半整体式无缝桥梁的应用研究----湖南大学---讲改进型半整体式--斜桥问题--很好--PRINTED

-2-
2.1 基本构思
改进的半整体式桥台如图 3 所示：
http://www.paper.edu.cn
夏季
梁端 冬季
l 桥台
搭板 稳定的土体 背墙
图 3 改进的半整体式桥台的受力变形
其构造要点： (1) 保留传统桥台的基本构造形式，仅将搭板与边孔的梁端予以整体联接，此时的搭板 相当于弹性支承在路堤土基上的悬臂梁； (2) 在梁端与台背之间保留足够的水平间距，其值应按年最高温度与合拢时之间温度差 设计，并计入台后填土对台身产生的偏移影响，保证在任何情况下，二者不发生顶紧状态； (3) 将桥台上的支座改为滑动支座，将台背顶表面与搭板之间预留一定的间隙，并在其 间铺设油毡；在搭板下铺设多层塑料薄膜或其它材料，其目的是尽量减小对梁体产生的摩阻 力； (4) 全梁因温降而产生的收缩量将由接线路面的路桥接缝吸纳，或采用加筋的方式予以 扩散，有关内容将另文介绍。 通过以上的改进，可以收到以下的效果： 1. 保证全桥无缝，且整体稳定性强 取消全桥桥面伸缩缝，将梁体的变形越过搭板引至接线路面。如果梁端与背墙之间的间 隙预留得当，则梁体与背墙根本不会发生接触。梁体变形时的纵向约束仅来自于支座和搭板 与路基之间的摩阻。但由于采用了滑动支座，以及再搭板下铺设多层塑料薄膜等措施，使得 这种约束变得很小，梁体的温度变形几乎不受影响。同时，固定的背墙对台后土体也起到了 很好的支撑作用，有利于搭板传递变形，因而也保证了全桥的整体稳定性。 2. 结构受力明确，计算简单。 由于梁体变形所受的约束较小，因此连续的主梁 设计与常规的有缝桥计算方法一致。 背墙的受力图式如图 4 所示。除了在背墙内需配 置了一定的抗剪钢筋外，台身及基础设计构造与传统 的桥台设计一致，台后可以很方便的设置耳墙、翼墙 或挡墙等构造。背墙中所增加钢筋的数量也很有限， 以衡阳大水町中桥为例，共长 31.7m 的背墙内仅增加 图 4 新型半整体式桥台背墙受力图式 钢筋 1257kg。 3、支座工作环境好，易于维护和更换。 常规半整体式桥台处的支座易受到填土、渗水的侵蚀，支座更换困难。改进型半整体式 桥台的刚性背墙对台后土体起到了很好的支撑和阻隔作用，不仅保护了支座的正常工作，有 利于支座的维护和更换，而且更有利于搭板底部基层的稳定，有利于梁体变形的传递。 4、施工简便。
由于台后填土是典型的塑性体，在梁体以及汽车荷载的长期推挤作用下，易在梁端土体 中出现空洞，从而进一步影响到整个桥梁结构的受力[5]，如图 2 所示。
2. 改进的半整体式桥台的设计
为了吸取国外无缝桥台中的优点，克服其中存在的缺点，湖南大学桥梁工程研究所自 1998 年开始，便对半整体式无缝桥梁的构造进行改善的研究，并先后结合河南李贯河桥[7]、 衡阳大水町中桥、衡阳大浦互通 D 匝道桥、广西那角桥、广东龙塘桥等五项实际工程，提 出了一种改进型的半整体式桥台的构造设计，现简述如下：
1 国外典型的无缝桥梁简介
为了改善在桥梁两端桥头伸缩缝处常发生的跳车现象和经常需更换伸缩装置的繁重维 修工作，国外在近四十年来，对于中小桥梁广泛采用了一种整体式无缝桥梁的结构构造，现 简要介绍如下：
1.1 两种典型的整体式无缝桥梁
图 1 示出了当前国外最常用的整体式无缝桥梁的两种典型构造[1~3]：其中图 a）为采用 整体式桥台结构，即将边跨的梁端通过一道厚实的端墙、使之与柔性桥台（柔性桩或柔性墙） 实现刚性连接和共同受力；图 b）为采用半整体式桥台结构，它是在普通刚性桥台的基础上， 保留了桥台处的支座，但将桥台的背墙从台身上割开、而与梁端结成为整体，梁台之间则通 过剪力键和支座形成铰支的构造，这样可以使二者发生相对转动，从而传递梁体的水平位移， 并释放梁台结合面中较大的弯矩内力。
我们先后在两座斜桥（一座斜交角 15º，另一座为 35º）上应用，在背墙和台帽的顶部 设置了挡块（挡块设计与传统斜桥设计一致），两座桥梁运营时间分别为六年多和一年多， 均未出现梁端与挡块挤压破坏的现象。
3. 新型半整体式桥台的应用简介
3.1 应用情况
自 1999 年以来，这种改进的半整体式桥台已先后在五座无缝试验桥上采用，分布位于 在我国河南、广西、湖南、广东等地，有新建的工程，也有旧桥改造项目，具体如表 1 所示。
立面
1
2
3
0源自文库
4
平面
A大样
图 6 大水町中桥总体布置图
2003 年在确定大水町中桥为无缝试验桥时，就已经完成了常规桥梁的施工图设计，并 且其下部构造的施工也已按原设计完工，即肋式轻型桥台，基础为 φ100 的钻孔灌注桩。该 桥台设计为新型的半整体式桥台结构后，仅需改变其背墙的设计，即取消原背墙的牛腿、降 低背墙的高度和加配钢筋（1257kg）。主梁支撑于桥台台帽上的滑动支座上，梁端与背墙之 间间距为 4cm，梁端顶部预留主筋与搭板联接，搭板跨过背墙与接线路面相接。背墙墙顶与 搭板之间为滑动接缝，设置了两层油毛毡，如图 6 中的 A 大样所示。台后采用透水性强、 沉降量小的回填材料，夯实度不低于 95%。
h
-3-
http://www.paper.edu.cn
不需要严格控制连续梁体、半整体式桥台、搭板及台后填料的施工顺序，不需要有严格 的剪力键系统的设计、选材及施工。
梁体混凝土、桥墩、桥台及台后填料施工工艺完全和传统的有缝桥梁一样，没有特殊限 制。
2.2 关于斜桥转动的处理
对于常规的整体式或半整体式斜桥，由于梁端土体压力的存在，还将加大梁体结构产生 水平向旋转的趋势，加大台后耳墙或翼墙的侧向压力，见图 5 所示。因此美国的 M. P. Burke 提出当桥梁斜交角超过 30°时，桥台处应采用导向支座 [6]，同时 P.E Erric Steinberg 的研究结 果是，当桥梁斜度较大时，加大台后填土的刚度有利于桥台翼墙的受力[8]。
A大样
B大样
a)
b)
图 1 完整的整体式无缝桥梁体系
这两种构造的共同点是：取消了全桥的桥面伸缩缝，两种桥台均可以适应梁体的水平变 形；当搭板与梁体联成整体后，全桥梁体变形通过搭板传递至路桥接缝，从而改善了汽车行
1本课题得到高校博士点基金（20040532018）；湖南省交通厅科研项目（合同编号：200323）的资助。 -1-
http://www.paper.edu.cn
半整体式无缝桥梁的应用研究1
金晓勤，邵旭东
湖南大学桥梁工程研究所，长沙（410082）
E-mail：jxq_bridge@hnu.cn
摘 要：对国外常规的半整体式桥梁进行了改进，并保留了传统式桥台构造中的某些优点， 提出了新型的半整体式桥台设计，扩大了无缝桥梁的应用范围。通过多座无缝桥梁的设计、 建造和多年的安全运营，证明本文中的改进型半整体式桥梁具有结构简单、受力明确和施工 方便等优点，值得推广使用。 关键词：整体式无缝桥梁，半整体式桥台，桥台改进设计，台后填土
道桥
肋板式轻型桥台
2005 年
2×11.4＋11.1＋11.65 ＋4×9.15 ＋
5 龙塘桥 广东清远 2×13.55 m 的简支 I 梁桥，属旧桥 带八字翼墙的重力式桥台 2006 年
加固拓宽改建项目
3.2 实例
大水町中桥位于湖南衡阳至大浦高速公路第三合同段，为 4×16m 预应力混凝土简支空 心板桥，桥面连续；下部结构为肋式轻型桥台，桩基础。该桥为上下行双幅桥，每幅宽为（净 11.75＋2X0.5m），桥梁全长 69.46m，斜交角为 35o，如图 6 所示。
衡大高速 4×16m 预应力混凝土简支空心板，
肋板式轻型桥台
-4-
通车 时间 2000 年
2005 年 2005 年
研究设计 单位
湖南大学 桥梁工程 研究所
http://www.paper.edu.cn
中桥
公路
桥面连续，斜桥（斜交角 35º）
大浦互
4
通D匝
衡大高速 公路
3×25m 预应力混凝土连续空心板 桥，弯桥
已建的五座改进型半整体式桥台的无缝试验桥均通车一年以上，其中有新建桥梁，也有 旧桥改造项目。它们的工作状态均很良好，桥台处的支座工作正常，梁体及桥面一直完整， 未发现任何拥包、跳车等不良现象，车辆行驶相当平稳、顺畅，司机及乘客均感觉良好。同 时大大减少了城建部门对该桥的日常维修费用，其社会和经济效益明显。实践表明新型半整 体式无缝桥台的设计是成功的，扩大了无缝桥梁的应用范围，具有推广价值。
http://www.paper.edu.cn
驶的舒适性，并实现了桥梁维护工作的最小化。
1.2 存在的问题
这两种无缝桥梁构造形式实质上均存在结构－土的共同作用，前者是柔性桩或柔性墙 与土的共同作用，后者则是梁端与路堤填土之间的相互作用，它们均面临一个温度次内力的 问题。
在温度变化时，桥梁梁体产生一定的收缩和膨胀的反复变形。对于整体式桥台的桥梁（图 1a），由于梁台是固接的，这样就在梁体内交替地产生着较大的轴向拉力和轴向压力；其次， 当温度下降时，梁体收缩会导致台身与台后填土之间产生间隙，又由于台后车辆荷载的推挤 作用，使得该间隙被填土填充，使梁端受到主动土压力；待到温度上升时，梁体产生膨胀， 台后土压力变为强度较大的土抗力，使整个结构不能完全复位[4]，这就进一步增加了梁体内 的轴压力，形成为压弯构件，如图 2 所示；再其次，柔性桥台桩基（或墙体）的桩顶由于跟 随梁端发生往复的水平变形，桩内应力增大易形成塑性铰，从而降低其竖向承载力[4,5]；同 时已发生水平变形的桩基在竖向荷载的影响下将产生几何非线性的附加弯矩(即所谓的 “P-∆”效应)，从而加剧桩顶水平位移的增加[33]。在这种恶性循环下，将对整个结构受力不利。
序号 1 2 3
桥名 李贯河
桥 那角桥 大水町
地点
表 1 改进型半整体式桥台实践一览表
桥跨组合
桥台形式
河南省周 口市
广西南友 高速公路
3×16m 装配式预应力混凝土简支 空心板桥，桥面连续，斜桥（斜交
角 15º） 4×20m 预应力混凝土简支－连续
梁
桩柱式埋置式轻型桥台
友谊关侧为重力式桥台，南 宁侧为桩柱式轻型桥台
a) 温度膨胀
图 2 梁体温度变形的影响
b) 温度收缩
对于半整体式桥台桥（图 1b）则出现另一种反应。由于桥台是刚性的，无论是温升还 是温降，其位移量甚小；虽然梁端的端墙绕剪力键和支座转动，可以吸纳一定量的梁体水平 变形，但在梁体内却将产生比图 1a）更大的轴向拉力或轴向压力，从而在梁体内引起非线 性的附加弯矩。对于以受弯为主的主梁来说，都非常不利的。其次，当梁端变形量较大时， 需提高端墙的高度、降低支座的标高，导致桥面标高的提升，从而限值了其应用的范围。同 时，由于梁体的反复涨缩，剪力键容易遭到损坏，而一旦出现破损，颗粒土和水易渗入到支 座处，从而影响支座的正常工作；当支座受到损坏，更换起来也是十分困难的。因此对剪力 键处的密封性、耐久性的要求非常严格[6]。
参考文献
[1] 美国各州公路和运输工作者协会（AASHTO）.美国公路桥梁设计规范－荷载和抗力系数设计法- SI 单位 第一版 1994 年 .人民交通出版社，1998 年 [2] Transport Department of Alberta of Canada. Appendix C – Guidelines for Design of Integral Abutments. Bridge Structures Design Criteria, March 3, 2003. [3] The Department of Transport of UK. The Design of Integral Bridges. Design Manual for Roads and Bridges, Vol. 1, Sec 3, Part 12 BA 42/96 (Incorporating Amendment No.1), May 2003. [4] Sami Arsoy, Richard M. Barker, J.Michael Duncan. The behavior of integral abutment bridges (final contract report). Charlottesville, Virginia, November 1999 [5] JOHN S. HORVATH .Integral-abutment bridges: problems and innovative solutions using EPS Geofoam and other Geosynthetics. Manhattan college research report No.CE/GE-00-2, May 2000. [6] M. P. BURKE, JR. Semi-Integral Bridges: a concept whose time has come?. Continuous and Integral bridges, E&FN Spon, 2-6 Boundary Row, London, pp.213, 1994. [7] Xiaoqin Jin, Xudong Shao, Wanghu Peng, Banfu Yan. A new category of Semi-integral Abutment in China. Structural Engineering International，2005, 15(3):186~188
2005 年 10 月，衡大高速公路全线通车，该桥目前整个桥梁结构完整安全，桥台结构稳
-5-
http://www.paper.edu.cn
定，梁端与背墙、桥台挡块之间均没有出现混凝土挤压破坏现象，桥面和接线路面连续无缝， 行驶性能良好，见图 7 所示。
图 7 大水町中桥桥台及桥面近照
4. 结语
本文介绍的新型半整体式桥台结构，具有自己的特点，即可方便地取消梁端伸缩缝，与 有缝桥梁设计也更为接近，施工工艺简便，在斜桥、梁较高或台后填土较高时尤为适用。
a)
梁端
搭板
支座
Pp
剪力键
b) Pptan
中心线
Pp
Fe
L
Lsin
Fe
L=桥面板长度 = 斜交角
Fe=温度膨胀产生的推挤力 Pp= 土压力
= 梁端与填料之间的摩擦角 Pptan = 梁端的侧向摩阻力
Pp
Pptan
图 5 台后土压力对常规半整体式无缝梁体结构的影响
而改进的半整体式桥台构造，桥台本身不会发生水平向变形，梁体变形几乎不受台后填 土的影响。这就使得台后填土对梁体变形的影响最小化，从而大大减小了无缝斜桥的旋转趋 势，由于支座和搭板底部产生的摩阻力而产生的转动弯矩，完全可以通过在背墙和台帽的顶 部设置挡块所提供的横向约束予以平衡。