潮汕環(huán)線高速榕江特大橋STC組合橋面結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)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(jié)構(gòu)疲勞開(kāi)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(fā)為解決這兩大難題打開(kāi)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(jié)構(gòu)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(gòu)造細(xì)節(jié)處的活載應(yīng)力，大幅提高了鋼橋面的抗疲勞壽命，同時(shí)改善了瀝青面層的工作條件，大幅降低了鋪裝層出現(xiàn)病害的風(fēng)險(xiǎn)。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(jié)構(gòu)在斜拉橋上應(yīng)用的設(shè)計(jì)、施工及檢驗(yàn)驗(yàn)收等情況。

關(guān)鍵詞：正交異性鋼橋面板;超高韌性混凝土;組合橋面結(jié)構(gòu);斜拉橋;實(shí)橋應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：U445.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 背景

正交異性鋼橋面板是一種重要的橋面結(jié)構(gòu)形式，其具有自重輕、承載力大、施工快捷方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)層和鋪裝層，總厚度為35 mm～80 mm[2]。

在運(yùn)營(yíng)中，正交異性鋼橋面系容易出現(xiàn)兩類(lèi)病害問(wèn)題：（1）在反復(fù)的車(chē)輪荷載作用下，正交異性鋼橋面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂現(xiàn)象;（2）常規(guī)瀝青混凝土鋪裝層使用約5～10年后便嚴(yán)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(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)狀況（如環(huán)境溫度、超載車(chē)輛）等諸多方面。其中一個(gè)不容忽視的原因是：正交異性鋼橋面結(jié)構(gòu)自身局部剛度低。由于正交異性鋼橋面結(jié)構(gòu)偏柔性，且其構(gòu)造復(fù)雜，焊縫數(shù)量多，因而在重載車(chē)的反復(fù)作用下，構(gòu)造細(xì)節(jié)處的應(yīng)力幅較大，容易滋生疲勞開(kāi)裂病害;同時(shí)，同樣由于鋼橋面的柔性，重載車(chē)引起瀝青混凝土鋪裝層中應(yīng)力與變形均較大，容易產(chǎn)生鋪裝層開(kāi)裂、粘結(jié)層失效等病害問(wèn)題。

為綜合解決正交異性鋼橋面系的病害問(wèn)題，結(jié)合湖南大學(xué)活性粉末混凝土和密配筋混凝土的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)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(jié)構(gòu)。STC具有優(yōu)異的抗拉性能，可適應(yīng)鋼橋面水泥混凝土層中的受力狀態(tài)。試驗(yàn)研究表明，STC的抗拉強(qiáng)度可高達(dá)42.7 MPa[3]。STC層通過(guò)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(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱(chēng)“新型鋼-STC組合橋面結(jié)構(gòu)”）。

與傳統(tǒng)正交異性鋼橋面板相比，新型鋼-STC組合橋面結(jié)構(gòu)的局部剛度顯著提高，進(jìn)而大幅度降低了正交異性鋼橋面各構(gòu)造細(xì)節(jié)處的活載應(yīng)力，從而可基本消除鋼橋面疲勞開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，與價(jià)格昂貴且需經(jīng)常更換的瀝青混凝土鋪裝相比，新型鋼-STC組合橋面結(jié)構(gòu)的使用壽命長(zhǎng)，具有更優(yōu)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(jié)構(gòu)因其優(yōu)異的特性，自經(jīng)過(guò)第一座實(shí)橋（廣東肇慶馬房大橋）驗(yàn)證后迅速得到推廣應(yīng)用。2020年8月，新型鋼-STC組合橋面結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于榕江特大橋橋面鋪裝工程中，本文以該橋?yàn)楸尘埃瑢?duì)該組合橋面結(jié)構(gòu)技術(shù)在斜拉橋上的應(yīng)用情況進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2 工程概況

榕江特大橋是潮汕環(huán)線高速公路項(xiàng)目的關(guān)鍵控制性工程，起于廣東省揭陽(yáng)市濱海工業(yè)園北側(cè)，終于汕頭市潮陽(yáng)區(qū)西臚鎮(zhèn)東側(cè)榕江南岸，大橋全長(zhǎng)4.84 km。其中，主橋?yàn)橹骺玳L(zhǎng)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(jié)構(gòu)，塔高146.9 m。

主橋鋼梁全長(zhǎng)800 m，橋面鋪裝標(biāo)準(zhǔn)全寬30 m，橫向設(shè)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(jìn)行橋面鋪裝，鋪裝面積約24 000 m2。

STC層與鋼橋面之間通過(guò)焊接栓釘連接，栓釘規(guī)格為Ф13×35 mm，縱橫向標(biāo)準(zhǔn)間距為15 cm×15 cm。STC層內(nèi)配置Ф10 mm的HRB400級(jí)鋼筋網(wǎng)，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(shè)計(jì)性能指標(biāo)為：

抗壓強(qiáng)度：≥140 MPa;抗彎拉強(qiáng)度≥25 MPa;抗?jié)B等級(jí)不低于P20級(jí)。

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)算

3.1 總體計(jì)算

總體計(jì)算選用Midas Civil 2012，采用三維空間有限元模型計(jì)算。

將新型鋼-STC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)方案的計(jì)算結(jié)果與原設(shè)計(jì)瀝青混凝土鋪裝方案對(duì)比，計(jì)算結(jié)果表明：

（1）新型鋼-STC方案層比較原設(shè)計(jì)瀝青層方案動(dòng)力特性變化不大，不會(huì)影響主橋抗風(fēng)性能、抗震性能。

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

（3）在6車(chē)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(shè)計(jì)細(xì)則》中規(guī)定的1/400的要求（適用于鋼主梁）。而在原設(shè)計(jì)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(huì)對(duì)主塔受力造成不利影響。

（4）成橋狀態(tài)下，兩種方案的鋼主梁應(yīng)力基本相同;在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下，新型鋼-STC方案層中最不利工況的鋼主梁最大拉、壓應(yīng)力分別為131.2 MPa和154.3 MPa，而原設(shè)計(jì)瀝青層方案中鋼主梁的最大拉、壓應(yīng)力分別為124.1 MPa和146.2 MPa，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下主梁的應(yīng)力亦變化不大;成橋狀態(tài)下，兩種方案的索塔受力基本相同，在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下，兩種方案的索塔應(yīng)力亦變化不大。

（5）在新型鋼-STC方案層中，在車(chē)道荷載作用下，STC層的最大拉應(yīng)力為5.01 MPa，最大壓應(yīng)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(jì)算

疲勞問(wèn)題是鋼橋面板的最大問(wèn)題，也是STC組合橋面板期望解決的首要問(wèn)題，STC組合橋面結(jié)構(gòu)的就是利用剛性鋪裝STC層來(lái)降低鋼橋面疲勞應(yīng)力幅，同時(shí)憑借STC層優(yōu)異的抗疲勞性能，保證其自身在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)不會(huì)疲勞開(kāi)裂。

對(duì)鋼橋面結(jié)構(gòu)的疲勞敏感部位而言，其應(yīng)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(jìn)行局部疲勞分析模型。

主要計(jì)算結(jié)果如下：

（1）榕江特大橋鋼-STC組合橋面系中，STC層的最大拉應(yīng)力為8.54 MPa，而根據(jù)輕型組合橋面結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程，STC的抗彎拉強(qiáng)度為25 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）STC層對(duì)橋面板與U形肋連接細(xì)節(jié)應(yīng)力影響較為明顯，相對(duì)于原設(shè)計(jì)方案，應(yīng)力降幅在58%～82%之間，鋼橋面板最大應(yīng)力均不超過(guò)48.6 MPa，疲勞應(yīng)力幅低于常幅疲勞極限，鋼-STC組合橋面結(jié)構(gòu)將基本消除鋼橋面的疲勞開(kāi)裂病害問(wèn)題。

（3）對(duì)于U肋弧形切口細(xì)節(jié)、U肋底，采用STC層后應(yīng)力降幅在25%～55%之間，此類(lèi)細(xì)節(jié)位置最大應(yīng)力均不超過(guò)45.8 MPa，疲勞應(yīng)力幅低于常幅疲勞極限，鋼-STC組合橋面結(jié)構(gòu)將基本消除該細(xì)節(jié)的疲勞開(kāi)裂病害問(wèn)題。

（4）對(duì)于U肋腹板，采用STC層后應(yīng)力降幅在25%～55%之間。

（5）對(duì)于橫隔板，應(yīng)力降幅相對(duì)較小，降幅最低處亦有14%，應(yīng)力降幅在14%～30%之間。

綜上，有限元計(jì)算結(jié)果表明，STC層應(yīng)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(duì)鋼箱梁的受力狀況改善顯著。

4 實(shí)橋施工

全橋橋面施工工期三個(gè)月，2020年6月25號(hào)開(kāi)始進(jìn)場(chǎng)施工。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)、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(yè)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(kāi)澆筑，全橋共劃分為六個(gè)施工分塊。采用的是STC專(zhuān)用攤鋪機(jī)，施工效率高，可以滿足工期要求。

實(shí)橋施工的主要工序?yàn)椋海?）焊接剪力釘→（2）焊接接縫處預(yù)埋“s”形加強(qiáng)鋼板→（3）綁扎鋼筋網(wǎng)→（4）澆筑STC→（5）STC層高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)。其中主要工序的施工照片如圖3所示。

現(xiàn)澆的STC采用高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)條件為：自混凝土終凝（約2天）后，在溫度為80℃，濕度為95%的環(huán)境中持續(xù)養(yǎng)護(hù)72 h。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，STC層完好，未發(fā)現(xiàn)收縮開(kāi)裂現(xiàn)象。目前，該橋已完工，作者將進(jìn)一步關(guān)注其后續(xù)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。

5 結(jié)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(shù)，因其具有超高的強(qiáng)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(guó)范圍內(nèi)應(yīng)用推廣。本文以實(shí)際工程為例，通過(guò)對(duì)超高韌性STC 混凝土配合比的設(shè)計(jì)研究，根據(jù)其力學(xué)性能及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比，確定超高韌性STC 混凝土配合比的設(shè)計(jì)，保證了超高韌性STC 混凝土質(zhì)量，提高了經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)鋼橋面板5 cm STC高性能混凝土橋面鋪裝施工技術(shù)研究，形成技術(shù)先進(jìn)、可操作性強(qiáng)的整套工藝工法，并通過(guò)施工質(zhì)量控制，保證鋼橋面 STC高性能混凝土橋面鋪裝施工質(zhì)量。該項(xiàng)目成果可為后續(xù)超高韌性STC混凝土橋面鋪裝施工提供借鑒與參考。

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