中小跨徑鋼箱梁橋面鋪裝設(shè)計(jì)實(shí)踐

周　翔　梁　斌

(杭州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院　杭州　310006)

中小跨徑鋼箱梁橋面鋪裝設(shè)計(jì)實(shí)踐

周翔梁斌

(杭州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院杭州310006)

摘要結(jié)合杭州市德勝快速路跨文匯路立交橋鋼箱梁工程，針對(duì)中小跨徑鋼箱梁的工程特點(diǎn)，以及荷載、氣候條件，設(shè)計(jì)選用了優(yōu)化后的SMA結(jié)合鋼纖維混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)，并提出相應(yīng)的施工注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞鋼箱梁橋面鋪裝SMA鋼纖維混凝土

鋼箱梁橋面鋪裝直接承受著交通荷載的反復(fù)作用，橋面鋪裝長(zhǎng)期處于不利的工作環(huán)境中。鋼橋面鋪裝具有一般瀝青路面和水泥混凝土橋面所沒(méi)有的工作特點(diǎn)：它既不具備水泥混凝土橋面包括鋼箱梁水泥混凝土組合式橋面的剛性底板支承，也不具備道路堅(jiān)硬的路基與基層結(jié)構(gòu)的支承。鋼橋面鋪裝處于隨時(shí)都在變形的基礎(chǔ)上。鋼橋本身的變形振動(dòng)都將直接影響鋪裝層的應(yīng)力狀態(tài)。鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)要比其他材料大很多，除正常鋪裝層自身溫度變化的影響外，鋼箱梁橋跨結(jié)構(gòu)的

全年季節(jié)性溫度變化也將加重影響鋪裝層的變形。鋼材的最大的弱點(diǎn)是會(huì)生銹，它比其他材料更怕水。橋面鋪裝一旦發(fā)生破損，將嚴(yán)重影響鋼橋主體結(jié)構(gòu)的品質(zhì)和壽命，維修更困難。

鋼橋面鋪裝必須具有與鋼板隨從變形的性能，與鋼板粘結(jié)性能好，高溫穩(wěn)定、低溫抗裂、耐疲勞、不透水、耐久、表面抗滑、便于施工、易于維修等基本的技術(shù)要求。因此，鋼箱梁橋面鋪裝層對(duì)材料、結(jié)構(gòu)的要求比通常的路用材料要求更高、更苛刻[1]。

[3]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[4]王軍文，宋曉東，張文學(xué)，等．石板坡大橋墩梁固結(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力分析[J]．國(guó)防交通工程與技術(shù)，2007(1):30-32.

[5]曹忠強(qiáng).異型矮塔斜拉橋塔墩梁固結(jié)部位應(yīng)力分析[J].交通科技，2010(3):13-17.

Local Analysis of the Fixation of Pylon-beam-pier

of the Extradosed Cable-stayed Bridge

ZhangShuqing

(Anhui Transport Consulting & Design Institute Co.,Ltd., Hefei 230088, China)

Abstract：By using ANSYS, we established the FEM model of the fixation part of pylon-beam-pier of the extradosed cable-stayed bridge and tried to do a static analysis of the most unfavorable working conditions after the structure installation. We analyzed the stress distributions of the fixation part of pier-pylon-beam and obtained the resultof its stress distribution. We comprehensively evaluated the design scheme of the fixation of pylon-beam-pier. We combined the overpass steel box girder of Desheng expressway striding Wenhui road in Hangzhou. According to the feature of small and medium span steel box girder bridge, the load condition and climate conditions, we adopted the optimized SMA combining with steel fiber concrete pavement structure. Next we proposed the corresponding attention in the construction work..

Key words:extradosed cable-stayed bridge; fixation of pylon-beam-pier; FEM; static analysis the steel box girder; deck pavement; SMA; steel fiber concrete

本文結(jié)合杭州市德勝快速路跨文匯路立交橋鋼箱梁的工程實(shí)例，針對(duì)中小跨徑鋼箱梁的工程特點(diǎn)，提出了優(yōu)化后的SMA結(jié)合鋼纖維混凝土鋪裝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

1工程概述

杭州市德勝快速路采用《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 37-2012)中雙向6車道快速路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度80 km/h，路基寬度28 m。

德勝快速路跨文匯路分離立交橋橋梁總長(zhǎng)度454.06 m，橋梁配跨為4×35 m+50 m+70 m+50 m+4×35 m，其中第二聯(lián)上跨文匯路上部結(jié)構(gòu)采用50 m+70 m+50 m鋼箱梁，其他聯(lián)上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土T梁；下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩，柱式橋臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。德勝快速路跨文匯路分離立交鋼箱梁立面圖與斷面圖分別見(jiàn)圖1與圖2。跨文匯路立交橋西側(cè)為杭州主城區(qū)方向，東側(cè)是改建后杭州繞城高速公路下沙東互通收費(fèi)站。

圖1　德勝快速路跨文匯路分離立

圖2　德勝快速路跨文匯路分離立

跨文匯路鋼箱梁鋪裝具有以下工程特點(diǎn)。

1.1　荷載條件

本工程是連接高速公路與杭州主城區(qū)的快速通道，承受大量的小客車等客運(yùn)車輛(由于德勝快速路禁貨，貨車均在德勝快速路地面道路通行)。因此，杭州市德勝快速路跨文匯路立交橋鋼箱梁橋面鋪裝承受的車輛荷載均較小。

1.2　氣候條件

本工程所在地區(qū)處于中低緯度，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，擬建工程區(qū)年平均氣溫在16 ℃左右，極端最高氣溫為39.3 ℃，出現(xiàn)在7月；極端最低氣溫為-12.4 ℃，出現(xiàn)在1月。1年中日最高氣溫≥35 ℃的天數(shù)大多出現(xiàn)在6～8月，平均高溫日數(shù)為10.8～19.7 d，最長(zhǎng)連續(xù)高溫日數(shù)達(dá)22 d。因而要求鋪裝用混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性與低溫抗裂性。

1.3　其他特點(diǎn)

跨文匯路鋼箱梁橋梁主跨為70 m，相較于大跨徑鋼橋而言，其對(duì)變形的協(xié)同性要求相對(duì)較低。此外，本工程的鋼橋面的鋪裝面積不大，橋梁鋪面的施工工藝及后期養(yǎng)護(hù)也是影響工程的重要因素之一。

2鋼箱梁橋面鋪裝設(shè)計(jì)

2.1　技術(shù)特點(diǎn)

本工程鋼箱梁橋面鋪裝除了具備變形隨從性、防水性能、抗滑性能、抗疲勞性能等以外，結(jié)合本文前述的工程特點(diǎn)，還需具備以下技術(shù)要求。

(1) 良好的穩(wěn)定性，即夏天能耐高溫，有良好的高溫穩(wěn)定性，和抗流動(dòng)變形能力，不致產(chǎn)生車轍、推擁、流動(dòng)變形；冬天能耐低溫，有良好的應(yīng)力松弛性能和低溫抗裂性能[2]。

(2) 盡量采用成熟與便利的施工工藝與施工設(shè)備，且運(yùn)營(yíng)階段的養(yǎng)護(hù)較為便易。

目前，在國(guó)內(nèi)大跨度鋼橋面鋪裝應(yīng)用較多的有環(huán)氧瀝青混凝土和澆注式瀝青混凝土，但由于本工程鋼箱梁跨徑不大，且鋼橋面的鋪裝面積亦較小，因此采用橋梁鋪面的施工工藝較為成熟，對(duì)施工設(shè)備要求相對(duì)不高的ERS樹(shù)脂瀝青組合體系鋪裝結(jié)構(gòu)與SMA結(jié)合鋼纖維混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)2個(gè)方案進(jìn)行綜合比選。

2.2　方案一。6.5 cm厚的ERS樹(shù)脂瀝青組合體系鋪裝結(jié)構(gòu)

ERS鋼橋面鋪裝體系由EBCL，RA05，SMA13結(jié)構(gòu)組成，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3　ERS樹(shù)脂瀝青組合體系鋪裝結(jié)構(gòu)圖

樹(shù)脂瀝青組合體系(ERS)是近年來(lái)應(yīng)用較多的一種鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，樹(shù)脂瀝青組合體系(ERS)中的EBCL界面防水防腐性能好，對(duì)鋼板的粘結(jié)強(qiáng)度高，高溫穩(wěn)定性可靠，有針對(duì)性地解決了SMA鋪裝層容易滑移破壞的問(wèn)題，而且EBCL施工簡(jiǎn)便，易于控制，施工現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)檢測(cè)也比較簡(jiǎn)單和直觀。造價(jià)較環(huán)氧瀝青混凝土和澆注式瀝青混凝土均較低，而且無(wú)需專用設(shè)備，施工和組織相對(duì)簡(jiǎn)單。

2.3　方案二。SMA結(jié)合鋼纖維混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)

上層采用10 cm瀝青混凝土鋪裝(4 cm SMA-13型改性瀝青瑪蹄脂碎石+6 cm AC-20C型改性中粒式瀝青混凝土),下層采用10 cm厚C50補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土鋪裝，在混凝土鋪裝層頂面噴涂防水層,見(jiàn)圖4。方案二由于采用了SMA結(jié)合鋼纖維混凝土的鋪面,相對(duì)方案一來(lái)說(shuō)具有較好的密水性和抗疲勞性能。較厚的鋪面結(jié)構(gòu)具有良好的高溫抗車轍性能、耐久性等。同時(shí)SMA混合料在國(guó)內(nèi)使用較為普遍,施工不需要特殊的設(shè)備,成本相對(duì)來(lái)說(shuō)也不高,一般工程都能夠接受。

圖4　SMA結(jié)合鋼纖維混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)

但是，該方案鋪面結(jié)構(gòu)恒荷載較大，且對(duì)混凝土與鋼橋面的協(xié)調(diào)一致性不及方案一。

2.4　鋪面設(shè)計(jì)方案選定及優(yōu)化

綜合前文所述，本工程的特點(diǎn)是高溫穩(wěn)定性要求高、鋼箱梁跨徑不大且橋面鋪裝面積亦較小，對(duì)鋼橋面的變形協(xié)同性要求沒(méi)有大跨徑鋼橋面鋪裝那么高。而方案二上層采用10 cm瀝青混凝土鋪裝(4 cm SMA-13型改性瀝青瑪蹄脂碎石+ 6 cm AC-20C型改性中粒式瀝青混凝土),下層采用10 cm厚C50補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土鋪裝的結(jié)構(gòu)，其高溫穩(wěn)定性和耐久性優(yōu)于方案一。因此本工程采用方案二作為德勝快速路跨文匯路立交橋鋼箱梁的鋪面方案。

針對(duì)方案二混凝土與鋼橋面協(xié)調(diào)一致性相對(duì)較差的情況，本次設(shè)計(jì)進(jìn)行了以下優(yōu)化措施，增加鋼橋面與鋪裝的結(jié)合。首先，在橋面10 cm C50補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土鋪裝內(nèi)設(shè)1層D10冷軋帶肋鋼筋焊接網(wǎng)片，距離混凝土鋪裝層頂面凈距3.0 cm；其次，在鋼箱梁頂面設(shè)置6 cm高剪力釘，橫橋向、縱橋向布置間距均為30 cm，保證混凝土鋪裝與鋼箱梁結(jié)合[3]。

對(duì)于本工程結(jié)構(gòu)分析采用MIDAS/CIVIL軟件，建立鋼箱梁結(jié)構(gòu)分析模型，根據(jù)橋面布置，汽車按最不利情況進(jìn)行影響線加載。溫度考慮整體升降溫20°和梯度溫度。主梁頂、底和腹板采用實(shí)際板厚，鋼材重力密度78.5 kN/m3，單元重力密度考慮各種加勁肋和焊縫實(shí)際重量提高；混凝土橋面板重力密度25 kN/m3。瀝青混凝土重力密度24 kN/m3。計(jì)算分析模型圖見(jiàn)圖5。

圖5　MIDAS/CIVIL模型圖

在極限承載能力作用下，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在跨中頂板為130 MPa，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在墩頂位置頂緣為123 MPa，均小于210 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖6　極限承載能力作用下應(yīng)力圖(單位：MPa)

在正常使用狀態(tài)作用下，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在跨中頂板為106 MPa，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在墩頂位置頂緣為103 MPa，均小于210 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖7　正常使用狀態(tài)作用下應(yīng)力圖(單位：MPa)

在汽車荷載作用下，中跨跨中最大下?lián)?8 mm，最大上撓15 mm，邊跨跨中最大下?lián)?9 mm，最大上撓12 mm。計(jì)算按最不利狀況取中跨：(38+15)mm=53 mm≤l 000×(70 m)/600=117 mm；邊跨：(19+12) mm=31 mm≤l 000×(50 m)/600=83 mm，結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求。

經(jīng)驗(yàn)算，采用20 cm厚度的SMA結(jié)合鋼纖維混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)后，本橋上部結(jié)構(gòu)，承載能力，正常使用狀態(tài)應(yīng)力、剛度均滿足規(guī)范要求。

3施工注意要點(diǎn)

(1) 剪力釘?shù)暮附討?yīng)符合《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50-2011)第19.5.4條的規(guī)定[4]。剪力釘焊接試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘》(GB/T 10433-2002)的規(guī)定[5]。

(2) 鋼纖維混凝土：鋼纖維混凝土中鋼纖維的體積比約為0.8%(62.5 kg/m3)，鋼纖維長(zhǎng)度25～50 mm，等效直徑0.3～0.8 mm，且鋼纖維混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C50混凝土的同級(jí)強(qiáng)度，其中鋼纖維混凝土抗彎拉強(qiáng)度應(yīng)比同級(jí)砼抗彎拉強(qiáng)度提高40%以上，并不小于7 MPa。攪拌采用機(jī)械攪拌，攪拌的次序和方法應(yīng)以攪拌過(guò)程中鋼纖維不產(chǎn)生結(jié)團(tuán)和保證一定的生產(chǎn)率為原則，并通過(guò)試拌確定。建議采用將鋼纖維、水泥、粗細(xì)骨料先干拌而后加水濕拌的方法，必要時(shí)采用鋼纖維分散機(jī)布料，且干拌時(shí)間不宜小于1.5 min，并應(yīng)按下列步驟振搗與整平。

①用平板振搗器振搗密實(shí)，然后用振動(dòng)梁振搗整平。

②用表面帶凸棱的經(jīng)書(shū)圓滾將豎起的鋼纖維和位于表面的石子和鋼纖維壓下去，然后用金屬圓滾將表面滾壓平整。待鋼纖維混凝土表面無(wú)泌水時(shí)用金屬抹刀抹平，經(jīng)修整的表面不得裸露鋼纖維，也不得有浮漿。

③抹平的表面應(yīng)在初凝前做拉毛處理，拉毛時(shí)不得帶出鋼纖維，拉毛工具可使用刷子和壓滾，不得使用木刮板、粗布路刷和竹掃帚。

(3) 采用的膨脹劑性能應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土膨脹劑》(GB 23439-2009)[6]的規(guī)定，摻入膨脹劑的混凝土宜采取有效的持續(xù)保濕養(yǎng)護(hù)措施。澆筑10 cmC50補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土?xí)r的順序應(yīng)是先跨中后墩頂，最后澆筑主墩墩頂處。

4結(jié)語(yǔ)

在鋼箱梁跨徑不大的情況下，采用環(huán)氧瀝青混凝土或澆注式瀝青混凝土，考慮施工工藝，以及后期養(yǎng)護(hù)與工程成本均不甚合適。本文結(jié)合杭州市德勝快速路跨文匯路立交橋鋼箱梁工程，針對(duì)中小跨徑鋼箱梁的工程特點(diǎn)以及荷載、氣候條件，通過(guò)對(duì)目前施工工藝較為成熟的橋面鋪裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了構(gòu)造加強(qiáng)后，設(shè)計(jì)了優(yōu)化后的SMA結(jié)合鋼纖維混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)，為中小跨徑鋼箱梁橋面鋪裝設(shè)計(jì)提供了一種設(shè)計(jì)思路和借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]牟廷敏，丁慶軍，周孝軍，等.鋼纖維混凝土橋面鋪裝疲勞性能試驗(yàn)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2012(5)：988-991.

[2]JTG D50-2006公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2006.

[3]馮源，李運(yùn)，陳祺.香港路立交橋鋼橋面鋪裝的設(shè)計(jì)與施工[J].施工技術(shù)，2006(1)：80-82.

[4]JTG D30-2004 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2001.

[5]GB/T 10433-2002 電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[6]GB 23439-2009 混凝土膨脹劑[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

Deck Pavement Design Practice of Small and

Medium Span Steel Box Girder Bridge

ZhouXiang,LiangBin

(Hangzhou Design&Research Institute of Traffic Planning, Hangzhou, 310006)

收稿日期：2015-05-22

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.017