淺談整體式全無縫橋梁的優化設計

王英偉

（大連理工大學土木建筑設計研究院有限公司，遼寧 大連 116023）

淺談整體式全無縫橋梁的優化設計

王英偉

（大連理工大學土木建筑設計研究院有限公司，遼寧 大連 116023）

無縫橋梁作為一種新型橋梁結構其設計形式解決了伸縮縫造成的許多無法避免的問題。簡述三種新型橋臺形式的橋梁，并以我國第一座整體式全無縫橋梁——廣東清遠四九中橋為例，介紹了整體式全無縫橋梁的優化設計，闡述中國近幾年整體式全無縫橋梁的創新和進步，以期推廣應用。

新型橋臺形式；整體式無縫橋梁；半整體式橋臺；優化設計

1　概　述

傳統的整體式無縫橋梁是把橋梁結構的變形引到臺后的搭板和接線道路的銜接處,以達到橋梁結構的橋面無縫的目的。但這種方法仍然可能使混凝土路面板出現跳車、缺損等狀況,仍然無法避免路面接縫定期維修、更換等問題。

針對這種情況,湖南大學橋梁工程研究所提出了一種新型的全無縫橋梁優化設計,即在傳統的整體式無縫橋的基礎之上將斜置搭板與加筋接線路面相結合的方法,把路橋結合處的路面接縫消除,從而實現了真正“零維護”，具有防水防雜物、經濟、行駛性能好、養護費用低、抗震性能強、養護費用低等功能。

2　三種新型橋臺形式的橋梁

2.1柔性樁基與柔性橋臺結合的整體式橋臺結構

國外經常用的整體式橋臺是柔性橋臺與梁采用固接的方法,也就是取消了支座與伸縮設置的橋臺結構,采用最多的結構方式是把臺帽與單排柔性樁進行結合,但是也有柔性墻與擴大基礎相結合，剛性橋臺的承臺和柔性群樁相結合的形式等。在整體式橋臺的設計之中,最關鍵的一部分是梁、臺、樁三者的剛度要保持協調一致，否則會因為梁體的剛度太大,在臺梁結合處就會出現應力太過集中反而出現裂縫；相反，橋臺的剛度太大,在臺樁結合處就會出現應力過于集中的狀況[1]。

2.2優化的半整體式橋臺結構

還有一些半整體式橋臺，即剛性橋臺與梁體運用鉸接方式連接,該方式也是整體式橋臺的應用推廣,但只能微量地將轉動位移傳遞至剛性橋臺或者粗短柱式的橋臺下的樁基礎上。因為橋臺有剛性的特點,無論是溫升或溫降,它的位移量很小，當梁端變形量比較大的時候,就需要提高端墻高度和降低支座標高,這樣做會使橋面的標高提升,因此便會限制它的應用范圍。于此同時,因梁體反復漲縮,剪力鍵容易損壞,一旦出現損壞,顆粒土和水容易滲到支座處,進而影響了支座正常工作。當支座受損時,換起來是十分困難的，因此剪力鍵處的耐久性和密封性也要嚴格要求，因為臺后填土是塑性體,在梁體和汽車荷載的長時間推擠下,容易在梁端的土體中出現空洞的現象,進而進一步影響整個橋梁結構受力。

2.3全無縫橋梁體系設計

傳統的整體式無縫橋梁，即把橋梁結構的變形引到臺后的搭板和接線道路的銜接處,以確保橋梁的橋面無縫。比如,美、英等國一般是取消全橋的伸縮縫，即包括梁端和橋臺之間的伸縮縫,將橋臺、主梁和搭板的連接,或者是在整體式橋臺和搭板之間架設伸縮縫,或是在平置的搭板末端和接線路面間架設道路接縫和吸納橋梁變形,而后者使用得較多。但這種路面的接縫仍會使得縫邊的混凝土路面板出現跳車、缺損等危險狀況,仍存在路面接縫需要定期維修、更換的問題[2]。

3　我國第一座整體式全無縫橋梁

3.1工程施工綜合情況

我國第一座整體式全無縫橋梁為廣東清遠市四九橋。清遠市屬于亞熱帶海洋性季風氣候,常年濕熱多雨,全年最高氣溫36℃,平均最低氣溫2℃。橋位所在地層從上而下分為七層，依次是素填土、亞填土、礫砂、圓礫、殘積礫質亞黏土、殘積亞黏土、強風化花崗巖(可以作為樁基礎的持力層)。良口方向河岸的地質情況比湯塘好。

3.2總體設計

四九橋全長為75.48 m,經計算總溫度跨長51.48 m,橋面寬是8.50 m,主跨16 m,全橋縱坡0.756%,斜交角為15°,是四跨鋼筋混凝土連續剛構全無縫橋梁。它的設計荷載是汽車—20,掛車—100。全橋沒有一個支座,也沒有一道伸縮裝置。該橋采用瀝青混凝土橋面進行鋪裝,路橋的連接處也無另外設縫。上部梁體則采用梁寬為8.50 m、梁高是0.75 m的鋼筋混凝土實體板梁結構；下部結構采用的方法是雙柱式的輕型橋墩,并挖孔樁基礎。橋的兩側采用整體式橋臺。

3.3整體式橋臺優化設計

整體式無縫橋臺對整個設計來說是非常重要的一部分。在對橋墩、臺底約束條件進行考慮時，應考慮整座橋梁的外部約束為墩、下部及橋面板固結、臺底約束。在實際施工中，樁基并不是完全固定在土層當中，根據《公路橋涵地基和基礎設計規范》（JTG D63—2007），運用我國水利、房屋建筑及公路等領域在樁的設計當中常用的“m”法來計算樁頂彈性系數，也就是墩臺底的彈性約束系數。傳統的橋臺設計之中,橋臺與主梁是分離的,在橋梁和橋臺之間設置支座和伸縮縫，所以，在這個部位很容易產生跳車的狀況,既對行駛的順暢產生影響,又需要投入大量的人力、財力和物力進行定期維修、養護和更換。在進行橋臺設計的時候，必須要保證橋臺自身有足夠的穩定性、剛度和強度,并且要避免發生過大的水平沉降、位移或轉動。針對這些缺陷,新型的整體式橋臺打破常規的構造措施和方法,將主梁和橋臺固結起來,將全橋內的伸縮裝置取消,梁體變形依靠臺下的柔性樁基和臺后的特殊設備或柔性橋臺予以吸收[3]。

清遠市四九橋合攏溫度是8℃,這對清遠市來說,應該屬于低溫,所以此橋主要溫度變形是溫度上升之時的膨脹變形,而混凝土的漸變和收縮,橋臺、臺后填土，橋墩的約束性都對減少變形量有利。如變形分布對稱,那么梁兩端的變形量最大是7.7 mm，因為橋兩端的約束不一樣,變形會向約束較小的一端變形,那么梁端的變形量最大值是15.4 mm。因此,必須將是否能夠滿足大變形為前提的承載力和穩定性的基本要求作為該整體式橋臺及基礎的前提。

3.4四九橋整體式橋臺臺后結構的設計

臺后設計對整個設計來說也是關鍵之一。在考慮臺后填土時，應該根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）中4.2.3來計算臺后土的壓力，并且根據柱式墩臺土壓力的計算寬度，按庫侖土壓力假設條件來計算臺后填土的主動土壓力和被動土壓力（為密實砂土）。在設計計算中應考慮這兩種土壓力效應，在計算下部結構強度時，要按最不利的工況進行被動土壓力組合，升溫荷載、降溫荷載和主動土壓力組合。

清遠市位于雨量集中區,如果臺后填料出現排水不順暢的現象,容易使二次沉降變嚴重，因此橋的臺后填料應該選用具有透水性的砂礫石,并且應要求夯實度不能小于95%,以達到減少工后沉降的目的,確保排水順暢。整體式橋臺的臺后應該架設搭板,它和整體橋臺、主梁之間通過主筋進行連接,隨著梁和臺一起變形。它不僅僅是路橋連接的構造,還起著傳遞梁體變形的作用。

結合該橋橋位所處的綜合情況,經過測算，對四九橋的臺后設計了長達11 m的三段式斜置式斜搭板和接線路面過渡,并分別設置良口一側的坡度為3%，湯塘一側的坡度為5%,以方便用來分析和比較。對路面應力比較集中的鉸縫位置、搭板末端,比較容易發生裂縫,因此在搭板的上方用了兩層土工格柵以防反射裂縫的發生。

3.5上部橋面板內力分析

與具有伸縮縫的簡支轉動連續梁比較，只對橋面板進行設計分析時，單元劃分精度和無縫橋梁是相同的，采用同樣的施工工況控制，只是在連續梁拆除臨時的支座之后，在1＃墩位置架設固定鉸支座，在0＃臺、3＃臺和2＃墩處架置活動鉸支座。經過比較發現，無縫橋梁與有伸縮縫的連續梁在橋面板單元中產生的內力是不同的，無縫橋梁在邊跨跨中處的彎矩和有伸縮縫的產生的彎矩先比，后者小約10%，但是在中跨跨中處無縫橋梁所產生的彎矩約為5%，只是在荷載作用下無縫橋梁橋面板單元會承受一定的軸向壓力。

該橋于2000年竣工通車,目前為止未發現有橋臺沉降、臺梁結合部位開裂等不良現象的發生。這些與國外常規無縫橋梁的結構不同的新型整體式全無縫橋梁的優化設計,將無縫橋梁的技術先進性和創新性又向前推進了一大步,這足以證明中國無縫橋梁建設在不斷地優化，并且完全可以依照我國的實際情況走自己的道路。4結語

綜上所述，自20世紀90年代末以來，我國對常規的整體式或者半整體式無縫橋梁的設計進行了多項優化和創新,并在廣東清遠四九中橋進行了推廣應用，帶來良好的社會效益和經濟效益，證明了我國整體式全無縫橋梁的設計得到了進一步優化和創新。

[1]林志平.整體式橋臺曲線箱梁受力性能與設計理論研究[D].福州：福州大學,2010.

[2]杜永超.半整體式全無縫橋梁的適應性及在彎橋上的研究與應用[D].長沙：湖南大學,2011.

[3]馬永春,邵旭東,余加勇，等.中低設防烈度地區全無縫橋梁抗震性能分析[J].湖南大學學報：自然科學版,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

王英偉（1979-），男，吉林長春人，高級工程師，從事道路橋梁設計工作。