潮汕環線高速榕江特大橋STC組合橋面結構應用技術研究

賀金龍 鄭州 袁路

摘 要：目前，鋼橋面體系中存在著正交異性鋼橋面結構疲勞開裂和瀝青混凝土鋪裝層易損這兩大世界性難題。超高韌性混凝土（STC）的成功研發為解決這兩大難題打開了新的思路，以超高韌性混凝土為基體形成的鋼-STC輕型組合橋面結構可大大增加鋼橋面板的局部剛度，降低了正交異性鋼橋面板各構造細節處的活載應力，大幅提高了鋼橋面的抗疲勞壽命，同時改善了瀝青面層的工作條件，大幅降低了鋪裝層出現病害的風險。本文以榕江特大橋橋面鋪裝工程為背景，介紹了輕型組合橋面結構在斜拉橋上應用的設計、施工及檢驗驗收等情況。

關鍵詞：正交異性鋼橋面板;超高韌性混凝土;組合橋面結構;斜拉橋;實橋應用

中圖分類號：U445.4 文獻標識碼：A

1 背景

正交異性鋼橋面板是一種重要的橋面結構形式，其具有自重輕、承載力大、施工快捷方便等優點，被廣泛應用于國內外橋梁結構中[1]。正交異性鋼橋面鋪裝層通常為瀝青混凝土材料，包括防銹層、粘結層和鋪裝層，總厚度為35 mm～80 mm[2]。

在運營中，正交異性鋼橋面系容易出現兩類病害問題：（1）在反復的車輪荷載作用下，正交異性鋼橋面結構出現疲勞開裂現象;（2）常規瀝青混凝土鋪裝層使用約5～10年后便嚴重破損，使用壽命較短。引起上述病害的因素諸多，涵蓋了材料性能、設計、施工、運營狀況（如環境溫度、超載車輛）等諸多方面。其中一個不容忽視的原因是：正交異性鋼橋面結構自身局部剛度低。由于正交異性鋼橋面結構偏柔性，且其構造復雜，焊縫數量多，因而在重載車的反復作用下，構造細節處的應力幅較大，容易滋生疲勞開裂病害;同時，同樣由于鋼橋面的柔性，重載車引起瀝青混凝土鋪裝層中應力與變形均較大，容易產生鋪裝層開裂、粘結層失效等病害問題。

為綜合解決正交異性鋼橋面系的病害問題，結合湖南大學活性粉末混凝土和密配筋混凝土的特點，開發出超高韌性混凝土（Super Toughness Concrete，STC），并提出了新型正交異性鋼板-STC組合橋面結構。STC具有優異的抗拉性能，可適應鋼橋面水泥混凝土層中的受力狀態。試驗研究表明，STC的抗拉強度可高達42.7 MPa[3]。STC層通過栓釘與鋼橋面連接，并在STC層上鋪筑磨耗層，形成永久性組合橋面結構（簡稱“新型鋼-STC組合橋面結構”）。

與傳統正交異性鋼橋面板相比，新型鋼-STC組合橋面結構的局部剛度顯著提高，進而大幅度降低了正交異性鋼橋面各構造細節處的活載應力，從而可基本消除鋼橋面疲勞開裂的風險。同時，與價格昂貴且需經常更換的瀝青混凝土鋪裝相比，新型鋼-STC組合橋面結構的使用壽命長，具有更優的耐久性，解決了鋼橋面瀝青鋪裝破損的難題。

該新型組合橋面結構因其優異的特性，自經過第一座實橋（廣東肇慶馬房大橋）驗證后迅速得到推廣應用。2020年8月，新型鋼-STC組合橋面結構技術應用于榕江特大橋橋面鋪裝工程中，本文以該橋為背景，對該組合橋面結構技術在斜拉橋上的應用情況進行簡要介紹。

2 工程概況

榕江特大橋是潮汕環線高速公路項目的關鍵控制性工程，起于廣東省揭陽市濱海工業園北側，終于汕頭市潮陽區西臚鎮東側榕江南岸，大橋全長4.84 km。其中，主橋為主跨長度400 m的雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，索塔采用鉆石型混凝土結構，塔高146.9 m。

主橋鋼梁全長800 m，橋面鋪裝標準全寬30 m，橫向設置2%橫坡，縱向最大縱坡為2.5%。主橋鋼箱梁采用5 cm超高韌性混凝土（STC）進行橋面鋪裝，鋪裝面積約24 000 m2。

STC層與鋼橋面之間通過焊接栓釘連接，栓釘規格為Ф13×35 mm，縱橫向標準間距為15 cm×15 cm。STC層內配置Ф10 mm的HRB400級鋼筋網，縱、橫橋向鋼筋間距均為50 mm×50 mm，橫橋向鋼筋位于上層，縱向鋼筋位于下層。

超高韌性STC混凝土設計性能指標為：

抗壓強度：≥140 MPa;抗彎拉強度≥25 MPa;抗滲等級不低于P20級。

3 設計驗算

3.1 總體計算

總體計算選用Midas Civil 2012，采用三維空間有限元模型計算。

將新型鋼-STC輕型組合橋面結構方案的計算結果與原設計瀝青混凝土鋪裝方案對比，計算結果表明：

（1）新型鋼-STC方案層比較原設計瀝青層方案動力特性變化不大，不會影響主橋抗風性能、抗震性能。

（2）新型鋼-STC方案層的重量比原設計瀝青層方案略為增加，斜拉索的索力在成橋狀態下僅平均增加1.78%，而在恒載+6車道活載的組合作用下平均增加僅為1.1%。

（3）在6車道荷載作用下，新型鋼-STC方案層中的主梁跨中撓度最大為0.803 m，為主跨跨徑400 m的1/500，小于《公路斜拉橋設計細則》中規定的1/400的要求（適用于鋼主梁）。而在原設計瀝青層方案中，主梁跨中撓度及主塔塔頂最大水平位移為均與STC方案相差不大，STC方案不會對主塔受力造成不利影響。

（4）成橋狀態下，兩種方案的鋼主梁應力基本相同;在運營狀態下，新型鋼-STC方案層中最不利工況的鋼主梁最大拉、壓應力分別為131.2 MPa和154.3 MPa，而原設計瀝青層方案中鋼主梁的最大拉、壓應力分別為124.1 MPa和146.2 MPa，對比發現，運營狀態下主梁的應力亦變化不大;成橋狀態下，兩種方案的索塔受力基本相同，在運營狀態下，兩種方案的索塔應力亦變化不大。

（5）在新型鋼-STC方案層中，在車道荷載作用下，STC層的最大拉應力為5.01 MPa，最大壓應力為7.03 MPa，均較小，因此，STC層的受力將主要由局部荷載控制。

3.2 局部模型計算

疲勞問題是鋼橋面板的最大問題，也是STC組合橋面板期望解決的首要問題，STC組合橋面結構的就是利用剛性鋪裝STC層來降低鋼橋面疲勞應力幅，同時憑借STC層優異的抗疲勞性能，保證其自身在設計使用年限內不會疲勞開裂。

對鋼橋面結構的疲勞敏感部位而言，其應力受第一體系作用影響不大，但第二、第三體系作用影響比較突出，為此，利用ANSYS軟件建立榕江特大橋鋼箱梁及鋼-STC（厚度

5 cm）組合橋面板進行局部疲勞分析模型。

主要計算結果如下：

（1）榕江特大橋鋼-STC組合橋面系中，STC層的最大拉應力為8.54 MPa，而根據輕型組合橋面結構技術規程，STC的抗彎拉強度為25 MPa，滿足設計要求。

（2）STC層對橋面板與U形肋連接細節應力影響較為明顯，相對于原設計方案，應力降幅在58%～82%之間，鋼橋面板最大應力均不超過48.6 MPa，疲勞應力幅低于常幅疲勞極限，鋼-STC組合橋面結構將基本消除鋼橋面的疲勞開裂病害問題。

（3）對于U肋弧形切口細節、U肋底，采用STC層后應力降幅在25%～55%之間，此類細節位置最大應力均不超過45.8 MPa，疲勞應力幅低于常幅疲勞極限，鋼-STC組合橋面結構將基本消除該細節的疲勞開裂病害問題。

（4）對于U肋腹板，采用STC層后應力降幅在25%～55%之間。

（5）對于橫隔板，應力降幅相對較小，降幅最低處亦有14%，應力降幅在14%～30%之間。

綜上，有限元計算結果表明，STC層應用在榕江特大橋中使鋼-STC輕型組合加勁梁不僅安全可行，而且對鋼箱梁的受力狀況改善顯著。

4 實橋施工

全橋橋面施工工期三個月，2020年6月25號開始進場施工。根據橋梁結構、施工工藝、施工效率、施工工期等條件，STC層施工采用分段施工平行作業方式。STC層的澆筑分塊縱橋向劃分為三段，橫橋向左、右兩幅分開澆筑，全橋共劃分為六個施工分塊。采用的是STC專用攤鋪機，施工效率高，可以滿足工期要求。

實橋施工的主要工序為：（1）焊接剪力釘→（2）焊接接縫處預埋“s”形加強鋼板→（3）綁扎鋼筋網→（4）澆筑STC→（5）STC層高溫蒸汽養護。其中主要工序的施工照片如圖3所示。

現澆的STC采用高溫蒸汽養護，養護條件為：自混凝土終凝（約2天）后，在溫度為80℃，濕度為95%的環境中持續養護72 h。養護結束后，STC層完好，未發現收縮開裂現象。目前，該橋已完工，作者將進一步關注其后續運營狀態。

5 結論

鋼橋面5 cm超高韌性STC混凝土作為一種新型橋面鋪裝技術，因其具有超高的強度、超高的韌性，有效的克服鋼橋面普通混凝土鋪裝的兩大病害，逐步在全國范圍內應用推廣。本文以實際工程為例，通過對超高韌性STC 混凝土配合比的設計研究，根據其力學性能及經濟性進行對比，確定超高韌性STC 混凝土配合比的設計，保證了超高韌性STC 混凝土質量，提高了經濟效益。通過鋼橋面板5 cm STC高性能混凝土橋面鋪裝施工技術研究，形成技術先進、可操作性強的整套工藝工法，并通過施工質量控制，保證鋼橋面 STC高性能混凝土橋面鋪裝施工質量。該項目成果可為后續超高韌性STC混凝土橋面鋪裝施工提供借鑒與參考。

參考文獻：

[1]Huang C，Mangus A R，Copelan C.The Excellent Seis mic Perfor mance of Steel Orthotropic Bridges[C].Proceeding of the ATC & SEI 2009 conference on I mproving the Seis mic Perfor mance of Buildings and Other Structures，U.S.A.San Francisco，2010：389-402.

[2]黃衛.大跨徑橋梁鋼橋面鋪裝設計理論與方法[M].北京：中國建筑工業出版社，2006.

[3]Shao，X.D.，Yi，D.T.，Huang，Z.Y.，Zhao H.，Chen，B.，and Liu，M.L.The Basic Perfor mance of the Co mposite Deck Syste m Co mposed of Orthotropic Steel Deck and Ultra-thin RPC Layer.Journal of Bridge Engineering doi：10.1061/（ASCE）BE.1943-5592.0000348.2011.