无伸缩缝桥梁引板研究综述

Bruno Briseghella， 唐玉风， 薛俊青， 陈宝春， 黄福云

(福州大学土木工程学院， 福建 福州 350108)

0 引言

通过设置伸缩缝来吸收温度变化、 混凝土收缩徐变等引起的主梁纵桥向位移(u0)， 并设置桥面伸缩装置提供平顺交通的桥梁被称为有伸缩缝桥梁(简称： 有缝桥). 由于长期受到自然环境、 车辆荷载及养护不当等影响， 桥面伸缩装置极易损坏， 进而造成桥梁次生病害， 影响桥梁的使用性、 安全性和耐久性. 桥面伸缩装置频繁维修和更换耗费大量人力和费用[1-2]. 为根本解决桥面伸缩装置的易损问题， 无伸缩缝桥梁(简称： 无缝桥)作为一种少维护的桥梁越来越受到关注. 无缝桥的整体性好， 桥面平顺， 全寿命周期成本低， 具有良好的经济效益和社会效益[1-4].

有缝桥搭板的主要作用是避免车辆荷载对路堤填土的直接碾压， 为桥梁和道路的竖向刚度提供过渡区， 减小竖向沉降差影响， 解决桥头跳车问题[5]. 无缝桥的引板， 因与主梁直接连接， 还要考虑纵桥向的变形问题， 构造上要能保证它与主梁连接牢固不脱离， 同时以刚体运动为主的纵向变形所受的约束小， 以免在引板内和边界约束处产生较大的应力， 引起损伤与破坏[1, 6].

引板需要承受纵桥向拉力和推力、 车轮竖向荷载以及两者共同作用， 受力复杂. 除了与有缝桥搭板类似， 会由于车辆荷载及台后填土沉降而造成引板下方填土脱空， 导致引板的沉降和混凝土开裂[7]之外， 引板还受到u0的影响产生位移和转动， 造成主梁-引板连接处以及引板末端路面出现横向裂缝和竖向沉降， 进一步加剧引板病害[8]. 美国2004年的调查表明， 无缝桥中最常出现病害的构件是引板， 包括沉降(46%)和混凝土开裂(28%)[9]， 需要花费大量维修费用[10]. 引板除了自身受力复杂之外， 还会与台后填土产生相互作用(简称： 引板-土相互作用). 由于土体具有非线性及滞后性， 引板-土相互作用将影响无缝桥的受力状态和极限长度[11-12]. 目前， 针对无缝桥引板的构造及引板-土相互作用的系统性研究较少.

本文从引板构造， 引板-土相互作用及该相互作用对无缝桥受力性能的影响等方面， 综述国内外针对引板所开展的理论分析、 实桥监测、 模型试验和数值模拟研究现状， 展望引板的下一步研究方向. 本文结论有望为开展引板研究奠定基础， 推动我国无缝桥发展.

1 引板类型与应用

1.1 引板类型

1.1.1 面板式引板

与桥面板标高同高， 并作为路面结构的引板被称为面板式引板[6]. 该类引板长度约为3～8 m[5, 13]， 两端分别支撑在主梁端部牛腿和枕梁上[14]， 如图1(a)所示. 接线道路为水泥混凝土路面时， 一般采用面板式引板， 它可视为配筋混凝土路面. 接线道路为沥青路面时， 也可用面板式引板. 面板式引板构造与有缝桥搭板类似， 技术最成熟， 应用最广泛. 美国多州均选用面板式引板为设计标准图[1, 5].

面板式引板对于其纵桥向运动时可能受到的约束， 两侧面通常设置泡沫等材料与路缘石隔开， 予以解除； 底面通常设置滑移层， 以减小摩阻力， 将u0传递至引板末端[15-16]； 末端面则设置胀缝， 以适应所传递来的u0[4, 15-17]. 滑移层材料通常有泡沫板、 砂土层以及砂土上铺设镀锌铁皮或油毛毡等[11].

单条胀缝通常宽度为20 mm[15-17]. 当u0超过20 mm时， 可以设置多段式面板式引板及多条胀缝[15-16]. 某座延伸桥面板桥监测发现主梁和面板式引板之间的相对位移很小， 可以忽略； 胀缝宽度变化与u0基本一致， 证明面板式引板可以将u0传递至胀缝[16]. 胀缝被认为是面板式引板的薄弱环节. 为取消引板末端胀缝， 有学者设置预锯缝接线路面和地梁来吸纳u0[18-19]. 但是由于预锯缝存在， 接线路面耐久性有待观察. 与有缝桥的搭板相同， 面板式引板到接线路面的竖向刚度也存在较明显的突变问题， 存在不均匀沉降隐患.

1.1.2埋入式引板

埋在低于桥面或路面下的引板被称为埋入式引板， 多应用于接线道路为沥青路面的工程中[6]. 引板两端标高相同或相近时， 称为平埋入式， 如图1(b)所示. 平埋入式引板在欧洲、 美国和澳大利亚应用广泛[5, 10,13, 20]， 埋置深度需大于500 mm[13]. 从桥梁相接一端向接线端向下斜向放置的引板被称为斜埋入式[6]， 如图1(c)所示. 斜埋入式引板与路面的夹角(α)为引板倾角， 该倾角的正弦定义为坡度. 斜埋入式引板在德国和奥地利等国家应用广泛[13, 20].

埋入式引板顶、 底面、 两侧面和末端面均处于土体中， 为减小摩阻力， 周边均宜设置砂土等粘性小的材料. 其变形量主要集中在末端面， 但由于需要通过较厚的土体才能反映到路面， 因而路面在该处出现反射裂缝的风险较低[21].

埋入式引板对于其上的路面提供了较大的刚度， 有利于刚性桥面到柔性路堤的竖向刚度过渡， 从而缓解台后填土沉降引起的跳车问题. 有学者建议使用斜埋入式引板解决无缝桥引板的沉降问题[13].

然而， 工程实践发现， 埋入式引板随主梁的纵桥向变形， 会产生纵桥向位移和转动， 可能引起引板末端处路面沉降， 降低路面平整度和行车舒适度， 甚至可能导致路面开裂[22]. 实桥监测发现某无缝桥的平埋入式引板末端及无缝桥-引板连接处上方的路面都出现了裂缝， 需要进行修补[5]. 另外， 斜埋入式引板末端埋置深度如果过大， 会导致无缝桥-引板连接处发生较大转动， 导致该处路面产生裂缝.

1.1.3 Z形引板

国内学者提出Z形引板并应用于工程实践[1, 23-24]， 国外未发现该类型引板应用. Z形引板由面板、 斜板和底板组成[6]， 如图1(d)所示， 集成了面板式引板、 斜埋入式引板和平埋入式引板的功能. 面板末端取消了胀缝. 斜板和底板使引板的埋置深度从桥梁相接一端向接线端不断增大， 有利于竖向刚度过渡， 从而缓解台后填土沉降引起的跳车问题. Z形引板可通过调整斜板倾角提供不同的纵桥向抗推和抗拉刚度， 吸纳和传递u0[23].

(a) 面板式引板

1.2 无缝桥-引板连接构造

无论是何种引板， 由于取消了伸缩缝， 它都要与主梁连接在一起. 连接处的构造是引板设计的关键. 实际工程中， 一般先施工主梁后施工引板， 这样在主梁与引板之间就存在着施工缝， 二者在u0作用下， 接缝处将产生较大的拉力， 为此需设置钢筋以抵抗拉应力. 实际应用中， 钢筋层数(单层或双层)、 方向(纵向、 竖向或斜向)及形状(直线或X型)不尽相同. 大多数工程采用单层纵向直线钢筋， 如图2(a)所示. 利用钢筋与混凝土板之间的粘结力传递u0； 通过施工缝和设置在施工缝上部的软木条容许少量转动， 并在施工缝上方铺设土工格栅以阻止裂缝反射至路面[10, 14, 16]. 有工程采用双层纵向X型钢筋， 将钢筋交叉点位于施工缝处， 如图2(b)所示. 利用双层钢筋与混凝土板之间的粘结力传递u0， 通过施工缝和X型钢筋容许少量转动[25]. 单层竖向直线钢筋(图2(c))或双层竖向X型钢筋(图2(d))主要利用钢筋的剪切刚度来传递u0[10, 14]. 有学者认为竖向钢筋的剪切刚度不足以传递u0[22]. 瑞士某无缝桥监测结果显示， 采用单层竖向直线钢筋连接的引板绕牛腿转动并在上方路面形成反射裂缝. 这是因为当引板转动时， 相对于引板绕桥面板处的转动， 引板绕下方牛腿处的转动可能造成更大的顶部开裂[22]. 有学者提出设置单层斜向直线钢筋， 如图2(e)所示. 斜向钢筋综合利用钢筋与混凝土板之间的粘结力和钢筋的剪切刚度来传递u0， 通过施工缝容许少量转动[26]. 还有几类连接构造仅传递u0， 不允许引板转动[26]， 如设置双层纵向直线钢筋(图2(f))或单层纵竖向直线钢筋(图2(g)).

有学者提出一种允许无缝桥-引板连接处形成混凝土铰， 从而将引板转动分散在整个混凝土铰长度范围内的无缝桥-引板连接构造， 如图2(h)所示. 通过试验研究发现， 当配筋率在0.3%左右， 该构造可满足引板所需的转动能力[22]. 有学者认为混凝土铰需要仔细设计， 因为其转动能力可能因为大弯矩和剪力的组合作用而减弱[21]. 无缝桥-引板连接构造的施工缝以及混凝土铰处的钢筋均易受雨水侵蚀而产生锈蚀， 应对这些位置的钢筋进行防锈处理[26].

(a) 单层纵向直线钢筋

综上所述， 无缝桥-引板连接构造需要将u0传递至引板及台后填土中. 考虑到引板厚度远小于主梁高度， 引板的抗弯刚度较小， 可通过构造措施允许引板出现少量转动， 避免引板自身受弯破坏. 应避免引板在连接构造的顶部发生转动， 连接构造底部发生转动可减少路面开裂的危险.

1.3 中国无缝桥引板应用情况分析

将所收集到的国内44座无缝桥及引板信息列于表1中. 分析统计资料发现， 在43座有引板类型资料的无缝桥中， 29座采用面板式引板， 12座采用斜埋入式引板， 2座采用Z形引板， 分别占比67.4%、 27.9%和4.7%. 分析可知， 面板式引板应用最广， 当桥梁长度较长时， 常采用多段式面板式引板； 斜埋入式引板(坡度通常为3%～7%)和Z形引板也得到应用.

在41座有无缝桥-引板连接构造资料的无缝桥中， 30座采用单层纵向直线钢筋， 7座采用单层斜向直线钢筋， 2座采用单层竖向直线钢筋， 1座采用双层纵向X型钢筋， 1座采用双层竖向X型钢筋， 分别占比73.2%、 17.1%、 4.9%、 2.4%和2.4%. 我国最常采用设置单层纵向直线钢筋的无缝桥-引板连接构造.

表1 中国无缝桥引板信息统计

续表1

2 引板-土相互作用研究

2.1 面板式引板-土相互作用

图3 面板式引板-土相互作用计算模型

与有缝桥搭板主要关注竖向荷载作用及板下脱空不同， 面板式引板-土相互作用中的土可简化为对引板的法向支承、 切向约束和端部约束， 如图3所示. 法向支承刚度主要受土体的弹性模量影响， 可采用弹性地基梁理论进行分析. 切向约束主要受引板与板下土体之间的纵桥向摩擦力影响. 某无缝桥温度及位移长期监测发现， 受摩擦力棘轮效应影响， 日温度变化过小不足以克服引板与板下土体之间摩擦力， 导致温度变化与桥梁纵桥向位移呈现负相关； 季度温度变化较大， 可引起引板移动， 使温度变化与桥梁纵桥向位移呈正相关[14]. 为考虑摩擦力对引板受力情况影响， 有学者提出考虑切向摩擦力的温克尔地基梁简化计算模型[27]， 还有学者提出系数修正简支梁法的计算板长[28].

在有限元模拟中， 有学者将面板式引板-土相互作用简化为在无缝桥端部设置纵桥向弹簧[11]， 并将引板与不同滑移材料的摩擦力-水平位移曲线[29]简化为双线性模型作为弹簧刚度； 还有学者采用竖向和纵桥向弹簧模拟土体对引板的法向支承和纵桥向摩擦力作用[30]. 主梁收缩时， 引板端部与胀缝分离， 可不考虑端部约束. 主梁膨胀时， 引板端部与胀缝挤压， 胀缝及板后土体的压缩刚度会产生端部约束； 然而大量学者开展面板式引板受力分析时， 未考虑该端部约束[3, 11, 14, 25, 28]， 可能导致结果不够精确. 实桥监测发现面板式引板末端及胀缝处会出现路面沉降及开裂破坏[8]. 在u0作用下， 面板式引板的位移造成板后土体变形， 从而导致其上方路面隆起或塌陷， 甚至出现开裂的力学机理， 如图4(a)和4(b)所示. 图4中阴影部分表示引板末端土体变形区域， 路面处竖向实线表示路面开裂.

综上所述， 有缝桥搭板的计算方法不适用于面板式引板. 考虑面板式引板-土的纵桥向相互作用， 特别是引板下不同滑移材料之间的纵桥向摩擦力影响， 是提高计算精度的关键.

2.2 埋入式引板-土相互作用

某无缝桥斜埋入式引板监测发现， 引板末端出现应变集中现象， 从引板末端上升至路面呈现出应变逐渐减小而应变区域逐渐增大的现象[20]. 有学者实测带斜埋入式引板的无缝桥的主梁及接线路面处的混凝土应变发现， 随着温度升高， 主梁膨胀变形传递至斜埋入式引板， 使接线路面受到推挤， 压应力增加； 温度下降时规律相反. 该变形可恢复， 实际变形小于计算值[31].

有学者通过模型试验分析斜埋入式引板末端上方的路面平整度发现， 引板末端上方路面的开裂宽度与引板末端埋深成反比； 引板的纵桥向位移会使路面发生竖向的隆起与凹陷， 降低行车舒适性[21]. 有学者开展带不同路堤填土加筋材料(塑料格栅、 玻纤格栅和钢筋)的斜埋入式引板及路面结构的模型试验， 通过优化路堤填土材料来改善接线路面的开裂角度. 试验结果表明， 在水泥稳定碎石中加入土工格栅， 可以提高裂缝的延性并保持路面承载力. 当拉伸变形量小于5 mm时， 可采用玻纤格栅； 当拉伸变形量大于5 mm时， 采用钢筋进行加筋的效果最佳[32].

为探明埋入式引板-土相互作用的工作机理， 有学者使用有限元软件GEFDYN模拟斜埋入式引板-土相互作用. 在u0作用下， 引板末端上方的路面产生局部沉降. 在瑞士规范路面平整度(2%)的要求下， 增大引板末端埋深， 可增大u0容许值及桥梁极限长度. 当引板末端埋深大于0.6 m时，u0容许值显著增大[22]. 还有学者建立平面应变有限元模型研究斜埋入式引板-土相互作用. 当温度下降时， 引板末端的土体拉应力最大， 最先出现裂缝， 主拉应力从引板末端埋深处至路面逐渐减小. 当引板长度相同时， 随着倾角增大， 路面的拉应力减小， 而无缝桥-引板连接处的拉应力增大， 这可能是由于倾角增大导致引板末端埋深增大， 土体重量增加导致斜埋入式引板-土之间的摩擦力增加[33]. 在u0作用下， 埋入式引板的位移造成板后土体变形， 从而导致其上方路面隆起或塌陷， 甚至出现开裂的力学机理如图4(c)～4(d)所示(以斜埋入式引板为例).

综上所述， 埋入式引板末端土体及无缝桥-引板连接处的上方路面平整度及开裂是研究重点. 通过增大引板倾角或引板末端埋置深度， 可减小路面出现不平整或开裂的风险.

(a) 面板式引板(主梁膨胀)

2.3 Z形引板-土相互作用

有学者使用有限元软件ABAQUS建立Z形引板-土相互作用数值模型， 分析Z形引板-不同台后填土材料相互作用对路面平整度的影响. 研究表明， 由于主梁收缩导致Z形引板向主梁方向的移动对路面平整度影响较大. 在斜板前侧填充弹性模量较大的水泥稳定碎石等材料， 后侧填充弹性模量较小的砂土等材料可缓解该现象[23]. 在u0作用下， Z形引板的位移造成板后土体变形， 从而导致其上方路面隆起或塌陷， 甚至出现开裂的力学机理与斜埋入式引板类似.

3 引板-土相互作用对无缝桥影响

3.1 对无缝桥受力性能影响

无缝桥结构计算中应考虑引板[11, 29, 34]. 有学者采用有限元软件ANSYS建立了考虑及不考虑面板式引板的无缝桥数值模型. 分析结果表明是否考虑引板对边跨主梁弯矩和桩顶剪力影响较大； 引板-土相互作用使无缝桥的纵向刚度增大， 使结构的纵向基频明显增大[34]. 还有学者采用有限元软件分析面板式引板与不同滑移材料的摩擦力对无缝桥主梁和面板式引板的受力性能影响， 结果显示摩擦力对桥台处主梁弯矩的影响大于跨中和墩顶处主梁弯矩[11]. 在u0作用下， 当引板下铺设砂垫层(摩擦系数为0.59～0.69)时， 主梁和引板的拉应力值均很小； 铺设水泥稳定粒料(摩擦系数为1.80)和级配碎石(摩擦系数为4.00)作为垫层时， 主梁和引板的拉应力值均较大， 甚至出现引板底面和主梁顶板被拉裂的情况. 推荐在面板式引板下设置砂垫层， 从而减小主梁和引板拉应力[29]. 现有研究主要关注面板式引板对无缝桥受力性能的影响. 无缝桥中引板及连接构造类型众多， 不同类型引板及连接构造对于无缝桥受力性能的影响差异急需进行深入研究分析.

3.2 对无缝桥极限长度影响

引板-土相互作用是限制无缝桥极限长度的主要因素之一. 基于瑞士规范路面平整度及斜埋入式引板耐久性的要求， 分析得到u0容许值不超过43 mm[22]； 增大引板末端埋深， 可增大桥梁极限长度[17]. 假设温差为20 ℃， 考虑引板的耐久性影响， 即前述u0容许值, 可预估无缝桥极限长度为430 m. 引板对于无缝桥极限长度的影响大于其他因素[12]. 现有研究主要关注斜埋入式引板对无缝桥极限长度的影响， 需要对比不同类型引板及连接构造对于无缝桥极限长度的影响.

4 结语

1) 国内面板式引板应用数量最多， 斜埋入式引板(坡度3%～7%)和Z形引板也得到应用. 我国无缝桥大部分采用设置单层纵向、 竖向或斜向直线钢筋的无缝桥-引板连接构造.

2) 面板式引板-土相互作用需要考虑土体对引板的竖向支承、 切向约束以及端部约束， 有缝桥搭板的计算方法不适用. 面板式引板末端的路面沉降和开裂需要特别注意.

3) 埋入式引板和Z形引板-土相互作用研究以实桥监测、 模型试验和数值模型为主， 尚未提出系统的理论计算方法. 路面平整度是分析引板-土相互作用的关键控制指标. 引板末端埋深越深， 引板末端上方路面的开裂和沉降风险越低， 但是无缝桥-引板连接构造处的路面更容易开裂. 埋入式引板末端土体及无缝桥-引板连接处的上方路面平整度及开裂是研究重点.

4) 引板-土相互作用对无缝桥边跨主梁弯矩和柱顶剪力、 主梁和引板拉应力、 纵向基频和极限长度影响较大. 下一步还需开展埋入式引板-土相互作用力学机理研究； 不同引板及连接构造类型对于无缝桥的影响研究； 斜、 弯无缝桥的引板研究以及新型引板形式研究.

致谢: 感谢苏交科集团股份有限公司、 西安公路研究院、 深圳市市政设计研究院有限公司、 漳州市公路局、 泉州市公路局安溪分局、 京港澳高速公路石安段改扩建筹建处、 福州市公路局闽侯分局和可持续与创新桥梁福建省高校工程研究中心提供无缝桥引板信息.