Bruno Briseghella， 唐玉風， 薛俊青， 陳寶春， 黃福云

(福州大學土木工程學院， 福建 福州 350108)

0 引言

通過設置伸縮縫來吸收溫度變化、 混凝土收縮徐變等引起的主梁縱橋向位移(u0)， 并設置橋面伸縮裝置提供平順交通的橋梁被稱為有伸縮縫橋梁(簡稱： 有縫橋). 由于長期受到自然環(huán)境、 車輛荷載及養(yǎng)護不當等影響， 橋面伸縮裝置極易損壞， 進而造成橋梁次生病害， 影響橋梁的使用性、 安全性和耐久性. 橋面伸縮裝置頻繁維修和更換耗費大量人力和費用[1-2]. 為根本解決橋面伸縮裝置的易損問題， 無伸縮縫橋梁(簡稱： 無縫橋)作為一種少維護的橋梁越來越受到關注. 無縫橋的整體性好， 橋面平順， 全壽命周期成本低， 具有良好的經濟效益和社會效益[1-4].

有縫橋搭板的主要作用是避免車輛荷載對路堤填土的直接碾壓， 為橋梁和道路的豎向剛度提供過渡區(qū)， 減小豎向沉降差影響， 解決橋頭跳車問題[5]. 無縫橋的引板， 因與主梁直接連接， 還要考慮縱橋向的變形問題， 構造上要能保證它與主梁連接牢固不脫離， 同時以剛體運動為主的縱向變形所受的約束小， 以免在引板內和邊界約束處產生較大的應力， 引起損傷與破壞[1, 6].

引板需要承受縱橋向拉力和推力、 車輪豎向荷載以及兩者共同作用， 受力復雜. 除了與有縫橋搭板類似， 會由于車輛荷載及臺后填土沉降而造成引板下方填土脫空， 導致引板的沉降和混凝土開裂[7]之外， 引板還受到u0的影響產生位移和轉動， 造成主梁-引板連接處以及引板末端路面出現(xiàn)橫向裂縫和豎向沉降， 進一步加劇引板病害[8]. 美國2004年的調查表明， 無縫橋中最常出現(xiàn)病害的構件是引板， 包括沉降(46%)和混凝土開裂(28%)[9]， 需要花費大量維修費用[10]. 引板除了自身受力復雜之外， 還會與臺后填土產生相互作用(簡稱： 引板-土相互作用). 由于土體具有非線性及滯后性， 引板-土相互作用將影響無縫橋的受力狀態(tài)和極限長度[11-12]. 目前， 針對無縫橋引板的構造及引板-土相互作用的系統(tǒng)性研究較少.

本文從引板構造， 引板-土相互作用及該相互作用對無縫橋受力性能的影響等方面， 綜述國內外針對引板所開展的理論分析、 實橋監(jiān)測、 模型試驗和數值模擬研究現(xiàn)狀， 展望引板的下一步研究方向. 本文結論有望為開展引板研究奠定基礎， 推動我國無縫橋發(fā)展.

1 引板類型與應用

1.1 引板類型

1.1.1 面板式引板

與橋面板標高同高， 并作為路面結構的引板被稱為面板式引板[6]. 該類引板長度約為3～8 m[5, 13]， 兩端分別支撐在主梁端部牛腿和枕梁上[14]， 如圖1(a)所示. 接線道路為水泥混凝土路面時， 一般采用面板式引板， 它可視為配筋混凝土路面. 接線道路為瀝青路面時， 也可用面板式引板. 面板式引板構造與有縫橋搭板類似， 技術最成熟， 應用最廣泛. 美國多州均選用面板式引板為設計標準圖[1, 5].

面板式引板對于其縱橋向運動時可能受到的約束， 兩側面通常設置泡沫等材料與路緣石隔開， 予以解除； 底面通常設置滑移層， 以減小摩阻力， 將u0傳遞至引板末端[15-16]； 末端面則設置脹縫， 以適應所傳遞來的u0[4, 15-17]. 滑移層材料通常有泡沫板、 砂土層以及砂土上鋪設鍍鋅鐵皮或油毛氈等[11].

單條脹縫通常寬度為20 mm[15-17]. 當u0超過20 mm時， 可以設置多段式面板式引板及多條脹縫[15-16]. 某座延伸橋面板橋監(jiān)測發(fā)現(xiàn)主梁和面板式引板之間的相對位移很小， 可以忽略； 脹縫寬度變化與u0基本一致， 證明面板式引板可以將u0傳遞至脹縫[16]. 脹縫被認為是面板式引板的薄弱環(huán)節(jié). 為取消引板末端脹縫， 有學者設置預鋸縫接線路面和地梁來吸納u0[18-19]. 但是由于預鋸縫存在， 接線路面耐久性有待觀察. 與有縫橋的搭板相同， 面板式引板到接線路面的豎向剛度也存在較明顯的突變問題， 存在不均勻沉降隱患.

1.1.2埋入式引板

埋在低于橋面或路面下的引板被稱為埋入式引板， 多應用于接線道路為瀝青路面的工程中[6]. 引板兩端標高相同或相近時， 稱為平埋入式， 如圖1(b)所示. 平埋入式引板在歐洲、 美國和澳大利亞應用廣泛[5, 10,13, 20]， 埋置深度需大于500 mm[13]. 從橋梁相接一端向接線端向下斜向放置的引板被稱為斜埋入式[6]， 如圖1(c)所示. 斜埋入式引板與路面的夾角(α)為引板傾角， 該傾角的正弦定義為坡度. 斜埋入式引板在德國和奧地利等國家應用廣泛[13, 20].

埋入式引板頂、 底面、 兩側面和末端面均處于土體中， 為減小摩阻力， 周邊均宜設置砂土等粘性小的材料. 其變形量主要集中在末端面， 但由于需要通過較厚的土體才能反映到路面， 因而路面在該處出現(xiàn)反射裂縫的風險較低[21].

埋入式引板對于其上的路面提供了較大的剛度， 有利于剛性橋面到柔性路堤的豎向剛度過渡， 從而緩解臺后填土沉降引起的跳車問題. 有學者建議使用斜埋入式引板解決無縫橋引板的沉降問題[13].

然而， 工程實踐發(fā)現(xiàn)， 埋入式引板隨主梁的縱橋向變形， 會產生縱橋向位移和轉動， 可能引起引板末端處路面沉降， 降低路面平整度和行車舒適度， 甚至可能導致路面開裂[22]. 實橋監(jiān)測發(fā)現(xiàn)某無縫橋的平埋入式引板末端及無縫橋-引板連接處上方的路面都出現(xiàn)了裂縫， 需要進行修補[5]. 另外， 斜埋入式引板末端埋置深度如果過大， 會導致無縫橋-引板連接處發(fā)生較大轉動， 導致該處路面產生裂縫.

1.1.3 Z形引板

國內學者提出Z形引板并應用于工程實踐[1, 23-24]， 國外未發(fā)現(xiàn)該類型引板應用. Z形引板由面板、 斜板和底板組成[6]， 如圖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. 面板末端取消了脹縫. 斜板和底板使引板的埋置深度從橋梁相接一端向接線端不斷增大， 有利于豎向剛度過渡， 從而緩解臺后填土沉降引起的跳車問題. Z形引板可通過調整斜板傾角提供不同的縱橋向抗推和抗拉剛度， 吸納和傳遞u0[23].

(a) 面板式引板

1.2 無縫橋-引板連接構造

無論是何種引板， 由于取消了伸縮縫， 它都要與主梁連接在一起. 連接處的構造是引板設計的關鍵. 實際工程中， 一般先施工主梁后施工引板， 這樣在主梁與引板之間就存在著施工縫， 二者在u0作用下， 接縫處將產生較大的拉力， 為此需設置鋼筋以抵抗拉應力. 實際應用中， 鋼筋層數(單層或雙層)、 方向(縱向、 豎向或斜向)及形狀(直線或X型)不盡相同. 大多數工程采用單層縱向直線鋼筋， 如圖2(a)所示. 利用鋼筋與混凝土板之間的粘結力傳遞u0； 通過施工縫和設置在施工縫上部的軟木條容許少量轉動， 并在施工縫上方鋪設土工格柵以阻止裂縫反射至路面[10, 14, 16]. 有工程采用雙層縱向X型鋼筋， 將鋼筋交叉點位于施工縫處， 如圖2(b)所示. 利用雙層鋼筋與混凝土板之間的粘結力傳遞u0， 通過施工縫和X型鋼筋容許少量轉動[25]. 單層豎向直線鋼筋(圖2(c))或雙層豎向X型鋼筋(圖2(d))主要利用鋼筋的剪切剛度來傳遞u0[10, 14]. 有學者認為豎向鋼筋的剪切剛度不足以傳遞u0[22]. 瑞士某無縫橋監(jiān)測結果顯示， 采用單層豎向直線鋼筋連接的引板繞牛腿轉動并在上方路面形成反射裂縫. 這是因為當引板轉動時， 相對于引板繞橋面板處的轉動， 引板繞下方牛腿處的轉動可能造成更大的頂部開裂[22]. 有學者提出設置單層斜向直線鋼筋， 如圖2(e)所示. 斜向鋼筋綜合利用鋼筋與混凝土板之間的粘結力和鋼筋的剪切剛度來傳遞u0， 通過施工縫容許少量轉動[26]. 還有幾類連接構造僅傳遞u0， 不允許引板轉動[26]， 如設置雙層縱向直線鋼筋(圖2(f))或單層縱豎向直線鋼筋(圖2(g)).

有學者提出一種允許無縫橋-引板連接處形成混凝土鉸， 從而將引板轉動分散在整個混凝土鉸長度范圍內的無縫橋-引板連接構造， 如圖2(h)所示. 通過試驗研究發(fā)現(xiàn)， 當配筋率在0.3%左右， 該構造可滿足引板所需的轉動能力[22]. 有學者認為混凝土鉸需要仔細設計， 因為其轉動能力可能因為大彎矩和剪力的組合作用而減弱[21]. 無縫橋-引板連接構造的施工縫以及混凝土鉸處的鋼筋均易受雨水侵蝕而產生銹蝕， 應對這些位置的鋼筋進行防銹處理[26].

(a) 單層縱向直線鋼筋

綜上所述， 無縫橋-引板連接構造需要將u0傳遞至引板及臺后填土中. 考慮到引板厚度遠小于主梁高度， 引板的抗彎剛度較小， 可通過構造措施允許引板出現(xiàn)少量轉動， 避免引板自身受彎破壞. 應避免引板在連接構造的頂部發(fā)生轉動， 連接構造底部發(fā)生轉動可減少路面開裂的危險.

1.3 中國無縫橋引板應用情況分析

將所收集到的國內44座無縫橋及引板信息列于表1中. 分析統(tǒng)計資料發(fā)現(xiàn)， 在43座有引板類型資料的無縫橋中， 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， 分別占比67.4%、 27.9%和4.7%. 分析可知， 面板式引板應用最廣， 當橋梁長度較長時， 常采用多段式面板式引板； 斜埋入式引板(坡度通常為3%～7%)和Z形引板也得到應用.

在41座有無縫橋-引板連接構造資料的無縫橋中， 30座采用單層縱向直線鋼筋， 7座采用單層斜向直線鋼筋， 2座采用單層豎向直線鋼筋， 1座采用雙層縱向X型鋼筋， 1座采用雙層豎向X型鋼筋， 分別占比73.2%、 17.1%、 4.9%、 2.4%和2.4%. 我國最常采用設置單層縱向直線鋼筋的無縫橋-引板連接構造.

表1 中國無縫橋引板信息統(tǒng)計

續(xù)表1

2 引板-土相互作用研究

2.1 面板式引板-土相互作用

圖3 面板式引板-土相互作用計算模型

與有縫橋搭板主要關注豎向荷載作用及板下脫空不同， 面板式引板-土相互作用中的土可簡化為對引板的法向支承、 切向約束和端部約束， 如圖3所示. 法向支承剛度主要受土體的彈性模量影響， 可采用彈性地基梁理論進行分析. 切向約束主要受引板與板下土體之間的縱橋向摩擦力影響. 某無縫橋溫度及位移長期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)， 受摩擦力棘輪效應影響， 日溫度變化過小不足以克服引板與板下土體之間摩擦力， 導致溫度變化與橋梁縱橋向位移呈現(xiàn)負相關； 季度溫度變化較大， 可引起引板移動， 使溫度變化與橋梁縱橋向位移呈正相關[14]. 為考慮摩擦力對引板受力情況影響， 有學者提出考慮切向摩擦力的溫克爾地基梁簡化計算模型[27]， 還有學者提出系數修正簡支梁法的計算板長[28].

在有限元模擬中， 有學者將面板式引板-土相互作用簡化為在無縫橋端部設置縱橋向彈簧[11]， 并將引板與不同滑移材料的摩擦力-水平位移曲線[29]簡化為雙線性模型作為彈簧剛度； 還有學者采用豎向和縱橋向彈簧模擬土體對引板的法向支承和縱橋向摩擦力作用[30]. 主梁收縮時， 引板端部與脹縫分離， 可不考慮端部約束. 主梁膨脹時， 引板端部與脹縫擠壓， 脹縫及板后土體的壓縮剛度會產生端部約束； 然而大量學者開展面板式引板受力分析時， 未考慮該端部約束[3, 11, 14, 25, 28]， 可能導致結果不夠精確. 實橋監(jiān)測發(fā)現(xiàn)面板式引板末端及脹縫處會出現(xiàn)路面沉降及開裂破壞[8]. 在u0作用下， 面板式引板的位移造成板后土體變形， 從而導致其上方路面隆起或塌陷， 甚至出現(xiàn)開裂的力學機理， 如圖4(a)和4(b)所示. 圖4中陰影部分表示引板末端土體變形區(qū)域， 路面處豎向實線表示路面開裂.

綜上所述， 有縫橋搭板的計算方法不適用于面板式引板. 考慮面板式引板-土的縱橋向相互作用， 特別是引板下不同滑移材料之間的縱橋向摩擦力影響， 是提高計算精度的關鍵.

2.2 埋入式引板-土相互作用

某無縫橋斜埋入式引板監(jiān)測發(fā)現(xiàn)， 引板末端出現(xiàn)應變集中現(xiàn)象， 從引板末端上升至路面呈現(xiàn)出應變逐漸減小而應變區(qū)域逐漸增大的現(xiàn)象[20]. 有學者實測帶斜埋入式引板的無縫橋的主梁及接線路面處的混凝土應變發(fā)現(xiàn)， 隨著溫度升高， 主梁膨脹變形傳遞至斜埋入式引板， 使接線路面受到推擠， 壓應力增加； 溫度下降時規(guī)律相反. 該變形可恢復， 實際變形小于計算值[31].

有學者通過模型試驗分析斜埋入式引板末端上方的路面平整度發(fā)現(xiàn)， 引板末端上方路面的開裂寬度與引板末端埋深成反比； 引板的縱橋向位移會使路面發(fā)生豎向的隆起與凹陷， 降低行車舒適性[21]. 有學者開展帶不同路堤填土加筋材料(塑料格柵、 玻纖格柵和鋼筋)的斜埋入式引板及路面結構的模型試驗， 通過優(yōu)化路堤填土材料來改善接線路面的開裂角度. 試驗結果表明， 在水泥穩(wěn)定碎石中加入土工格柵， 可以提高裂縫的延性并保持路面承載力. 當拉伸變形量小于5 mm時， 可采用玻纖格柵； 當拉伸變形量大于5 mm時， 采用鋼筋進行加筋的效果最佳[32].

為探明埋入式引板-土相互作用的工作機理， 有學者使用有限元軟件GEFDYN模擬斜埋入式引板-土相互作用. 在u0作用下， 引板末端上方的路面產生局部沉降. 在瑞士規(guī)范路面平整度(2%)的要求下， 增大引板末端埋深， 可增大u0容許值及橋梁極限長度. 當引板末端埋深大于0.6 m時，u0容許值顯著增大[22]. 還有學者建立平面應變有限元模型研究斜埋入式引板-土相互作用. 當溫度下降時， 引板末端的土體拉應力最大， 最先出現(xiàn)裂縫， 主拉應力從引板末端埋深處至路面逐漸減小. 當引板長度相同時， 隨著傾角增大， 路面的拉應力減小， 而無縫橋-引板連接處的拉應力增大， 這可能是由于傾角增大導致引板末端埋深增大， 土體重量增加導致斜埋入式引板-土之間的摩擦力增加[33]. 在u0作用下， 埋入式引板的位移造成板后土體變形， 從而導致其上方路面隆起或塌陷， 甚至出現(xiàn)開裂的力學機理如圖4(c)～4(d)所示(以斜埋入式引板為例).

綜上所述， 埋入式引板末端土體及無縫橋-引板連接處的上方路面平整度及開裂是研究重點. 通過增大引板傾角或引板末端埋置深度， 可減小路面出現(xiàn)不平整或開裂的風險.

(a) 面板式引板(主梁膨脹)

2.3 Z形引板-土相互作用

有學者使用有限元軟件ABAQUS建立Z形引板-土相互作用數值模型， 分析Z形引板-不同臺后填土材料相互作用對路面平整度的影響. 研究表明， 由于主梁收縮導致Z形引板向主梁方向的移動對路面平整度影響較大. 在斜板前側填充彈性模量較大的水泥穩(wěn)定碎石等材料， 后側填充彈性模量較小的砂土等材料可緩解該現(xiàn)象[23]. 在u0作用下， Z形引板的位移造成板后土體變形， 從而導致其上方路面隆起或塌陷， 甚至出現(xiàn)開裂的力學機理與斜埋入式引板類似.

3 引板-土相互作用對無縫橋影響

3.1 對無縫橋受力性能影響

無縫橋結構計算中應考慮引板[11, 29, 34]. 有學者采用有限元軟件ANSYS建立了考慮及不考慮面板式引板的無縫橋數值模型. 分析結果表明是否考慮引板對邊跨主梁彎矩和樁頂剪力影響較大； 引板-土相互作用使無縫橋的縱向剛度增大， 使結構的縱向基頻明顯增大[34]. 還有學者采用有限元軟件分析面板式引板與不同滑移材料的摩擦力對無縫橋主梁和面板式引板的受力性能影響， 結果顯示摩擦力對橋臺處主梁彎矩的影響大于跨中和墩頂處主梁彎矩[11]. 在u0作用下， 當引板下鋪設砂墊層(摩擦系數為0.59～0.69)時， 主梁和引板的拉應力值均很??； 鋪設水泥穩(wěn)定粒料(摩擦系數為1.80)和級配碎石(摩擦系數為4.00)作為墊層時， 主梁和引板的拉應力值均較大， 甚至出現(xiàn)引板底面和主梁頂板被拉裂的情況. 推薦在面板式引板下設置砂墊層， 從而減小主梁和引板拉應力[29]. 現(xiàn)有研究主要關注面板式引板對無縫橋受力性能的影響. 無縫橋中引板及連接構造類型眾多， 不同類型引板及連接構造對于無縫橋受力性能的影響差異急需進行深入研究分析.

3.2 對無縫橋極限長度影響

引板-土相互作用是限制無縫橋極限長度的主要因素之一. 基于瑞士規(guī)范路面平整度及斜埋入式引板耐久性的要求， 分析得到u0容許值不超過43 mm[22]； 增大引板末端埋深， 可增大橋梁極限長度[17]. 假設溫差為20 ℃， 考慮引板的耐久性影響， 即前述u0容許值, 可預估無縫橋極限長度為430 m. 引板對于無縫橋極限長度的影響大于其他因素[12]. 現(xiàn)有研究主要關注斜埋入式引板對無縫橋極限長度的影響， 需要對比不同類型引板及連接構造對于無縫橋極限長度的影響.

4 結語

1) 國內面板式引板應用數量最多， 斜埋入式引板(坡度3%～7%)和Z形引板也得到應用. 我國無縫橋大部分采用設置單層縱向、 豎向或斜向直線鋼筋的無縫橋-引板連接構造.

2) 面板式引板-土相互作用需要考慮土體對引板的豎向支承、 切向約束以及端部約束， 有縫橋搭板的計算方法不適用. 面板式引板末端的路面沉降和開裂需要特別注意.

3) 埋入式引板和Z形引板-土相互作用研究以實橋監(jiān)測、 模型試驗和數值模型為主， 尚未提出系統(tǒng)的理論計算方法. 路面平整度是分析引板-土相互作用的關鍵控制指標. 引板末端埋深越深， 引板末端上方路面的開裂和沉降風險越低， 但是無縫橋-引板連接構造處的路面更容易開裂. 埋入式引板末端土體及無縫橋-引板連接處的上方路面平整度及開裂是研究重點.

4) 引板-土相互作用對無縫橋邊跨主梁彎矩和柱頂剪力、 主梁和引板拉應力、 縱向基頻和極限長度影響較大. 下一步還需開展埋入式引板-土相互作用力學機理研究； 不同引板及連接構造類型對于無縫橋的影響研究； 斜、 彎無縫橋的引板研究以及新型引板形式研究.

致謝: 感謝蘇交科集團股份有限公司、 西安公路研究院、 深圳市市政設計研究院有限公司、 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擴建籌建處、 福州市公路局閩侯分局和可持續(xù)與創(chuàng)新橋梁福建省高校工程研究中心提供無縫橋引板信息.