中国无伸缩缝桥梁调查与分析

陈宝春，王晨辉，薛俊青，黄福云

(福州大学土木工程学院，福建福州 350108)

0引 言

无缝桥取消了伸缩装置(伸缩缝)，从根本上免除了伸缩装置带来的病害与维修更换问题，具有改善行车条件，提高桥梁使用寿命，减少养护维修费用等优点。无缝桥的关键在于取消桥台处的伸缩缝。根据所采用的桥台类型不同，常见的无缝梁桥可分为整体桥、半整体桥和延伸桥面板桥3种形式[1]。无缝结构还可被应用于其他桥梁结构形式的桥梁中，如无缝拱桥。本文调查范围为前述3种主要类型无缝梁桥。

无缝桥在经济发达国家(如美国、加拿大、英国、日本等)应用广泛，其中在美国应用最多[1-2]。为促进其应用与发展，美国联邦公路署分别于1985年、1995年、2004年和2009年对无缝桥进行全国性调查，其中2004年调查数据显示，全美约有9 000座整体桥、4 000座半整体桥、3 900座延伸桥面板桥[1]，可见3种无缝桥在美国应用均较为成熟。

中国自20世纪末开始进行现代无缝桥的研究与应用并取得了重要进展，但无缝桥数量偏少，尚未大面积推广应用[3]。文献[3]首次对截至2016年中国无缝桥建设情况进行了调查，但是调查中缺少对无缝桥上下部结构及引板等具体类型的统计分析，再加上近几年中国无缝桥发展速度有所加快，已有调查滞后于中国无缝桥的发展现状，不能全面反映各结构参数的应用特点。为此本文收集了中国无缝桥的最新建设情况，并对其进行统计分析。

1应用概况

1.1建设趋势

截至2022年5月，中国已建无缝桥70座(表1)，比文献[3]所收集截至2016年4月的40座增加了30座，其中2016年至今新建无缝桥21座，文献[3]未统计的有9座。中国无缝桥随时间增长的修建总数曲线如图1所示。分析可知，中国无缝桥的数量总体上呈增长趋势；2010年开始增速加快，每年新建无缝桥平均数量为4～5座。

分析无缝桥建成时间(图2)发现，2010年以前，中国无缝桥的建成时间呈非连续状，这些无缝桥多为科研项目的依托工程，从而形成明显的时间段；2010年至今，中国无缝桥修建数量连续增加。近几年，相关技术指南与标准的颁布[4-6]为中国无缝桥的快速发展提供了条件。

从总量上看，中国目前已建无缝桥仅70座。交通运输部2020年的统计资料显示，中国共有公路桥梁91.28万座，其中中小桥梁78.64万座[7]，无缝桥仅占中小桥梁的0.009%和全部桥梁的0.008%。美国联邦公路署2004年的调查显示，美国共建成无缝桥16 900余座，占全部桥梁的2.9%[8]。美国2004年无缝桥的总数与相对数分别为中国的241倍和363倍。相比较而言，中国无缝桥的研究与应用起步较晚，且无论是总数还是相对数均太少。

1.2无缝桥类型

无缝桥的类型主要有整体桥、半整体桥和延伸桥面板桥。其中，整体桥的整体性和可持续性最好，在美国、欧洲、澳洲等无缝桥中应用最多。美国的16 900余座无缝桥中，约9 000座为整体桥，占比53%[7]。美国2009年对整体桥的调查发现，有41个州应用整体桥，其中有8个州的整体桥数量超过1 000座[9]。

中国和美国无缝桥类型比例如图3所示。分析可知，中国的两次调查结果中，应用最少的都是整体桥。本次调查的70座无缝桥中，整体桥为20座，占比29%，较2016年调查的占比10%[3]有较大提升，但与美国2004年调查的整体桥占比53%相比还是差距较大。

表1中国已建和在建无缝桥统计Table 1Statistics of Jointless Bridges Built and Building in China

续表1

图1无缝桥数量增长趋势Fig.1Growth Trend of Number of Jointless Bridges

图2无缝桥建成时间Fig.2Completion Years of Jointless Bridges

图3中国和美国无缝桥类型比例统计Fig.3Statistics of Proportion of Different Types of Jointless Bridges in China and the United States

1.3区域分布

中国无缝桥应用省份如图4所示。分析可知，截至2022年，中国15个省份、直辖市或自治区建有无缝桥，较2016年调查的11个省份[3]，新增了黑龙江、宁夏、山东、内蒙古4个省份或自治区，表明中国无缝桥的应用地域在扩大，总体上以中部和南部为主，在北方的应用较少。与美国2009年调查[8]的41个州建有整体桥，占比82%相比，中国无缝桥的应用地域明显偏少。

图4中国无缝桥应用省份统计Fig.4Statistics of Provinces with Jointless Bridges in China

根据文献[10]中的全国气候分区，中国不同温度区域的无缝桥统计如图5所示。从图5可以看出，位于温热地区的无缝桥数量最多，为54座，占比77%，其次是寒冷地区，为14座，占比20%，严寒地区的无缝桥数量最少，仅2座，占比3%。图6为不同类型无缝桥的温度区域分布。分析可知，3种类型无缝桥均主要修建在温热地区，寒冷地区较少，严寒地区最少，与无缝桥总体分布情形相似。寒冷地区主要应用的桥型为延伸桥面板桥和半整体桥，较少修建整体桥，这主要是因为寒冷地区温差较大，对桥梁纵向变形能力要求较高，在中国无缝桥发展初期，采用纵向变形能力更强的延伸桥面板桥和半整体桥是恰当的。严寒地区仅有的2座无缝桥分别为整体桥和半整体桥。由于无缝桥可避免化冰盐对伸缩装置、支座和下部结构的腐蚀，在寒冷或严寒地区建设无缝桥可明显提高桥梁的耐久性。然而，这些地区温差大，桥梁纵桥向胀缩量大，需要开展无缝桥的适应性专题研究，从而推动无缝桥在寒冷或严寒地区的应用。福州大学和长安大学的多位学者已开展适用于无缝桥的有效温度和竖向温度梯度研究，但仍需进一步开展相关研究。

图5不同温度区域无缝桥数量统计Fig.5Statistics of Number of Jointless Bridges in Different Temperature Regions

图6不同温度区域的各类型无缝桥数量统计Fig.6Statistics of Number of Jointless Bridges with Different Types in Different Temperature Regions

1.4桥长与跨数

1.4.1 桥 长

无缝桥的应用受桥长影响较大，受跨径影响较小。桥长为多跨跨径总长，简称总长。不同类型无缝桥的总长与数量关系如图7所示。总长小于100 m的中小桥有63座，占比90%，是中国无缝桥的主要应用对象；大于100 m以上的桥梁仅7座，占比10%。整体桥在总长20～50 m的范围内应用最多；半整体桥在总长20 m以内应用最多；延伸桥面板桥在总长50～100 m的范围内应用最多。

图7无缝桥总长与数量的关系Fig.7Relationship Between Total Length and Number of Jointless Bridges

1.4.2 跨 数

无缝桥的跨数与数量关系如图8所示，其中，单跨无缝桥23座，占比33%，其余47座(占比67%)为多跨无缝桥。可见中国的无缝桥以多跨桥为主。在多跨桥中，3跨与4跨的无缝桥数量较多，分别为23座和12座，占比33%和17%；其次是2跨与6跨，分别为5座和3座，占比7%和4%；5跨、7跨、8跨、10跨均为1座，各占比1%。跨数最多的无缝桥是广东清远的龙塘桥，上部结构为2×11.4 m+11.1 m+11.65 m+4×9.15 m+2×13.55 m的钢筋混凝土I型梁，相邻两跨主梁的梁肋间加设连接钢板，桥面连续[11]。

图8无缝桥跨数与数量的关系Fig.8Relationship Between Number of Span and Number of Jointless Bridges

图9无缝桥跨数与总长的关系Fig.9Relationship Between Number of Span and Total Length of Jointless Bridges

分析无缝桥的跨数与总长关系(图9)发现，二者呈明显的正相关关系，说明中国总长较长的无缝桥主要为多跨桥，这与国外的情形相似。

2结 构

2.1上部结构

70座无缝桥中上部结构为空心板和实心板的分别有44座和2座，占比66%，其余为T梁、小箱梁和箱梁，这与中国无缝桥的应用以中小跨径桥梁为主密切相关。根据桥梁的平面线形分类，70座无缝桥中，直桥为45座，占比64%；弯桥为8座，斜桥为15座，弯斜桥为2座，共占比36%。其中，弯桥的圆曲线半径在109～7 000 m范围内，斜桥的交角在3.65°～45°范围内。弯、斜无缝桥的纵桥向变形受到约束时，会产生沿径向的变形或转动，需要特殊的结构考虑与处理[12-13]。中国的无缝桥应用仍处于起步阶段，在弯、斜桥中的应用不多，且曲率半径较大，斜交角较小。今后应加大弯、斜无缝桥的研究和经验积累，从而将无缝桥应用到更多的弯、斜桥中。

在上部结构材料方面，已知材料的64座桥中，采用预应力混凝土主梁和钢筋混凝土主梁的无缝桥分别为46座和12座，占比91%，另有5座和1座分别采用钢-混凝土组合主梁和钢主梁，各占比8%和2%。无缝桥上部结构材料应用以混凝土为主，这与中国公路中小桥梁以混凝土主梁为主的现状相适应。

2.2桥台与基础

根据桥台与台后填土的关系，桥台主要有全挡土、埋置式和其他三大类[14]。中国不同桥台类型的无缝桥数量统计如图10所示。在65座已知桥台类型的无缝桥中，采用全挡土桥台中的重力式桥台和薄壁轻型桥台的无缝桥分别为19.5座(占比30%)和14.5座(占比22%)；采用埋置式桥台中的柱式桥台和肋式桥台的无缝桥分别为21座(占比32%)和5座(占比8%)；采用其他类中的组合式桥台的无缝桥为5座(占比8%)。显然，采用重力式桥台和柱式埋置式桥台的无缝桥数量最多。上述数量中，0.5座是指某座桥中的一侧采用了该类型桥台。

图10不同桥台类型的无缝桥数量统计Fig.10Statistics of Number of Jointless Bridges with Different Abutment Types

3种无缝桥中不同类型桥台数量统计如图11所示。在16座整体桥中，采用薄壁轻型桥台和柱式桥台的整体桥为15座，占比94%，前者台身柔度较大，后者采用桩基础，基础柔度较大；只有1座跨径为6 m的单跨桥采用刚度较大的重力式桥台。重力式桥台和柱式桥台在半整体桥和延伸桥面板桥中应用较多，分别为12座(占比63%)和23.5座(占比78%)。薄壁轻型桥台由于变形能力较强，适用于整体桥；重力式桥台的变形能力较弱，适用于上下部结构不固接的半整体桥和延伸桥面板桥；柱式桥台的刚度与基础密切相关，适应于各种类型无缝桥；肋式桥台和组合式桥台在中国无缝桥中应用较少。

图113种无缝桥中不同类型桥台数量统计Fig.11Statistics of Number of Different Abutment Types in Three Kinds of Jointless Bridges

中国无缝桥的桥台基础以混凝土桩为主，在已知基础形式的48座桥中有39座，占比81%；另有9座采用扩大基础，占比19%。桩基础具有一定的柔度，适用于不同类型的无缝桥；扩大基础刚度较大，变形能力较弱，因此主要应用于半整体桥和延伸桥面板桥。

针对无缝桥台-桩-土相互作用，福州大学、浙江工业大学和清华大学的多位学者已开展研究，但仍需进一步开展相关研究。

2.3多跨无缝桥的桥墩与主梁结构

在47座多跨无缝桥中，已知桥墩结构形式的有44座，其中采用桩柱式桥墩的多跨无缝桥为41座，占比93%，采用重力式墩和空心墩的多跨无缝桥分别为2座和1座，各占比5%和2%。

根据相邻主梁之间连接方式的不同，多跨无缝桥可分为结构连续桥和仅桥面连续桥。根据桥墩与主梁连接方式的不同，结构连续桥可分为连续梁桥、连续刚构桥和连续半刚构桥[1]。分析不同连接方式的多跨无缝桥数量统计(图12)可知，在43座已知相邻主梁之间及桥墩与主梁之间连接方式的多跨无缝桥中，仅桥面连续桥和连续梁桥各为18座，二者总占比84%；连续半刚构桥和连续刚构桥分别为3座和4座，各占比7%和9%。

图12不同连接方式的多跨无缝桥数量统计Fig.12Statistics of Multi-span Jointless Bridge Numbers with Different Connection Types

图13不同桥跨连接形式的多跨无缝桥数量统计Fig.13Statistics of Number of Multi-span Jointless Bridge with Different Connection Types

分析不同桥跨连接形式的多跨无缝桥的数量(图13)可知，仅桥面连续桥只应用于延伸桥面板桥(11座)和半整体桥(7座)。从机理角度出发，仅桥面连续桥不适用于整体桥。因为整体桥的桥台与上部结构连成整体，桥台对主梁的纵桥向胀缩变形约束很大，变形将集中于桥面板连续部分，使其成为易损部位。仅桥面连续桥的桥面连续构造处受力复杂，易出现开裂等病害。为此，已开展在该处采用抗拉性能较强的混凝土如纤维增强混凝土[15]、高延性纤维混凝土(ECC)[16]和超高性能混凝土(UHPC)的应用研究。其中UHPC的应用方面取得突破，已应用于美国的多座无缝桥中。

多跨无缝桥的主梁宜尽可能采用连续结构。至于是做成连续梁还是连续刚构，主要视桥墩的柔度。当桥墩较刚时，宜采用连续梁。从图13可以看出，连续梁桥在3种无缝桥中均有应用，总数达到18座，而连续刚构桥仅为4座。这是因为大部分无缝桥的跨径和墩高均较小，桥墩刚度较大，不适于采用连续刚构。为加强上下部结构的连接，有3座多跨无缝桥采用半刚构的形式。

2.4引 板

无缝桥的引板由有缝桥的搭板发展而来。除了保证桥梁与接线道路之间过渡平稳、防止桥头跳车作用外，它还可把主梁纵桥向胀缩变形“引到”其末端与道路相接处，故称为引板。从其与台后填土的位置和形式来看，主要有面板式、平埋入式、斜埋入式和Z形引板。文献[17]对中国43座无缝桥的引板信息进行统计发现，中国无缝桥引板以面板式引板为主，为29座，占比67%；其次是埋入式引板，为12座，占比28%；采用Z形引板的无缝桥有2座，占比5%。

本文统计的不同引板类型的无缝桥数量(59座)如图14所示。采用面板式引板的无缝桥为43座，占比73%；采用斜埋入式引板的无缝桥为13座，占比22%；采用Z形引板的无缝桥为3座，占比5%。总体情况与文献[17]相同，具体数据有所不同。

图14不同引板类型的无缝桥数量统计Fig.14Statistics of Number of Jointless Bridge with Different Approach Slab Types

采用面板式引板的无缝桥数量最多，这与中国无缝桥通常建造在采用水泥混凝土路面的一般公路与城市道路中有关。在以沥青路面为主的高速公路中，可采用埋入式引板。今后应加强埋入式引板的研究，为在高速公路中应用无缝桥打下理论基础；同时，Z形引板作为一种适应能力更强的新型引板，具有较好的性能，还要继续研究，扩大应用。福州大学和湖南大学多位学者已开展各种形式的无缝桥引板研究，但仍需进一步开展相关研究。

3结语

(1)中国无缝桥修建数量不断增加，2010年之后增速加快；整体桥的应用比例不断上升；应用省份不断扩大，新增在北方严寒地区的应用；无缝桥以中小跨径为主，总长不长，在多跨桥中应用较多。

(2)中国无缝桥的上部结构以混凝土空心板为主；下部结构中，柱式埋置式桥台在各种无缝桥中均有较多的应用，且整体桥较多采用薄壁轻型桥台，半整体桥和延伸桥面板桥较多采用重力式桥台；桥墩以混凝土桩柱式为主；引板主要采用面板式引板。

(3)中国无缝桥的研究与应用起步较晚，但近年来在无缝桥标准、学术交流、实际应用等方面均取得明显进展。在适用于无缝桥的有效温度和竖向温度梯度取值、无缝桥台-桩-土相互作用和引板类型方面已开展研究，提出多项技术创新。随着中国交通基础设施可持续发展战略的实施，无缝桥这种少维护的桥梁必然得到越来越多的应用。今后应不断增加无缝桥的应用数量以及在不同省份和地区(尤其是北方寒冷地地区)的应用，使其为更多的工程师和管理者所认识和接受，成为可常规应用的桥梁形式；继续加大整体桥的推广力度，扩大应用的跨径、桥长、曲率半径、斜交角的范围，加强既有桥梁无缝化改造的研究与应用，不断推动中国无缝桥技术的发展。