“新型整体式桥台无缝桥（刚柔组合桥台整体桥）关键技术与应用研究”项目由福建省交通运输厅立项，平潭综合实验区交通投资集团有限公司为第一承担单位、福州大学为第二承担单位。项目组在前期预研基础上，历经2年的不懈努力和持续攻关，顺利完成了本项目的研究工作，并于2022年10月14日顺利通过了专家组的评审验收。
图1 会场照片
会上，黄福云教授就本项目研究内容、项目进展以及取得的成果向大家做了详细汇报。他首先分析了桥台在“挡土“、“承受主梁荷载”、“适应主梁变形”这三种主要功能的内在关系（如图2所示）。
图2有缝桥桥台和传统整体桥桥台功能
对于有缝桥桥台来说，其主要起“挡土”和“承载”的功能，第三种功能则通过设置伸缩缝和支座以处理主梁的水平变形或转动来实现，避免温度变形受到约束而产生过大的温度内力或应力，并使桥梁结构受力明确、计算简便。不过，伸缩缝和支座病害突出，占桥梁全部病害的70%以上，养护维修工作量大；且伸缩缝和支座的设置使全桥结构变得离散，从而要求桥台自身应具备极大的刚度和足够的强度才能更好发挥“挡土”和“承载”的功能，进而也使得桥台不具备“变形”功能。
整体式无缝桥桥台（整体桥）取消了伸缩缝和支座，行车舒适平顺、噪音小、不跳车，极大减少了后期养护维修工作以及维修过程中交通限行造成的经济与社会影响，是一种可持续与耐久性较好的桥梁。整体式桥台除与有缝桥桥台一样，具有“挡土“和“承载”功能外，也具有“变形”功能。这是因为整体桥两端的桥台可通过主梁相互平衡台后土，这使其“挡土”的功能要求降低，自身尺寸和刚度可显著减小，从而可具备“变形”功能。整体桥桥台根据其柔性适应主梁温度胀缩变形的方式（“变形”功能），主要分为刚性整体式桥台和柔性整体式桥台。
刚性桥台整体桥常采用柔性桩基以适应主梁的水平往复变形；不过，我国桥梁常用的混凝土桩（RC桩）刚度大、柔性性能和抵抗水平往复变形的能力不足，应用较为受限。柔性桥台整体桥主要由“柔性”的桥台来适应主梁的往复变形；不过，“柔性”的桥台除了要有较好柔性以适应上部结构水平变形外，还要有较高刚度以抵抗侧向土压力作用，这使得该类型桥台很难平衡其柔度和刚度的问题。由于挡土是柔性桥台的控制因素，因而桥台通常仍较为刚性，“柔性”不足，属于半柔性的桥台，在地震等水平力作用下易发生剪切破坏。总之，现有两种整体桥在受力性能方面受限，特别是在综合了“挡土“、“承载”、“变形”三种功能后计算极为复杂。
为此，针对刚性桥台整体桥和半柔性桥台整体桥的不足，本项目提出了一种新型整体桥-功能型组合桥台整体桥，如图3所示。功能型组合桥台整体桥是把传统桥台既要承载和变形、又要挡土的功能分开，分成承载变形的桥台和仅挡土的桥台，前者称为柔性主桥台、后者称为刚性次桥台。因此，功能型组合桥台也称“刚柔组合桥台”。
（a）全桥示意
（b）优化功能组合
图3 刚柔组合桥台整体桥
刚柔组合桥台中的柔性主桥台主要承受全桥结构的荷载作用，但基本不参与挡土作用，从而台身可以较薄，并具有较好的柔性来适应主梁的胀缩变形，减小桥台对上部结构的约束，也减小桥台对台底桩基的作用，也即柔性主桥台起“承载”、“变形”的功能。
刚性次桥台由加筋土和泡沫混凝土组成，其基本不参与全桥结构的受力，仅与柔性主桥台组合梯级抵抗台后侧向土压力作用（起“挡土”功能）。主、次桥台之间通过填充轻质弹性材料（如EPS），以弱化结构-土相互作用，并起耗能减震作用，同时部分取代难压实、易脱空沉降的台后回填土。
无论是有缝桥桥台还是传统的整体式桥台，它们均把“挡土”功能与“承载”、“变形”的功能进行结合，这使桥台结构的受力不合理。刚柔组合桥台则把“挡土”的功能与“承载”、变形”的功能分开，重新进行功能优化组合，以充分实现挡土、承载与变形的目的。通过本项目的研究，可望为我国大量新建桥梁提供一种可选择的桥型。
本项目研究以某半柔性桥台整体桥为对象进行试设计。该桥为三跨连续梁桥，桥面宽17m，上部结构为3×30m单箱三室等高箱梁。桥台采用半柔性整体式桥台，已于2019年底建成通车。改造后的桥台如图4所示。
图4 桥台改造
本项目研究对试设计桥梁进行Midas有限元分析、开展小侧向力作用下柔性主桥台压弯性能试验、桥台-桩基-土相互作用拟静力试验、刚柔组合桥台-桩-土相互作用有限元分析以及新型整体式桥台地震模拟振动台试验。有限元模型及试验模型如图5-图8所示
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图5 试设计桥Midas有限元模型
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图6 小侧向力作用下柔性主桥台压弯性能试验 |
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图7 桥台-桩基-土相互作用试验 |
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图8 刚柔组合桥台-桩-土相互作用有限元模型 |
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图9 新型整体式桥台地震模拟振动台试验 |
目前，本课题项目累计产生多项成果，具体如下：
表1 论文成果一览表
序号 |
论文名称 |
发表刊物 |
类别 |
时间 |
1 |
环形超高性能混凝土制品离心成型试验研究 |
混凝土与水泥制品 ISSN:1000-4637 CN:32-1173/TU |
中文核心期刊 |
2021 年 12 月刊出 |
2 |
Shaking Table Test on Interaction of Flexible Abutment-RC-Pile -Soil in Integral Abutment Jointless Bridge (IAJB) |
ICITBS 2022 ISBN： 978-1-6654-4854-3 |
会议论文 （EI 收录） |
2022 年刊出 |
3 |
Modified calculation method of earth pressure and internal force of the abutment-pile in integral abutment jointless bridges |
Archives of civil and mechanical engineering ISSN: 1644-9665 |
SCI二区 |
2022年 9 月网络首发， 录用 |
4 |
采用 H 形 ECC 桩基的整体桥受力性能分析 |
工业建筑 ISSN：1000-8993 CN：11-2068/TU |
中文核心期刊 |
2022年6月 网络首发，录用 |
5 |
水平往复大位移作用下整体桥台后土压力计算方法 |
交通运输工程学报 ISSN: 1671-1637 CN：61-1369/U |
卓越期刊 EI收录 |
录用待刊，预计 2022 年10 月刊出 |
表2 专利成果一览表
序号 |
专利名称 |
专利类型 |
专利号 |
授权日期 |
1 |
整体式桥台的施工结构 |
实用新型专利 |
ZL202122041675. 9 |
2022.01.18 |
2 |
一种刚柔组合式的新型阻尼器装置 |
实用新型专利 |
ZL202022384081.3 |
2021.06.29 |
3 |
一种适用于新旧桥改造的构造 |
实用新型专利 |
ZL202022309536.5 |
2021.07.13 |
4 |
适用于整体桥的阻尼器装置和整体桥 |
实用新型专利 |
ZL202022207902. 6 |
2021.06.22 |
表3 标准制定
序号 |
标准类型 |
标准名称 |
编制单位 |
标准立项日期 |
1 |
吉林省工程建设地方标准 |
中小跨径无伸缩缝梁桥技术标准 |
中庆建设有限公司 福州大学 福建宏实建设工程质量检测公司 吉林建筑大学 中邦山水规划设计有限公司 吉林省境和设计工程有限公司 四川省公路规划勘察设计院有限公司 平潭综合实验区交通投资集团有限公司 |
2021.07. 02 |
项目研究成果在泉州台商投资区海湾大道工程等多个项目中得到了应用，优化了设计方案，缩短了工期，节省了造价，在2020-2022年度累计总产值4910万元，新增利税1038.8万元，年增收节支总额2199.9万元。
此次验收会议，得到了专家组的一致认可。同时，专家组也指出了项目研究存在的一些问题，为后续的研究和新型整体式桥台无缝桥的应用推广提出了宝贵意见。
二〇二二年10月17日