu)由支撐于墩、臺(tái)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(tái)處，主梁與引板應(yīng)為連續(xù)結(jié)構(gòu)，不設(shè)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(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)支、橋面連續(xù)橋，這種橋在我國(guó)和世界其他地方都有大量應(yīng)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(hù)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(hù)性能更優(yōu)于連續(xù)梁橋。

2.3 橋臺(tái)處無縫化構(gòu)造

2.3.1 延伸橋面板橋臺(tái)

延伸橋面板橋臺(tái)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(shè)伸縮裝置的橋臺(tái)。與整體式橋臺(tái)不同，延伸橋面板橋臺(tái)的主梁與橋臺(tái)之間有縫和支座；與半整體式橋臺(tái)不同的是，它沒有主梁端墻而有橋臺(tái)背墻。

2.3.2 半整體式橋臺(tái)

半整體式橋臺(tái)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(tái)。橋臺(tái)上部分與主梁之間沒有伸縮縫和伸縮裝置，這一點(diǎn)與整體式橋臺(tái)相同；但它設(shè)有支座支承主梁，所以橋臺(tái)與主梁并不是完全地連成整體。

圖2 延伸橋面板橋臺(tái)示意圖

圖3 半整體式橋臺(tái)示意圖

2.3.3 整體式橋臺(tái)

整體式橋臺(tái)是指與主梁連成整體的橋臺(tái)。上部結(jié)構(gòu)與橋臺(tái)之間不設(shè)伸縮縫和支座，也無伸縮裝置。因橋臺(tái)處無伸縮構(gòu)造與支座，它是各種橋臺(tái)中整體性最好、養(yǎng)護(hù)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(shí)，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(jì)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(jì)算長(zhǎng)度（溫度變形覆蓋區(qū)域的梁體長(zhǎng)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(zhǎng)度為10m）橋梁計(jì)算溫度變形為例，△L=0.00001×10×25=0.0025m=2.5mm。

圖4 整體式橋臺(tái)示意圖

為節(jié)省篇幅，對(duì)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(duì)應(yīng)半聯(lián)橋長(zhǎng)）計(jì)算如下，具體計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 橋長(zhǎng)與溫度變形關(guān)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(diǎn)

3.2 無伸縮縫橋梁的實(shí)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(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)的縱橋變形向臺(tái)后轉(zhuǎn)移，需要依靠臺(tái)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(tái)后接線系統(tǒng)的施工縫、變形縫、脹縫、縮縫、鋸縫等。

從這個(gè)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(tái)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(jì)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(zhǎng)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(tái)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(shí)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(diǎn)

為便于了解無縫橋的受力特點(diǎn)，以對(duì)應(yīng)2.3 節(jié)的幾種典型的單跨無縫橋?yàn)槔?，?duì)其受力與變形特點(diǎn)進(jìn)行介紹。不失一般性，假定梁體膨脹伸長(zhǎng)，并假定臺(tái)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(diǎn)，主梁溫度變化時(shí)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(jì)，所以其縱橋向受力和變形特點(diǎn)與有縫橋相近。通俗一點(diǎn)來說，它可看成是將有縫橋的伸縮縫從橋臺(tái)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(diǎn)與受力特征是受力上臺(tái)后土壓力不參與主梁受力，土壓力由橋臺(tái)獨(dú)自承擔(dān)，與有縫橋基本一致。

3.3.2 半整體式無縫橋

對(duì)于圖8 的半整體式無縫橋，由于主梁與橋臺(tái)之間通過支座聯(lián)系，所以支座以下的結(jié)構(gòu)對(duì)主梁不起約束作用。反過來，溫度變形也不會(huì)對(duì)支座下的橋臺(tái)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加力。所以，橋臺(tái)基礎(chǔ)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(kuò)大基礎(chǔ)。然而，其主梁與橋臺(tái)上部分（端梁）連接在一起，溫度變化引起的梁體伸縮受到臺(tái)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(diǎn)

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

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(tái)連接在一起，梁體伸縮等變形受到橋臺(tái)和接線部分的約束作用。

圖9 整體式無縫橋受力特點(diǎn)

整體橋在所有無縫橋中對(duì)主梁的約束最大，主要有臺(tái)身和臺(tái)后土抗力、樁基礎(chǔ)和樁周土抗力、引板與基層的摩擦力。其中，樁基礎(chǔ)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(shí)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(tái)與主梁連成整體，受力分析時(shí)應(yīng)上、下部結(jié)構(gòu)一起考慮，按剛架（框架）模型計(jì)算。

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

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(tái)身高度較小(2.0～3.0m 左右)、剛度較大的橋臺(tái)，并且臺(tái)下基礎(chǔ)一般為單排柔性和延性均較好的H 型鋼樁。主要原因是對(duì)于整體式無縫橋梁來說，需要柔性很好的樁來適應(yīng)它的縱向變形，在這一點(diǎn)上鋼樁比混凝土樁具有更大的優(yōu)勢(shì)[4]。

H 型鋼樁是整體式橋臺(tái)柔性樁一種很好的形式，但造價(jià)昂貴。在國(guó)內(nèi)，受制于造價(jià)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(duì)H 型鋼樁造價(jià)昂貴，普通現(xiàn)澆混凝土樁剛度大、易開裂的問題，國(guó)內(nèi)開始研究以高強(qiáng)混凝土管樁來代替H 型鋼樁。

管樁的特點(diǎn)是強(qiáng)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(chǔ)。可采用的預(yù)制管樁型式有高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁（PHC 管樁）、混合配筋高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁（PRC）、預(yù)制高強(qiáng)鋼管混凝土管樁（SC樁）等。

5 展望

我國(guó)的中小橋量大面廣，在全國(guó)目前服役的71 萬余座公路橋梁中，總長(zhǎng)100m 以內(nèi)的中小型橋梁占93%，因而在中小橋上實(shí)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(shè)計(jì)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(zhǎng)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(shè)計(jì)，給后期運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)帶來了極大的困難。中小跨徑無伸縮縫橋梁技術(shù)能有力改變這一現(xiàn)狀，具有極大的研究意義。