一、概述
    公路橋梁的伸縮鍵是當(dāng)今橋梁施工和維護(hù)中的難題之一。橋梁的伸縮維長(zhǎng)期暴露在大氣中，使用環(huán)境比較惡劣，是橋梁結(jié)構(gòu)中最易遭到破壞而又較難以修補(bǔ)的部位。橋梁伸縮鍵在設(shè)計(jì)、施工上稍有缺陷或不足，就會(huì)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(guó)的學(xué)者都在努力尋求最好的伸縮縫結(jié)構(gòu)，得到的結(jié)論是“最好的伸縮縫結(jié)構(gòu)是無(wú)伸縮縫”[1]。
    無(wú)伸縮縫橋梁的建造在美國(guó)已有較長(zhǎng)的歷史。它的設(shè)計(jì)除了整體式橋臺(tái)以及引道板與路面連接處的構(gòu)造不同外，與一般橋梁設(shè)計(jì)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(chǔ)、橋臺(tái)做成整體式，形成無(wú)伸縮縫橋梁。目前這種橋型在美國(guó)發(fā)展很快，遍及 90％的州，僅在田納西一個(gè)州就有1000多座無(wú)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(zhǎng)度做到127m，混凝土橋最大長(zhǎng)度已達(dá)到358m[1,2]。
    無(wú)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(yōu)點(diǎn)：①由于取消了兩端伸縮縫，降低了橋梁造價(jià)及養(yǎng)護(hù)費(fèi)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(zāi)難事件的能力；特別對(duì)于地震，由于它消除了落梁現(xiàn)象，提高了橋梁的抗震能力[3]；④橋臺(tái)只需設(shè)置垂直樁，可以減少樁的數(shù)量，加速施工進(jìn)度心橋梁的安裝誤差也可適當(dāng)放寬；等等。
    盡管此類橋梁在美國(guó)已經(jīng)成功地使用了很長(zhǎng)時(shí)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(gè)比較科學(xué)的設(shè)計(jì)理理論[4]。目前的設(shè)計(jì)方法基本上依賴于經(jīng)驗(yàn)與觀察，一些學(xué)者認(rèn)為，無(wú)伸縮縫橋梁的發(fā)展完全是建立在失敗與成功的教訓(xùn)上[3]。
    隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)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(guó)橋梁由于伸縮縫的破壞而遭受不同程度毀壞的現(xiàn)象也十分嚴(yán)重。根據(jù) 1990年的調(diào)查資別到，北京市公路管理處、天津市橋梁管理所等13個(gè)城市的橋梁管理部門所管理的橋梁總數(shù)為2490座，調(diào)查了556座，占橋梁總數(shù)的22.3％，其中伸縮裝置已被破壞的橋梁數(shù)為271座，占被調(diào)查橋梁總數(shù)的48.7％。
    除北京之外的上述仁座城市建設(shè)管理部門，曾在1989年底到1990年初對(duì)所管轄的242座橋梁的伸縮裝置的現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查，橋梁伸縮裝置完好的為62座，僅占調(diào)查數(shù)的26％。
    上述資料表明，我國(guó)橋梁伸縮裝置的破壞率很高，情況相當(dāng)嚴(yán)重。文獻(xiàn)［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(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，調(diào)查發(fā)現(xiàn)伸縮裝置的鋼齒板已損壞脫落，錨固件外露，時(shí)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(huán)路立交橋的板式橡膠伸縮裝置出現(xiàn)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(yán)重，汽車經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈顛簸，沖擊梁端，使主梁端部混凝土破碎，嚴(yán)重影響正常的交通運(yùn)輸。
    遼寧省香爐礁立交橋，主干道東北路段全長(zhǎng)2023m，共設(shè)板式橡膠伸縮裝置24道，普遍出現(xiàn)兩側(cè)鋪裝破碎，橡膠板松動(dòng)斷裂，破壞嚴(yán)重的約占90％。
    陜西省西（安）寶（雞）一級(jí)公路上咸陽(yáng)渭河大橋，通車不到四個(gè)月，氣溫變化還未達(dá)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(guī)定值；鋼板與橡膠剝離，有的還相當(dāng)嚴(yán)重，不但影響行車的舒適性，而且還影響到行車的安全性。 
    調(diào)查表明，我國(guó)橋梁伸縮縫的破壞現(xiàn)象十分嚴(yán)重。研究設(shè)計(jì)和制造使用更好的伸縮裝置固然十分重要，但進(jìn)一步考慮，如能采用無(wú)伸縮裝置的橋梁結(jié)構(gòu)，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(xiàn)象。對(duì)于無(wú)伸縮縫橋梁，目前在我國(guó)還沒有展開深入的研究和實(shí)踐。因此學(xué)習(xí)、了解并利用國(guó)外一些先進(jìn)國(guó)家建造無(wú)伸縮縫橋梁的成功經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)我國(guó)的具體國(guó)情，研究建造適合我國(guó)國(guó)情的無(wú)伸縮縫橋梁，發(fā)展公路橋梁事業(yè)，可以說是從事橋梁研究設(shè)計(jì)人員的一項(xiàng)非常有意義的工作。 
    本文簡(jiǎn)要介紹了美國(guó)無(wú)伸縮縫橋梁的發(fā)展及使用過程中的主要問題，并期待在我國(guó)深入開展對(duì)無(wú)伸縮縫橋梁的研究和實(shí)踐。
    二、無(wú)伸縮縫橋梁在美國(guó)的使用情況
    二次世界大戰(zhàn)前，美國(guó)總長(zhǎng)度超過15m的橋梁都沒有一定形式的伸縮縫。由于回填料內(nèi)和路面上的積水以及公路表面垃圾容易滲透到伸縮縫內(nèi)，引起橋梁伸縮縫的堵塞或凍結(jié)，伸縮裝置逐漸被封閉，最終導(dǎo)致破壞，難以完成設(shè)計(jì)時(shí)所期望的伸縮功能。
    大約在20世紀(jì)60年代，美國(guó)開始采用連接橋梁上部結(jié)構(gòu)和樁基礎(chǔ)的無(wú)伸縮裝置的整體式橋臺(tái)，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(wú)伸縮縫的整體式橋臺(tái)，除了行車平穩(wěn)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(jià)及維修費(fèi)用，使得這種類型的橋梁逐漸地流行起來。
    關(guān)于無(wú)伸縮橋梁的使用狀況美國(guó)有關(guān)部門曾做過許多調(diào)查工作【6】。調(diào)查表明，80％以上的公路機(jī)構(gòu)已為無(wú)伸縮縫裝置的橋梁建立了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但各州現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)并不相同。下面我們把美國(guó)一些州使用無(wú)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(gè)結(jié)構(gòu)工程師的能力是以他能設(shè)計(jì)無(wú)伸縮縫橋梁的長(zhǎng)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(wú)伸縮縫橋梁。其中1998年以前，最長(zhǎng)的無(wú)伸縮縫橋梁包括一座283m的預(yù)應(yīng)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(hào)公路又建成美國(guó)最長(zhǎng)的無(wú)伸縮縫曲線橋梁。該橋全長(zhǎng)358m，其中曲線部分的長(zhǎng)度為297m。橋?qū)?4m，為預(yù)應(yīng)力混凝土T粱，梁高2.lm。各跨長(zhǎng)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(jié)建造完伸縮縫橋梁的經(jīng)驗(yàn)時(shí)，田納西州交通部門的報(bào)告[7]指出："我們發(fā)現(xiàn)橋面的伸長(zhǎng)和上部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力都沒有異常。所有測(cè)得的應(yīng)力值都比預(yù)計(jì)的要小。我們也不知道確切的原因，但我們想我們有些答案。……混凝土由于溫度變化而緩慢膨脹或收縮，就會(huì)產(chǎn)生徐變。徐變可能會(huì)使應(yīng)力達(dá)不到預(yù)計(jì)的程度。……為使理論更好地反映實(shí)際的情況，對(duì)于混凝土我們把它的溫度彈性模量減小到動(dòng)力荷載彈性模量的1/3。""總之，田納西州根據(jù)建造無(wú)伸縮縫整體式橋臺(tái)的橋梁20多年的經(jīng)驗(yàn)，說明對(duì)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(fèi)用和長(zhǎng)期維修的費(fèi)用。"
    ·加利福尼亞州自1971年以來，加利福尼亞州一般是建造無(wú)伸縮縫的公路橋梁。目前加利福尼亞州有100座以上長(zhǎng)度超過107m的無(wú)伸縮縫橋梁。即使對(duì)于大多數(shù)有伸縮縫的橋梁，在橋臺(tái)處也是無(wú)伸縮縫的。
    加利福尼亞州的交通部門指出[8]：無(wú)伸縮縫整體式橋臺(tái)的橋梁主要優(yōu)點(diǎn)是低造價(jià)，吸收地震荷載的有效性以及容許結(jié)構(gòu)有相對(duì)較大的溫度位移能力。長(zhǎng)度超過122m的鋼筋混凝土橋梁由于溫度位移在橋臺(tái)處是不會(huì)產(chǎn)生明顯的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。
    由于水的滲透是橋梁設(shè)計(jì)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(tái)連接在一起并延伸到翼墻。此外，還埋置了排水系統(tǒng)。加利福尼亞州對(duì)橋梁的位移（包括溫度、徐變及長(zhǎng)期應(yīng)力下的收縮）規(guī)定在引道板和連接路面之間伸縮量的最大值為2.54cm。
    南達(dá)科他州南達(dá)科他州對(duì)建造無(wú)伸縮縫整體式橋臺(tái)的橋梁，尤其是鋼橋，有著豐富的經(jīng)驗(yàn)，也是第一個(gè)做全比例模型檢測(cè)程序以評(píng)估無(wú)伸縮縫整體式橋臺(tái)的橋梁性能的州。
    在檢測(cè)程序中，他們對(duì)無(wú)伸縮縫整體式僑臺(tái)的梁內(nèi)和支承處鋼樁頂部由于溫度位移引起的應(yīng)力大小進(jìn)行了測(cè)量。一個(gè)典型的公路橋梁的無(wú)伸縮縫整體式橋臺(tái)全比例模型按以下四個(gè)階段進(jìn)行建造和檢測(cè)：
    第一階段：把梁焊接在鋼樁上；
    第二階段：現(xiàn)場(chǎng)完成一個(gè)整體式橋臺(tái)；
    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(cè)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(cè)試件是按實(shí)際橋梁的全比例設(shè)計(jì)和建造的，可以把這種方法看成是現(xiàn)場(chǎng)研究而不僅僅是模型研究[9]。在檢測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上得出了以下結(jié)論：
    (1)由溫度變化引起的位移和剪力要比AASHTO（美國(guó)各州公路和運(yùn)輸工作者協(xié)會(huì)）規(guī)定的組合荷載下的容許極限應(yīng)力小得多。
    (2)整體式僑臺(tái)可以看成一個(gè)剛體。
    (3)超過1.27m的溫度位移會(huì)導(dǎo)致鋼樁局部應(yīng)力達(dá)到屈服狀態(tài)。
    對(duì)于最后一個(gè)結(jié)論的準(zhǔn)確性還須進(jìn)行研究，因?yàn)檫@與田納西州和北達(dá)科他州（分別為17.78cm和10.16cm的伸縮位移取得完全成功的實(shí)踐相矛盾。
    ·衣阿華州衣阿華州是在1964年開始建造無(wú)伸縮縫整體式橋臺(tái)的混凝土橋梁［10］。第一座無(wú)伸縮縫橋梁建在Stange公路上，這座預(yù)應(yīng)力梁橋?yàn)?0m長(zhǎng)。對(duì)這座橋梁的調(diào)查表明，溫度引起的位移不會(huì)在橋合、翼墻和主梁內(nèi)產(chǎn)生主要的裂縫和明顯的破壞。衣阿華州的交通部門對(duì)20座整體式橋合建成后連續(xù)5年進(jìn)行了調(diào)查，這些橋梁中有的斜交角達(dá)到23度。由于沒有發(fā)現(xiàn)因上部結(jié)構(gòu)不設(shè)伸縮裝置而引起有關(guān)的應(yīng)力或其他問題，交通部門最后就結(jié)束了調(diào)查。
    文獻(xiàn)［6」對(duì)美國(guó) 50個(gè)州的調(diào)查和對(duì)已有的成果進(jìn)行了總結(jié)，認(rèn)為目前對(duì)于無(wú)伸縮縫整體式橋合的橋梁幾乎還沒有完整的理論或試驗(yàn)的工作報(bào)告以及設(shè)計(jì)程序的應(yīng)用。衣阿華州立大學(xué)僅是少數(shù)進(jìn)行一些現(xiàn)場(chǎng)和模型試驗(yàn)的機(jī)構(gòu)之一，但也還沒有進(jìn)行詳細(xì)的理論研究。調(diào)查得到如下的結(jié)果：
    (1)多數(shù)州認(rèn)為采用無(wú)伸縮縫整體式橋臺(tái)的橋梁可以減少成本。采用整體式橋臺(tái)的橋梁設(shè)計(jì)，用樁數(shù)量少，施工圖簡(jiǎn)單，沒有昂貴的伸縮裝置以及只需很低的維修費(fèi)用。
    (2)幾乎所有州都認(rèn)為在臺(tái)后應(yīng)該使用排水性能較好的回填料�；靥盍弦�求達(dá)到95％的壓實(shí)度，以消除引道板可能產(chǎn)生的沉陷。
    (3)使用整體式橋臺(tái)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(jī)無(wú)法靠近橋臺(tái)，這就使得預(yù)制梁的施工就位成為問題。
    ②填料的壓實(shí)非常關(guān)鍵。
    ③有必要對(duì)橋梁端部設(shè)計(jì)進(jìn)行充分考慮。
    ④必須充分考慮到施工時(shí)預(yù)應(yīng)力張拉后彈性收縮的影響。
    ⑤翼墻應(yīng)考慮按較重的荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)以防止開裂。
    ⑥引道極應(yīng)專門進(jìn)行設(shè)計(jì)。
    ⑦為防止寒冷天氣下的開裂，引道板和橋臺(tái)間要有有效的連接機(jī)構(gòu)。
    三、無(wú)伸縮縫橋梁的構(gòu)造細(xì)節(jié)
    混凝土梁和鋼梁采用無(wú)伸縮縫整體式橋臺(tái)的細(xì)部構(gòu)造。這些細(xì)部構(gòu)造的圖示僅僅是一個(gè)基本骨架，還不能反映出其他設(shè)計(jì)方面的重要細(xì)節(jié)。細(xì)部構(gòu)造只是為了給初次接觸無(wú)伸縮縫橋梁的人們以一個(gè)基本的概念和印象，不可能在本文中進(jìn)行更為詳細(xì)具體的描述和形容，對(duì)此，我們將在以后的討論中進(jìn)一步加以闡述。但是初步了解這些細(xì)部構(gòu)造對(duì)于全面認(rèn)識(shí)無(wú)伸縮縫橋梁的性能、整體性和耐久性會(huì)有很大的幫助。 
    四、無(wú)伸縮縫橋架設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題討論
    1、溫度對(duì)無(wú)伸縮縫橋梁的影響
    溫度的影響無(wú)疑是無(wú)伸縮縫橋梁設(shè)計(jì)中的一個(gè)非常重要的因素，但事實(shí)上正如前文所指出的那樣，對(duì)許多橋梁的應(yīng)力測(cè)試表明，由于溫度作用而測(cè)得的應(yīng)力值要比預(yù)計(jì)的要小，分析其原因可能有兩點(diǎn)：
    其一是混凝土由于溫度的膨脹或收縮，會(huì)產(chǎn)生徐變。徐變將使得應(yīng)力不能達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)所預(yù)計(jì)的程度。因此為了使理論更好地反映實(shí)際的情況，有的部門[7]設(shè)計(jì)時(shí)考慮把混凝土的溫度彈性模量減小到動(dòng)力荷載彈性模量的1/3。
    其二是由于大多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)體積相對(duì)較大，使得它們對(duì)周圍的溫度變化比較不敏感。AASHTO（美國(guó)各州公路和運(yùn)輸工作者協(xié)會(huì)）在計(jì)算溫度變化時(shí)對(duì)此進(jìn)行了規(guī)定：“必須考慮到大體積混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度對(duì)大氣溫度的相對(duì)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(huì)與理論預(yù)計(jì)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(shù)α幾乎相同（混凝土α＝0.00001，鋼a＝0.000012），而鋼橋?qū)�溫度的變化要比混凝土敏感得多。至于溫度�?duì)無(wú)伸縮縫橋梁的影響在定量上的分析還有待于進(jìn)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(yīng)力加30％的超限應(yīng)力作為容許彎曲應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計(jì)的。
    2、被動(dòng)土壓力
    由于無(wú)伸縮縫橋梁的整體式橋臺(tái)是采用樁基礎(chǔ)，為了使回填土引起橋墩中的被動(dòng)土壓力最小，一些學(xué)者認(rèn)為，設(shè)計(jì)時(shí)可采取如下具體措施： 
    (1)限制橋梁長(zhǎng)度；當(dāng)橋梁斜交時(shí)，限制結(jié)構(gòu)斜交角的大小。
    (2)采用選擇過的顆粒結(jié)配作為回填土。
    (3)使用引道板以防止車輛對(duì)橋臺(tái)填土的擠壓。
    (4)利用擋土墻來縮短翼墻。
    3、樁的應(yīng)力
    考慮到上部結(jié)構(gòu)與整體式橋合的樁基礎(chǔ)對(duì)縱向移動(dòng)的抵抗作用有直接關(guān)系，在進(jìn)行無(wú)伸縮縫橋梁設(shè)計(jì)時(shí)：
    (1)限制整體式橋梁的基礎(chǔ)形式，最好做成單排的細(xì)長(zhǎng)垂直樁。
    (2)限制樁型。
    (3)調(diào)整H型樁弱軸方向，使之與運(yùn)動(dòng)方向一致。
    (4)提供一種鉸接裝置來控制樁的撓曲。 
    (5)限制結(jié)構(gòu)斜交角的大小。
    還有一些其他問題，如：如何平衡整體式橋臺(tái)后面的主動(dòng)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(xì)部構(gòu)造？等等。當(dāng)然這些問題的解決，需要今后在無(wú)伸縮縫橋梁設(shè)計(jì)中不斷地進(jìn)行研究和實(shí)踐。
    五、結(jié)語(yǔ)
    盡管無(wú)伸縮縫橋梁在美國(guó)已經(jīng)成功地建造了很長(zhǎng)時(shí)間，但至今還沒有一個(gè)比較科學(xué)的設(shè)計(jì)理論。目前的設(shè)計(jì)方法基本上是依賴于經(jīng)驗(yàn)與觀察，還沒有從根本上解決無(wú)伸縮縫橋梁有關(guān)的分析方法和構(gòu)造設(shè)計(jì)。美國(guó)大多數(shù)州確實(shí)采用了無(wú)伸縮縫整體式橋臺(tái)的橋梁，但調(diào)查研究也表明大多數(shù)州的交通部門在設(shè)計(jì)上還都非常保守，應(yīng)該可以建造更長(zhǎng)的橋梁。但是要使設(shè)計(jì)更加能夠被接受仍然有必要進(jìn)行一些合理的研究與分析。雖然無(wú)伸縮縫橋梁在我國(guó)尚未開展深入的研究，但從本質(zhì)上講，這也是一個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)問題。其關(guān)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(nèi)部多大的變形和內(nèi)力；②如果控制了橋梁的伸縮變形，那么主梁本身和橋臺(tái)的樁基礎(chǔ)將產(chǎn)生多大的內(nèi)力；這些附加內(nèi)力反過來對(duì)橋梁和樁基礎(chǔ)又將產(chǎn)生多大的影響;③由此在構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上應(yīng)該采取什么樣的相應(yīng)措施。 筆者認(rèn)為在我國(guó)進(jìn)行無(wú)伸縮縫橋梁的研究是一項(xiàng)很有意義的課題，盡管國(guó)外已有這種橋型的結(jié)構(gòu)，但由于施工方法與建筑材料等方面的不同，適合我國(guó)國(guó)情的無(wú)伸縮縫橋梁的設(shè)計(jì)理論和具體構(gòu)造細(xì)節(jié)也定會(huì)有所不同。
    我們期待在我國(guó)展開對(duì)無(wú)伸縮縫橋梁的研究和實(shí)踐，并使這種橋型結(jié)構(gòu)能逐漸推廣，相信它對(duì)于我國(guó)橋梁的發(fā)展將起到積極的推進(jìn)作用，并能產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。