【路桥看世界】奥地利整体式桥台 桥梁建设新经验

在奥地利，整体式桥梁越来越受到欢迎，因为它没有支座和伸缩缝，不再需要进行检查和更换，节约了维护成本。但其高次超静定结构具有诸多不确定因素，主要表现在以下几个方面：材料强度会随时间而变化，混凝土会产生徐变和收缩，土与结构的相互作用会随温度而变化，以及选择何种有限元模型来模拟它们之间的相互作用。当整体式桥梁的桥长超过70米时，以上问题就明显地表现出来，尤其是在桥台、桥墩和连接板等部位。正是由于这些问题，当进一步增加整体式桥台桥梁的长度时，设计和施工部门在选择桥梁整体化方案上都会十分慎重。

整体式桥台桥梁的主要特点

奥地利对整体式桥台桥梁所下的定义是：桥梁的上部结构没有支座和伸缩缝，而且上部结构与桥台之间为整体连接。

主要特点

（1）温度应力或支承不规则沉降产生约束变形并引起次内力，它们影响整个承载结构的受力性能。

（2）对于采用先张法施工的预应力承载结构，应该认识到一个事实，一部分预应力在上部结构中并没有起到作用，但它会通过下部结构直接传递至地基基础。

（3）最终施加的应力大小，取决于桥梁的几何特征、地基基础刚度以及上部结构与下部结构间的刚度比。

（4）若低估了地基基础的刚度，则也会低估因温度和先张预应力产生的约束作用。

（5）对于整体式桥台桥梁，为了计算桥梁结构的约束作用，有必要单独进行土参数的上限和下限取值的研究。这样，它一方面会导致某些设计参数的不确定性，另一方面也会增加承载结构的复杂性，因此桥梁设计者必须与地质学家加强沟通。

（6）除约束外，只要桥台和地基基础的刚度不是非常大，通常可以预估到整体式桥台桥梁的长度变化与常规桥梁相当。

（7）由于整体式桥台桥梁无支座和伸缩缝，结构的纵向位移会通过桥台传递至台后的回填土体中。

（8）根据温度的变化情况，回填土会受到负向桥台位移作用，也会受到正向桥台位移作用（相应地，回填土产生静止、主动及被动土压力），该桥台的极值位移以一个年轮计算的。

（9）桥梁施工刚完成后存在的土压力，将会通过桥台第一次正向（向内）位移所产生的主动土压力得以释放。

（10）负向（向外）桥台位移会激活土层中的部分被动土压力，特别是上层土。

（11）由温度变化导致的桥梁周期性运动，使回填土产生渐进式压缩，最终引起台后区发生沉降，土压力增加，因而在桥台过渡段采用搭板很有必要。

（12）需要考虑整体式桥台桥梁受到的温度影响，从静止转变成运动状态时，将弱化由约束条件引起的内力变化问题。

（13）当结构从弹性状态转变成塑性状态时，应考虑约束减弱处内力变化情况。

设计特点

（1）通过下部结构和基础的自重，以及桩的表面摩擦力，弥补因不合理的设计跨度引起的上拔力。对三跨整体桥来说，与常规桥梁相比，可能实现更短的边跨或更长的中跨。

（2）桥台受到约束，使得桥梁上部结构可以建造得更细长、美观。

（3）土压力产生的水平力由上部结构承担，也有可能直接传递至地基土中去。

（4）避免使用支座可以防止应力集中及由此产生的撕裂力，桥梁内部的内力流变得更具连续性。

（5）在极限状态下，桥梁很有可能会产生很大的剪切变位。

（6）减少了桥墩安装偏差及不规则沉降带来的风险。

施工过程特点

（1）由于整体式桥台桥梁无支座和伸缩缝，因而施工建造过程更简单、快速，而且提高了误差的限值，减轻了由此产生的后果。

（2）桥台的设计和施工也更简单方便。

对用户及邻近环境的影响

（1）由于整体式桥台桥梁无伸缩缝装置，车辆在通过桥梁时具有更高的舒适性，产生的噪声也将减小，尤其在人群集聚区域更能突出其优势。

（2）单向行驶时，车辆行驶更具安全性。

维护特点

（1）无支座和伸缩缝，维修成本得以减少。

（2）不直接使用融雪剂，减少车道下的结构构件的维修成本，增加耐久性。

（3）提高了整体式桥台桥梁的延性，增加了结构的安全储备。

（4）根据奥地利建筑结构监测和检测的指导方针，与常规的桥梁相比，整体式桥台桥梁的监测周期更长。然而与常规桥梁相比，整体式桥台桥梁的设计和施工过程中应考虑以下额外因素：

（1）由差异沉降和因温度、收缩、预应力、徐变引起的长度变化而产生的约束。

（2）施加的应力对桥梁的几何特征、上部结构、下部结构间的刚度以及地基基础刚度的依赖性。

（3）上部结构的预应力传递至下部结构及基础，减小了其法向应力比。

（4）除了约束变形外，一般情况下，温度变化可使整体式桥台桥梁的长度产生相当的变化。所有设计阶段都应考虑这个因素。

承载特点及设计

整体式桥台桥梁的施工、设计过程和常规桥梁一样，但对因边界条件引起的约束作用有更严格的限制。整体式桥台桥梁与常规桥梁一样需要设置基础（刚性基础），从而尽可能地减小桥梁的沉降。为了能较好地控制整体桥的内力变化，要求基础、回填土和下部结构具有一定的弹性。鉴于此，设计过程须进行优化。

上部结构

桥梁结构的几何特征以及桥台的刚度对受荷起着决定性作用，将可能使桥台垂直于桥梁的主要纵向位移方向，从而可避免桥梁在平面内的转动、整个结构的滑动以及桥梁钝角处土压力的增加。对于斜交桥台，尤其对小框架、大倾斜的结构，需要注意其平移和旋转变形。曲桥可以通过径向变形部分吸收长度变化，但最终的径向变形（竖向和水平）和转动需满足桥梁的适用性要求。就这一点而言，桥墩的刚度和几何特征，以及上部结构的刚度都非常重要。

桥台过渡段

施工完成后，桥梁的长度变化必须由过渡段中的桥台及支座来吸纳。

为了防止桥台过渡段回填土出现不满足设计要求的沉降，过渡段应根据该桥的使用情况和用途，采用一些建设性的构造措施。这些构造措施如下：

（1）采用低复杂性的构造措施，如在桥梁结构端部的道路表面进行割缝等。

（2）采用复杂的构造措施，在回填土中使用钢筋混凝土搭板，使用特殊的材料等。

搭板有以下优点：

（1）在桥台与道路之间起到平缓过渡的作用，降低回填土的垂直沉降。

（2）桥端的集中位移传递到搭板端部，从维护角度来看，此部位不是很关键。

（3）变形释放到深层土中，道路表面的膨胀变形分布在一段较长的距离内。

对于桥长较短、结构简支桥面连续和采用常规回填土的桥梁，则采用以下技术措施：

（1）总长度≤40米：不需要采取构造措施（桥面连续）。

（2）总长度>40米：采用路面割缝和设置纵向柔性搭板等构造措施。

桥台

整体式桥台桥梁的设计需要考虑地基与结构的相互作用，尤其应注意以下几个因素的影响：

（1）基础、回填材料的弹性

（2）桥台台背墙体位移而激活的土压力

（3）桥台与基础的刚度比

（4）桥台区域的施工

在桥台施工以及相互作用方面，有以下几种可能性：

柔性桥台：设计柔性桥台的目的在于通过一个具有弹性的下部结构，减少上部结构的约束作用。与相邻路堤间的相对位移的吸收，以及由此产生的土压力都必须得到验证,并从建设性的角度考虑其影响（譬如，桥台与路堤间的弹性层）。采用柔性措施建造一种极其复杂的柔性桥台,就是在台后设置一层软性嵌体，同时采用自稳定的路堤。

常规桥台：在证明使用（加筋土、永久弹性中间层、倾斜桥台台背等）特殊方法建造柔性桥台具有困难的情况下才建造常规刚性桥台,其目的在于防止较大的集中位移。

刚性桥台（特例）：建造刚性桥台的目的在于显著减少桥台出现的相对移位，通常设计在硬岩基础上。通过对桥梁的长期监测发现，只通过建造尽量大的桥台就能获得刚性桥台的假设是错的（参考Oberwarter 桥）。即使是横向由8根钻孔桩支承的箱形桥台，对其进行监测发现，该承重结构与常规桥梁具有几乎相同的移位。

然而，不同的翼墙（比如悬挂翼墙或箱形结构），桥台具有不同的刚度，因此在施工时应考虑翼墙对桥台刚度的影响。

土压力

土压力对整体式桥台桥梁的影响，需考虑以下两种极限状态：

（1)桥梁的缩短降低了土压力系数(下限值：常规回填法,具有主动土压力,而自承式回填法,主动土压力为零)。

（2）桥梁的伸长增加了土压力系数。以下措施及其组合就如何减少土压力提供了范本：

（1）永久型弹性（可压缩）层；

（2）加强回填土（比如：编织式土工布、石灰水泥稳定剂、贫混凝土）；

（3）悬挂翼墙与回填土间的滑移层（比如聚乙烯土工膜），并配设搭板。

桥墩

墩的刚度将影响桥梁结构的内力变化，因此在建模及计算时，需考虑墩的刚度。影响墩刚度的因素包括几何特征（高度、截面）尺寸、墩的基础、水泥的性质、法向正应力、长期效应（徐变、收缩、松弛）以及裂纹形成。

图2a 深基础柔性桥台

图2b 带软性嵌层的深基础柔性桥台

图3a 传统的筏板基础图3b 深基础箱形桥台

通过减少墩的数量来增加跨度，可以减少桥梁在纵向上的变形能力，从而增加桥梁上部结构的约束作用。桥梁所用材料、断面形状、墩顶施工方法、混凝土垫高的对齐和墩的长度是桥梁设计中最重要的参数。

对于桩尺寸形状的选择，应保证其能变形均匀，推荐较为合理的铰结构应力分布(第二种状态的均匀分布容许裂缝宽度)。加腋桩末端的截面也有利于变形，加腋桩与上部结构连接处的截面变宽，通常会导致塑性铰朝着加腋桩的中部发生转移，这样可以产生更大的转动能力。

通过建造双桩结构，既可以减少对上部结构的约束力，又可使柱的安全性得到保证。

如果存在径向变位，水平面内曲桥的支承桩截面的选择，将显著影响上部结构纵向截面内的受力情况。

基础

根据基础的设计要求，可人为确定其刚度。通过设置单排桩，可以实现一个具有深厚基础且较柔的水平体系，也可通过将其包裹在软弹性层或套管中，使桩的上部结构变得更柔。借助带有斜桩的支撑结构，可在一定范围内增加基础刚度。

采用单排桩，可以使桥梁具有较高的侧向变形能力，同时减少其对上部结构的约束能力，但在布置多排桥桩时，则应更倾向于深厚的基础和柔性桥台。在建造桥梁桩基础时，需考虑以下规定：

（1）对于桥桩，应考虑其在结构体系内的实际刚度；

（2）单排桩适用于柔性桥台；

（3）对于刚性较大的桥台，多排桩更为适合，斜桩也较为适合；

（4）计算时需考虑边界条件；

（5）为了减少桩上部结构的刚度，可以使用软弹性层或减少桩周围的土，但必须根据给定的土质选择较经济的备选方案；

（6）只有保证结构足够安全的情况下，才能假设桩存在表面摩擦力（桩的上部结构存在循环应力）；

（7）桩上部结构的弹性层可以增加整个基础的弹性。

在建造深基础时，应考虑以下原则：

（1）避免在路面标高以下区域的桩存在空隙(上拔力)；

（2）通过设置箱形基础，可以增加桥台的刚度；

（3）通过设置柔性基础或增加桥台的高度，可以使桥台的刚度减小。

建设指标

鉴于整体式桥台桥梁所受的载荷会对其设计产生显著影响，因此需考虑一些整体式桥台在桥梁建设方面的指标。

由于桩增加了桥梁的抗变形能力，因此通过改变施工顺序减轻对上部结构的约束力显得更为重要，也可通过增加结构件来减少其影响。此外，也应考虑施工顺序对减少土压力的影响。通过对工期的目标进行控制，可减少与时间相关的变形及由此产生的约束力。

具体措施：为减少因收缩而导致的约束力，在确定两个桥台作为固定点后，上部结构的施工可以同时进行。这样的施工顺序，在施工结束前可以减少部分因收缩而导致的桥梁位移，尤其适用于建设周期长的桥梁。或者可先进行桩的施工，再使用悬臂工法或支架法对桥梁结构进行施工，这样可减少约束力。只有当所有桩与上部结构连接施工完成后，各节点才起作用。

浇筑混凝土的最佳时机：为减少温度对整体式桥台桥梁的影响，应在温度较低时进行浇筑。

混凝土的种类：在施工过程中，应保证所使用的混凝土质量符合设计的要求，用于承重结构的混凝土应保证其质量。为限制结构的裂缝宽度而使用极限刚度，还应考虑结构所受的约束力和材料的性能。过去在奥地利曾使用高强混凝土，但在施工阶段，还是对结构造成了损伤，因此这个课题的研究越来越受到关注。

在未来，整体式桥台桥梁的发展仍然具有非常大的潜力，这意味着桥梁建筑的生命周期将更具可持续性，更注重节约资源。与此同时，整体式桥台桥梁和道路之间过渡区域的相关研究，也得到了前所未有的关注，以便进一步推动整体式桥台桥梁发展。除了希望把整体式桥台桥梁建设得更大、更长之外，对其他较小和较旧的桥梁结构进行改造，是另一个发展方向，这也是未来我们需要继续努力探索的一块新领域。

文/Roman Geier 编译/庄一舟韩裕添）