無(wú)伸縮縫橋梁構(gòu)造設(shè)計(jì)的影響因素
2010-12-02
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(zhǎng)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(jì)、施工上稍有缺陷或不足，就會(huì)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。為此，本文結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)無(wú)伸縮縫橋梁的一些影響因素進(jìn)行分析，并提出了具體的支持結(jié)論。
1.無(wú)伸縮縫橋梁的構(gòu)造細(xì)節(jié)
混凝土梁和鋼梁采用無(wú)伸縮縫整體式橋臺(tái)的細(xì)部構(gòu)造。這些細(xì)部構(gòu)造的圖示僅僅是一個(gè)基本骨架，還不能反映出其他設(shè)計(jì)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(wú)伸縮縫橋梁的人們以一個(gè)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(duì)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(duì)于全面認(rèn)識(shí)無(wú)伸縮縫橋梁的性能、整體性和耐久性會(huì)有很大的幫助。
2.無(wú)伸縮縫橋架設(shè)計(jì)中的影響因素
由于無(wú)伸縮縫橋梁的縱梁埋入混凝土橋臺(tái)，上部結(jié)構(gòu)受到部分的約束，因此設(shè)計(jì)時(shí)要考慮次要荷載的影響。下文歸納總結(jié)了次要荷載的影響。
2.1 徐變的影響 徐變引起的應(yīng)變大小取決于上部結(jié)構(gòu)的跨徑、混凝土承受荷載時(shí)的齡期、荷載的持續(xù)時(shí)間、混凝土的質(zhì)量、周圍的溫度以及混凝土構(gòu)件的形狀。本文采用隨齡期變化的有效彈性模量法分析徐變對(duì)中小跨徑、鋼-混凝土組合梁的無(wú)伸縮橋梁的影響。結(jié)果表明徐變的存在可以減小橋臺(tái)處和墩頂處截面上緣的拉應(yīng)力，但同時(shí)也會(huì)增加鋼縱梁下緣的壓應(yīng)力（小于恒載引起的應(yīng)力的10%，不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生有害影響）。因此，在設(shè)計(jì)中小跨徑、鋼-混凝土組合梁的無(wú)伸縮縫橋梁時(shí)可以不考慮徐變的影響。
2.2 收縮的影響 混凝土橋面板和鋼縱梁收縮的不一致會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部引起自應(yīng)力。此外，無(wú)伸縮縫橋梁的端部受到部分或完全的約束，導(dǎo)致收縮、徐變會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部引起應(yīng)力。一些學(xué)者認(rèn)為收縮和徐變的作用相反，兩者可相互抵消。但本文分析表明，收縮和徐變的作用不能完全抵消，會(huì)有余應(yīng)力存在，可能導(dǎo)致混凝土裂縫的逐漸開(kāi)展，而混凝土裂縫的開(kāi)展又會(huì)使得收縮應(yīng)力得到部分的減小。因此在對(duì)無(wú)伸縮縫橋梁進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮收縮對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響。
2.3 溫度對(duì)無(wú)伸縮縫橋梁的影響 溫度的影響無(wú)疑是無(wú)伸縮縫橋梁設(shè)計(jì)中的一個(gè)非常重要的因素，但事實(shí)上正如前文所指出的那樣，對(duì)許多橋梁的應(yīng)力測(cè)試表明，由于溫度作用而測(cè)得的應(yīng)力值要比預(yù)計(jì)的要小，分析其原因可能有兩點(diǎn)：
其一是混凝土由于溫度的膨脹或收縮，會(huì)產(chǎn)生徐變。徐變將使得應(yīng)力不能達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)所預(yù)計(jì)的程度。因此為了使理論更好地反映實(shí)際的情況，有的部門設(shè)計(jì)時(shí)考慮把混凝土的溫度彈性模量減小到動(dòng)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(duì)較大，使得它們對(duì)周圍的溫度變化比較不敏感。AASHTO（美國(guó)各州公路和運(yùn)輸工作者協(xié)會(huì)）在計(jì)算溫度變化時(shí)對(duì)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(duì)大氣溫度的相對(duì)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(huì)與理論預(yù)計(jì)的一樣？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唷Ｖ劣跍囟葘?duì)無(wú)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。
2.4 沉降的影響 下部結(jié)構(gòu)的沉降會(huì)在無(wú)伸縮縫橋梁的上部結(jié)構(gòu)引起相當(dāng)大的應(yīng)力，其影響取決于橋梁的結(jié)構(gòu)特征和幾何特征，如上、下部結(jié)構(gòu)的剛度、沉降量、跨數(shù)、跨徑、臺(tái)高和支承情況等。GangaRao等人在1981年的研究中指出沉降對(duì)單跨橋梁的影響不大；對(duì)于多跨橋梁，恒載引起的沉降可通過(guò)使橋臺(tái)和橋墩所受的反力大致相等來(lái)得到解決。因此通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，無(wú)伸縮縫橋梁可以不考慮沉降的影響。
2.5 土壓力的影響 當(dāng)上部結(jié)構(gòu)受熱膨脹時(shí)，橋臺(tái)會(huì)擠壓臺(tái)后填土引起被動(dòng)土壓力。臺(tái)后土壓力的計(jì)算存在著許多不確定性的因素，如被動(dòng)土壓力的大小及其在縱向和橫向的分布。雖然被動(dòng)土壓力會(huì)在上部結(jié)構(gòu)引起軸力和彎矩，但本文的研究卻表明土壓力的影響可以忽略不計(jì)，因此作者建議在分析和設(shè)計(jì)無(wú)伸縮縫橋梁時(shí)可以不考慮土壓力的作用。
2.6 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(duì)縱向移動(dòng)的抵抗作用有直接關(guān)系，在進(jìn)行無(wú)伸縮縫橋梁設(shè)計(jì)時(shí)：①限制整體式橋梁的基礎(chǔ)形式，最好做成單排的細(xì)長(zhǎng)垂直樁。②限制樁型。③調(diào)整H型樁弱軸方向，使之與運(yùn)動(dòng)方向一致。④提供一種鉸接裝置來(lái)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(wèn)題，如：如何平衡整體式橋臺(tái)后面的主動(dòng)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(wèn)題的解決，需要今后在無(wú)伸縮縫橋梁設(shè)計(jì)中不斷地進(jìn)行研究和實(shí)踐。
通過(guò)設(shè)計(jì)上的考慮，如果設(shè)置循環(huán)控制縫、壓力釋放縫、引道板或安排一定的施工次序等可以克服無(wú)伸縮縫橋梁的一些缺陷，但跨徑等方面的限制則使一些設(shè)計(jì)者仍傾向于采用有伸縫橋梁。
盡管無(wú)伸縮縫橋梁在美國(guó)已經(jīng)成功地建造了很長(zhǎng)時(shí)間，但至今還沒(méi)有一個(gè)比較科學(xué)的設(shè)計(jì)理論。目前的設(shè)計(jì)方法基本上是依賴于經(jīng)驗(yàn)與觀察，還沒(méi)有從根本上解決無(wú)伸縮縫橋梁有關(guān)的分析方法和構(gòu)造設(shè)計(jì)。美國(guó)大多數(shù)州確實(shí)采用了無(wú)伸縮縫整體式橋臺(tái)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(jì)上還都非常保守，應(yīng)該可以建造更長(zhǎng)的橋梁。但是要使設(shè)計(jì)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(wú)伸縮縫橋梁在我國(guó)尚未開(kāi)展深入的研究，但從本質(zhì)上講，這也是一個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。
