整体式桥台桥梁温度前言

第一章 绪论 1.1 背景 公路桥梁的伸缩缝是为了适应桥梁伸缩变形的需要而在桥梁上部结构两端桥头处设置的间隙，桥梁伸缩装置是为使车辆平稳通过桥面并满足桥梁上部结构变形的需要，在桥梁伸缩缝处设置的?#19978;?#33014;或钢材等组成的装置的总称，简称为伸缩装置。 由于桥梁伸缩长期暴露在大气中，使用环境十分恶劣，再加上国内公路超载情况严重，这就造成了伸缩缝装置成为桥梁结构中最易遭到破坏而又难以维修的部位。从以往的后期维修中可以看出伸缩缝转置的维修往往是交通养护部门的重点与难点。 2010年河?#31508;?#20132;通规划设计院对京港澳高速公路石?#26131;?#33267;磁县段部分桥梁进行了调查，桥梁调查总数为170座，其中存在伸缩缝破坏的桥梁数为93座，占调查总算的54.7%。其中伸缩缝渗漏与堵塞现象较为严重（见表1-1）。2004年，长安大学与河南省各公路管理局共同对河南境内国道、省道的部分桥梁伸缩缝装置的使用现状进来了抽样调查。调查桥梁总数为289座，伸缩缝转置计479道，调查汇总如表1-2。从表中可以看出各种类型的伸缩缝转置?#21152;?#19981;同程度的损害，其中填塞对接式伸缩缝转置损害程度最严重，其次是橡胶板式伸缩缝转置。 表1-1京港澳高速公路石?#26131;?#33267;磁县段部分桥梁伸缩装置破损现状统计表 调查路段 结果 K271+477～K418+110 伸缩缝破坏类型 堵塞 橡胶止水带损害 安装砼破损 渗漏 变形 行车道异性钢弯曲 伸缩缝道数 94 35 15 136 5 6 表1-2 河南神桥梁伸缩缝装置抽样调查汇总表 据美国1986年统计，全国?#21152;?70000多座桥梁，其中有248500多座桥梁不是结构上有?#27605;?#23601;是功能已经失效，而问题约一半以上是出现在桥面伸缩装置上。日本自20世纪70年代以来，伸缩装置的修补次数猛增，从维修情况看，东名高速公路（东京～大井?#21830;?#27573;）通车后8年间，全?#21487;?#32553;装置的平均修补次数为1.6次/缝，东北公路（岩规～西根）和中部公路（之取访～多治见），都显示了大致相同的情况。 目前通常采用以下两种方法来解决伸缩缝存在的问题：第一种是对伸缩装置进行技术改?#36857;?#31532;二种就是尽可能地减少伸缩装置或者干脆取消伸缩缝。“最好的伸缩缝就是无伸缩缝?#34180;?第一种方法由于目前材料?#38405;堋?#26045;工等方面的制约导致了现有的伸缩装置仍然很难满足桥梁正常的使用。 而对于大、中桥，往往采用第二种方法，即尽可能增加连续跨长、减少伸缩装置的数量。该方法的优点是减少了跨中正弯矩，使得截面高度?#26723;停?#36328;越能力增大，伸缩装置的维修费用减少，行车桥面平滑。该方法从20世纪50年代以来在国内外都得到了广泛的应用。对于中、小跨径桥梁，美国在20世纪30、40年代，提出了一种旨在取消伸缩装置的无伸缩装置桥梁的概念（Jointless Bridges），它把桥梁上部结构和桥台连在了一起，消除了令人讨厌并且费用?#29615;?#30340;伸缩装置。而后，日本、英国、澳大利亚、新西兰、瑞士、意大利等国家也相继开始了无伸缩缝桥梁的研究。我国于上个世纪末?#37096;?#22987;了无伸缩缝桥梁的?#23548;?#34920;1-3为目前国内已经建成的无伸缩缝桥梁）。 表1-3 我国已建成的无伸缩缝桥梁统计表 通车时间 名称 简介 1998年 横跨湖南省益阳市至常德市高速公路的分离式立交桥 该桥是三跨连续梁(11.4m+33.2m+11.4m)，设计荷载为汽车-10级，这是我国第一次尝试修建无伸缩缝桥梁。 1999年 长沙市城?#19979;?#39640;架桥 该高架桥总长171m，主跨25m，在桥梁的东侧采用整体式桥台的原理进行设计。 1999年 ?#26408;?#26725; ?#26408;?#26725;位于广东省清远市佛岗县省道354线，全长75.48m，斜交角15°。该桥为?#30446;?#38050;筋混凝土连续刚构整体式桥梁，设计荷载为汽车-20级。 1999年 李贯河桥 河南省李贯河桥是我国第一座半整体式无伸缩缝桥梁。该桥属改建工程，为三跨装配式预应力混凝土简支空心板。改建后桥梁全长为67.96m，斜交角15°。 2000年 石龙河桥 该桥为?#30446;?#35013;配式预应力混凝土简支空心板，桥面连续，桥台设计成半整体式桥台，桥梁全长84m，斜交角15°，设计荷载为汽-20，挂-100。 2004年 上坂大桥 上坂大桥位于福建省?#26469;合亍?#35813;桥为4跨（4×30m），总长137.10m，是一座预应力混凝土整体式桥梁，也是我国到目前为止修建的最长的一座整体式桥台桥梁。 柏家洞中桥 该桥位于湖南省境内，桥型为14+20+14m的全无缝式连续刚构桥，桥台采用整体式桥台设计。 富裕工业园跨线桥 富裕工业园跨线桥为黑龙江省第一座整体式桥台桥梁。该桥采用了4×16m的预应力混凝土空心板结构，桥墩、桥台与主梁刚结。 整体式桥台桥梁是无伸缩缝桥梁中使用最广泛的一种结构形式（图1-1），它不仅可以是单跨式，还可以是多跨连续式。其结构上的主要特点是采用了整体式桥台，整个上部结构、桥台和柔性桩基础整体地浇筑成为一个整体，在桥梁设计中桥台和桥面板上不设置任何的伸缩缝。这种桥型结构中，从一端引桥到另一端引桥，整个桥面都是连续的，混凝土桥面板和引桥的桥面板也是连续的，且和桥台连成一体。引道板末端的控制缝取代了桥面板末端的伸缩缝和活动支座。 图1-1 整体式桥台桥梁的结构示意图 1.2 文献综述 1.2.1 整体式桥台桥梁的优点 整体式桥台桥梁最基本特点是主梁与桥台浇注成整体，整个结构没有设置任何伸缩缝。总结国内外的大量研究结果，整体式桥台桥梁主要有以下几个优点: （1）与等跨径带有伸缩装置的桥梁相比，整体式桥台桥梁减少了伸缩装置的安装、调整所需的费用，?#26723;?#20102;施工成本，同时节省了桥梁后期维修费用。 （2）改善了行车状况，减少车辆的冲击和提高桥梁使用寿命。 （3）整体式桥台桥梁的桥台由一排柔性桩支撑，而桥墩则通过活动支座与上部结构分开。因此可以把整体式桥台桥梁可以看成一个具有单一水平单元和二个或者多个竖直单元构成的连续?#21344;埽?#36825;样使得设计简单。 （4）由于桥台只需设置单排竖直桩就可满足设计的要求，桩数量的减少可以加快桥梁的施工进度，且桥台的翼墙?#26448;?#21516;时浇注。 （5）研究表明：“一座两跨整体式桥台桥梁的纵向荷载分布可以减少到同等跨径有伸缩缝桥梁的67%；如果改变整体式桥台的支座设计，同样跨径的横向荷载也可减少到67%?#34180;?#21516;时，由于整体式桥台桥梁的下部结构与桥台形成整体式结构，使得桥梁纵向以及横向的活载作用分?#20960;?#21152;均匀，这样可以使桥梁的潜在能力得到充分发挥，提高了桥梁的使用效?#30465;?（6）在桥梁抗震设计中，伸缩装置的存在构成了一个潜在的破坏机制。而对于整体式桥台桥梁而言，由于上部结构、桥台以及柔性基础连成一体增加了超静定约束，大大提高桥梁的抗灾害能力（地震、洪水等）。灾害发生时尤其地震来时，整体式桥台桥梁将不存在梁桥的落梁情况。因此整体式桥台桥梁很适合于地震较活跃的地区。 （7）相对于有伸缩装置桥梁的桥台的施工要求较精密的公差，整体式桥台桥梁由于作用在主梁上的荷载最终是由桥梁两端上下部连接的混凝土块体来承受，因此可适当放宽桥梁的安装误差。 （8）相对于有伸缩装置的桥梁来说，整体式桥台桥梁的边跨比范围较广。对一般的连续梁来说，边跨比应保持在0.6左右。如果边跨支座出现拉力时,设计拉压支座就需要昂贵的拉压装置。而整体式桥台桥梁可以有较小的边跨比，因为整体式桥台桥梁的自重可以很好的充当一个向下作用的砝码，同时也?#24066;?#26729;基在受到向上作用力时发挥桩基的摩擦作用。 1.2.2 研究现状 近年来，整体式桥台桥梁的设计、建造和?#38405;?#30740;究引起众多桥梁工程师的兴趣，在许多国?#19994;?#21040;了广泛的应用?#22836;?#23637;。虽然在国内外无伸缩缝桥的提出与成功应用已经有几十年的历史了，但到目前为止桥梁工程师们仍然没有完全攻?#23435;?#20280;缩缝桥梁理论设计这道难关，主要还是依靠工程师们的?#23548;?#32463;验，不断观察、不断实验、不断总结地进行设计。 1.2.2.1 国外研究现状 目前国外对整体式桥台桥梁的研究主要集中在以下几个方面： （1）土压力 整体式桥台桥梁的主梁与桥台是浇注成整体的，所以台后土压力的计算是研究整体式桥台桥梁一个关键所在。然后?#20004;?#27809;有一个统一的计算方法，不同学者有不同的看法。不过大部分学者在一系列试验基础上认为桥台所受土压力的大小?#22836;植加?#26725;台的变形及变形的大小有关。研究表明，当整体式桥台背离台后填土产生一定小位移时，作用在整体式桥台的土压力为主动土压力，此时土压力可以按经典的郎肯土压力理论来计算?#22351;?#25972;体式桥台面向台后土移动时，台后土压力因位移的大小在静止土压力和被动土压力之间。而后许多学者对被动土压力系数的修正系数进行了深入的研究并提出了相应各自的修正系数，但到目前为止仍没有统一的计算公式。 （2）桥台位移 Moulton认为整体式桥台比桥墩要容易移动，而水平移动不仅造成台后土压力的变化，还容易造成桥梁结构的损害，因此桥台的水平位移是设计整体式桥台桥梁必须要考虑的因素。Hambly认为设计时应适当减小翼?#33014;?#26725;台的尺寸以减少由上部结构温度位移而引起变形的结构部分。Loveall认为当桥梁取消所有伸缩缝时，必须考虑桥台位移对桥台?#27975;?#36335;面的影响。 （3）收缩与徐变 Burke认为整体式桥台桥梁上部结构的收缩可能会引起结构的破坏，因此要求下部结构有一定柔度和较为保守的配筋来承受由基础约束和上部结构收缩引起的二次应力。Loveall认为伸缩变形引起的应力不会达到预计的水平，建议设计时温度弹?#38405;?#37327;取受动力荷载的弹?#38405;?#37327;的。 （4）温度 对于整体式桥台桥梁温度变形无疑是影响桥梁受力?#38405;?#30340;一个重要方面，如果在桥梁设计和养护中没有引起足够的重视，将会带来严重问题。温度变形是本课题的研究重点，所以有关温度变形的研究现状会在2.3中详细介绍。 （5）搭板 Harmbly认为搭板的存在避免了台后填土直接受到车辆荷载的作用，由于桥台和搭板连在一起，所以搭板会随着桥台移动而移动。台后填土会约束桥梁结构在纵桥向的位移，当上部结构受热膨胀时，台后填土可能屈服（台后土压力达被动土压力，不再增大），但仍然可以提供足够的约束。 （6）桥台桩基础 Kamel等人的调查表明，木桩、钢桩、钻孔灌注桩、预应力混凝土桩、薄壁钢管混凝土桩在无伸缩缝桥梁中都采用过，而H型钢桩的应用则较为普遍。为减小桩的应力，美国大多数州除了采用H型钢桩外，还将钢桩打入比其尺寸大、并且填充松散土的预钻孔中。对于桥台桩承载力的计算，1989年Abendroth等人提出了两种计算方法。Kamael等人对整体式桥台桥梁采用预制的预应力混凝土桩的可行性进行了研究，提出能应用于?#23548;使?#31243;中的桩、台的连接构造和设计标准。Wolde-Tinse和Greiman针对桩的两种破?#30340;?#24335;，提出了分析整体式桥台桥梁桩基础的简化方法。Greimam等人采用非线性有限元方法研究整体式桥台桥梁桩基础的应力和桩～土之间的相互作用。 对于整体式桥台桥梁受力?#38405;?#30340;研究，除了以上几个方面我们还需考虑桥台不均匀?#20004;?#20197;及回填土的排水?#20302;车取?#34429;然这些因素的影响已经引起人们的重视，但还没有?#38750;?#30340;定量分析。 1.2.2.2 国内研究现状 湖南大学土木建筑工程学院的邵旭东教授等从解决桥头跳车问题出发，以清?#31471;木?#26725;为依托工程，进行了整体式无伸缩缝桥梁的设计与施工。他们还在湖南长沙设计了一座采用整体式桥台的无伸缩缝桥梁－－长沙市城?#19979;?#39640;架桥，经过分析他们认为无伸缩缝桥梁的设计关键之一是台后处理，提出加强主梁、桥台和搭板的相互联系，注意桥台、梁体和桩基三者的刚度协调匹配。湖南大学的马竞等人利用整体式无伸缩缝桥梁结构，重点从桥台自身结构的改进与台后优化设计相结合进行桥头跳车综合?#20048;?#30340;研究，分析整体式无伸缩缝桥梁设计中的重点和难点，并结合工程?#23548;?#36890;过空间和平面模?#22836;?#26512;重点研究了整体式桥台的受力变形特点、桥头搭板的设置以及反射裂缝的?#20048;?#31561;。 福州大学彭大文教授带领的研究团队对整体式桥台桥梁理论和?#23548;?#26041;面做了大量的研究工作，具体内容包括：桩--土的共同作用对整体式桥台桥梁受力?#38405;?#24433;响的研究；无伸缩缝桥梁的受力?#38405;?#20998;析；季节性温度荷载下整体式桥台桥梁的台后土压力研究；整体式桥台桥梁台后被动力土压力研究；无伸缩缝桥梁桥台与主梁的结点构造及受力?#38405;?#30740;究；整体式桥台桥梁的动力特性和地震响应研究；常温下混凝土T梁的温度变形实验与计算方法研究；无伸缩缝桥梁的荷载横向分布系数研究等。 1.2.3 课题的提出 虽然整体式桥台桥梁提供了一种很?#24418;?#24341;力的设计方案，但是桥梁上部结构产生的温度变形是一个难以改变的客观事实。一般的有伸缩缝桥梁是通过设置伸缩装置来处理这部分变形，而对于整体式桥台桥梁来说由于取消了伸缩装置，必须采取其它措施来处理上部结构的温度变形，这是因为： （1）整体式桥台桥梁的桥台和主梁构成整体，主梁变形受到桥台、台后填土、桩以及桩侧地基土的约束，会导致主梁由温度变化而引起的变形将在主梁内部产生较大的应力，甚至可能对整个结构造成严重的损坏。 （2）整体式桥台桥梁的上部结构因日照温度和季节性性温度变化而产生往复位移，这将导致桥台背的土压力，在夏季为被动土压力，冬季为主动土压力。这意味着?#23548;?#27700;平土压力?#23545;?#22823;于桥台设计时所考虑的土压力值。经过这样多年的季节性往复位移后，桥台的位置会发生明显的变化（如图1-2），这又产生了台后土体的?#20004;?#38382;题。而这个问题近年来比台后土压力增大更加引人注意。 图1-2 整体式桥台桥梁使用期内位移示意图 作为目前各国应用最广、研究最多的整体式桥台桥梁，其构造特点是将主梁、桥台和柔性桩基础连成整体。这一特点使得桥梁上部结构的温度变形必定会对下部结构产生作用，而下部结构的变形也将影响上部结构的受力?#38405;堋?#22240;此，如何准确地计算出主梁的温度变形是分析和研究整体式桥台桥梁受力?#38405;?#30340;关键之一，也是整体桥设计的主要内容。不同于有缝桥梁，整体桥中纵向变形（温度变形+收缩徐变）是设计的主要控制参数。 有关整体式桥台桥梁的温度问题，国内外一些研究者已经做过一些工作： 美国田纳西州交通部门的报告表明：“我们发现桥面的伸长和上部结构的应力都没有异常。所测得的应力值?#24613;?#39044;计的要小。我?#19988;?#19981;知道?#38750;?#30340;原因，但我们想我们有些答案。……混凝土由于温度变化而缓慢膨胀或者收缩，就会产生徐变。徐变可能会使应力达不到预计的程度。” 一份来自美国与加拿大?#29486;?#30340;桥梁研究报告中指出：“大多数部门采用下列公式来估计温度位移：……大多数部门都没有关于温度位移预期状况的报告。堪萨斯州已经发现预应力桥的收缩是个关键，建议工程师在建造此类桥时应考虑这个问题。……密歇根州和俄克拉荷马州已发现温度位移比应用公式算出的要小。这一可能的解释是：采用这种温度位移的方法过于保守，并不能?#20174;?#30495;实情况。” CTL（美国施工技术实验有限公司）也进行了一项无伸缩缝桥梁的温度实验，并在总结报告中指出：“可以确信，当混凝土温度升高时，混凝土长度也随之增加。但是同样地，一般来说，当温度升高而相对湿度减小时，会引起混凝土缩短。因此温度升高和相对湿度减小的联合影响得到的温度变形可能与?#30475;?#24212;用热膨胀系数计算出的温度变形（）结果不同?#20445;弧啊?#26174;然桥梁的有效温度与周围的环境温度有关……在桥梁上，周围环境温度和结构温度存在一个时间滞后因素。这个时间滞后的大小根据组合结构和混凝土结构的不同而不同。这归因于较大体积的混凝土结构和结构中钢与混凝土之间的热传导性以及扩散性的差异。因此，同混凝土结构相比，组合结构更倾向于接近周围环境温度。”这份研究报告提到了混凝土桥与钢桥的“有效温度”是有差异的，并且“桥梁有效温度”与周围的环境温度存在十?#32622;?#20999;的关系。在美国各州反馈回来的无伸缩缝桥梁使用情况报告中也有详细论述这一现象。 ?#29992;?#22269;各州反馈来的信息中，提到无伸缩缝桥梁的最大跨径，具体规定如下：钢桥：200～300英尺（60.96~ 91.44米）；混凝土桥：300～400英尺（91.44~121.92米）；预应力混凝土桥：300～450英尺（91.44~137.16米）。这些数据表明：虽然钢与混凝土的热膨胀系数几乎相同（混凝土=0.00001，钢=0.000012），但钢桥对温度的变化更?#29992;舾校?#20351;得两者的最大跨径不一致。?#28304;耍?#32654;国各州公路和运输工作者协会（AASHTO）在计算混凝土桥温度变化时有如下规定：“必须考虑大体积混凝土构件或者结构内部温度对大气温度的相对滞后。?#34180;?#28151;凝土桥温度周期内的最大值比钢桥的要小。由于混凝?#20004;?#22823;的体积要吸收热量，因此它的温度不同于理论预计值。” 吴俊杰通过实测的混凝土“T”梁结构在常温下，混凝土内部的温度与相应的变形量，运用数学方式进行回归，得到一系?#22411;?#24335;，并根据这一系列~曲线斜率，运用数理统计手段分析，得出混凝土“T”梁结构的温度变形量与温度变化量之间仍然保持线性关系，?#23548;?#35745;算时可以采用如下的推荐公式?#28023;?#20854;中，K为折减系数。K的取值范围（0.6~0.666），置信度为95%。为了方便工程设计应用，偏安全地取上限值K=0.666。即得到本文实验推荐的符合?#23548;?#28151;凝土温度变形的计算公式：。 武汉大学张文涛的硕士论文“先简支后连续 T 梁桥桥面结构特性研究”中也提到了T梁温度场试验。该论文把重点放于实测值与有限元值的比较?#22351;?#26410;对T梁最不利温差以?#26696;?#26368;不利温差下产生的结构自应力与次应力进行研究，因此有必要对T梁?#23548;?#28201;度场进行更系统的研究。 华南理工大学的焦志钦的硕士论文“环境因素对箱梁和T形梁桥动力特性的影响研究”中提到T梁现场温度场测试。该篇论文研究的主要内容是温度对桥梁动力特性的影响，论文?#24418;?#36827;行温度的有限元分析，仅仅是求出各测点的温度平均值。 从以上研究现状可以得出：在整体式桥台桥梁使用过程中，实测得到的主梁温度变形或者温度应力，要比理论计算值小。同时，混凝土桥梁的“有效温度”变化范围和环境的温度变化范围是相互联系的，所以计算混凝土桥梁温度变形时应考虑结构温度滞后、混凝土体量等方面因素。