无缝桥的突破——深圳马峦山无缝桥的设计与研究
无伸缩缝桥梁(以下简称无缝桥)取消了伸缩缝，从根本上避免了伸缩缝、桥头引板病害及桥头跳车等问题，具有整体性好、耐久性好、维护成本低、行车舒适度好的特点，是桥梁设计理念的一种创新，也是一种绿色可持续发展的桥梁。美国从上个世纪二三十年代开始修建无缝桥。此后，这种桥梁在加拿大、欧洲、澳洲、日本、东南亚、南亚等区域得到了大量的研究和应用，仅美国就建成了数万座无缝桥。
图1 美国某跨线桥
图2 加拿大某跨线桥
我国无缝桥起步较晚，发展较缓慢，从上个世纪80年代开始了取消伸缩装置和无缝桥的研究与应用。目前，全国已建无缝桥约40座。湖南省长沙市城南路高架桥是第一座半整体式无缝桥，于1999年1月建成通车；广东省清远市的四九桥是第一座整体式无缝桥，于2000年1月建成通车；由深圳市政院设计的马峦山无缝桥是国内城市快速路上的第一座整体式无缝桥，于2018年5月建成通车，如图3所示。
图3 深圳马峦山桥
我国是桥梁大国，据2016年交通运输部统计资料，全国公路桥梁有80.53万座；其中,中小桥68.07万座，占89.1%。大多数桥梁在运营多年后都暴露出支座和伸缩缝的病害，给养护管理部门造成了很大的困扰，因此，推广与应用无缝桥技术，促进我国桥梁事业的进步，显得尤为迫切。
深圳马峦山桥设计
设计概况
马峦山桥为深圳市南坪三期快速路上的跨线桥，位于马峦山公园附近，桥址处对生态环境保护要求高。要求桥梁快速施工及最大限度减少桥梁养护维修的次数和费用；同时，该桥紧邻居民小区与学校，对噪音要求高。经各方案综合比选，该桥最终采用整体式无缝梁桥。左、右幅均采用3×30m三跨连续梁桥，全长90m。总体布置如图4所示。
图4 马峦山桥总体布置图
上部结构采用单箱三室现浇箱梁，与桥墩、桥台全固结。主梁宽17m，箱梁两侧翼缘悬臂板均为2.25m，梁高1.60m。主梁采用预应力结构，纵向预应力钢束均布置在腹板内，采用两端张拉。桥墩采用双柱式墩柱，单柱尺寸1.8m×1.2m。墩柱下接承台，桥墩基础为单排两根直径为180cm的钻孔灌注桩。桥台采用整体式板式桥台，壁厚100cm，桥台基础为单排4根直径为150cm的钻孔灌注桩。设计荷载为城—A级。同时，该桥第一次采用了Z形引板。
关键构造设计
1. 桥台构造
图5 马峦山桥桥台布置图
马峦山桥桥台为整体板式桥台（如图5所示），其纵向抗推刚度较大，为确保主梁预应力有效施加在主梁上，在距承台顶约2m处台身上设置临时支撑体系,待主梁预应力张拉后再浇筑后浇带混凝土，使主梁与桥台形成整体。临时支撑系统由型钢块(如图5(c))、填充砂和顶面砂浆层组成。其中，型钢块传递竖向力，顶面砂浆层和填充砂极大地减少了上半段台身混凝土浇筑时水泥浆渗入到临时支撑系统；同时，为保证后浇带混凝土的密实性，在其左侧或右侧设置倒三角构造（三角块混凝土同后浇带一起浇筑）。该临时支撑体系保证了台身在分阶段施工时竖向钢筋可通长设置，方便施工，简化施工工艺。
2. Z形引板构造
图6 马峦山桥桥台台背构造设计
与普通连续梁桥相比，整体式无缝桥对温度荷载较为敏感，在整体升降温、混凝土收缩徐变及车辆的反复荷载作用下，路面结构更易开裂或沉降，故该桥采用新型Z形引板（专利号：201310149773.1）。马峦山桥Z形引板由上板、斜板和下板组成，构造设计如图6所示。Z形引板采用C30混凝土，长1151.4～1206.6cm，上板35cm厚，长856.9～912.1cm，其下表面设10cm厚C15素混凝土垫层，上表面到路面分别设3cm厚细砂层、6cm厚C40混凝土调平层及8cm沥青路面；斜板21cm厚，长107.4cm，与水平向倾角45°，其上下表面均设25mm厚聚苯乙烯材料；下板25cm厚，长187.1cm，埋深132.4cm，其上下表面分别设3cm厚细砂垫层，且在其末端设25mm厚聚苯乙烯泡沫材料。
模型及主要计算结果
采用Midas Civil建立有限元模型，各杆件单元均采用梁单元模拟，主梁与墩柱之间采用刚性连接，由于桩基均为嵌岩桩，桩端按固定边界考虑，有限元模型如图7所示。台背填土按主动土压力进行施加，桩周土模拟为只受压弹簧，弹簧刚度按照《公路桥涵地基与基础设计规范》中m法计算，恒载、活载及温度荷载按照现行规范进行施加，对无缝桥主梁进行承载能力极限状态和正常使用极限状态验算、承台和桩基的强度及裂缝计算、地震作用等验算，计算结果均满足相关规范要求。
图7 有限元模型图
施工顺序设计
先进行场地平整，施工桥梁基础→施工墩柱及台身下半段（注意台身及墩柱钢筋预留）→安装满堂支架、桥台临时支撑系统、模板→浇筑箱梁、台身上半段→张拉钢束→凿除临时支撑系统中的砂和砂浆，浇筑台身后浇带→拆除支架，完成体系转换→施工台后回填、桥台引板→施工桥面系及附属构造。
经济比选分析
将马峦山桥与同等深度设计的连续梁桥进行方案比选，并做经济对比分析。比选方案桥型如图8所示，主梁断面与整体无缝桥方案一致，墩柱采用1.5m×1.5m方墩，每个墩柱下设置两根直径为150cm钻孔灌注桩；采用重力式桥台，双排桩，每排设置4根直径为120cm钻孔灌注桩。
图8 比选方案桥总体布置图
将整体式无缝桥和常规连续梁桥从上下部结构工程用量和后期维护两方面进行对比，结果如表1所示：采用整体式无缝桥可节省造价约13%，无论是经济性还是后期的养护维修成本，整体式无缝桥优势突出，符合全寿命周期设计理念。
试验研究
整体式无缝桥成桥后形成框架结构，上下部结构形成整体；在荷载作用下，上下部结构及台后引板一起工作，桩—土相互作用的模拟及台后引板的工作机理是设计的关键环节，故开展了桩—土相互作用及Z形引板试验。
桩—土相互作用试验
采用四组拟静力试验，钢筋骨架和模型桩缩尺比为1:12.5；试验装置由竖向千斤顶、模型箱、模型桩以及液压伺服加载系统（MTS）作动器4部分组成。试验及有限元分析结果表明：扩孔桩的桩身刚度和耗能能力，取决于扩孔尺寸和桩周填充材料的阻尼。
图9 试验装置工作机理图
Z形引板试验
以马峦山桥Z形引板为试件原型，宽度方向取1m，斜板与水平线的夹角参数分别取30°和45°。试验及有限元分析结果表明：倾斜角45°引板的变形吸纳能力优于倾斜角30°引板；与面板式引板相比，Z形引板可减缓因刚度突变导致引板结构或路面的破坏。
图10 加载系统
应用及展望
1.合理优越的构造设计是梁与桥墩、桥台全固结的整体式无缝桥实现结构体系转换，受力合理，施工便捷的关键。
2.整体式无缝桥不仅具有整体性好、抗震性能强、耐久性好、维护成本低、行车舒适度好等特点，其经济性也优于传统有缝连续梁桥。
3.对桩--土相互作用及Z形引板受力机理进行了试验研究，相关结论可供今后该类桥的设计与科研提供参考。
4.目前，我国相关规范规定无缝桥的适用长度、范围和条件存在较大局限性，应进一步推进结构与施工工艺创新、新材料研发应用，实现无缝桥总长及适用条件更大突破，便于推广应用。
本文刊载 / 《桥梁》杂志
作者 / 陈宜言 全国工程勘察设计大师
作者单位 / 福州大学（现任职单位）
深圳市市政设计研究院有限公司（原任职单位）
编辑 / 陈晨
美编 / 赵雯
责编 / 周洋
审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲
推荐阅读
杂志征订
扫描二维码
订阅杂志
扫描二维码
获取资料名录
商务合作（广告 / 招商）
联系人：李天颖
联系邮箱：xmt@bridgecn.org
联系电话：13552183635
联系人：黎伯阳
联系邮箱：xmt@bridgecn.org
联系电话：010-64282959-503 18601025686
稿件投递
联系人：裴小吟
联系邮箱：xmt@bridgecn.org
扫描二维码
关注更多精彩
喜欢请转发吧！
原创稿件，转载请标明出处