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无缝桥梁的定义是上部结构和支撑桥台之间没有伸缩缝的桥梁，由于传统做法会导致若干问题，无缝桥梁如今已被广泛采用。在无缝桥梁中，相比于钢制和现浇混凝土上部结构，预制预应力上部结构有一个重要优势，即预制预应力上部结构比钢制上部结构遭受的热位移少，并且，与现浇混凝土上部结构相比，其长期运动更少。这是因为预制构件的制造过程将长期收缩发生在上部结构的安装和连续搭建之前。此外，随时间推移出现的徐变量，会随着安装时的混凝土龄期增加而减少。
无缝结构非常适合单跨和多跨桥梁。对于单跨桥梁，背墙后面的被动压力和多跨桥梁中间桥墩有助于桥梁的稳定性。如果土壤压实良好，并且设计时考虑了如图1所示的基础沉降，无缝桥梁则可以建立在桥梁桩基或沉井基础上，或扩大基础可以建在土壤上。
无缝桥梁的好处
通过将荷载沿桥梁端部的连续全深度隔板分布，无缝桥梁可以提供足够的预留承载能力，承受潜在的破坏性过载。使用伸缩支座和桥梁支座时所需的精密公差，需符合梁翼缘的倾斜和反挠度校正，因为主梁荷载最终由包括端部隔板的混凝土承载。
对于正常的膨胀支座情况，除非需要顾及上拔情况，否则端跨与相邻内跨长度之比必须保持在近0.6。如果会发生上拔，则必须在膨胀支座上增设昂贵的压紧装置。使用无缝桥台可以使端跨长度更短（如有需要），因为桥台可作配重，并且还可以利用桥梁桩基的抗拔承载力。
桥梁上部结构的连续性可以提高桥梁在所有类型灾难性事件中的冗余度和承载能力。在地震事件的设计中，利用连续性可以大大减少材料消耗量，且无需扩大桥梁支座宽度和设置限位装置。另外，使用无缝桥台还可避免失去主梁支撑，失去主梁支撑是地震事件中桥梁受损的最常见原因。接缝给整个桥梁结构带来了潜在破坏机制。无缝桥台在实际地震事件中始终表现良好，并且大大减少或避免了与桥梁支座式接缝桥台相关的背墙和支座损坏问题。经证明，由土壤与桥台间相互作用引起的阻尼，可以明显减小中间下部结构梁柱和基础产生的横向荷载。采用无缝桥梁时可以考虑以下限制条件：
1.长度限制涉及被动压力效应，桩中应力，以及桥头搭板和引桥路面之间接缝的运动能力。许多州交通部将钢制上部结构的长度限制在100米，预应力混凝土上部结构的长度限制在200米。少数州，诸如华盛顿州，已经成功采用了更长的长度。
2.斜桥的角度一般低于45度。然而，部分州已经广泛有效地在弯曲桥梁和斜度高达75度的桥梁中，采用了这种构造方法。
3.无缝桥梁要求端部隔板支撑在柔性基础类型和支座上。
地震区无缝桥梁的设计要求
美国州公路和运输官员协会《LRFD桥梁抗震设计指导规范》（LRFD SGS）系以位移为基础，要求桥梁设计具有足够的位移能力以满足抗震需求。桥梁的位移能力，尤其是位于高地震风险地区的桥梁的位移能力，需通过基于位移的程序来检查。抗震需求较低的部分州也采用了《LRFD规范》中所述基于力的方法。
性能标准的总体目标是桥梁在1000年一遇地震事件中保持全寿命安全性。桥梁坍塌的可能性很小，但可能会遭受严重损坏并严重影响桥梁运行。桥梁可能需要部分或全部更换。在重大事件中，预计会发生偏移、开裂、钢筋屈服和混凝土严重剥落。虽然1000年巨灾间隔期被认为适用于大多数桥梁，但桥梁所有人可能要求桥梁具备更高的性能水平，例如提供生命安全运输的“关键”或“必要”桥梁，对于经济必不可少的桥梁，或地方应急预案所需的桥梁。对于这些项目，通常需制定特定于现场或项目的设计标准。
《LRFD桥梁抗震设计指导规范》没有明确提到无缝预制、先张拉或后张拉构件。针对活载而采用连续设计的预制梁，必须具有梁于梁或梁于盖梁的连接，在1000年一遇地震事件中，这些连接可以保持完好无损。
在基于力的分析方法中，需进行线弹性多模态响应谱分析，并确定各种桥梁或结构部件中的力效应。一些机构也允许基于一定比例的静载进行横向荷载的拟静力分析。评估部件的承载能力，然后计算部件的需求/能力（D/C）比。如果特定部件的需求/能力比小于该部件的允许地震力降低系数R，则表示其具有足够的承载能力。
静力弹塑性分析解决了材料非线性以及几何非线性的典型根源。材料非线性包括土壤、混凝土、土壤与结构间相互作用和钢筋屈服。几何非线性是指P-Δ效应。将桥梁框架沿其纵、横两个方向横向推动，直到达到目标位移。
分析属于递增型线弹性分析，并通过横向推动框架以启动塑性作用来捕获元件的整体非线性行为，包括土壤效应。每次增量时，推动框架直至形成塑性铰，并在每个塑性铰形成之后重新定义结构系统，直至达到潜在破坏机制。
根据《LRFD桥梁抗震设计指导规范》，桥梁的设计符合全寿命安全性性能目标，并考虑75年内地震灾害超越概率为7%。在当前的LRFD抗震设计规定中，期望的地震结构响应是上部结构能够防止倒塌。这种响应可以通过迫使损坏进入比上部结构更容易修复或更换的梁柱来实现。
设计全寿命安全性意味着会造成严重损坏。严重损坏包括永久性偏移、引桥结构与桥梁上部结构之间的损坏、跨度之间伸缩缝处损坏、桥跨长度的永久变化以及桥梁柱顶部的永久位移。损坏还包括混凝土严重开裂、钢筋屈服和屈曲，混凝土严重剥落以及桥面板严重开裂。这些条件都可能需要封闭桥梁以修复损坏。在某些情况下可能需要部分或全部替换梁柱。在因液化作用而存在侧流的位置处，桩基可能遭受严重的非弹性变形，并且可能需要部分或全部更换梁柱和桩基。
除土壤结构相互作用（SSI）分析外，还应考虑土壤稳定性，包括土壤液化、盆地效应、软粘土场地和边坡危害。土壤液化调查包括分析横向扩散、支撑损失和动态沉降，以及通过现场改进减缓这些效应。软粘土场地可能具有较大的场地放大效应。边坡病害已被公认为是地震所致桥梁坍塌的主要原因之一。
整体式桥台的抗震设计
在桥梁的抗震设计中，可以考虑使用桥台墙，来承受地震引起的惯性荷载，从而减小梁柱尺寸或降低梁柱的延性要求。如果不考虑上部结构脱离桥台或其他损坏，结合相关标准考虑，地震期间对背墙和翼墙的损坏可视为可以接受。桥台在桥梁系统整体动态响应中的参与度，应能够应反映处结构配置，桥梁到桥台系统的荷载传递机制，墙土系统的有效刚度和受力能力，以及可接受的桥台损伤水平。桥台的抗桥梁惯性荷载能力应与可以可靠调动的土壤阻力、桥台墙的结构设计、以及是否允许墙体被设计地震损坏等方面相匹配。侧墙承载力应根据合理的被动土压力理论进行评估。
在地震荷载作用下，土压力对桥台墙的作用从静态变为两种可能的状态：
• 动态主动压力状态，墙体远离回填；
• 被动压力状态，桥梁惯性荷载将墙体推向回填。
占主导的土压力状态取决于地震引起的桥台墙、桥梁上部结构和桥台结构的运动幅度。半整体式桥台和相应的荷载图如图2所示。
桥台抗力应限制在根据美国州公路和运输官员协会《LRFD桥梁抗震设计指导规范》规定程序所得值的70%。桥台刚度Keff和被动能力Pp应具有双线性或其他更高阶非线性关系的特征。当背墙的运动以平移为主时，可以假设被动压力在高度上呈均匀分布状态。
在半无缝或L型桥台后方土壤的被动压力耐受能力将通过上部结构大幅度纵向位移进行调动时，桥梁可以设计成以桥台作为纵向抗震系统（ERS）的关键元件。桥台需设计成能够承受设计地震位移。如果设计中包括了桥台刚度和承载力，则应该意识到，通过桥台位移产生的被动压力区，会延伸到通常用于工作静载设计的主动压力区之外。桥梁的动态分析中不需要考虑作用在桥台上的动态主动土压力。
无缝小跨度桥梁也可以使用图3示土工合成墙和结构性土（SE）墙进行支撑。桥梁应符合以下要求：
1.墙体总高度应在10米或以下，其中包括保留的挡土高度，至埋入式扩展基础的底部。
2.对于结构性土墙，桥梁基础的前缘应至少距离面板背面1.2米。对于带有包覆面的土工合成挡土墙，桥梁基础的前缘应至少距离面板背面610毫米。
3.桥台基础应至少覆盖150毫米厚的土壤，以防霜冻。
4.连续跨桥梁的上部结构应设计成适用于桥墩之间的沉降差异。
预制无缝桥梁的桥台连接
中高地震危险水平地区使用的典型桥台是现浇混凝土墩墙，支撑在扩展基础、桩基或沉井基础上。预制梁通常支撑在端部桥墩处的弹性支座垫上。小跨度桥梁可以使用半无缝式端部隔板。支座系统系针对工作荷载条件设计，但可能不足以承受地震荷载。支座设计成易于接近，以便在发生重大地震事件后可以吊升起上部结构并更换支座。桥头搭板搁置在上部结构端部处的凹槽上，从而在地震事件期间桥台后方土壤发生沉降的情况下，提供一条连接至桥上的坡道。
图4所示为半无缝式端墩细部。这种类型的端部隔板无需在端部桥墩处设置伸缩缝。端墩墙和端部隔板之间的间隙设计成大于极端事件极限状态下的纵向地震运动要求，以及长度小于150米的桥梁在工作极限状态下的热膨胀。
伸缩支座的最小位移要求应能承受，根据位移分析计算所得最大位移或根据公式1计算所得实证座宽所占百分比N（以较大者为准）。
N=(8+0.02L+0.08H)(1+0.000125S2)(1)式中
L =到相邻膨胀接缝或到桥梁端部的桥梁长度
H =支撑上部结构的桥台墙的平均高度
S =垂直于桥跨测得的支撑斜度
针对不同的抗震设计类别（SDC），可如表1所示。
对于抗震设计类别D，梁支座的支撑长度N必须能够满足支撑处或两个框架间跨度内的铰链处的相对纵向地震位移要求。该长度按以下公式确定：N = (4+1.65∆eq)(1+0.00025S2) ≥ 610 mm(2)
“均衡框架”（相邻框架的自振周期比等于或大于0.7）中的铰链座长度按以下公式计算：N = ∆p/s + ∆cr+sh + ∆temp + ∆eq + 100 mm(3)式中：
∆eq =相对地震荷载纵向位移需求
∆p/s =预应力导致的位移
∆cr+sh =徐变和收缩引起的位移
∆temp =温度效应引起的位移
对于标准桥墩形状，或需要快速桥梁施工时，预制桥台是一个非常有效的解决方案。对于需要高质量混凝土或几何控制的独特路段，有较长前置期允许承包商同时制造预制上部结构构件和桥台部分时，以及预制场地位于施工区范围内时，预制法也是最佳的解决方案。现浇背墙和剪力键用于承受所挡土墙产生的横向地震力。
应考虑调整桥梁的动态特性，以达到可接受的抗震性能。由于上部结构系受弯连接到端部隔板，因此主梁旋转在理论上会使桥台桩中产生力矩。上部结构的设计中通常可以这些力矩，因为上部结构通常比隔板刚度大得多。于背墙之前浇筑端跨桥面板，可以最大限度地减小主梁旋转。然而，在某些情况下，特别是在较大跨度的无缝桥梁中，设计桥台时都需考虑上部结构旋转引起的力矩。
针对不同抗震设计类别的桥台纵向响应
针对抗震设计类别B或C中桥梁设计的桥台，预计能够承受地震荷载，并且最大限度地减少损伤。对于座式桥台，预计动态被动压力状态下的桥台运动最小。然而，桥梁上部结构位移要求可以是100毫米或以上，并可能增加土壤移动性。
对于抗震设计类别D，由于较大纵向上部结构位移与惯性荷载相关，因此通常会调动无缝桥台墙以及座式桥台背墙后方土壤中的被动压力阻力。以下两种方案可供选择：
方案1：没有桥台贡献的抗震系统（ERS）。桥梁抗震系统应设计成能够承受所有地震荷载，而不需要桥台的任何贡献。桥台可能有助于限制位移，提供额外的承载力和更好的性能，这在分析模型中没有直接解释。为确保梁柱能够承受横向载荷，应假设桥台的刚度和承载力为零。这种情况下，应考虑结合地震加速度引起的严重位移影响，对桥台进行评估。在适当的情况下，该评估应涵盖桥台倾覆。
方案2：有桥台贡献的抗震系统（ERS）。这种情况中，桥梁应设计成以桥台作为抗震系统的关键元件。通过桥台设计和分析，证实设计地震位移。如果设计中包括了桥台刚度和承载力，则应该意识到，通过桥台位移调动的被动压力区，会延伸到通常用于工作静载设计的主动压力区之外。图5所示为桥台刚度和被动压力示意图。
针对不同抗震设计类别的桥台横向响应
设置横向挡板和剪力键，以承受不小于加速系数As乘以分支永久荷载的水平地震力。预计抗震设计类别B或C不会采用熔断保护装置；但是，如有必要，应使用适用于抗震设计类别D的程序检查熔断保护装置，同时考虑剪力键的超强度效应。对于此类结构，应利用弹性阻力或熔断保护装置，来承受横向桥台荷载。横向桥台设计中采用的弹力应根据结构的弹性需求分析确定。
当剪力键熔断机构用于桩支撑式桥台时，剪力键的组合超强度应小于桩的组合塑性剪切承载力。土壤摩擦和被动土压力不应包括在桩支撑式桥台的横向桥台阻力中。对于不打算熔断的混凝土剪力键，设计时应考虑每个剪力键中可能产生的不等力。
对于桩支撑式桥台，如果桥台位移大于100毫米，则应忽略直径或宽度小于或等于450毫米的桩的刚度贡献，除非对桩进行位移能力分析且分析表明桩能够满足需求。
桥墩处上部结构连续性
无缝桥梁的桥墩具有类似的设计要求，与更传统桥梁类型的桥墩具有相同的设计程序。无缝桥梁桥墩的主要区别性特征包括，承受可能较大的上部结构运动，以及共同承受下部结构组件之间的横向（垂直于桥梁纵向中心线在）力和纵向（平行于桥梁的中心线）力。
无缝桥梁的桥墩必须设计成能够承受上部结构的位移。尽管在某种程度上存在混凝土徐变和收缩引起的上部结构位移，但通常情况下，结构因均匀温度作用引起的变形仍是主要问题。预制预应力梁的徐变和收缩位移通常可以忽略，但是对于较长的无缝桥梁，桥墩设计中也必须考虑这些效应。
为了成功设计出能够承受潜在较大上部结构位移的桥墩，设计师有以下几种选择：
1.柔性弯曲 - 刚性连接到上部结构；
2.隔离的刚性桥墩 - 通过柔性支座连接到上部结构；
3.半刚性桥墩 - 利用销钉和氯丁橡胶支座垫连接到上部结构；
4.铰接式桥墩 - 利用销钉和氯丁橡胶支座垫连接到上部结构。
最基本的预制桥梁由预制预应力混凝土梁组成，通过搭建模板并浇筑连续桥面板，构建预制预应力混凝土连续梁，使其能够承受活载。预制梁架设在盖梁上，临时支撑在弹性支座或木块上，直到现浇混凝土隔板完成为止。有时会延伸梁端引出的钢绞线，以增加连续性。
用以支撑大型多跨无缝上部结构的桥墩，通常需要专门的分析模型来预测横向荷载分布，上部结构位移产生的力，桥墩刚度，以及细长效应。
采用无缝桥台的无缝桥梁具有降低最初施工成本和最大限度减少未来维护工作等好处，其在美国的应用越来越广泛。这类结构的其他优点包括设计效率、系统冗余度增加、易于施工以及桥跨布置灵活性更大，尤其是采用完全连续的梁系统。
无缝桥梁中，预制混凝土上部结构具有重要优势。这是因为预制构件的制造过程将大部分长期收缩发生在上部结构的安装和连续搭建之前。此外，随时间推移出现的徐变量，会随着安装时的混凝土龄期增加而减少。
作者 / W. Phillip Yen, PhD, PE
作者系国际桥梁抗震工程协会(IABEE)主席
（责任编辑：何雯丽）
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