【摘要】我國橋梁由于伸縮縫裝置的破壞而遭受不同程度毀壞的現象十分嚴重，各國學者尋求最好伸縮縫結構的結論是"最好的伸縮縫結構是無伸縮縫"。本文簡要綜述了無伸縮縫橋梁在美國的發展情況及使用過程中的主要問題，并對無伸縮維橋梁設計中的一些問題進行了初步討論。期待在我國開展對無伸縮縫橋梁的研究和實踐。
關鍵詞 無伸縮縫橋梁 發展 綜述
一、概述
公路橋梁的伸縮鍵是當今橋梁施工和維護中的難題之一。橋梁的伸縮維長期暴露在大氣中，使用環境比較惡劣，是橋梁結構中最易遭到破壞而又較難以修補的部位。橋梁伸縮鍵在設計、施工上稍有缺陷或不足，就會引起其早期破壞；而橋梁伸縮縫的破壞，又可能引起很大的車輛沖擊荷載，惡化行車狀況，急劇降低橋梁使用壽命。世界各國的學者都在努力尋求最好的伸縮縫結構，得到的結論是"最好的伸縮縫結構是無伸縮縫"[1]。
無伸縮縫橋梁的建造在美國已有較長的歷史。它的設計除了整體式橋臺以及引道板與路面連接處的構造不同外，與一般橋梁設計原理基本相同。在完成主梁施工后，采用一些特殊措施將主梁、樁基礎、橋臺做成整體式，形成無伸縮縫橋梁。目前這種橋型在美國發展很快，遍及
90％的州，僅在田納西一個州就有1000多座無伸縮縫橋梁，橋型涉及鋼橋、混凝土橋、直橋和曲線橋。鋼橋最大長度做到127m，混凝土橋最大長度已達到358m[1,2]。
無伸縮縫橋梁不但大大改善了行車狀況，減少車輛的沖擊和提高橋梁使用壽命，還具有如下優點：①由于取消了兩端伸縮縫，降低了橋梁造價及養護費用；②使縱、橫向的活荷載分布更加均勻；③增加了橋梁的超靜定約束和抵抗各種災難事件的能力；特別對于地震，由于它消除了落梁現象，提高了橋梁的抗震能力[3]；④橋臺只需設置垂直樁，可以減少樁的數量，加速施工進度心橋梁的安裝誤差也可適當放寬；等等。
盡管此類橋梁在美國已經成功地使用了很長時間（歐洲、日本在一些橋梁中也已開始使用），但至今還沒有一個比較科學的設計理理論[4]。目前的設計方法基本上依賴于經驗與觀察，一些學者認為，無伸縮縫橋梁的發展完全是建立在失敗與成功的教訓上[3]。
隨著我國經濟建設的迅猛發展，公路交通量急劇增大，公路上行駛車輛的行駛速度和車輛的軸重不斷增加，我國橋梁由于伸縮縫的破壞而遭受不同程度毀壞的現象也十分嚴重。根據
1990年的調查資別到，北京市公路管理處、天津市橋梁管理所等13個城市的橋梁管理部門所管理的橋梁總數為2490座，調查了556座，占橋梁總數的22.3％，其中伸縮裝置已被破壞的橋梁數為271座，占被調查橋梁總數的48.7％（見表1）。
除北京之外的上述仁座城市建設管理部門，曾在1989年底到1990年初對所管轄的242座橋梁的伸縮裝置的現狀進行了調查，橋梁伸縮裝置完好的為62座，僅占調查數的26％。
上述資料表明，我國橋梁伸縮裝置的破壞率很高，情況相當嚴重。文獻［5」還列舉了其他一些大橋伸縮裝置的破壞情況。例如：
湖北省沙洋漢江流水大橋，為主跨113m的多跨預應力混凝土連續梁橋，調查發現伸縮裝置的鋼齒板已損壞脫落，錨固件外露，時常戳破汽車輪胎，駕駛員叫苦不迭。
湖北省武漢市江漢大橋的鋼板伸縮裝置處大量滲水，造成鋼板大面積銹蝕。
天津市東環路立交橋的板式橡膠伸縮裝置出現橡膠開裂，鋼板外露，錨固件脫落。
大連市香甘立交橋鋼平板伸縮裝置在通車后不久便損壞嚴重，汽車經過時產生強烈顛簸，沖擊梁端，使主梁端部混凝土破碎，嚴重影響正常的交通運輸。
遼寧省香爐礁立交橋，主干道東北路段全長2023m，共設板式橡膠伸縮裝置24道，普遍出現兩側鋪裝破碎，橡膠板松動斷裂，破壞嚴重的約占90％。
陜西省西（安）寶（雞）一級公路上咸陽渭河大橋，通車不到四個月，氣溫變化還未達到全年最高氣溫，全橋的板式橡膠伸縮裝置已變形隆起，超過規定值；鋼板與橡膠剝離，有的還相當嚴重，不但影響行車的舒適性，而且還影響到行車的安全性。
調查表明，我國橋梁伸縮縫的破壞現象十分嚴重。研究設計和制造使用更好的伸縮裝置固然十分重要，但進一步考慮，如能采用無伸縮裝置的橋梁結構，則是從根本上解決橋梁由于伸縮縫的破壞而遭受毀壞的現象。對于無伸縮縫橋梁，目前在我國還沒有展開深入的研究和實踐。因此學習、了解并利用國外一些先進國家建造無伸縮縫橋梁的成功經驗，根據我國的具體國情，研究建造適合我國國情的無伸縮縫橋梁，發展公路橋梁事業，可以說是從事橋梁研究設計人員的一項非常有意義的工作。
本文簡要介紹了美國無伸縮縫橋梁的發展及使用過程中的主要問題，并期待在我國深入開展對無伸縮縫橋梁的研究和實踐。
二、無伸縮縫橋梁在美國的使用情況
二次世界大戰前，美國總長度超過15m的橋梁都沒有一定形式的伸縮縫。圖1為帶有伸縮縫裝置的橋梁立面圖。由于回填料內和路面上的積水以及公路表面垃圾容易滲透到伸縮縫內，引起橋梁伸縮縫的堵塞或凍結，伸縮裝置逐漸被封閉，最終導致破壞，難以完成設計時所期望的伸縮功能。
大約在20世紀60年代，美國開始采用連接橋梁上部結構和樁基礎的無伸縮裝置的整體式橋臺，堪薩斯州，密蘇里州，俄亥俄州和田納西州是較早采用這種方法的州。采用無伸縮縫的整體式橋臺，除了行車平穩外，由于消除了伸縮裝置，排除了伸縮縫處水的滲漏隱患，降低了橋梁造價及維修費用，使得這種類型的橋梁逐漸地流行起來。圖2為帶有無伸縮縫整體式橋臺的橋梁立面圖。
關于無伸縮橋梁的使用狀況美國有關部門曾做過許多調查工作【6】。調查表明，80％以上的公路機構已為無伸縮縫裝置的橋梁建立了設計標準，但各州現有的設計規范和標準并不相同。下面我們把美國一些州使用無伸縮縫橋梁的情況介紹如下：
·田納西州在田納西州的交通部門，一個結構工程師的能力是以他能設計無伸縮縫橋梁的長度來衡量的。在過去的20多年里，幾乎所有新建的公路橋梁都是無伸縮縫橋梁。其中1998年以前，最長的無伸縮縫橋梁包括一座283m的預應力混凝土橋，一座127m的鋼橋以及一座140m的裝配式混凝土橋。1998年田納西州50號公路又建成美國最長的無伸縮縫曲線橋梁（見圖3）。該橋全長358m，其中曲線部分的長度為297m。橋寬14m，為預應力混凝土T粱，梁高2.lm。各跨長度從39.3m至42.7m不等，采用雙柱式墩，墩高為15.5～27.7m。
在總結建造完伸縮縫橋梁的經驗時，田納西州交通部門的報告[7]指出："我們發現橋面的伸長和上部結構的應力都沒有異常。所有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?！炷劣捎跍囟茸兓徛蛎浕蚴湛s，就會產生徐變。徐變可能會使應力達不到預計的程度?！瓰槭估碚摳玫胤从硨嶋H的情況，對于混凝土我們把它的溫度彈性模量減小到動力荷載彈性模量的1/3。""總之，田納西州根據建造無伸縮縫整體式橋臺的橋梁20多年的經驗，說明對于溫度位移不超過5.08cm的橋梁完全可以采取消除伸縮縫裝置來減少建造費用和長期維修的費用。"
·加利福尼亞州自1971年以來，加利福尼亞州一般是建造無伸縮縫的公路橋梁。目前加利福尼亞州有100座以上長度超過107m的無伸縮縫橋梁。即使對于大多數有伸縮縫的橋梁，在橋臺處也是無伸縮縫的。
加利福尼亞州的交通部門指出[8]：無伸縮縫整體式橋臺的橋梁主要優點是低造價，吸收地震荷載的有效性以及容許結構有相對較大的溫度位移能力。長度超過122m的鋼筋混凝土橋梁由于溫度位移在橋臺處是不會產生明顯的結構應力。
由于水的滲透是橋梁設計存在的主要問題，加利福尼亞州的交通部門把引道板直接和橋臺連接在一起并延伸到翼墻。此外，還埋置了排水系統。加利福尼亞州對橋梁的位移（包括溫度、徐變及長期應力下的收縮）規定在引道板和連接路面之間伸縮量的最大值為2.54cm。
南達科他州南達科他州對建造無伸縮縫整體式橋臺的橋梁，尤其是鋼橋，有著豐富的經驗，也是第一個做全比例模型檢測程序以評估無伸縮縫整體式橋臺的橋梁性能的州。
在檢測程序中，他們對無伸縮縫整體式僑臺的梁內和支承處鋼樁頂部由于溫度位移引起的應力大小進行了測量。一個典型的公路橋梁的無伸縮縫整體式橋臺全比例模型按以下四個階段進行建造和檢測：
第一階段：把梁焊接在鋼樁上；
第二階段：現場完成一個整體式橋臺；
第三階段：連接橋合和引道板；
第四階段：填好回填料。
在每一階段，檢測試件要受到一組液壓千斤頂控制的縱向位移，用以模擬溫度變化引起的膨脹和收縮。由于檢測試件是按實際橋梁的全比例設計和建造的，可以把這種方法看成是現場研究而不僅僅是模型研究[9]。在檢測結果的基礎上得出了以下結論：
（l）由溫度變化引起的位移和剪力要比AASHTO（美國各州公路和運輸工作者協會）規定的組合荷載下的容許極限應力小得多。
（2）整體式僑臺可以看成一個剛體。
（3）超過1.27m的溫度位移會導致鋼樁局部應力達到屈服狀態。
對于最后一個結論的準確性還須進行研究，因為這與田納西州和北達科他州（分別為17.78cm和10.16cm的伸縮位移取得完全成功的實踐相矛盾。
·衣阿華州衣阿華州是在1964年開始建造無伸縮縫整體式橋臺的混凝土橋梁［10］。第一座無伸縮縫橋梁建在Stange公路上，這座預應力梁橋為70m長。對這座橋梁的調查表明，溫度引起的位移不會在橋合、翼墻和主梁內產生主要的裂縫和明顯的破壞。衣阿華州的交通部門對20座整體式橋合建成后連續5年進行了調查，這些橋梁中有的斜交角達到23度。由于沒有發現因上部結構不設伸縮裝置而引起有關的應力或其他問題，交通部門最后就結束了調查。
文獻［6」對美國 50個州的調查和對已有的成果進行了總結，認為目前對于無伸縮縫整體式橋合的橋梁幾乎還沒有完整的理論或試驗的工作報告以及設計程序的應用。衣阿華州立大學僅是少數進行一些現場和模型試驗的機構之一，但也還沒有進行詳細的理論研究。調查得到如下的結果：
（l）多數州認為采用無伸縮縫整體式橋臺的橋梁可以減少成本。采用整體式橋臺的橋梁設計，用樁數量少，施工圖簡單，沒有昂貴的伸縮裝置以及只需很低的維修費用。
（2）幾乎所有州都認為在臺后應該使用排水性能較好的回填料?；靥盍弦筮_到95％的壓實度，以消除引道板可能產生的沉陷。
（3）使用整體式橋臺的施工和維修存在以下一些問題：
①由于回填料是在梁安裝后才回填的，起重機無法靠近橋臺，這就使得預制梁的施工就位成為問題。
②填料的壓實非常關鍵。
③有必要對橋梁端部設計進行充分考慮。
④必須充分考慮到施工時預應力張拉后彈性收縮的影響。
⑤翼墻應考慮按較重的荷載進行設計以防止開裂。
⑥引道極應專門進行設計。
⑦為防止寒冷天氣下的開裂，引道板和橋臺間要有有效的連接機構。
三、無伸縮縫橋梁的構造細節
圖4和圖5分別為混凝土梁和鋼梁采用無伸縮縫整體式橋臺的細部構造。這些細部構造的圖示僅僅是一個基本骨架，還不能反映出其他設計方面的重要細節。細部構造只是為了給初次接觸無伸縮縫橋梁的人們以一個基本的概念和印象，不可能在本文中進行更為詳細具體的描述和形容，對此，我們將在以后的討論中進一步加以闡述。但是初步了解這些細部構造對于全面認識無伸縮縫橋梁的性能、整體性和耐久性會有很大的幫助。
四、無伸縮縫橋架設計中的幾個問題討論
1．溫度對無伸縮縫橋梁的影響
溫度的影響無疑是無伸縮縫橋梁設計中的一個非常重要的因素，但事實上正如前文所指出的那樣，對許多橋梁的應力測試表明，由于溫度作用而測得的應力值要比預計的要小，分析其原因可能有兩點：
其一是混凝土由于溫度的膨脹或收縮，會產生徐變。徐變將使得應力不能達到設計時所預計的程度。因此為了使理論更好地反映實際的情況，有的部門[7]設計時考慮把混凝土的溫度彈性模量減小到動力荷載彈性模量的1/3。
其二是由于大多數混凝土結構體積相對較大，使得它們對周圍的溫度變化比較不敏感。AASHTO（美國各州公路和運輸工作者協會）在計算溫度變化時對此進行了規定："必須考慮到大體積混凝土構件或結構內部溫度對大氣溫度的相對滯后。""混凝土橋溫度周期的最大值要比鋼橋的小。由于混凝土較大的體積要吸收熱量，因此它的溫度不會與理論預計的一樣?quot;這就可以從某一方面解釋，為什么這兩種材料的熱膨脹系數α幾乎相同（混凝土α＝0.00001，鋼a＝0.000012），而鋼橋對溫度的變化要比混凝土敏感得多。至于溫度對無伸縮縫橋梁的影響在定量上的分析還有待于進一步的討論研究。
為了把溫度影響看成是等效荷載的作用，衣阿華州的交通部門是以55％的屈服應力加30％的超限應力作為容許彎曲應力進行設計的。
2．被動土壓力
由于無伸縮縫橋梁的整體式橋臺是采用樁基礎，為了使回填土引起橋墩中的被動土壓力最小，一些學者認為，設計時可采取如下具體措施：
（l）限制橋梁長度；當橋梁斜交時，限制結構斜交角的大小。
（2）采用選擇過的顆粒結配作為回填土。
（3）使用引道板以防止車輛對橋臺填土的擠壓。
(4)利用擋土墻來縮短翼墻。
3．樁的應力
考慮到上部結構與整體式橋合的樁基礎對縱向移動的抵抗作用有直接關系，在進行無伸縮縫橋梁設計時：
(1)限制整體式橋梁的基礎形式，最好做成單排的細長垂直樁。
（2）限制樁型。
（3）調整H型樁弱軸方向，使之與運動方向一致。
(4)提供一種鉸接裝置來控制樁的撓曲。
(5)限制結構斜交角的大小。
還有一些其他問題，如：如何平衡整體式橋臺后面的主動上壓力？是否在整體式橋合后留有自由的空間以允許溫度膨脹？如需要的話采用什么樣的細部構造？等等。當然這些問題的解決，需要今后在無伸縮縫橋梁設計中不斷地進行研究和實踐。
五、結語
盡管無伸縮縫橋梁在美國已經成功地建造了很長時間，但至今還沒有一個比較科學的設計理論。目前的設計方法基本上是依賴于經驗與觀察，還沒有從根本上解決無伸縮縫橋梁有關的分析方法和構造設計。美國大多數州確實采用了無伸縮縫整體式橋臺的橋梁，但調查研究也表明大多數州的交通部門在設計上還都非常保守，應該可以建造更長的橋梁。但是要使設計更加能夠被接受仍然有必要進行一些合理的研究與分析。雖然無伸縮縫橋梁在我國尚未開展深入的研究，但從本質上講，這也是一個橋梁結構的分析與設計問題。其關鍵問題就是：①一旦橋梁取消了伸縮裝置，橋梁的伸縮變形如何從橋梁兩端傳到道路上去并引起道路（包括路基、路面）內部多大的變形和內力；②如果控制了橋梁的伸縮變形，那么主梁本身和橋臺的樁基礎將產生多大的內力；這些附加內力反過來對橋梁和樁基礎又將產生多大的影響;③由此在構造細節設計上應該采取什么樣的相應措施。
筆者認為在我國進行無伸縮縫橋梁的研究是一項很有意義的課題，盡管國外已有這種橋型的結構，但由于施工方法與建筑材料等方面的不同，適合我國國情的無伸縮縫橋梁的設計理論和具體構造細節也定會有所不同。
我們期待在我國展開對無伸縮縫橋梁的研究和實踐，并使這種橋型結構能逐漸推廣，相信它對于我國橋梁的發展將起到積極的推進作用，并能產生極大的經濟效益和社會效益。
參考文獻
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