整體式橋臺橋梁溫度前言

第一章 緒論1.1 背景公路橋梁的伸縮縫是為了適應橋梁伸縮變形的需要而在橋梁上部結構兩端橋頭處設置的間隙，橋梁伸縮裝置是為使車輛平穩通過橋面并滿足橋梁上部結構變形的需要，在橋梁伸縮縫處設置的由橡膠或鋼材等組成的裝置的總稱，簡稱為伸縮裝置。由于橋梁伸縮長期暴露在大氣中，使用環境十分惡劣，再加上國內公路超載情況嚴重，這就造成了伸縮縫裝置成為橋梁結構中最易遭到破壞而又難以維修的部位。從以往的后期維修中可以看出伸縮縫轉置的維修往往是交通養護部門的重點與難點。2010年河北省交通規劃設計院對京港澳高速公路石家莊至磁縣段部分橋梁進行了調查，橋梁調查總數為170座，其中存在伸縮縫破壞的橋梁數為93座，占調查總算的54.7%。其中伸縮縫滲漏與堵塞現象較為嚴重（見表1-1）。2004年，長安大學與河南省各公路管理局共同對河南境內國道、省道的部分橋梁伸縮縫裝置的使用現狀進來了抽樣調查。調查橋梁總數為289座，伸縮縫轉置計479道，調查匯總如表1-2。從表中可以看出各種類型的伸縮縫轉置都有不同程度的損害，其中填塞對接式伸縮縫轉置損害程度最嚴重，其次是橡膠板式伸縮縫轉置。表1-1京港澳高速公路石家莊至磁縣段部分橋梁伸縮裝置破損現狀統計表 調查路段結果K271+477～K418+110伸縮縫破壞類型堵塞橡膠止水帶損害安裝砼破損滲漏變形行車道異性鋼彎曲伸縮縫道數94351513656表1-2 河南神橋梁伸縮縫裝置抽樣調查匯總表據美國1986年統計，全國約有570000多座橋梁，其中有248500多座橋梁不是結構上有缺陷就是功能已經失效，而問題約一半以上是出現在橋面伸縮裝置上。日本自20世紀70年代以來，伸縮裝置的修補次數猛增，從維修情況看，東名高速公路（東京～大井松田段）通車后8年間，全部伸縮裝置的平均修補次數為1.6次/縫，東北公路（巖規～西根）和中部公路（之取訪～多治見），都顯示了大致相同的情況。目前通常采用以下兩種方法來解決伸縮縫存在的問題：第一種是對伸縮裝置進行技術改良；第二種就是盡可能地減少伸縮裝置或者干脆取消伸縮縫。“最好的伸縮縫就是無伸縮縫”。第一種方法由于目前材料性能、施工等方面的制約導致了現有的伸縮裝置仍然很難滿足橋梁正常的使用。而對于大、中橋，往往采用第二種方法，即盡可能增加連續跨長、減少伸縮裝置的數量。該方法的優點是減少了跨中正彎矩，使得截面高度降低，跨越能力增大，伸縮裝置的維修費用減少，行車橋面平滑。該方法從20世紀50年代以來在國內外都得到了廣泛的應用。對于中、小跨徑橋梁，美國在20世紀30、40年代，提出了一種旨在取消伸縮裝置的無伸縮裝置橋梁的概念（Jointless Bridges），它把橋梁上部結構和橋臺連在了一起，消除了令人討厭并且費用不菲的伸縮裝置。而后，日本、英國、澳大利亞、新西蘭、瑞士、意大利等國家也相繼開始了無伸縮縫橋梁的研究。我國于上個世紀末也開始了無伸縮縫橋梁的實踐（表1-3為目前國內已經建成的無伸縮縫橋梁）。表1-3 我國已建成的無伸縮縫橋梁統計表通車時間名稱簡介1998年橫跨湖南省益陽市至常德市高速公路的分離式立交橋該橋是三跨連續梁(11.4m+33.2m+11.4m)，設計荷載為汽車-10級，這是我國第一次嘗試修建無伸縮縫橋梁。1999年長沙市城南路高架橋該高架橋總長171m，主跨25m，在橋梁的東側采用整體式橋臺的原理進行設計。1999年四九橋四九橋位于廣東省清遠市佛崗縣省道354線，全長75.48m，斜交角15°。該橋為四跨鋼筋混凝土連續剛構整體式橋梁，設計荷載為汽車-20級。1999年李貫河橋河南省李貫河橋是我國第一座半整體式無伸縮縫橋梁。該橋屬改建工程，為三跨裝配式預應力混凝土簡支空心板。改建后橋梁全長為67.96m，斜交角15°。2000年石龍河橋該橋為四跨裝配式預應力混凝土簡支空心板，橋面連續，橋臺設計成半整體式橋臺，橋梁全長84m，斜交角15°，設計荷載為汽-20，掛-100。2004年上坂大橋上坂大橋位于福建省永春縣。該橋為4跨（4×30m），總長137.10m，是一座預應力混凝土整體式橋梁，也是我國到目前為止修建的最長的一座整體式橋臺橋梁。柏家洞中橋該橋位于湖南省境內，橋型為14+20+14m的全無縫式連續剛構橋，橋臺采用整體式橋臺設計。富裕工業園跨線橋富裕工業園跨線橋為黑龍江省第一座整體式橋臺橋梁。該橋采用了4×16m的預應力混凝土空心板結構，橋墩、橋臺與主梁剛結。整體式橋臺橋梁是無伸縮縫橋梁中使用最廣泛的一種結構形式（圖1-1），它不僅可以是單跨式，還可以是多跨連續式。其結構上的主要特點是采用了整體式橋臺，整個上部結構、橋臺和柔性樁基礎整體地澆筑成為一個整體，在橋梁設計中橋臺和橋面板上不設置任何的伸縮縫。這種橋型結構中，從一端引橋到另一端引橋，整個橋面都是連續的，混凝土橋面板和引橋的橋面板也是連續的，且和橋臺連成一體。引道板末端的控制縫取代了橋面板末端的伸縮縫和活動支座。圖1-1 整體式橋臺橋梁的結構示意圖1.2 文獻綜述1.2.1 整體式橋臺橋梁的優點整體式橋臺橋梁最基本特點是主梁與橋臺澆注成整體，整個結構沒有設置任何伸縮縫。總結國內外的大量研究結果，整體式橋臺橋梁主要有以下幾個優點:（1）與等跨徑帶有伸縮裝置的橋梁相比，整體式橋臺橋梁減少了伸縮裝置的安裝、調整所需的費用，降低了施工成本，同時節省了橋梁后期維修費用。（2）改善了行車狀況，減少車輛的沖擊和提高橋梁使用壽命。（3）整體式橋臺橋梁的橋臺由一排柔性樁支撐，而橋墩則通過活動支座與上部結構分開。因此可以把整體式橋臺橋梁可以看成一個具有單一水平單元和二個或者多個豎直單元構成的連續剛架，這樣使得設計簡單。（4）由于橋臺只需設置單排豎直樁就可滿足設計的要求，樁數量的減少可以加快橋梁的施工進度，且橋臺的翼墻也能同時澆注。（5）研究表明：“一座兩跨整體式橋臺橋梁的縱向荷載分布可以減少到同等跨徑有伸縮縫橋梁的67%；如果改變整體式橋臺的支座設計，同樣跨徑的橫向荷載也可減少到67%”。同時，由于整體式橋臺橋梁的下部結構與橋臺形成整體式結構，使得橋梁縱向以及橫向的活載作用分布更加均勻，這樣可以使橋梁的潛在能力得到充分發揮，提高了橋梁的使用效率。（6）在橋梁抗震設計中，伸縮裝置的存在構成了一個潛在的破壞機制。而對于整體式橋臺橋梁而言，由于上部結構、橋臺以及柔性基礎連成一體增加了超靜定約束，大大提高橋梁的抗災害能力（地震、洪水等）。災害發生時尤其地震來時，整體式橋臺橋梁將不存在梁橋的落梁情況。因此整體式橋臺橋梁很適合于地震較活躍的地區。（7）相對于有伸縮裝置橋梁的橋臺的施工要求較精密的公差，整體式橋臺橋梁由于作用在主梁上的荷載最終是由橋梁兩端上下部連接的混凝土塊體來承受，因此可適當放寬橋梁的安裝誤差。（8）相對于有伸縮裝置的橋梁來說，整體式橋臺橋梁的邊跨比范圍較廣。對一般的連續梁來說，邊跨比應保持在0.6左右。如果邊跨支座出現拉力時,設計拉壓支座就需要昂貴的拉壓裝置。而整體式橋臺橋梁可以有較小的邊跨比，因為整體式橋臺橋梁的自重可以很好的充當一個向下作用的砝碼，同時也允許樁基在受到向上作用力時發揮樁基的摩擦作用。1.2.2 研究現狀近年來，整體式橋臺橋梁的設計、建造和性能研究引起眾多橋梁工程師的興趣，在許多國家得到了廣泛的應用和發展。雖然在國內外無伸縮縫橋的提出與成功應用已經有幾十年的歷史了，但到目前為止橋梁工程師們仍然沒有完全攻克無伸縮縫橋梁理論設計這道難關，主要還是依靠工程師們的實踐經驗，不斷觀察、不斷實驗、不斷總結地進行設計。1.2.2.1 國外研究現狀目前國外對整體式橋臺橋梁的研究主要集中在以下幾個方面：（1）土壓力整體式橋臺橋梁的主梁與橋臺是澆注成整體的，所以臺后土壓力的計算是研究整體式橋臺橋梁一個關鍵所在。然后至今沒有一個統一的計算方法，不同學者有不同的看法。不過大部分學者在一系列試驗基礎上認為橋臺所受土壓力的大小和分布與橋臺的變形及變形的大小有關。研究表明，當整體式橋臺背離臺后填土產生一定小位移時，作用在整體式橋臺的土壓力為主動土壓力，此時土壓力可以按經典的郎肯土壓力理論來計算；當整體式橋臺面向臺后土移動時，臺后土壓力因位移的大小在靜止土壓力和被動土壓力之間。而后許多學者對被動土壓力系數的修正系數進行了深入的研究并提出了相應各自的修正系數，但到目前為止仍沒有統一的計算公式。 （2）橋臺位移Moulton認為整體式橋臺比橋墩要容易移動，而水平移動不僅造成臺后土壓力的變化，還容易造成橋梁結構的損害，因此橋臺的水平位移是設計整體式橋臺橋梁必須要考慮的因素。Hambly認為設計時應適當減小翼墻和橋臺的尺寸以減少由上部結構溫度位移而引起變形的結構部分。Loveall認為當橋梁取消所有伸縮縫時，必須考慮橋臺位移對橋臺附近路面的影響。（3）收縮與徐變Burke認為整體式橋臺橋梁上部結構的收縮可能會引起結構的破壞，因此要求下部結構有一定柔度和較為保守的配筋來承受由基礎約束和上部結構收縮引起的二次應力。Loveall認為伸縮變形引起的應力不會達到預計的水平，建議設計時溫度彈性模量取受動力荷載的彈性模量的。（4）溫度對于整體式橋臺橋梁溫度變形無疑是影響橋梁受力性能的一個重要方面，如果在橋梁設計和養護中沒有引起足夠的重視，將會帶來嚴重問題。溫度變形是本課題的研究重點，所以有關溫度變形的研究現狀會在2.3中詳細介紹。（5）搭板Harmbly認為搭板的存在避免了臺后填土直接受到車輛荷載的作用，由于橋臺和搭板連在一起，所以搭板會隨著橋臺移動而移動。臺后填土會約束橋梁結構在縱橋向的位移，當上部結構受熱膨脹時，臺后填土可能屈服（臺后土壓力達被動土壓力，不再增大），但仍然可以提供足夠的約束。（6）橋臺樁基礎Kamel等人的調查表明，木樁、鋼樁、鉆孔灌注樁、預應力混凝土樁、薄壁鋼管混凝土樁在無伸縮縫橋梁中都采用過，而H型鋼樁的應用則較為普遍。為減小樁的應力，美國大多數州除了采用H型鋼樁外，還將鋼樁打入比其尺寸大、并且填充松散土的預鉆孔中。對于橋臺樁承載力的計算，1989年Abendroth等人提出了兩種計算方法。Kamael等人對整體式橋臺橋梁采用預制的預應力混凝土樁的可行性進行了研究，提出能應用于實際工程中的樁、臺的連接構造和設計標準。Wolde-Tinse和Greiman針對樁的兩種破壞模式，提出了分析整體式橋臺橋梁樁基礎的簡化方法。Greimam等人采用非線性有限元方法研究整體式橋臺橋梁樁基礎的應力和樁～土之間的相互作用。對于整體式橋臺橋梁受力性能的研究，除了以上幾個方面我們還需考慮橋臺不均勻沉降以及回填土的排水系統等。雖然這些因素的影響已經引起人們的重視，但還沒有確切的定量分析。1.2.2.2 國內研究現狀湖南大學土木建筑工程學院的邵旭東教授等從解決橋頭跳車問題出發，以清遠四九橋為依托工程，進行了整體式無伸縮縫橋梁的設計與施工。他們還在湖南長沙設計了一座采用整體式橋臺的無伸縮縫橋梁－－長沙市城南路高架橋，經過分析他們認為無伸縮縫橋梁的設計關鍵之一是臺后處理，提出加強主梁、橋臺和搭板的相互聯系，注意橋臺、梁體和樁基三者的剛度協調匹配。湖南大學的馬競等人利用整體式無伸縮縫橋梁結構，重點從橋臺自身結構的改進與臺后優化設計相結合進行橋頭跳車綜合防治的研究，分析整體式無伸縮縫橋梁設計中的重點和難點，并結合工程實際通過空間和平面模型分析重點研究了整體式橋臺的受力變形特點、橋頭搭板的設置以及反射裂縫的防治等。福州大學彭大文教授帶領的研究團隊對整體式橋臺橋梁理論和實踐方面做了大量的研究工作，具體內容包括：樁--土的共同作用對整體式橋臺橋梁受力性能影響的研究；無伸縮縫橋梁的受力性能分析；季節性溫度荷載下整體式橋臺橋梁的臺后土壓力研究；整體式橋臺橋梁臺后被動力土壓力研究；無伸縮縫橋梁橋臺與主梁的結點構造及受力性能研究；整體式橋臺橋梁的動力特性和地震響應研究；常溫下混凝土T梁的溫度變形實驗與計算方法研究；無伸縮縫橋梁的荷載橫向分布系數研究等。1.2.3 課題的提出雖然整體式橋臺橋梁提供了一種很有吸引力的設計方案，但是橋梁上部結構產生的溫度變形是一個難以改變的客觀事實。一般的有伸縮縫橋梁是通過設置伸縮裝置來處理這部分變形，而對于整體式橋臺橋梁來說由于取消了伸縮裝置，必須采取其它措施來處理上部結構的溫度變形，這是因為：（1）整體式橋臺橋梁的橋臺和主梁構成整體，主梁變形受到橋臺、臺后填土、樁以及樁側地基土的約束，會導致主梁由溫度變化而引起的變形將在主梁內部產生較大的應力，甚至可能對整個結構造成嚴重的損壞。（2）整體式橋臺橋梁的上部結構因日照溫度和季節性性溫度變化而產生往復位移，這將導致橋臺背的土壓力，在夏季為被動土壓力，冬季為主動土壓力。這意味著實際水平土壓力遠遠大于橋臺設計時所考慮的土壓力值。經過這樣多年的季節性往復位移后，橋臺的位置會發生明顯的變化（如圖1-2），這又產生了臺后土體的沉降問題。而這個問題近年來比臺后土壓力增大更加引人注意。圖1-2　整體式橋臺橋梁使用期內位移示意圖作為目前各國應用最廣、研究最多的整體式橋臺橋梁，其構造特點是將主梁、橋臺和柔性樁基礎連成整體。這一特點使得橋梁上部結構的溫度變形必定會對下部結構產生作用，而下部結構的變形也將影響上部結構的受力性能。因此，如何準確地計算出主梁的溫度變形是分析和研究整體式橋臺橋梁受力性能的關鍵之一，也是整體橋設計的主要內容。不同于有縫橋梁，整體橋中縱向變形（溫度變形+收縮徐變）是設計的主要控制參數。有關整體式橋臺橋梁的溫度問題，國內外一些研究者已經做過一些工作：美國田納西州交通部門的報告表明：“我們發現橋面的伸長和上部結構的應力都沒有異常。所測得的應力值都比預計的要小。我們也不知道確切的原因，但我們想我們有些答案。……混凝土由于溫度變化而緩慢膨脹或者收縮，就會產生徐變。徐變可能會使應力達不到預計的程度。”一份來自美國與加拿大合作的橋梁研究報告中指出：“大多數部門采用下列公式來估計溫度位移：……大多數部門都沒有關于溫度位移預期狀況的報告。堪薩斯州已經發現預應力橋的收縮是個關鍵，建議工程師在建造此類橋時應考慮這個問題。……密歇根州和俄克拉荷馬州已發現溫度位移比應用公式算出的要小。這一可能的解釋是：采用這種溫度位移的方法過于保守，并不能反映真實情況。”CTL（美國施工技術實驗有限公司）也進行了一項無伸縮縫橋梁的溫度實驗，并在總結報告中指出：“可以確信，當混凝土溫度升高時，混凝土長度也隨之增加。但是同樣地，一般來說，當溫度升高而相對濕度減小時，會引起混凝土縮短。因此溫度升高和相對濕度減小的聯合影響得到的溫度變形可能與純粹應用熱膨脹系數計算出的溫度變形（）結果不同”；“……顯然橋梁的有效溫度與周圍的環境溫度有關……在橋梁上，周圍環境溫度和結構溫度存在一個時間滯后因素。這個時間滯后的大小根據組合結構和混凝土結構的不同而不同。這歸因于較大體積的混凝土結構和結構中鋼與混凝土之間的熱傳導性以及擴散性的差異。因此，同混凝土結構相比，組合結構更傾向于接近周圍環境溫度。”這份研究報告提到了混凝土橋與鋼橋的“有效溫度”是有差異的，并且“橋梁有效溫度”與周圍的環境溫度存在十分密切的關系。在美國各州反饋回來的無伸縮縫橋梁使用情況報告中也有詳細論述這一現象。從美國各州反饋來的信息中，提到無伸縮縫橋梁的最大跨徑，具體規定如下：鋼橋：200～300英尺（60.96~ 91.44米）；混凝土橋：300～400英尺（91.44~121.92米）；預應力混凝土橋：300～450英尺（91.44~137.16米）。這些數據表明：雖然鋼與混凝土的熱膨脹系數幾乎相同（混凝土=0.00001，鋼=0.000012），但鋼橋對溫度的變化更加敏感，使得兩者的最大跨徑不一致。對此，美國各州公路和運輸工作者協會（AASHTO）在計算混凝土橋溫度變化時有如下規定：“必須考慮大體積混凝土構件或者結構內部溫度對大氣溫度的相對滯后。”“混凝土橋溫度周期內的最大值比鋼橋的要小。由于混凝土較大的體積要吸收熱量，因此它的溫度不同于理論預計值。”吳俊杰通過實測的混凝土“T”梁結構在常溫下，混凝土內部的溫度與相應的變形量，運用數學方式進行回歸，得到一系列圖式，并根據這一系列~曲線斜率，運用數理統計手段分析，得出混凝土“T”梁結構的溫度變形量與溫度變化量之間仍然保持線性關系，實際計算時可以采用如下的推薦公式：，其中，K為折減系數。K的取值范圍（0.6~0.666），置信度為95%。為了方便工程設計應用，偏安全地取上限值K=0.666。即得到本文實驗推薦的符合實際混凝土溫度變形的計算公式：。武漢大學張文濤的碩士論文“先簡支后連續 T 梁橋橋面結構特性研究”中也提到了T梁溫度場試驗。該論文把重點放于實測值與有限元值的比較；但未對T梁最不利溫差以及該最不利溫差下產生的結構自應力與次應力進行研究，因此有必要對T梁實際溫度場進行更系統的研究。華南理工大學的焦志欽的碩士論文“環境因素對箱梁和T形梁橋動力特性的影響研究”中提到T梁現場溫度場測試。該篇論文研究的主要內容是溫度對橋梁動力特性的影響，論文中未進行溫度的有限元分析，僅僅是求出各測點的溫度平均值。 從以上研究現狀可以得出：在整體式橋臺橋梁使用過程中，實測得到的主梁溫度變形或者溫度應力，要比理論計算值小。同時，混凝土橋梁的“有效溫度”變化范圍和環境的溫度變化范圍是相互聯系的，所以計算混凝土橋梁溫度變形時應考慮結構溫度滯后、混凝土體量等方面因素。