無縫橋梁的定義是上部結構和支撐橋臺之間沒有伸縮縫的橋梁，由于傳統做法會導致若干問題，無縫橋梁如今已被廣泛采用。在無縫橋梁中，相比于鋼制和現澆混凝土上部結構，預制預應力上部結構有一個重要優勢，即預制預應力上部結構比鋼制上部結構遭受的熱位移少，并且，與現澆混凝土上部結構相比，其長期運動更少。這是因為預制構件的制造過程將長期收縮發生在上部結構的安裝和連續搭建之前。此外，隨時間推移出現的徐變量，會隨著安裝時的混凝土齡期增加而減少。

無縫結構非常適合單跨和多跨橋梁。對于單跨橋梁，背墻后面的被動壓力和多跨橋梁中間橋墩有助于橋梁的穩定性。如果土壤壓實良好，并且設計時考慮了如圖1所示的基礎沉降，無縫橋梁則可以建立在橋梁樁基或沉井基礎上，或擴大基礎可以建在土壤上。

通過將荷載沿橋梁端部的連續全深度隔板分布，無縫橋梁可以提供足夠的預留承載能力，承受潛在的破壞性過載。使用伸縮支座和橋梁支座時所需的精密公差，需符合梁翼緣的傾斜和反撓度校正，因為主梁荷載最終由包括端部隔板的混凝土承載。

對于正常的膨脹支座情況，除非需要顧及上拔情況，否則端跨與相鄰內跨長度之比必須保持在近0.6。如果會發生上拔，則必須在膨脹支座上增設昂貴的壓緊裝置。使用無縫橋臺可以使端跨長度更短（如有需要），因為橋臺可作配重，并且還可以利用橋梁樁基的抗拔承載力。

橋梁上部結構的連續性可以提高橋梁在所有類型災難性事件中的冗余度和承載能力。在地震事件的設計中，利用連續性可以大大減少材料消耗量，且無需擴大橋梁支座寬度和設置限位裝置。另外，使用無縫橋臺還可避免失去主梁支撐，失去主梁支撐是地震事件中橋梁受損的最常見原因。接縫給整個橋梁結構帶來了潛在破壞機制。無縫橋臺在實際地震事件中始終表現良好，并且大大減少或避免了與橋梁支座式接縫橋臺相關的背墻和支座損壞問題。經證明，由土壤與橋臺間相互作用引起的阻尼，可以明顯減小中間下部結構梁柱和基礎產生的橫向荷載。采用無縫橋梁時可以考慮以下限制條件：

1.長度限制涉及被動壓力效應，樁中應力，以及橋頭搭板和引橋路面之間接縫的運動能力。許多州交通部將鋼制上部結構的長度限制在100米，預應力混凝土上部結構的長度限制在200米。少數州，諸如華盛頓州，已經成功采用了更長的長度。

2.斜橋的角度一般低于45度。然而，部分州已經廣泛有效地在彎曲橋梁和斜度高達75度的橋梁中，采用了這種構造方法。

3.無縫橋梁要求端部隔板支撐在柔性基礎類型和支座上。

美國州公路和運輸官員協會《LRFD橋梁抗震設計指導規范》（LRFD SGS）系以位移為基礎，要求橋梁設計具有足夠的位移能力以滿足抗震需求。橋梁的位移能力，尤其是位于高地震風險地區的橋梁的位移能力，需通過基于位移的程序來檢查。抗震需求較低的部分州也采用了《LRFD規范》中所述基于力的方法。

性能標準的總體目標是橋梁在1000年一遇地震事件中保持全壽命安全性。橋梁坍塌的可能性很小，但可能會遭受嚴重損壞并嚴重影響橋梁運行。橋梁可能需要部分或全部更換。在重大事件中，預計會發生偏移、開裂、鋼筋屈服和混凝土嚴重剝落。雖然1000年巨災間隔期被認為適用于大多數橋梁，但橋梁所有人可能要求橋梁具備更高的性能水平，例如提供生命安全運輸的“關鍵”或“必要”橋梁，對于經濟必不可少的橋梁，或地方應急預案所需的橋梁。對于這些項目，通常需制定特定于現場或項目的設計標準。

《LRFD橋梁抗震設計指導規范》沒有明確提到無縫預制、先張拉或后張拉構件。針對活載而采用連續設計的預制梁，必須具有梁于梁或梁于蓋梁的連接，在1000年一遇地震事件中，這些連接可以保持完好無損。

在基于力的分析方法中，需進行線彈性多模態響應譜分析，并確定各種橋梁或結構部件中的力效應。一些機構也允許基于一定比例的靜載進行橫向荷載的擬靜力分析。評估部件的承載能力，然后計算部件的需求/能力（D/C）比。如果特定部件的需求/能力比小于該部件的允許地震力降低系數R，則表示其具有足夠的承載能力。

靜力彈塑性分析解決了材料非線性以及幾何非線性的典型根源。材料非線性包括土壤、混凝土、土壤與結構間相互作用和鋼筋屈服。幾何非線性是指P-Δ效應。將橋梁框架沿其縱、橫兩個方向橫向推動，直到達到目標位移。

分析屬于遞增型線彈性分析，并通過橫向推動框架以啟動塑性作用來捕獲元件的整體非線性行為，包括土壤效應。每次增量時，推動框架直至形成塑性鉸，并在每個塑性鉸形成之后重新定義結構系統，直至達到潛在破壞機制。

根據《LRFD橋梁抗震設計指導規范》，橋梁的設計符合全壽命安全性性能目標，并考慮75年內地震災害超越概率為7%。在當前的LRFD抗震設計規定中，期望的地震結構響應是上部結構能夠防止倒塌。這種響應可以通過迫使損壞進入比上部結構更容易修復或更換的梁柱來實現。

設計全壽命安全性意味著會造成嚴重損壞。嚴重損壞包括永久性偏移、引橋結構與橋梁上部結構之間的損壞、跨度之間伸縮縫處損壞、橋跨長度的永久變化以及橋梁柱頂部的永久位移。損壞還包括混凝土嚴重開裂、鋼筋屈服和屈曲，混凝土嚴重剝落以及橋面板嚴重開裂。這些條件都可能需要封閉橋梁以修復損壞。在某些情況下可能需要部分或全部替換梁柱。在因液化作用而存在側流的位置處，樁基可能遭受嚴重的非彈性變形，并且可能需要部分或全部更換梁柱和樁基。

除土壤結構相互作用（SSI）分析外，還應考慮土壤穩定性，包括土壤液化、盆地效應、軟粘土場地和邊坡危害。土壤液化調查包括分析橫向擴散、支撐損失和動態沉降，以及通過現場改進減緩這些效應。軟粘土場地可能具有較大的場地放大效應。邊坡病害已被公認為是地震所致橋梁坍塌的主要原因之一。

在橋梁的抗震設計中，可以考慮使用橋臺墻，來承受地震引起的慣性荷載，從而減小梁柱尺寸或降低梁柱的延性要求。如果不考慮上部結構脫離橋臺或其他損壞，結合相關標準考慮，地震期間對背墻和翼墻的損壞可視為可以接受。橋臺在橋梁系統整體動態響應中的參與度，應能夠應反映處結構配置，橋梁到橋臺系統的荷載傳遞機制，墻土系統的有效剛度和受力能力，以及可接受的橋臺損傷水平。橋臺的抗橋梁慣性荷載能力應與可以可靠調動的土壤阻力、橋臺墻的結構設計、以及是否允許墻體被設計地震損壞等方面相匹配。側墻承載力應根據合理的被動土壓力理論進行評估。

在地震荷載作用下，土壓力對橋臺墻的作用從靜態變為兩種可能的狀態：

? 動態主動壓力狀態，墻體遠離回填；

? 被動壓力狀態，橋梁慣性荷載將墻體推向回填。

占主導的土壓力狀態取決于地震引起的橋臺墻、橋梁上部結構和橋臺結構的運動幅度。半整體式橋臺和相應的荷載圖如圖2所示。

橋臺抗力應限制在根據美國州公路和運輸官員協會《LRFD橋梁抗震設計指導規范》規定程序所得值的70%。橋臺剛度Keff和被動能力Pp應具有雙線性或其他更高階非線性關系的特征。當背墻的運動以平移為主時，可以假設被動壓力在高度上呈均勻分布狀態。

在半無縫或L型橋臺后方土壤的被動壓力耐受能力將通過上部結構大幅度縱向位移進行調動時，橋梁可以設計成以橋臺作為縱向抗震系統（ERS）的關鍵元件。橋臺需設計成能夠承受設計地震位移。如果設計中包括了橋臺剛度和承載力，則應該意識到，通過橋臺位移產生的被動壓力區，會延伸到通常用于工作靜載設計的主動壓力區之外。橋梁的動態分析中不需要考慮作用在橋臺上的動態主動土壓力。

無縫小跨度橋梁也可以使用圖3示土工合成墻和結構性土（SE）墻進行支撐。橋梁應符合以下要求：

1.墻體總高度應在10米或以下，其中包括保留的擋土高度，至埋入式擴展基礎的底部。

2.對于結構性土墻，橋梁基礎的前緣應至少距離面板背面1.2米。對于帶有包覆面的土工合成擋土墻，橋梁基礎的前緣應至少距離面板背面610毫米。

3.橋臺基礎應至少覆蓋150毫米厚的土壤，以防霜凍。

4.連續跨橋梁的上部結構應設計成適用于橋墩之間的沉降差異。

中高地震危險水平地區使用的典型橋臺是現澆混凝土墩墻，支撐在擴展基礎、樁基或沉井基礎上。預制梁通常支撐在端部橋墩處的彈性支座墊上。小跨度橋梁可以使用半無縫式端部隔板。支座系統系針對工作荷載條件設計，但可能不足以承受地震荷載。支座設計成易于接近，以便在發生重大地震事件后可以吊升起上部結構并更換支座。橋頭搭板擱置在上部結構端部處的凹槽上，從而在地震事件期間橋臺后方土壤發生沉降的情況下，提供一條連接至橋上的坡道。

圖4所示為半無縫式端墩細部。這種類型的端部隔板無需在端部橋墩處設置伸縮縫。端墩墻和端部隔板之間的間隙設計成大于極端事件極限狀態下的縱向地震運動要求，以及長度小于150米的橋梁在工作極限狀態下的熱膨脹。

伸縮支座的最小位移要求應能承受，根據位移分析計算所得最大位移或根據公式1計算所得實證座寬所占百分比N（以較大者為準）。

N=(8+0.02L+0.08H)(1+0.000125S2)

(1)式中

L =到相鄰膨脹接縫或到橋梁端部的橋梁長度

H =支撐上部結構的橋臺墻的平均高度

S =垂直于橋跨測得的支撐斜度

針對不同的抗震設計類別（SDC），可如表1所示。

對于抗震設計類別D，梁支座的支撐長度N必須能夠滿足支撐處或兩個框架間跨度內的鉸鏈處的相對縱向地震位移要求。該長度按以下公式確定：

N = (4+1.65?eq)(1+0.00025S2) ≥ 610 mm      

 (2)

“均衡框架”（相鄰框架的自振周期比等于或大于0.7）中的鉸鏈座長度按以下公式計算：

N = ?p/s + ?cr+sh + ?temp + ?eq + 100 mm

(3)式中：

?eq =相對地震荷載縱向位移需求

?p/s =預應力導致的位移

?cr+sh =徐變和收縮引起的位移

?temp =溫度效應引起的位移

對于標準橋墩形狀，或需要快速橋梁施工時，預制橋臺是一個非常有效的解決方案。對于需要高質量混凝土或幾何控制的獨特路段，有較長前置期允許承包商同時制造預制上部結構構件和橋臺部分時，以及預制場地位于施工區范圍內時，預制法也是最佳的解決方案。現澆背墻和剪力鍵用于承受所擋土墻產生的橫向地震力。

應考慮調整橋梁的動態特性，以達到可接受的抗震性能。由于上部結構系受彎連接到端部隔板，因此主梁旋轉在理論上會使橋臺樁中產生力矩。上部結構的設計中通常可以這些力矩，因為上部結構通常比隔板剛度大得多。于背墻之前澆筑端跨橋面板，可以最大限度地減小主梁旋轉。然而，在某些情況下，特別是在較大跨度的無縫橋梁中，設計橋臺時都需考慮上部結構旋轉引起的力矩。

針對抗震設計類別B或C中橋梁設計的橋臺，預計能夠承受地震荷載，并且最大限度地減少損傷。對于座式橋臺，預計動態被動壓力狀態下的橋臺運動最小。然而，橋梁上部結構位移要求可以是100毫米或以上，并可能增加土壤移動性。

對于抗震設計類別D，由于較大縱向上部結構位移與慣性荷載相關，因此通常會調動無縫橋臺墻以及座式橋臺背墻后方土壤中的被動壓力阻力。以下兩種方案可供選擇：

方案1：沒有橋臺貢獻的抗震系統（ERS）。橋梁抗震系統應設計成能夠承受所有地震荷載，而不需要橋臺的任何貢獻。橋臺可能有助于限制位移，提供額外的承載力和更好的性能，這在分析模型中沒有直接解釋。為確保梁柱能夠承受橫向載荷，應假設橋臺的剛度和承載力為零。這種情況下，應考慮結合地震加速度引起的嚴重位移影響，對橋臺進行評估。在適當的情況下，該評估應涵蓋橋臺傾覆。

方案2：有橋臺貢獻的抗震系統（ERS）。這種情況中，橋梁應設計成以橋臺作為抗震系統的關鍵元件。通過橋臺設計和分析，證實設計地震位移。如果設計中包括了橋臺剛度和承載力，則應該意識到，通過橋臺位移調動的被動壓力區，會延伸到通常用于工作靜載設計的主動壓力區之外。圖5所示為橋臺剛度和被動壓力示意圖。

設置橫向擋板和剪力鍵，以承受不小于加速系數As乘以分支永久荷載的水平地震力。預計抗震設計類別 B或C不會采用熔斷保護裝置；但是，如有必要，應使用適用于抗震設計類別D的程序檢查熔斷保護裝置，同時考慮剪力鍵的超強度效應。對于此類結構，應利用彈性阻力或熔斷保護裝置，來承受橫向橋臺荷載。橫向橋臺設計中采用的彈力應根據結構的彈性需求分析確定。

當剪力鍵熔斷機構用于樁支撐式橋臺時，剪力鍵的組合超強度應小于樁的組合塑性剪切承載力。土壤摩擦和被動土壓力不應包括在樁支撐式橋臺的橫向橋臺阻力中。對于不打算熔斷的混凝土剪力鍵，設計時應考慮每個剪力鍵中可能產生的不等力。

對于樁支撐式橋臺，如果橋臺位移大于100 毫米，則應忽略直徑或寬度小于或等于450 毫米的樁的剛度貢獻，除非對樁進行位移能力分析且分析表明樁能夠滿足需求。

無縫橋梁的橋墩具有類似的設計要求，與更傳統橋梁類型的橋墩具有相同的設計程序。無縫橋梁橋墩的主要區別性特征包括，承受可能較大的上部結構運動，以及共同承受下部結構組件之間的橫向（垂直于橋梁縱向中心線在）力和縱向（平行于橋梁的中心線）力。

無縫橋梁的橋墩必須設計成能夠承受上部結構的位移。盡管在某種程度上存在混凝土徐變和收縮引起的上部結構位移，但通常情況下，結構因均勻溫度作用引起的變形仍是主要問題。預制預應力梁的徐變和收縮位移通常可以忽略，但是對于較長的無縫橋梁，橋墩設計中也必須考慮這些效應。

為了成功設計出能夠承受潛在較大上部結構位移的橋墩，設計師有以下幾種選擇：

1.柔性彎曲 - 剛性連接到上部結構；

2.隔離的剛性橋墩 - 通過柔性支座連接到上部結構；

3.半剛性橋墩 - 利用銷釘和氯丁橡膠支座墊連接到上部結構；

4.鉸接式橋墩 - 利用銷釘和氯丁橡膠支座墊連接到上部結構。

最基本的預制橋梁由預制預應力混凝土梁組成，通過搭建模板并澆筑連續橋面板，構建預制預應力混凝土連續梁，使其能夠承受活載。預制梁架設在蓋梁上，臨時支撐在彈性支座或木塊上，直到現澆混凝土隔板完成為止。有時會延伸梁端引出的鋼絞線，以增加連續性。

用以支撐大型多跨無縫上部結構的橋墩，通常需要專門的分析模型來預測橫向荷載分布，上部結構位移產生的力，橋墩剛度，以及細長效應。

采用無縫橋臺的無縫橋梁具有降低最初施工成本和最大限度減少未來維護工作等好處，其在美國的應用越來越廣泛。這類結構的其他優點包括設計效率、系統冗余度增加、易于施工以及橋跨布置靈活性更大，尤其是采用完全連續的梁系統。

無縫橋梁中，預制混凝土上部結構具有重要優勢。這是因為預制構件的制造過程將大部分長期收縮發生在上部結構的安裝和連續搭建之前。此外，隨時間推移出現的徐變量，會隨著安裝時的混凝土齡期增加而減少。

作者 / W. Phillip Yen, PhD, PE

作者系國際橋梁抗震工程協會(IABEE)主席