無伸縮縫橋梁發(fā)展綜述
2010-06-04 來源：網(wǎng)絡(luò)
一、概述
公路橋梁的伸縮鍵是當(dāng)今橋梁施工和維護(hù)中的難題之一。橋梁的伸縮維長期暴露在大氣中，使用環(huán)境比較惡劣，是橋梁結(jié)構(gòu)中最易遭到破壞而又較難以修補(bǔ)的部位。橋梁伸縮鍵在設(shè)計、施工上稍有缺陷或不足，就會引起其早期破壞；而橋梁伸縮縫的破壞，又可能引起很大的車輛沖擊荷載，惡化行車狀況，急劇降低橋梁使用壽命。世界各國的學(xué)者都在努力尋求最好的伸縮縫結(jié)構(gòu)，得到的結(jié)論是"最好的伸縮縫結(jié)構(gòu)是無伸縮縫"[1]。
無伸縮縫橋梁的建造在美國已有較長的歷史。它的設(shè)計除了整體式橋臺以及引道板與路面連接處的構(gòu)造不同外，與一般橋梁設(shè)計原理基本相同。在完成主梁施工后，采用一些特殊措施將主梁、樁基礎(chǔ)、橋臺做成整體式，形成無伸縮縫橋梁。目前這種橋型在美國發(fā)展很快，遍及 90％的州，僅在田納西一個州就有1000多座無伸縮縫橋梁，橋型涉及鋼橋、混凝土橋、直橋和曲線橋。鋼橋最大長度做到127m，混凝土橋最大長度已達(dá)到358m[1,2]。
無伸縮縫橋梁不但大大改善了行車狀況，減少車輛的沖擊和提高橋梁使用壽命，還具有如下優(yōu)點：①由于取消了兩端伸縮縫，降低了橋梁造價及養(yǎng)護(hù)費用；②使縱、橫向的活荷載分布更加均勻；③增加了橋梁的超靜定約束和抵抗各種災(zāi)難事件的能力；特別對于地震，由于它消除了落梁現(xiàn)象，提高了橋梁的抗震能力[3]；④橋臺只需設(shè)置垂直樁，可以減少樁的數(shù)量，加速施工進(jìn)度心橋梁的安裝誤差也可適當(dāng)放寬；等等。
盡管此類橋梁在美國已經(jīng)成功地使用了很長時間（歐洲、日本在一些橋梁中也已開始使用），但至今還沒有一個比較科學(xué)的設(shè)計理理論[4]。目前的設(shè)計方法基本上依賴于經(jīng)驗與觀察，一些學(xué)者認(rèn)為，無伸縮縫橋梁的發(fā)展完全是建立在失敗與成功的教訓(xùn)上[3]。
隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展，公路交通量急劇增大，公路上行駛車輛的行駛速度和車輛的軸重不斷增加，我國橋梁由于伸縮縫的破壞而遭受不同程度毀壞的現(xiàn)象也十分嚴(yán)重。根據(jù) 1990年的調(diào)查資別到，北京市公路管理處、天津市橋梁管理所等13個城市的橋梁管理部門所管理的橋梁總數(shù)為2490座，調(diào)查了556座，占橋梁總數(shù)的22.3％，其中伸縮裝置已被破壞的橋梁數(shù)為271座，占被調(diào)查橋梁總數(shù)的48.7％。
除北京之外的上述仁座城市建設(shè)管理部門，曾在1989年底到1990年初對所管轄的242座橋梁的伸縮裝置的現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查，橋梁伸縮裝置完好的為62座，僅占調(diào)查數(shù)的26％。
上述資料表明，我國橋梁伸縮裝置的破壞率很高，情況相當(dāng)嚴(yán)重。文獻(xiàn)［5」還列舉了其他一些大橋伸縮裝置的破壞情況。例如：
湖北省沙洋漢江流水大橋，為主跨113m的多跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，調(diào)查發(fā)現(xiàn)伸縮裝置的鋼齒板已損壞脫落，錨固件外露，時常戳破汽車輪胎，駕駛員叫苦不迭。
湖北省武漢市江漢大橋的鋼板伸縮裝置處大量滲水，造成鋼板大面積銹蝕。
天津市東環(huán)路立交橋的板式橡膠伸縮裝置出現(xiàn)橡膠開裂，鋼板外露，錨固件脫落。
大連市香甘立交橋鋼平板伸縮裝置在通車后不久便損壞嚴(yán)重，汽車經(jīng)過時產(chǎn)生強(qiáng)烈顛簸，沖擊梁端，使主梁端部混凝土破碎，嚴(yán)重影響正常的交通運輸。
遼寧省香爐礁立交橋，主干道東北路段全長2023m，共設(shè)板式橡膠伸縮裝置24道，普遍出現(xiàn)兩側(cè)鋪裝破碎，橡膠板松動斷裂，破壞嚴(yán)重的約占90％。
陜西省西（安）寶（雞）一級公路上咸陽渭河大橋，通車不到四個月，氣溫變化還未達(dá)到全年最高氣溫，全橋的板式橡膠伸縮裝置已變形隆起，超過規(guī)定值；鋼板與橡膠剝離，有的還相當(dāng)嚴(yán)重，不但影響行車的舒適性，而且還影響到行車的安全性。
調(diào)查表明，我國橋梁伸縮縫的破壞現(xiàn)象十分嚴(yán)重。研究設(shè)計和制造使用更好的伸縮裝置固然十分重要，但進(jìn)一步考慮，如能采用無伸縮裝置的橋梁結(jié)構(gòu)，則是從根本上解決橋梁由于伸縮縫的破壞而遭受毀壞的現(xiàn)象。對于無伸縮縫橋梁，目前在我國還沒有展開深入的研究和實踐。因此學(xué)習(xí)、了解并利用國外一些先進(jìn)國家建造無伸縮縫橋梁的成功經(jīng)驗，根據(jù)我國的具體國情，研究建造適合我國國情的無伸縮縫橋梁，發(fā)展公路橋梁事業(yè)，可以說是從事橋梁研究設(shè)計人員的一項非常有意義的工作。
本文簡要介紹了美國無伸縮縫橋梁的發(fā)展及使用過程中的主要問題，并期待在我國深入開展對無伸縮縫橋梁的研究和實踐。
二、無伸縮縫橋梁在美國的使用情況
二次世界大戰(zhàn)前，美國總長度超過15m的橋梁都沒有一定形式的伸縮縫。由于回填料內(nèi)和路面上的積水以及公路表面垃圾容易滲透到伸縮縫內(nèi)，引起橋梁伸縮縫的堵塞或凍結(jié)，伸縮裝置逐漸被封閉，最終導(dǎo)致破壞，難以完成設(shè)計時所期望的伸縮功能。
大約在20世紀(jì)60年代，美國開始采用連接橋梁上部結(jié)構(gòu)和樁基礎(chǔ)的無伸縮裝置的整體式橋臺，堪薩斯州，密蘇里州，俄亥俄州和田納西州是較早采用這種方法的州。采用無伸縮縫的整體式橋臺，除了行車平穩(wěn)外，由于消除了伸縮裝置，排除了伸縮縫處水的滲漏隱患，降低了橋梁造價及維修費用，使得這種類型的橋梁逐漸地流行起來。
關(guān)于無伸縮橋梁的使用狀況美國有關(guān)部門曾做過許多調(diào)查工作【6】。調(diào)查表明，80％以上的公路機(jī)構(gòu)已為無伸縮縫裝置的橋梁建立了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，但各州現(xiàn)有的設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)并不相同。下面我們把美國一些州使用無伸縮縫橋梁的情況介紹如下：
·田納西州在田納西州的交通部門，一個結(jié)構(gòu)工程師的能力是以他能設(shè)計無伸縮縫橋梁的長度來衡量的。在過去的20多年里，幾乎所有新建的公路橋梁都是無伸縮縫橋梁。其中1998年以前，最長的無伸縮縫橋梁包括一座283m的預(yù)應(yīng)力混凝土橋，一座127m的鋼橋以及一座140m的裝配式混凝土橋。1998年田納西州50號公路又建成美國最長的無伸縮縫曲線橋梁。該橋全長358m，其中曲線部分的長度為297m。橋?qū)?4m，為預(yù)應(yīng)力混凝土T粱，梁高2.lm。各跨長度從39.3m至42.7m不等，采用雙柱式墩，墩高為15.5～27.7m。
在總結(jié)建造完伸縮縫橋梁的經(jīng)驗時，田納西州交通部門的報告[7]指出："我們發(fā)現(xiàn)橋面的伸長和上部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力都沒有異常。所有測得的應(yīng)力值都比預(yù)計的要小。我們也不知道確切的原因，但我們想我們有些答案。……混凝土由于溫度變化而緩慢膨脹或收縮，就會產(chǎn)生徐變。徐變可能會使應(yīng)力達(dá)不到預(yù)計的程度。……為使理論更好地反映實際的情況，對于混凝土我們把它的溫度彈性模量減小到動力荷載彈性模量的1/3。""總之，田納西州根據(jù)建造無伸縮縫整體式橋臺的橋梁20多年的經(jīng)驗，說明對于溫度位移不超過5.08cm的橋梁完全可以采取消除伸縮縫裝置來減少建造費用和長期維修的費用。"
· 加利福尼亞州自1971年以來，加利福尼亞州一般是建造無伸縮縫的公路橋梁。目前加利福尼亞州有100座以上長度超過107m的無伸縮縫橋梁。即使對于大多數(shù)有伸縮縫的橋梁，在橋臺處也是無伸縮縫的。
加利福尼亞州的交通部門指出[8]：無伸縮縫整體式橋臺的橋梁主要優(yōu)點是低造價，吸收地震荷載的有效性以及容許結(jié)構(gòu)有相對較大的溫度位移能力。長度超過122m的鋼筋混凝土橋梁由于溫度位移在橋臺處是不會產(chǎn)生明顯的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。
由于水的滲透是橋梁設(shè)計存在的主要問題，加利福尼亞州的交通部門把引道板直接和橋臺連接在一起并延伸到翼墻。此外，還埋置了排水系統(tǒng)。加利福尼亞州對橋梁的位移（包括溫度、徐變及長期應(yīng)力下的收縮）規(guī)定在引道板和連接路面之間伸縮量的最大值為2.54cm。
南達(dá)科他州南達(dá)科他州對建造無伸縮縫整體式橋臺的橋梁，尤其是鋼橋，有著豐富的經(jīng)驗，也是第一個做全比例模型檢測程序以評估無伸縮縫整體式橋臺的橋梁性能的州。
在檢測程序中，他們對無伸縮縫整體式僑臺的梁內(nèi)和支承處鋼樁頂部由于溫度位移引起的應(yīng)力大小進(jìn)行了測量。一個典型的公路橋梁的無伸縮縫整體式橋臺全比例模型按以下四個階段進(jìn)行建造和檢測：
第一階段：把梁焊接在鋼樁上；
第二階段：現(xiàn)場完成一個整體式橋臺；
第三階段：連接橋合和引道板；
第四階段：填好回填料。
在每一階段，檢測試件要受到一組液壓千斤頂控制的縱向位移，用以模擬溫度變化引起的膨脹和收縮。由于檢測試件是按實際橋梁的全比例設(shè)計和建造的，可以把這種方法看成是現(xiàn)場研究而不僅僅是模型研究[9]。在檢測結(jié)果的基礎(chǔ)上得出了以下結(jié)論：
(1)由溫度變化引起的位移和剪力要比AASHTO（美國各州公路和運輸工作者協(xié)會）規(guī)定的組合荷載下的容許極限應(yīng)力小得多。
(2)整體式僑臺可以看成一個剛體。
(3)超過1.27m的溫度位移會導(dǎo)致鋼樁局部應(yīng)力達(dá)到屈服狀態(tài)。
對于最后一個結(jié)論的準(zhǔn)確性還須進(jìn)行研究，因為這與田納西州和北達(dá)科他州（分別為17.78cm和10.16cm的伸縮位移取得完全成功的實踐相矛盾。
·衣阿華州衣阿華州是在1964年開始建造無伸縮縫整體式橋臺的混凝土橋梁［10］。第一座無伸縮縫橋梁建在Stange公路上，這座預(yù)應(yīng)力梁橋為70m長。對這座橋梁的調(diào)查表明，溫度引起的位移不會在橋合、翼墻和主梁內(nèi)產(chǎn)生主要的裂縫和明顯的破壞。衣阿華州的交通部門對20座整體式橋合建成后連續(xù)5年進(jìn)行了調(diào)查，這些橋梁中有的斜交角達(dá)到23度。由于沒有發(fā)現(xiàn)因上部結(jié)構(gòu)不設(shè)伸縮裝置而引起有關(guān)的應(yīng)力或其他問題，交通部門最后就結(jié)束了調(diào)查。
文獻(xiàn)［6」對美國 50個州的調(diào)查和對已有的成果進(jìn)行了總結(jié)，認(rèn)為目前對于無伸縮縫整體式橋合的橋梁幾乎還沒有完整的理論或試驗的工作報告以及設(shè)計程序的應(yīng)用。衣阿華州立大學(xué)僅是少數(shù)進(jìn)行一些現(xiàn)場和模型試驗的機(jī)構(gòu)之一，但也還沒有進(jìn)行詳細(xì)的理論研究。調(diào)查得到如下的結(jié)果：
(1)多數(shù)州認(rèn)為采用無伸縮縫整體式橋臺的橋梁可以減少成本。采用整體式橋臺的橋梁設(shè)計，用樁數(shù)量少，施工圖簡單，沒有昂貴的伸縮裝置以及只需很低的維修費用。
(2)幾乎所有州都認(rèn)為在臺后應(yīng)該使用排水性能較好的回填料?；靥盍弦筮_(dá)到95％的壓實度，以消除引道板可能產(chǎn)生的沉陷。
(3)使用整體式橋臺的施工和維修存在以下一些問題：
?、儆捎诨靥盍鲜窃诹喊惭b后才回填的，起重機(jī)無法靠近橋臺，這就使得預(yù)制梁的施工就位成為問題。
?、谔盍系膲簩嵎浅ｊP(guān)鍵。
?、塾斜匾獙蛄憾瞬吭O(shè)計進(jìn)行充分考慮。
?、鼙仨毘浞挚紤]到施工時預(yù)應(yīng)力張拉后彈性收縮的影響。
?、菀韷?yīng)考慮按較重的荷載進(jìn)行設(shè)計以防止開裂。
?、抟罉O應(yīng)專門進(jìn)行設(shè)計。
?、邽榉乐购涮鞖庀碌拈_裂，引道板和橋臺間要有有效的連接機(jī)構(gòu)。
三、無伸縮縫橋梁的構(gòu)造細(xì)節(jié)
混凝土梁和鋼梁采用無伸縮縫整體式橋臺的細(xì)部構(gòu)造。這些細(xì)部構(gòu)造的圖示僅僅是一個基本骨架，還不能反映出其他設(shè)計方面的重要細(xì)節(jié)。細(xì)部構(gòu)造只是為了給初次接觸無伸縮縫橋梁的人們以一個基本的概念和印象，不可能在本文中進(jìn)行更為詳細(xì)具體的描述和形容，對此，我們將在以后的討論中進(jìn)一步加以闡述。但是初步了解這些細(xì)部構(gòu)造對于全面認(rèn)識無伸縮縫橋梁的性能、整體性和耐久性會有很大的幫助。
四、無伸縮縫橋架設(shè)計中的幾個問題討論
1．溫度對無伸縮縫橋梁的影響
溫度的影響無疑是無伸縮縫橋梁設(shè)計中的一個非常重要的因素，但事實上正如前文所指出的那樣，對許多橋梁的應(yīng)力測試表明，由于溫度作用而測得的應(yīng)力值要比預(yù)計的要小，分析其原因可能有兩點：
其一是混凝土由于溫度的膨脹或收縮，會產(chǎn)生徐變。徐變將使得應(yīng)力不能達(dá)到設(shè)計時所預(yù)計的程度。因此為了使理論更好地反映實際的情況，有的部門[7]設(shè)計時考慮把混凝土的溫度彈性模量減小到動力荷載彈性模量的1/3。
其二是由于大多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)體積相對較大，使得它們對周圍的溫度變化比較不敏感。AASHTO（美國各州公路和運輸工作者協(xié)會）在計算溫度變化時對此進(jìn)行了規(guī)定："必須考慮到大體積混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度對大氣溫度的相對滯后。""混凝土橋溫度周期的最大值要比鋼橋的小。由于混凝土較大的體積要吸收熱量，因此它的溫度不會與理論預(yù)計的一樣?quot;這就可以從某一方面解釋，為什么這兩種材料的熱膨脹系數(shù)α幾乎相同（混凝土α＝0.00001，鋼a＝0.000012），而鋼橋?qū)囟鹊淖兓然炷撩舾械枚?。至于溫度對無伸縮縫橋梁的影響在定量上的分析還有待于進(jìn)一步的討論研究。
為了把溫度影響看成是等效荷載的作用，衣阿華州的交通部門是以55％的屈服應(yīng)力加30％的超限應(yīng)力作為容許彎曲應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計的。
2．被動土壓力
由于無伸縮縫橋梁的整體式橋臺是采用樁基礎(chǔ)，為了使回填土引起橋墩中的被動土壓力最小，一些學(xué)者認(rèn)為，設(shè)計時可采取如下具體措施：
(1)限制橋梁長度；當(dāng)橋梁斜交時，限制結(jié)構(gòu)斜交角的大小。
(2)采用選擇過的顆粒結(jié)配作為回填土。
(3)使用引道板以防止車輛對橋臺填土的擠壓。
(4)利用擋土墻來縮短翼墻。
3．樁的應(yīng)力
考慮到上部結(jié)構(gòu)與整體式橋合的樁基礎(chǔ)對縱向移動的抵抗作用有直接關(guān)系，在進(jìn)行無伸縮縫橋梁設(shè)計時：
(1)限制整體式橋梁的基礎(chǔ)形式，最好做成單排的細(xì)長垂直樁。
(2)限制樁型。
(3)調(diào)整H型樁弱軸方向，使之與運動方向一致。
(4)提供一種鉸接裝置來控制樁的撓曲。
(5)限制結(jié)構(gòu)斜交角的大小。
還有一些其他問題，如：如何平衡整體式橋臺后面的主動上壓力？是否在整體式橋合后留有自由的空間以允許溫度膨脹？如需要的話采用什么樣的細(xì)部構(gòu)造？等等。當(dāng)然這些問題的解決，需要今后在無伸縮縫橋梁設(shè)計中不斷地進(jìn)行研究和實踐。
五、結(jié)語
盡管無伸縮縫橋梁在美國已經(jīng)成功地建造了很長時間，但至今還沒有一個比較科學(xué)的設(shè)計理論。目前的設(shè)計方法基本上是依賴于經(jīng)驗與觀察，還沒有從根本上解決無伸縮縫橋梁有關(guān)的分析方法和構(gòu)造設(shè)計。美國大多數(shù)州確實采用了無伸縮縫整體式橋臺的橋梁，但調(diào)查研究也表明大多數(shù)州的交通部門在設(shè)計上還都非常保守，應(yīng)該可以建造更長的橋梁。但是要使設(shè)計更加能夠被接受仍然有必要進(jìn)行一些合理的研究與分析。雖然無伸縮縫橋梁在我國尚未開展深入的研究，但從本質(zhì)上講，這也是一個橋梁結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計問題。其關(guān)鍵問題就是：①一旦橋梁取消了伸縮裝置，橋梁的伸縮變形如何從橋梁兩端傳到道路上去并引起道路（包括路基、路面）內(nèi)部多大的變形和內(nèi)力；②如果控制了橋梁的伸縮變形，那么主梁本身和橋臺的樁基礎(chǔ)將產(chǎn)生多大的內(nèi)力；這些附加內(nèi)力反過來對橋梁和樁基礎(chǔ)又將產(chǎn)生多大的影響;③由此在構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計上應(yīng)該采取什么樣的相應(yīng)措施。 筆者認(rèn)為在我國進(jìn)行無伸縮縫橋梁的研究是一項很有意義的課題，盡管國外已有這種橋型的結(jié)構(gòu)，但由于施工方法與建筑材料等方面的不同，適合我國國情的無伸縮縫橋梁的設(shè)計理論和具體構(gòu)造細(xì)節(jié)也定會有所不同。
我們期待在我國展開對無伸縮縫橋梁的研究和實踐，并使這種橋型結(jié)構(gòu)能逐漸推廣，相信它對于我國橋梁的發(fā)展將起到積極的推進(jìn)作用，并能產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
