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整体式桥梁设计理念和实践

摘要:分析了整体式桥梁的结构特点和技术优势,指出其构造的型式主要体现在桥台设计承载型式上。归纳了整体式桥梁的设计理念和要点,与普通桥梁的区别主要体现在桥台、桩柱、引道板的设计上面,并分析了设计注意要点。最后,讨论了整体式桥梁的应用实践问题,重点对其桥梁跨长、应用型式如弯桥和斜桥、基础条件等方面的应用范围进行了分析。相关总结和经验可为整体式桥梁的设计实践提供参考。

关键词:整体式桥梁;结构设计;设计理念;应用技术;关键问题

1整体式桥梁的结构特点与技术优势

1.1结构特点。整体式桥梁相对于一般桥梁的典型差别就是没有伸缩缝和支座,通过引道板将道路与桥梁连接形成桥面连续的结构,通过桩柱将桥面结构与基础结构连接,这使得桥面因为温度或者混凝土收缩徐变产生的变形通过桩柱释放,如图1是整体式桥梁的典型构造示意图。上部结构通过桥头搭板连接桥台和桥面,柔性桩可用于释放上部结构的变形。整体式桥梁克服了伸缩缝和支座病害问题,减少了维修管养的成本,同时提高了桥梁的耐久性和抗震性能,不会出现桥跨落梁等典型的地震震害问题,同时极大地改善了桥跨结构的行车状况。1.2结构型式。具体构造而言,整体式桥梁具有多种结构型式,这主要体现在桥台的构造方法上面。框架式桥台既能够承受桥梁的竖向荷载也同时作为路堤挡墙承担背后填土荷载。它与桥跨结构连接形成整体能够传递剪力、弯矩和轴力。嵌入式桥台则通过隔墙组成,包括咬合桩、板桩挡土墙和连续墙等作为桥梁的支撑结构受力体系,嵌入式桥台嵌入到持力层一定深度来限制桥台的变形。路堤垫式桥台则主要针对于路堤填土低的情况,端部采用浅基础进行支撑并兼做挡土墙作用,为了限制桥台的纵向变形一般设置有足够的重量以限制其翘起变形问题。端头板式桥台是与桥跨结构浇筑形成整体的幕墙结构型式,只用作挡土墙但不能承担竖向荷载,桥跨结构的竖向荷载则通过独立的支撑进行承担。1.3技术优势。整体式桥台的技术优势就是减少了伸缩缝和支座的使用,对于中小跨径桥梁而言支座和伸缩缝是最容易产生病害的结构,因此运营中管理和养护的成本都比较大。通过整体式桥台,支座和伸缩缝都可以不需要设计,因此可以优化运营管理成本,同时因为桥面的连续性使得桥跨结构在运营活载作用下振动变形小,相应的行车性能好同时桥梁的振动病害可以显著降低。

2整体式桥梁的设计理念和要点

2.1桥跨结构。整体式桥梁的桥跨结构与普通的桥梁是相同的,因为整体式桥梁主要适用于中小跨径桥梁,因此其桥跨结构可以采用整体式箱梁桥或者多肋式梁桥型式,例如预制装配式空心板、T型梁、小箱梁等桥跨结构型式。桥跨结构的设计与普通桥梁没有显著的差别。2.2桥台。整体式桥梁的桥台构造与普通桥梁显著不同,桥台应该与主梁的端部进行固结连接形成整体以保证桥面的连续,桥台的结构型式设计不同对应的受力行为也有所差异,如果采用带盖梁的柱式桥墩则纵向力主要通过桥台背后的填土和路面承担,小部分通过柔性桩柱承担。整体式桥台设计中应该考虑温度变形的影响,合理的应该采用单排桩柱及低矮性桥台,使得温度产生的变形能够得到释放。2.3桩柱。桩柱的设计与传统桥梁也有显著的差别,在整体式桥梁中装置承担较大的纵向变形释放功能,因此往往设计柔性桩柱同时要保证应有的竖向承压性能,桩柱还需要考虑土体的变形约束效应,通过桩土联合作用设计其构造尺寸,并考虑埋置土体中对桩柱的嵌固效应。2.4引道板。由于桥梁与路基的刚度存在显著的差异,因此不能直接进行道路与桥梁的过渡,而需要采用引道板进行连接,确保刚度的过渡平缓,使得活载作用及路基长期沉降变形效应下能够起到很好的连接确保行车的平顺性。引道板的设计同时还应该有助于调节路基的排水,避免台背填土的水冻结问题。

3整体式桥梁的实践关键问题

3.1桥梁长度的应用限制。整体式桥梁因为桥跨结构与桥台形成连接受力的整体,这使得桥跨结构的纵向变形需要桩柱和桥台进行释放,因此会因为桥台背后较大的被动土压力,同时桥头搭板受力性能也受到一定程度的影响。显然,桥梁的跨度越长,对应的变形问题越大,因此需要限制桥梁的应用长度。根据欧美国家整体式桥梁的应用实践,一般规定其应用范围在100m长度作用,对于上部是预应力混凝土结构的,长度限制在200m左右。3.2桥梁结构形式的应用限制。普通的中小跨径桥梁都是直桥的设计型式,但是由于目前中小跨径桥梁的设计主要是满足路线的规划,因此往往存在桥梁斜交的问题,或者需要采用曲线梁桥结构型式,斜桥存在一定程度的锐角区域的翘起变形特性,且这种变形特性随着斜交角度增加更加显著,这显然不适用于没有伸缩缝装置的整体式桥梁结构,因此整体式桥梁的应用一般要求限制在40°以内的斜交范围。曲线桥梁存在弯扭耦合受力效应,扭转的存在使得同一截面左右两侧的竖向反力不同,这对于整体式桥梁而言可能存在一定的影响,因此整体式桥梁也要求尽量少应用于曲线梁桥结构上,且对其使用的曲线半径进行限制。3.3基础应用条件。整体式桥梁要求桥台的桩基础结构是柔性的,存在上部结构的变形问题。需要注意的是,如果下部基础是岩石结构,且与桥台梁底的距离很小,这使得桥台桩柱的变形受到严重的限制,导致无法采用桩基础结构,这种条件是不适宜采用整体式桥梁的。因此设计中需要考虑基础的条件,对于桩柱嵌入岩石的长度少于8m的,不建议采用整体式桥梁结构。

4结语

整体式桥梁充分规避了伸缩缝和支座的运营病害问题,极大地减少了运营中对伸缩缝和支座的管养问题,可以优化运营养护成本,因此在中小跨径桥梁结构中得到一定程度的应用。整体式桥梁通过桥台和桩柱释放桥跨结构的变形问题,具有较好的应用前景。首先分析了整体式桥梁的构造特点和技术优势,指出其构造主要体现在桥台的设计型式方面,不同型式下整体式桥梁的受力特点和传力特性显著不同;其次,总结了整体式桥台的设计理念和要点,其桥跨结构与普通桥梁是一样的,重点体现在桥台、桩柱和引道板结构的设计上面;最后,归纳了整体式桥梁的应用实践问题,主要阐述了其应用范围及条件,包括桥梁跨径、结构型式及基础条件等方面。相关总结与研究,可为整体式桥梁的设计实践提供参考。

参考文献:

[1]赵长军,邬宁,雷波.英国整体式桥梁设计[J].世界桥梁,2012,(1):7-10.

[2]林志平,彭大文.整体式桥台桥梁设计与实践的发展现状[J].世界桥梁,2005,(4):13-17.

[3]王旭.整体式桥梁结构特征分析[J].北方交通,2011,(12):49-51.

作者:王超 黄旭 单位:中咨集团路桥设计研究院分公司

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