如何解决温变导致的桥台位移 ——整体式无缝桥梁的设计问题和建议

60年代之前,几乎所有的美国桥梁都安装了伸缩缝，但这些伸缩缝并没有按预期的那样发挥很好的效用，它们需要大量的维护，这增加了桥梁的运营成本。另外，具有缺陷的伸缩缝引发的交通事故和车辆损坏,引起了大家对其安全性的顾虑。从60年代开始，用于新桥建设的整体式桥台无缝桥梁受到广泛的关注。整体式桥台是指桥台与桥面整体施工,以消除桥端伸缩缝的结构，包括全整体式桥台、半整体式桥台和桥面延伸结构。无缝桥是指取消桥墩处伸缩缝的桥梁（包括墩梁整体连接、连续跨结构和活载连续跨结构）。

2004年，美国联邦公路局（FHWA）和美国国家公路与运输协会（AASHTO）进行了整体式桥台无缝桥梁的使用调查，并举办了研讨会。这次调查分为以下几个主题：一般问题、设计和细节、基础、搭板和其他。研究者和实践者列出并讨论了使用整体式桥台无缝桥梁的好处，但是尽管不使用伸缩缝可以解决桥梁维护和连接问题（避免由于地震地面运动引起的桥梁上部结构脱落），大家对其应用于实践仍有顾虑。

调查表明，至少有40个州建成了包括弯桥、斜桥在内的整体式桥台无缝桥梁共13000余座，其中约9000座为全整体式桥台无缝桥，约4000座为半整体桥台无缝桥。此外，还有3900多座为延伸桥面板无缝桥梁。从1995年的调查开始，整体式桥台无缝桥的数量就在不断增加，这归功于人们逐渐接受整体式桥台桥梁所带来的优越性，也慢慢熟悉了它的设计和施工，并且更多的州对调查进行回应和反馈（2004年有39个州回应，而1995年有18个州回应）。全国桥库局（NBI）负责保留所有州的桥梁信息，但没有区分不同类型的桥台，而大多数州并没有其他方法来保存有关桥梁和整体式桥台的具体信息，所以这些数据是相近的。

对各州整体式桥台无缝桥梁设计准则的调查结果显示：大部分州并不限制桥梁的最大跨径，但限制了桥的总长和斜交角度。表1总结了各州对预应力混凝土（PC）梁桥和钢桥的最大跨径、桥梁总长、桥梁最大斜交角度和最大曲率的标准范围。

由调查结果可知，平面弯曲无缝桥并没有得到广泛应用。四个州允许使用平面弯曲无缝桥，而三个州允许用“以直（纵梁）代曲”的方法建设平面弯曲无缝桥。可考虑曲桥或长桥内力影响的另一种方法就是，采用只带一道伸缩缝（在桥梁的任何位置）的整体式桥台桥梁。

调查发现，在无缝桥建设（整体式桥台、连续跨结构的应用，旧桥改造和取消伸缩缝的政策）的设计和细节上，超过90%的州将尽可能减少伸缩缝并建造简支或连续无缝桥梁。然而，77%的州只要条件许可就设计成全整体式和半整体式桥台桥梁，而79%的州在满足无缝桥设计标准时才设计成无缝桥。上述州具有不同的整体桥使用率，这归因于有些州在冬天没有广泛使用化学除冰盐，因此也就没有应用整体式桥台桥梁的规定。

值得注意的是，由于在多跨无缝桥、整体式桥台搭板、抗冲刷性、抗震性等方面存在问题，一些业主并不使用整体式桥台，而是将它转换成半整体式桥台无缝桥梁，因为在地震区这样更加经济实用。

整体式桥台桥梁的调查大多与荷载有关，包括被动和主动土压力、温度、徐变、收缩和沉降，斜交布置产生的附加荷载，曲率产生的附加力以及其他各种附加荷载。调查显示，72%的州考虑与温度有关的荷载。此外，各州在设计中考虑了温度(温度梯度、在纵向和横向方向的热膨胀和收缩)的影响，但考虑热胀冷缩影响的方法千差万别。另外，59%的州考虑被动土压力，而21%的州允许设计整体式桥台曲桥，并考虑由于桥梁曲率产生的附加荷载。伊利诺斯州只考虑垂直荷载，北达科他州用1000磅/平方英尺的荷载考虑不同的作用（被动土压力、温度、徐变和收缩荷载），而基于上世纪80年代爱荷华州立大学Greimann和Abendroth的研究，爱荷华州采用的是没有考虑被动或主动土压力的固定桩头简单模型。

由于整体式桥台无缝桥梁的桥面是连续的，并且与整体式桥台（背墙）整体连接，所以背墙和整体式桥台无缝桥支承桩的设计非同寻常。整体式桥台基础的设计需要考虑桥梁温度变化引起的伸缩变形。无缝桥梁的温度膨胀和约束效应导致的土压力，已经成为设计整体式桥台和桩的控制荷载。如何针对这些荷载进行结构设计和细部构造设计，对于整体式桥台桥梁的正常使用很是关键。

2004年整体式桥台无缝桥梁的调查问卷，包括了整体式桥台的基础设计（基础类型的选用标准、桩的类型、桩的朝向、在设计整体式桥台时的土压力和减少整体式桥台土压力的细部构造）。调查表明，约70%的整体式桥台由钢桩支承。另外，有一些州正在设计或制定半整体式桥台桥梁规范。大家认为，半整体式桥台桥梁一般用于非常规设计问题，如大斜交角、高桥台或特殊土质的情况。

桥面延伸结构是美国东北部地区的主要无缝结构形式，目前很多这种类型的桥梁正处于服役期。

一些州指出，除了钢承桩（H形桩和管桩）、摩擦桩和刚性扩大基础外，他们还使用钻孔桩作为整体式桥台的基础。值得注意的是，尽管钢承桩是整体式桥台最基础的类型，各州对钢桩的朝向问题并没有达成共识。33%的州选择绕桩的强轴弯曲，46%的州选择绕桩的弱轴弯曲，8%的州由工程师决定，剩下13%的州没有回应或者因为使用对称桩而认为不存在这个问题，因此非对称桩的朝向是一个需要进一步研究的问题。大多数州编了“室内手册（office practices ）”，它可使设计者无需通过复杂的分析就能对整体式桥台进行细部设计。这些州结合室内手册和岩土工程师基于土工参数提出的建议来决定基础类型。

在过去，加劲稳定土（MSE）的技术已经得到广泛应用，在整体式桥台中MSE墙（整体式桥台的一部分）的应用也不例外。根据调查，大家倾向于将MSE墙（加劲台后土墙）与台背分开一定的距离，一般为2～5英尺。

用于设计整体式桥台和桩的土压力已经成为许多讨论和研究的主题。33%的州使用被动土压力，18%的州使用被动土压力和主动土压力的组合，26%的州使用其他压力的组合或其他方法，而只有8%的州使用主动土压力。但这项调查还没有得到明确的结论。

整体式桥台无缝桥梁的最普遍问题在于搭板的沉降和开裂。幸运的是，这些问题不会引起重大交通中断或缩短桥梁的使用寿命。31%的州在搭板端部设置枕梁，26%的州让搭板直接放在填料上面，而30%的州同时使用这两种方法。有些州在背墙设置托臂（牛腿）支撑搭板，另一些州用钢筋将搭板与桥台背墙连接，而剩下的州将这两种方法组合使用。由调查结果可知，搭板与桥台背墙的连接部位，以及搭板与填料的接触面是一个值得关注的研究课题。

调查结果显示，搭板沉降、开裂，以及搭板与填料接触面的凹凸不平是搭板的主要问题。为了缓解搭板的一些问题，有些州使用埋入式搭板或选择更好的填料，而另一些州使用灌浆法来填充板下空隙，使用沥青抹面或使用覆盖层。令人吃惊的是，因为搭板端部跳车和排水不畅会引起搭板沉降，有一个州不再使用整体式桥台无缝桥梁。

文献调查表明，搭板沉降是由多种因素共同作用产生的，需要采取补救措施来消除或减少这些因素的影响。最重要的影响因素如下：

1.搭板下填料压实不够和排水不畅，引起搭板下沉；

2.软土或可压缩性地基引起台后回填土的下沉；

3.路涨和重载交通载荷等其他因素的影响。

西弗吉尼亚州运输部的一份报告对搭板沉降的原因、短期和长期的补救措施进行了有效探讨。基于这份报告和其他研究结果，下列措施已被证明对防止或减少搭板沉降有效。首先，在桥梁设计中，必须高度重视沉降，并且预估桥梁和搭板的沉降。为确保预估的准确性，应取得足够的地质资料，并考虑设计一个有效的排水系统。一般而言，使土壤远离水是一个简单而有效的避免沉降的方法。其次，应该采用足够的压实度和准确的压实程序。土体越密实，沉降值越小。然而台后土并不是这样，桥台的循环位移使密实的台后填土松散或使松散的台后填土变密实。换言之，土壤密实度受到桥台位移和台后填土初始密实度的影响。因此，对于受到桥台位移影响的台后填土，填土越密实，沉降不一定越小。带枕梁的搭板或连续铺装层可以减轻台后填土的沉降。再次，如果基础沉降很厉害，可采取土壤改良措施，如预加载、垂直排水和其他稳定措施。对不合适的材料，换填也是一个可行的办法。最后，为了减少地基土体本身载荷，可用轻质材料建造路基。应该认识到，整体式桥台无缝桥梁需要持续但减量的维护，根据实际情况，可以采取加铺沥青面层、顶升搭板、调整或更换搭板等维护措施。

根据调查和研讨的结果，对整体式无缝桥梁的问题进行了以下总结。与有缝桥相比，整体式桥台无缝桥梁运营良好，需要较少维护。由于取消了桥面上的伸缩缝，不能观察到由路面积水和污染物所引起的主梁和桥墩的病害。无缝桥的温变引起了桥台位移，从而会引起桥端严重隆起，故需要对台后搭板体系进行特殊设计。有限元分析显示，台后路面变形范围长度大约是桥台高度的3到4倍。桥台的外推位移在台后填土中引起依赖于位移量的被动土压力。采用全被动土压力而不考虑位移的影响，是不保守的方法，因为这减少了恒、活载在主梁上的弯曲效应。桩周围土体和桥台一起移动，导致桩和土的相对位移减小，从而使桩顶的剪应力减小。桩顶相对于嵌入地基中桩底的水平位移是很关键的，因为这会降低桩的竖向承载能力，而且水平位移是影响整体式桥台无缝桥梁最大设计桥长的关键变量，并且水平运动的循环性质也引起人们对受循环荷载桩的担忧。台后填土的沉降会逐渐产生，使用压实的、排水良好的台后填土能够减少沉降，但不能完全消除。

最后，提供一些工程设计细节的建议：

1.使用路堤和短柱式桥台；

2.使用单排柔性桩并且弱轴方向弯曲；

3.使用钢桩确保韧性和耐久性；

4.至少两倍桩径的桩身埋入桥台，以实现桩与桥台的固接；

5.桥台端部宽度应足够，以允许支承桩的安装误差；

6.上部结构附近设置压堤，以使桥台深度和翼墙长度最小化；

7.桥台插入路堤的深度最小化；

8.为了减小在温度变形下与桥台一起运动的结构和土体数量，翼墙尽可能的小；

9.对于较浅的上部结构，使用悬臂式U形翼墙（与路中心线平行），而不是横式翼墙；

10.在悬臂式翼墙下填松散回填土；

11.采用排水性良好的颗粒状台后填土，以适应桥台的伸缩位移；

12.在桥台下或周围，以及翼墙周围，设置埋置式内排水系统；

13.对纵梁端部用混凝土横隔全面外包；

14.对纵梁的端部喷漆；

15.在纵梁和背墙交界处捻缝；

16.钢梁端部设置孔道，以允许桥台的纵筋穿越；

17.提供锚固于桩帽上的临时螺栓来支撑纵梁，代替桥梁的座石；

18.将搭板与桥台进行铰接；

19.桥台顶的桥面板内设置足够的收缩分布钢筋；

20.为了提供足够的柔度，桩长不小于10英尺；

21.对于密实土或黏性土，若有必要，可以在桩顶10英尺范围内进行预扩孔，使桩能在上部结构发生水平位移时有足够的弯曲变形能力；

22.提供路面连接缝，以允许桥梁循环位移和路涨；

23.关注整座桥而不仅仅是桥台；

24.设计对称型整体桥，使墩身上的纵向力最小，并使桥台上的纵向压力相同；

25.在搭板下设置两层聚乙烯薄膜或纤维织物，以减少摩擦系数；

26.限制使用斜交角度大于30度的整体式桥台桥梁，以减小潜在纵向力的幅值与水平偏心。