在奥地利,整体式桥梁越来越受到欢迎,因为它没有支座和伸缩缝,不再需要进行检查和更换,节约了维护成本。但其高次超静定结构具有诸多不确定因素,主要表现在以下几个方面:材料强度会随时间而变化,混凝土会产生徐变和收缩,土与结构的相互作用会随温度而变化,以及选择何种有限元模型来模拟它们之间的相互作用。当整体式桥梁的桥长超过70米时,以上问题就明显地表现出来,尤其是在桥台、桥墩和连接板等部位。正是由于这些问题,当进一步增加整体式桥台桥梁的长度时,设计和施工部门在选择桥梁整体化方案上都会十分慎重。
在奥地利,整体式桥梁越来越受到欢迎,因为它没有支座和伸缩缝,不再需要进行检查和更换,节约了维护成本。但其高次超静定结构具有诸多不确定因素,主要表现在以下几个方面:材料强度会随时间而变化,混凝土会产生徐变和收缩,土与结构的相互作用会随温度而变化,以及选择何种有限元模型来模拟它们之间的相互作用。当整体式桥梁的桥长超过70米时,以上问题就明显地表现出来,尤其是在桥台、桥墩和连接板等部位。正是由于这些问题,当进一步增加整体式桥台桥梁的长度时,设计和施工部门在选择桥梁整体化方案上都会十分慎重。
整体式桥台桥梁的主要特点
奥地利对整体式桥台桥梁所下的定义是:桥梁的上部结构没有支座和伸缩缝,而且上部结构与桥台之间为整体连接。
主要特点
(1)温度应力或支承不规则沉降产生约束变形并引起次内力,它们影响整个承载结构的受力性能。
(2)对于采用先张法施工的预应力承载结构,应该认识到一个事实,一部分预应力在上部结构中并没有起到作用,但它会通过下部结构直接传递至地基基础。
(3)最终施加的应力大小,取决于桥梁的几何特征、地基基础刚度以及上部结构与下部结构间的刚度比。
(4)若低估了地基基础的刚度,则也会低估因温度和先张预应力产生的约束作用。
(5)对于整体式桥台桥梁,为了计算桥梁结构的约束作用,有必要单独进行土参数的上限和下限取值的研究。这样,它一方面会导致某些设计参数的不确定性,另一方面也会增加承载结构的复杂性,因此桥梁设计者必须与地质学家加强沟通。
(6)除约束外,只要桥台和地基基础的刚度不是非常大,通常可以预估到整体式桥台桥梁的长度变化与常规桥梁相当。
(7)由于整体式桥台桥梁无支座和伸缩缝,结构的纵向位移会通过桥台传递至台后的回填土体中。
(8)根据温度的变化情况,回填土会受到负向桥台位移作用,也会受到正向桥台位移作用(相应地,回填土产生静止、主动及被动土压力),该桥台的极值位移以一个年轮计算的。
(9)桥梁施工刚完成后存在的土压力,将会通过桥台第一次正向(向内)位移所产生的主动土压力得以释放。
(10)负向(向外)桥台位移会激活土层中的部分被动土压力,特别是上层土。
(11)由温度变化导致的桥梁周期性运动,使回填土产生渐进式压缩,最终引起台后区发生沉降,土压力增加,因而在桥台过渡段采用搭板很有必要。
(12)需要考虑整体式桥台桥梁受到的温度影响,从静止转变成运动状态时,将弱化由约束条件引起的内力变化问题。
(13)当结构从弹性状态转变成塑性状态时,应考虑约束减弱处内力变化情况。
设计特点
(1)通过下部结构和基础的自重,以及桩的表面摩擦力,弥补因不合理的设计跨度引起的上拔力。对三跨整体桥来说,与常规桥梁相比,可能实现更短的边跨或更长的中跨。
(2)桥台受到约束,使得桥梁上部结构可以建造得更细长、美观。
(3)土压力产生的水平力由上部结构承担,也有可能直接传递至地基土中去。
(4)避免使用支座可以防止应力集中及由此产生的撕裂力,桥梁内部的内力流变得更具连续性。
(5)在极限状态下,桥梁很有可能会产生很大的剪切变位。
(6)减少了桥墩安装偏差及不规则沉降带来的风险。
施工过程特点
(1)由于整体式桥台桥梁无支座和伸缩缝,因而施工建造过程更简单、快速,而且提高了误差的限值,减轻了由此产生的后果。
(2)桥台的设计和施工也更简单方便。
对用户及邻近环境的影响
(1)由于整体式桥台桥梁无伸缩缝装置,车辆在通过桥梁时具有更高的舒适性,产生的噪声也将减小,尤其在人群集聚区域更能突出其优势。
(2)单向行驶时,车辆行驶更具安全性。
维护特点
(1)无支座和伸缩缝,维修成本得以减少。
(2)不直接使用融雪剂,减少车道下的结构构件的维修成本,增加耐久性。
(3)提高了整体式桥台桥梁的延性,增加了结构的安全储备。
(4)根据奥地利建筑结构监测和检测的指导方针,与常规的桥梁相比,整体式桥台桥梁的监测周期更长。然而与常规桥梁相比,整体式桥台桥梁的设计和施工过程中应考虑以下额外因素:
(1)由差异沉降和因温度、收缩、预应力、徐变引起的长度变化而产生的约束。
(2)施加的应力对桥梁的几何特征、上部结构、下部结构间的刚度以及地基基础刚度的依赖性。
(3)上部结构的预应力传递至下部结构及基础,减小了其法向应力比。
(4)除了约束变形外,一般情况下,温度变化可使整体式桥台桥梁的长度产生相当的变化。所有设计阶段都应考虑这个因素。
承载特点及设计
整体式桥台桥梁的施工、设计过程和常规桥梁一样,但对因边界条件引起的约束作用有更严格的限制。整体式桥台桥梁与常规桥梁一样需要设置基础(刚性基础),从而尽可能地减小桥梁的沉降。为了能较好地控制整体桥的内力变化,要求基础、回填土和下部结构具有一定的弹性。鉴于此,设计过程须进行优化。
上部结构
桥梁结构的几何特征以及桥台的刚度对受荷起着决定性作用,将可能使桥台垂直于桥梁的主要纵向位移方向,从而可避免桥梁在平面内的转动、整个结构的滑动以及桥梁钝角处土压力的增加。对于斜交桥台,尤其对小框架、大倾斜的结构,需要注意其平移和旋转变形。曲桥可以通过径向变形部分吸收长度变化,但最终的径向变形(竖向和水平)和转动需满足桥梁的适用性要求。就这一点而言,桥墩的刚度和几何特征,以及上部结构的刚度都非常重要。
桥台过渡段
施工完成后,桥梁的长度变化必须由过渡段中的桥台及支座来吸纳。
为了防止桥台过渡段回填土出现不满足设计要求的沉降,过渡段应根据该桥的使用情况和用途,采用一些建设性的构造措施。这些构造措施如下:
(1)采用低复杂性的构造措施,如在桥梁结构端部的道路表面进行割缝等。
(2)采用复杂的构造措施,在回填土中使用钢筋混凝土搭板,使用特殊的材料等。
搭板有以下优点:
(1)在桥台与道路之间起到平缓过渡的作用,降低回填土的垂直沉降。
(2)桥端的集中位移传递到搭板端部,从维护角度来看,此部位不是很关键。
(3)变形释放到深层土中,道路表面的膨胀变形分布在一段较长的距离内。
对于桥长较短、结构简支桥面连续和采用常规回填土的桥梁,则采用以下技术措施:
(1)总长度≤40米:不需要采取构造措施(桥面连续)。
(2)总长度>40米:采用路面割缝和设置纵向柔性搭板等构造措施。
桥台
整体式桥台桥梁的设计需要考虑地基与结构的相互作用,尤其应注意以下几个因素的影响:
(1)基础、回填材料的弹性
(2)桥台台背墙体位移而激活的土压力
(3)桥台与基础的刚度比
(4)桥台区域的施工
在桥台施工以及相互作用方面,有以下几种可能性:
柔性桥台:设计柔性桥台的目的在于通过一个具有弹性的下部结构,减少上部结构的约束作用。与相邻路堤间的相对位移的吸收,以及由此产生的土压力都必须得到验证,并从建设性的角度考虑其影响(譬如,桥台与路堤间的弹性层)。采用柔性措施建造一种极其复杂的柔性桥台,就是在台后设置一层软性嵌体,同时采用自稳定的路堤。
常规桥台:在证明使用(加筋土、永久弹性中间层、倾斜桥台台背等)特殊方法建造柔性桥台具有困难的情况下才建造常规刚性桥台,其目的在于防止较大的集中位移。
刚性桥台(特例):建造刚性桥台的目的在于显著减少桥台出现的相对移位,通常设计在硬岩基础上。通过对桥梁的长期监测发现,只通过建造尽量大的桥台就能获得刚性桥台的假设是错的(参考Oberwarter 桥)。即使是横向由8根钻孔桩支承的箱形桥台,对其进行监测发现,该承重结构与常规桥梁具有几乎相同的移位。
然而,不同的翼墙(比如悬挂翼墙或箱形结构),桥台具有不同的刚度,因此在施工时应考虑翼墙对桥台刚度的影响。
土压力
土压力对整体式桥台桥梁的影响,需考虑以下两种极限状态:
(1)桥梁的缩短降低了土压力系数(下限值:常规回填法,具有主动土压力,而自承式回填法,主动土压力为零)。
(2)桥梁的伸长增加了土压力系数。以下措施及其组合就如何减少土压力提供了范本:
(1)永久型弹性(可压缩)层;
(2)加强回填土(比如:编织式土工布、石灰水泥稳定剂、贫混凝土);
(3)悬挂翼墙与回填土间的滑移层(比如聚乙烯土工膜),并配设搭板。
桥墩
墩的刚度将影响桥梁结构的内力变化,因此在建模及计算时,需考虑墩的刚度。影响墩刚度的因素包括几何特征(高度、截面)尺寸、墩的基础、水泥的性质、法向正应力、长期效应(徐变、收缩、松弛)以及裂纹形成。
图2a 深基础柔性桥台
图2b 带软性嵌层的深基础柔性桥台
图3a 传统的筏板基础图3b 深基础箱形桥台
通过减少墩的数量来增加跨度,可以减少桥梁在纵向上的变形能力,从而增加桥梁上部结构的约束作用。桥梁所用材料、断面形状、墩顶施工方法、混凝土垫高的对齐和墩的长度是桥梁设计中最重要的参数。
对于桩尺寸形状的选择,应保证其能变形均匀,推荐较为合理的铰结构应力分布(第二种状态的均匀分布容许裂缝宽度)。加腋桩末端的截面也有利于变形,加腋桩与上部结构连接处的截面变宽,通常会导致塑性铰朝着加腋桩的中部发生转移,这样可以产生更大的转动能力。
通过建造双桩结构,既可以减少对上部结构的约束力,又可使柱的安全性得到保证。
如果存在径向变位,水平面内曲桥的支承桩截面的选择,将显著影响上部结构纵向截面内的受力情况。
基础
根据基础的设计要求,可人为确定其刚度。通过设置单排桩,可以实现一个具有深厚基础且较柔的水平体系,也可通过将其包裹在软弹性层或套管中,使桩的上部结构变得更柔。借助带有斜桩的支撑结构,可在一定范围内增加基础刚度。
采用单排桩,可以使桥梁具有较高的侧向变形能力,同时减少其对上部结构的约束能力,但在布置多排桥桩时,则应更倾向于深厚的基础和柔性桥台。在建造桥梁桩基础时,需考虑以下规定:
(1)对于桥桩,应考虑其在结构体系内的实际刚度;
(2)单排桩适用于柔性桥台;
(3)对于刚性较大的桥台,多排桩更为适合,斜桩也较为适合;
(4)计算时需考虑边界条件;
(5)为了减少桩上部结构的刚度,可以使用软弹性层或减少桩周围的土,但必须根据给定的土质选择较经济的备选方案;
(6)只有保证结构足够安全的情况下,才能假设桩存在表面摩擦力(桩的上部结构存在循环应力);
(7)桩上部结构的弹性层可以增加整个基础的弹性。
在建造深基础时,应考虑以下原则:
(1)避免在路面标高以下区域的桩存在空隙(上拔力);
(2)通过设置箱形基础,可以增加桥台的刚度;
(3)通过设置柔性基础或增加桥台的高度,可以使桥台的刚度减小。
建设指标
鉴于整体式桥台桥梁所受的载荷会对其设计产生显著影响,因此需考虑一些整体式桥台在桥梁建设方面的指标。
由于桩增加了桥梁的抗变形能力,因此通过改变施工顺序减轻对上部结构的约束力显得更为重要,也可通过增加结构件来减少其影响。此外,也应考虑施工顺序对减少土压力的影响。通过对工期的目标进行控制,可减少与时间相关的变形及由此产生的约束力。
具体措施:为减少因收缩而导致的约束力,在确定两个桥台作为固定点后,上部结构的施工可以同时进行。这样的施工顺序,在施工结束前可以减少部分因收缩而导致的桥梁位移,尤其适用于建设周期长的桥梁。或者可先进行桩的施工,再使用悬臂工法或支架法对桥梁结构进行施工,这样可减少约束力。只有当所有桩与上部结构连接施工完成后,各节点才起作用。
浇筑混凝土的最佳时机:为减少温度对整体式桥台桥梁的影响,应在温度较低时进行浇筑。
混凝土的种类:在施工过程中,应保证所使用的混凝土质量符合设计的要求,用于承重结构的混凝土应保证其质量。为限制结构的裂缝宽度而使用极限刚度,还应考虑结构所受的约束力和材料的性能。过去在奥地利曾使用高强混凝土,但在施工阶段,还是对结构造成了损伤,因此这个课题的研究越来越受到关注。
在未来,整体式桥台桥梁的发展仍然具有非常大的潜力,这意味着桥梁建筑的生命周期将更具可持续性,更注重节约资源。与此同时,整体式桥台桥梁和道路之间过渡区域的相关研究,也得到了前所未有的关注,以便进一步推动整体式桥台桥梁发展。除了希望把整体式桥台桥梁建设得更大、更长之外,对其他较小和较旧的桥梁结构进行改造,是另一个发展方向,这也是未来我们需要继续努力探索的一块新领域。