无伸缩缝桥梁构造设计的影响因素
2010-12-02
公路桥梁的伸缩键是当今桥梁施工和维护中的难题之一。桥梁的伸缩维长期暴露在大气中，使用环境比较恶劣，是桥梁结构中最易遭到破坏而又较难以修补的部位。桥梁伸缩键在设计、施工上稍有缺陷或不足，就会引起其早期破坏；而桥梁伸缩缝的破坏，又可能引起很大的车辆冲击荷载，恶化行车状况，急剧降低桥梁使用寿命。为此，本文结合实际工作经验对无伸缩缝桥梁的一些影响因素进行分析，并提出了具体的支持结论。
1.无伸缩缝桥梁的构造细节
混凝土梁和钢梁采用无伸缩缝整体式桥台的细部构造。这些细部构造的图示仅仅是一个基本骨架，还不能反映出其他设计方面的重要细节。细部构造只是为了给初次接触无伸缩缝桥梁的人们以一个基本的概念和印象，不可能在本文中进行更为详细具体的描述和形容，对此，我们将在以后的讨论中进一步加以阐述。但是初步了解这些细部构造对于全面认识无伸缩缝桥梁的性能、整体性和耐久性会有很大的帮助。
2.无伸缩缝桥架设计中的影响因素
由于无伸缩缝桥梁的纵梁埋入混凝土桥台，上部结构受到部分的约束，因此设计时要考虑次要荷载的影响。下文归纳总结了次要荷载的影响。
2.1 徐变的影响 徐变引起的应变大小取决于上部结构的跨径、混凝土承受荷载时的龄期、荷载的持续时间、混凝土的质量、周围的温度以及混凝土构件的形状。本文采用随龄期变化的有效弹性模量法分析徐变对中小跨径、钢-混凝土组合梁的无伸缩桥梁的影响。结果表明徐变的存在可以减小桥台处和墩顶处截面上缘的拉应力，但同时也会增加钢纵梁下缘的压应力（小于恒载引起的应力的10%，不会对结构的受力产生有害影响）。因此，在设计中小跨径、钢-混凝土组合梁的无伸缩缝桥梁时可以不考虑徐变的影响。
2.2 收缩的影响 混凝土桥面板和钢纵梁收缩的不一致会在结构内部引起自应力。此外，无伸缩缝桥梁的端部受到部分或完全的约束，导致收缩、徐变会在结构内部引起应力。一些学者认为收缩和徐变的作用相反，两者可相互抵消。但本文分析表明，收缩和徐变的作用不能完全抵消，会有余应力存在，可能导致混凝土裂缝的逐渐开展，而混凝土裂缝的开展又会使得收缩应力得到部分的减小。因此在对无伸缩缝桥梁进行分析和设计时应当考虑收缩对上部结构的影响。
2.3 温度对无伸缩缝桥梁的影响 温度的影响无疑是无伸缩缝桥梁设计中的一个非常重要的因素，但事实上正如前文所指出的那样，对许多桥梁的应力测试表明，由于温度作用而测得的应力值要比预计的要小，分析其原因可能有两点：
其一是混凝土由于温度的膨胀或收缩，会产生徐变。徐变将使得应力不能达到设计时所预计的程度。因此为了使理论更好地反映实际的情况，有的部门设计时考虑把混凝土的温度弹性模量减小到动力荷载弹性模量的1/3.其二是由于大多数混凝土结构体积相对较大，使得它们对周围的温度变化比较不敏感。AASHTO（美国各州公路和运输工作者协会）在计算温度变化时对此进行了规定：“必须考虑到大体积混凝土构件或结构内部温度对大气温度的相对滞后。”混凝土桥温度周期的最大值要比钢桥的小。由于混凝土较大的体积要吸收热量，因此它的温度不会与理论预计的一样？这就可以从某一方面解释，为什么这两种材料的热膨胀系数α几乎相同（混凝土α＝0.00001，钢a＝0.000012），而钢桥对温度的变化要比混凝土敏感得多。至于温度对无伸缩缝桥梁的影响在定量上的分析还有待于进一步的讨论研究。
2.4 沉降的影响 下部结构的沉降会在无伸缩缝桥梁的上部结构引起相当大的应力，其影响取决于桥梁的结构特征和几何特征，如上、下部结构的刚度、沉降量、跨数、跨径、台高和支承情况等。GangaRao等人在1981年的研究中指出沉降对单跨桥梁的影响不大；对于多跨桥梁，恒载引起的沉降可通过使桥台和桥墩所受的反力大致相等来得到解决。因此通过合理的设计，无伸缩缝桥梁可以不考虑沉降的影响。
2.5 土压力的影响 当上部结构受热膨胀时，桥台会挤压台后填土引起被动土压力。台后土压力的计算存在着许多不确定性的因素，如被动土压力的大小及其在纵向和横向的分布。虽然被动土压力会在上部结构引起轴力和弯矩，但本文的研究却表明土压力的影响可以忽略不计，因此作者建议在分析和设计无伸缩缝桥梁时可以不考虑土压力的作用。
2.6 桩的应力 考虑到上部结构与整体式桥合的桩基础对纵向移动的抵抗作用有直接关系，在进行无伸缩缝桥梁设计时：①限制整体式桥梁的基础形式，最好做成单排的细长垂直桩。②限制桩型。③调整H型桩弱轴方向，使之与运动方向一致。④提供一种铰接装置来控制桩的挠曲。⑤限制结构斜交角的大小。
还有一些其他问题，如：如何平衡整体式桥台后面的主动上压力？是否在整体式桥合后留有自由的空间以允许温度膨胀？如需要的话采用什么样的细部构造？等等。当然这些问题的解决，需要今后在无伸缩缝桥梁设计中不断地进行研究和实践。
通过设计上的考虑，如果设置循环控制缝、压力释放缝、引道板或安排一定的施工次序等可以克服无伸缩缝桥梁的一些缺陷，但跨径等方面的限制则使一些设计者仍倾向于采用有伸缝桥梁。
尽管无伸缩缝桥梁在美国已经成功地建造了很长时间，但至今还没有一个比较科学的设计理论。目前的设计方法基本上是依赖于经验与观察，还没有从根本上解决无伸缩缝桥梁有关的分析方法和构造设计。美国大多数州确实采用了无伸缩缝整体式桥台的桥梁，但调查研究也表明大多数州的交通部门在设计上还都非常保守，应该可以建造更长的桥梁。但是要使设计更加能够被接受仍然有必要进行一些合理的研究与分析。虽然无伸缩缝桥梁在我国尚未开展深入的研究，但从本质上讲，这也是一个桥梁结构的分析与设计问题。
