UHPC在城市鋼箱系桿拱橋橋面鋪裝中的優化設計

郭俊峰

(武漢市政工程設計研究院有限責任公司 武漢市 430023)

0 引言

超高性能混凝土(UHPC)由于其良好的力學性能和耐久性[1-2]，用于鋼—UHPC組合橋面、濕接縫和維修加固等各個方面[3-4]。其中，將UHPC用于鋼橋面鋪裝層可以減小橋面鋪裝的破損和鋼板的疲勞開裂，在城市橋梁和公路橋梁中都有廣泛的使用[5]。但是現有的分析往往局限于橋面鋪裝對鋼橋面板的受力影響分析[6]，橋面鋪裝對主梁及全橋結構受力的影響分析較少[7]。以廣州從化文化項目的下承式鋼箱系桿拱橋為工程背景，橋面鋪裝參與主梁受力，分析UHPC橋面鋪裝層對主梁和全橋結構的影響，并進行橋面鋪裝優化設計。

1 工程背景

廣州從化文化項目配套道路工程為城市次干路，線路起于流溪河南岸6105國道(御泉大道)，由西南方向至東北方向由橋梁上跨流溪河;在流溪河北岸灌溉渠位置接地，與3號路平交，經從化文化項目場區南側，終于6號路與從化文化項目配套道路平交口，線路全長約1170m。

其中跨越流溪河段，采用了一跨跨越的方式，主橋采用跨徑90m的下承式鋼箱系桿拱橋。城—A級汽車荷載，設計行車速度60km/h，雙向四車道，兩側均設置3.0m非機動車道和3.0m人行道。主橋橫斷面設置2片拱肋，各拱由一片主拱組成，2片拱肋之間不設橫向連接系，兩片主拱橫向間距26.0m，在兩片主拱的外側各進行外挑(主拱中心至懸臂端部)的懸臂支撐觀景廊道；系桿采用焊接鋼箱平行四邊形截面；吊桿采用Φ15-25及Φ15-37鋼絞線，整束擠壓式吊桿體系，車行道橋面系采用正交異性鋼橋面。橋梁總體布置圖見圖1。

圖1 橋梁總體布置圖

2 橋面鋪裝方案

本橋鋼橋面鋪裝在使用中應滿足高溫抗車轍、抗疲勞、層間結合能力好、抗滑、平整度等要求，同時考慮施工和養護的需求，還需滿足耐久性良好、施工便利、少維修、易養護等要求。

綜合橋面鋪裝的需求，提出了主橋鋼箱梁橋鋪裝設計方案。橋面鋪裝由上到下采用4cm改性瀝青馬蹄脂碎石混合料SMA-13(纖維摻量30kg/t)上面層+PCR改性乳化瀝青粘結層+5cm改性瀝青混凝土AC-I6C型中粒式改性瀝青硅下面層+道橋用聚合物改性瀝青PB(Ⅰ)型防水涂料+5cm厚UHPC+防水防銹層。鋪裝層的施工工序為:噴砂除銹，焊接圓柱頭焊釘，涂裝底漆，布置鋼筋，澆注超高性能混凝土，防水粘結層施工，鋪瀝青。

鋼箱梁橋面鋪裝由上到下布置圖見圖2。

圖2 橋面鋪裝布置示意圖

3 橋面鋪裝方案優化

3.1 比選方案

綜合考慮使用性能、施工便利、橋面系恒載等因素，另提出兩種比選方案。比選方案一：4cm SMA-13(SBS改性)+6cm AC-20C(SBS改性)+8cm鋼筋混凝土調平層；比選方案二：4cm SMA-13(SBS改性)+8cm不配筋UHPC。

比選方案一采用普通鋼筋混凝土材料，具有造價優勢，施工工藝成熟；比選方案二施工便利，但造價偏高；原鋪裝設計方案合理，采用5cm厚UHPC，造價稍低，但設置了鋼筋網和焊釘，施工工序稍復雜。同時三種橋面鋪裝方案對全橋結構變形和橋面結構受力的影響需進一步的計算分析。

3.2 有限元模型建立

采用Midas civil 有限元軟件建立了全橋空間計算模型(見圖3)。主梁和主拱采用梁單元，吊桿采用桿單元。研究發現，橋面板與鋪裝層間因為存在一定的粘結力，因此兩者之間沒有相對滑移，兩者中間存在薄膜力[4]；橋面鋪裝鋪設有鋼筋網片以及對鋪裝進行加強，因此縱向和橫向之間的作用力大小相當，橋面鋪裝與鋼箱梁之間設置為無相對位移。鋼箱梁采用Q345qD鋼，橋面鋪裝按鋪裝方案采用相應的材料。材料的參數值見表1。

圖3 全橋有限元模型

表1 材料參數取值

計算時，考慮恒載、汽車與人群活載、溫度等作用效應，荷載組合按《城市橋梁設計規范》(CJJ 11—2011)，其中承載能力極限狀態下組合情況為：

荷載組合1：γ0Sud=1.1×(1.2S恒荷載+1.4S汽車+0.98S人群+0.98S非機動)

荷載組合2：γ0Sud=1.1×(1.2S恒荷載+1.4S汽車+0.98S人群+0.98S非機動+0.98S正溫度)

3.3 計算結果分析

3.3.1橋面鋪裝對主梁剛度的影響

為了分析橋面鋪裝層對主梁和全橋結構受力的影響，建立了橋面鋪裝僅僅作為恒載的比較模型。通過計算分別得到橋面鋪裝參與主梁受力和橋面鋪裝作為恒載處理不參與主梁受力時的位移值，其中荷載組合1下的主梁位移值分別見圖4、圖5。

圖4 橋面鋪裝參與主梁受力時的位移圖

圖5 橋面鋪裝不參與主梁受力時的位移圖

通過圖4、圖5可知，橋面鋪裝參與主梁受力時，主梁最大豎向位移為25.1mm，橋面鋪裝作為恒載處理，不參與主梁受力時，主梁最大豎向位移為25.3mm，位移值偏大。橋面鋪裝層和主梁變形協調，說明主梁的受力截面面積增加，主梁抗彎剛度增大，抗變形能力增強。

在本城市橋梁鋼橋面鋪裝設計中，橋面鋪裝層由于采取了鋼筋網片、栓釘和粘結層等措施，橋面鋪裝層與橋面板的相對滑移很小，可以認為橋面鋪裝和主梁變形協調，因此橋面鋪裝可以按參與主梁受力方式建立計算模型。

3.3.2各橋面鋪裝方案對主梁結構的影響

分別計算橋面鋪裝設計方案、比選方案一和比選方案二參與主梁受力時，在恒載、汽車荷載、人群荷載、整體升溫、整體降溫、荷載組合1和荷載組合2作用下，主梁最大撓度和應力變化，分別見表2、表3。

表2 主梁最大撓度 mm

表3 主梁最大應力 MPa

由表2可知，設計方案、比選方案一和比選方案二這三種方案，在各荷載及荷載組合作用下的主梁最大位移，比選方案二的位移最小，比選方案一的位移最大。這主要是由于鋪裝層參與主要受力后提高了主梁的抗彎剛度，橋面鋪裝采用UHPC材料時，其彈性模量比比選方案二采用的普通鋼筋混凝土稍大，其抗彎剛度大，抵抗變形能力強。

由表3可知，三種橋面鋪裝方案在各荷載及荷載組合作用下的主梁最大應力值，比選方案二的應力最小，比選方案一和設計方案的應力接近。比選方案二采用較厚的UHPC作為橋面鋪裝層，鋼箱梁變形較小，同時UHPC橋面鋪裝與鋼箱梁變形協調，UHPC承擔一部分主梁的受力，主梁整體受力偏小。

由于全橋采用吊桿拱構造，主梁鋼箱梁整體受力可以看成吊桿彈性支撐的多跨連續梁，其受力和變形受溫度荷載影響較大；在各荷載及荷載組合作用下，其最大撓度和最大應力位置并不總在主梁跨中處。

綜合比較各方案，比選方案一，鋪裝總厚最大，達18cm，橋面系恒載較大，對全橋結構的受力影響較大，同時，普通鋼筋混凝土抗拉強度與UHPC相比較小，在重載下易開裂損壞，影響鋪裝防水與疲勞性能；比選方案二最有利于主梁的受力和變形，此方案采用了8cmUHPC橋面鋪裝層，主梁剛度較大，整體變形較小，主梁受力最小，但UHPC材料耗費較多；設計方案在主梁的受力和變形上也占有一定的優勢，同時采用了5cm厚的UHPC，橋面鋪裝厚度不大，橋面系恒載不大，對全橋結構受力的影響稍小，UHPC材料的抗拉強度較大，在重載下不易開裂損壞，能提高橋面鋪裝的防水和疲勞性能，延長橋面鋪裝的使用壽命。綜合考慮受力、施工和使用性能各方面，設計方案最優。

4 結論

以廣州從化文化項目跨越流溪河段的下承式鋼箱系桿拱橋為工程背景，分析了橋面鋪裝層對主梁及全橋結構變形的影響，并進行了橋面鋪裝設計優化。主要得出以下結論：

(1)橋面鋪裝參與主梁受力，橋面鋪裝層和主梁變形協調，主梁的受力截面面積增加，主梁的抗彎剛度增強，有利于減小主梁的豎向撓度。

(2)提出設計方案、比選方案一和比選方案二這三種方案進行橋面鋪裝設計優化，從主梁的受力和變形來看，比選方案二占優；從造價上看，比選方案一占優。從橋面防水、抗疲勞性能和使用壽命上看，設計方案占優。綜合比較，設計方案最優。

(3)僅依托一座鋼箱系桿拱橋為工程背景，為了更全面地分析UHPC橋面鋪裝對主梁和全橋結構的影響，還需要對不同類型和跨徑的橋梁進行分析。