盘锦纬一河4号桥梁
本文将继续阐述大连理工大学桥隧学科在混凝土箱梁正交异性钢悬臂板拓宽、斜牛腿、无缝伸缩缝方面的技术创新。
混凝土箱梁正交异性钢悬臂板拓宽
拓宽方法应运而生
大连市东北路高架桥，连接东北快速路和市区几条主要干道，是大连市进出市区的主要通道。该桥全长m，于年建成通车，主梁采用普通钢筋混凝土连续梁，通车几年后，即出现严重拥堵现象。
针对东北路立交桥的改造，国内外多家设计院提出了相应设计方案，基本都是采用传统的梁式桥加宽方式，即修建复桥拓宽法或增设边梁拓宽法。为了支撑新增的梁体，这些加宽方式都需要增设桥墩。由于东北路全线地面道路也承担着很重的交通压力，传统的拓宽方式在增加桥面通行能力的同时，是以损失地面通行能力为代价的。显然，对于东北路一类的城市桥梁来讲，增设桥墩的拓宽方式并不适用。
年大连市城建局找到我校，希望我们能研发出一种不增设桥墩、不影响桥下通行，同时能达到拓宽目的的方式，混凝土箱梁正交异性钢悬臂板拓宽方法应运而生。
技术特点
混凝土箱梁正交异性钢悬臂板拓宽方法（Steelcantileverwideningconcretegirdermethod，简称SCWCM）在不增设桥墩的前提下，通过在混凝土箱梁两侧设置钢悬臂结构，达到拓宽原有桥梁的目的，无需外加桥墩，而且能达到理想的拓宽目的。拓宽后结构断面如图1所示。
图1采用SCWCM拓宽后的箱梁断面
该方法的基本原理是：在混凝土箱梁两侧设置钢悬臂横梁，钢悬臂横梁通过混凝土后浇隔板与原有混凝土箱梁连接，并通过横向预应力筋连成整体。新增设的钢悬臂横梁在顺桥向每隔一定长度成对地设置在原有箱梁两侧，钢悬臂横梁上铺设正交异性钢桥面板作为拓宽的行车桥面。在原有混凝土箱梁内设置纵向体外预应力筋，以增强原有混凝土梁的承载能力。
由于此种加宽方法此前并无先例，为了确保工程安全顺利实施、验证理论成果，确定施工工艺要点，大连市城建局特此立项，投资万元，我们开展了针对该方法的足尺模型试验研究。按照1:1建造模型，模型长2x18m=36m，两跨连续箱梁，桥面宽9.5m，材料为C30普通钢筋混凝土，梁高1.3m，拓宽后桥面宽16.5m，在加宽改造后的足尺模型上进行了水箱加载及重车加载试验，如图2所示。
（a）足尺模型试验照片
（b）足尺模型水箱加载及重车加载试验
图2东北路立交桥足尺模型试验研究
针对混凝土箱梁正交异性钢悬臂板拓宽方法，项目组开展了系列研究，主要包括复合受力下旧有箱梁的承载能力、新增加钢悬臂梁的力学特性、钢-混凝土接触面受力特性，SCWCM的温度效应研究、SCWCM配套的桥墩加固方法研究、新型组合结构极限承载力、SCWCM钢悬臂优化设计及全套加宽加固施工工艺程序。相关研究成果为SCWCM的顺利实施和推广奠定了理论基础。
东北路立交桥拓宽改造
在理论研究及工艺研究的基础上，采用该方法对东北路立交桥全线实施了拓宽改造。
改造后东北路第一联9.5m两车道保持不变；第二联至第四联由2车道拓宽为4车道，桥面宽度由9.5m拓宽至16m；第五联、第六联由3车道拓宽至4车道，桥面宽度由12.5m拓宽至16m；第七联由4车道拓宽至5车道，桥面宽度由16.5m拓宽至19.5m。东北路立交桥拓宽改造现场见图3。
图3东北路立交桥拓宽现场
桥梁加宽后，桥墩受力增加，需要进行加固。同时为了满足桥面拓宽后结构的抗倾覆要求，桥墩顶部需要增设支座，因此选用增大截面法加固桥墩，既能满足桥墩受力要求，又增大了墩顶尺寸以安放新增设的支座。选用增大截面法加固桥墩墩身需植筋，在原有承台上通过植筋方式增设受力钢筋，同时墩顶需横向张拉预应力筋以满足受力要求。桥墩加固形式如图4所示。
图4东北路立交桥桥墩加固
东北路立交桥上部结构于年2月底开始实施加宽改造，于年5月21日正式竣工通车。整个工期仅历时3个月，不仅周期短，而且改造后效果良好。在上部结构被有效拓宽的同时，不占据地面空间，不影响现有地面交通，被誉为是践行了“科学发展观”理念，且“百姓满意”的代表工程。
图5东北路立交桥加宽改造前后对比
实践证明，混凝土箱梁正交异性钢悬臂板拓宽方法（SCWCBM）无需增设桥墩，具有不占据桥下空间，不影响现有地面交通、避免地下管线及周边建筑的拆迁等优点。在实际应用中还体现出施工周期短，施工期对桥下交通干扰小的特点。相比于其他拓宽方法，SCWCBM更适合于城市箱梁桥的拓宽，在未来城市桥梁拓宽工程中必将大有用武之地。
新型斜牛腿受力结构
“斜牛腿”概念的提出
鞍子河桥位于普兰店市城西，在鞍子河的入海口附近，年建成。我们接手该桥任务时该桥设计已经完成，由于业主对原设计不满意,委托我们进行重新设计。针对此桥的特殊位置，有两点要求。第一，由于桥位两头有很多商铺，桥头接线不宜抬高,而桥面高程仅4.m，因此要求桥梁的梁高要小；第二，由于该桥处于入海口附近，难免遭遇洪水,此处要求遭遇大洪水时,桥梁不被冲走。
经比较最后采取了预应力连续刚构加挂梁的方案，主梁采用现浇整体空心板，厚40cm，在与桥墩接触处梁变厚至50cm。桥梁纵向布置为8m+3×12m+3m（悬臂）+6m（挂梁）+3m（悬臂）+3×12m+8m，全场m。桥型布置如图6所示。
图6鞍子河桥总布置图（单位：cm)
挂梁与悬臂梁的连接处需采用牛腿相连，由于梁高仅40cm，如选用普通牛腿，截面削弱大，难以满足此处受力要求。为了实现40cm梁高挂梁与悬臂梁的连接，张哲教授团队提出了“斜牛腿”的概念。
技术特点
在桥梁结构中，牛腿作为一种梁式桥的梁部搭接结构一直就有广泛应用，如用于悬臂梁桥的悬臂端与挂梁的搭接，“T”形刚构桥的“T”构端部与挂梁的搭接等。牛腿是桥梁上部构造中的一个重要部分，它衔接悬臂梁与挂梁，传递来自挂梁的荷载。力流在牛腿处集中通过支座，然后又要扩散。作为一个活动铰，它还要能适应上部构造变形的要求，使上部构造的实际受力情况与计算要求相符合。因此，牛腿是一个受力非常复杂的部位，普通牛腿处梁的高度要削减一半，如图7所示，截面凹折转角多且又要传递较大的竖直和水平力，其工作条件比正常形状构件要不利得多。理论计算和模型试验证明：“传统牛腿在荷载作用下会出现很大的局部应力。”为了满足受力，普通牛腿部分的配筋量往往会大得惊人。另外，在预应力混凝土中，预应力束大量地锚固于梁端，牛腿密集的配筋会给预应力束的布置带来很大的困难。
图7普通牛腿示意图
结合鞍子河桥工程实际，项目组改变传统梁在梁底设置支座的方式，变上下搁置为两侧搁置，将牛腿与梁的接触面设置为有一定倾斜角度的斜面，支座设置在梁体两侧形成楔形支承，如图8所示，将这种牛腿称之为“斜牛腿”。斜牛腿”的名字是张哲教授起的，考虑它起到牛腿连接的作用，又在斜面上受正压力，所以起这个名字。“斜牛腿”应用解决了挂梁与悬臂连接处的薄弱环节。
图8斜牛腿示意图
在斜牛腿搭接中，挂梁截面未削弱，不仅梁端不会产生应力集中，受力更趋于合理。不仅节省了牛腿部分的配筋，而且解决了预应力束和牛腿配筋的冲突。此外，斜牛腿的楔形支承还具有耐久性好、抗倾覆性好、横向刚度大的特点。由于斜牛腿倾斜的表面，雨水或灰尘会顺势而下，不容易积水和积灰；同时，这种楔形支承的抗倾覆性好，不需要设置横向限位挡块及其他防落梁措施；此外，楔形支承具有一定横向刚度，能承受较大横向荷载。
鞍子河桥上的应用
鞍子河桥主梁采用现浇整体空心板，厚40cm，在与桥墩接触处梁变厚至50cm。全长2m，桥宽为33m，桥梁横向分为2幅，断面如图9所示。采用斜牛腿设计，斜牛腿构造如图10所示。
图9桥梁断面布置图（单位：cm）
图10鞍子河桥斜牛腿布置图（单位：cm）
项目组围绕斜牛腿开展了系列研究,提出了楔形支承的分析计算方法，及最小切向应力嵌挤效应的概念。通过对支座反力、支承抗扭性、横向承载能力、支承弹性刚度等的分析，获得了计算所需的公式、关键参数曲线等，可用于指导设计的理论成果。结合理论推导及工程实际情况,鞍子河桥梁端支承斜面的倾角取值为α=52○（如图11所示)。
图11斜牛腿受力图示
大连市鞍子河桥年建成，建成后近三十年来也没有业主反映使用情况，项目组觉得很奇怪。由于后期项目组在盘锦又要用到“斜牛腿”设计其他桥梁，就来到鞍子河桥现场查看了一番，发现不仅“斜牛腿”很正常，而且该桥的其他部位也没有任何病害，很是难得。于是，项目组将斜牛腿放心地应用在盘锦纬一河的4号、5号、6号桥上。这三座桥均采用T构加挂梁的形式，年建成，运营效果很好。
无缝伸缩缝
新型无缝伸缩缝的可行性
桥梁在气温变化时，有膨胀、收缩的纵向变形，车辆荷载也将引起梁端的转动和纵向位移，为使车辆平稳通过桥面并满足桥面变形，需要设置桥面伸缩装置。桥梁的伸缩装置，在桥梁结构中直接承受车轮荷载的反复冲击作用，是桥梁结构中最容易遭到破坏，又较难维修的部位。对于小跨径桥梁，通过在桥梁间隙中填入高弹性伸缩缝材料，使伸缩缝处的桥面铺装与其他部分形成连接体，通过弹性体的变形，来满足由温度和行车荷载引起的桥梁变形，可以实现桥梁结构无缝化，这种处理方式称为无缝伸缩缝。无缝伸缩缝能够与其前后的桥面铺装层和路面形成连续整体，构造简单，具有优异的防水作用，能够吸收变形、振动、车辆荷载。能够有效解决温度应力作用，可提供平稳良好的行车效果。但是由于兼顾高温低温、粘结与渗透等对立性能的要求，无缝式桥梁伸缩缝局限于伸缩量较小的中小桥梁。因此，国内外学者通过不断改进材料、优化结构设计、提高施工水平等手段，来改善无缝式桥梁伸缩缝的性能和使用寿命。
我们在已有研究的基础上进行结构改进,通过设置裂缝限位装置在混凝土铺装层将变形分散,并设置延性满足变形要求的沥青混凝土桥面铺装层。通过试验研究验证了该新型无缝伸缩缝的可行性,并已成功应用于工程实际,应用结果表明该产品可以有效提升行车的舒适性,桥梁的耐久性。
关键技术特点
项目组针对伸缩缝的弊端，提出了分布开裂式无缝伸缝装置。分布开裂式无缝伸缩缝设计原理是利用钢板和销钉传递位移，传递过程中均匀分散位移，起到将大变形均匀分散成小变形。由于沥青的材料特性，微小变形不会开裂，起到“大化小，小化无”的目的。该伸缩缝将变形首先由第一层10块钢板通过销钉传递给第二层9块钢板，其中开孔钢板的孔直径比钢销钉直径大2mm，为变形提供预留空间；每层开孔钢板间留有5mm缝隙，下层开孔钢板与梁上表面间设置隔离层，两层开孔钢板之间相对滑移，将变形均匀分散给各个钢板，在上层开孔钢板上方，均匀布置桥面纵向钢筋和桥面横向钢筋。无缝伸缩缝布置如图12-13所示。
图12伸缩缝立面布置图（单位：mm）
图13钢板布置平面图（单位：cm）
分布开裂式无缝伸缩缝的施工工艺流程为：
1.梁端油浸软木条、隔离层、开孔钢板、销钉、桥面纵向钢筋、桥面横向钢筋、钢销钉；
2.在梁端上表面错位放置上下两层开孔钢板，两层开孔钢板通过钢销钉固定，开孔钢板的孔直径比钢销钉直径大2mm；
3.每层开孔钢板间留有5mm缝隙，下层开孔钢板与梁上表面间设置隔离层，两层开孔钢板之间相对滑移；
4.在上层开孔钢板上方，均匀布置桥面纵向钢筋和桥面横向钢筋。在铺装层内，伸缩缝端部，上层开孔钢板之间嵌入油浸软木条。
为了测试该分布开裂式伸缩缝性能，以便更合理地运用到实际桥梁上，对该伸缩缝设计了承载实验。实验模型及千斤顶布置如图14所示。
图14实验模型
整个伸缩缝将大变形平均分配给各个小木条位置处的小变形。实验证明，分布开裂式伸缩缝将大变形通过钢板和销钉传递位移，传递过程中均匀分散位移，起到将大变形均匀分散成小变形的作用，由于沥青的材料特性，微小变形不会开裂。
盘锦纬一河上的应用
图15盘锦纬一河5号桥梁
图16盘锦纬一河6号桥梁
盘锦辽东湾新区，原辽滨沿海经济区，位于辽宁省盘锦市最南部，新区纬一河上修建多座中小跨径桥梁，桥位场地地形平坦开阔，地貌属于河流冲积平原。桥梁外形为拱桥，由于地质条件所限，实质采用T形刚构加挂梁受力体系。新型无缝伸缩缝技术应用于桥面铺装，同时挂梁采用新型斜牛腿受力结构。这样既解决了普通牛腿病害多的问题，也减少了桥面伸缩缝过多引起的病害问题。
本文刊载/《桥梁》杂志年第3期总第95期
作者/张哲王骞耿铁锁
作者单位/大连理工大学桥梁工程研究所
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