某大跨度斜拉橋鋼橋面鋪裝方案研究

周天喜

摘要 廣州南沙區某重點建設工程主橋采用（62+104+580+104+62）m雙塔斜拉橋。為研究該橋鋼橋面鋪裝方案，對四種大跨度鋼主梁的公路橋面形式進行了詳細介紹，從技術特點及經濟方面對四種橋面鋪裝方案進行了詳細對比，選擇超高性能混凝土組合橋面為推薦方案；最后對超高性能混凝土組合橋面進行結構有限元靜力分析，結果表明UHPC可大幅度改善鋼箱受力，有效提高橋面的局部剛度，改善橋面鋪裝的耐久性能。通過以上研究為同類橋梁的設計、施工提供參考和借鑒。

關鍵詞 鋼箱梁；橋面鋪裝；超高性能混凝土組合橋面；有限元

中圖分類號 U443.33文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0053-04

0 引言

大跨徑鋼箱梁橋面鋪裝主要病害有疲勞開裂、高溫車轍、粘結層失效或脫層、橫向推移和擁包等。根據國內外正交異性鋼橋面鋪裝研究、設計、施工及運營的實踐經驗，影響橋面鋪裝的因素很多，主要因素有氣候環境（尤其是溫度）、交通荷載、橋面局部剛度、鋪裝材料、施工質量等[1]，如何徹底解決正交異性鋼橋面病害問題一直以來是橋梁工程行業的一大難題。

1 工程概況

根據城市總體規劃及綜合交通規劃，某大橋工程是南沙港重要的對外疏港通道，同時也是萬頃沙區塊聯接其他區塊以及對外聯系的重要干道，以通行貨車為主。路線西起紅蓮路與迪安路交叉口東側，向東上跨萬新大道、萬環東路之后，跨越龍穴南水道，在龍穴島側與龍穴大道通過立交銜接。主橋采用（62+104+580+104+62）m雙塔斜拉橋，全長912 m，其中主跨采用鋼箱梁，邊跨采用混凝土主梁，主橋結構采用半漂浮體系，全橋布置圖見圖1所示。

2 橋面鋪裝方案選擇

鋼箱梁因強度高、自重輕、施工快的特點在國內外大跨度橋梁中被廣泛采用，大跨度鋼箱梁的公路橋面形式主要有四種：①鋼橋面板+澆筑式瀝青混凝土橋面。②鋼橋面板+SMA瀝青層橋面。③鋼橋面板+環氧瀝青混凝土橋面。④鋼橋面板+UHPC超高性能混凝土板+瀝青混凝土橋面[2]。從技術特點及技術經濟方面，對四種橋面鋪裝方案進行綜合比較，具體見表1所示。

由表1中的技術特點及技術經濟比較綜合來看，四種方案均有各自特點，工程造價也有一定差異。由于超高性能混凝土層對柔性鋪裝磨耗層的支撐作用，大大改善了其受力條件，提高了使用壽命，在養護期內基本上僅需要對磨耗層進行更換且更換次數少，后期養護簡便且費用低，鋪裝項目的總投資額約為柔性鋪裝方案的10%～40%。

此外，對于新建橋梁而言，在設計階段應用UHPC超高性能混凝土組合橋面技術，還可以直接節約橋梁主體結構的用鋼量，減輕橋梁上部結構的重量，降低全橋的總造價，其經濟性能將更為突出[3]。

“超高性能混凝土組合橋面”方案在馬房北江大橋、洞庭湖二橋等大型橋梁工程的使用情況來看，效果良好。超高性能混凝土與橋面形成的組合結構提高了橋面剛度，大幅度減小了面板和縱橫肋疲勞應力；磨耗層能有效降低粘結層失效、磨耗層開裂、車轍、推移等破壞風險。該工程大橋通行貨車比例超過50%，主橋中跨鋼箱梁采用超高性能混凝土組合橋面，在橋梁全壽命周期內的綜合優勢明顯[4-5]。

該項目鋼橋面鋪裝由超高韌性混凝土（UHPC）（5 cm）+瀝青混凝土磨耗層（3 cm）組成，橋面鋪裝示意圖見圖2所示：

3 超高性能混凝土組合橋面計算分析

3.1 計算荷載

結構自重：計入材料密度和重力加速度，以結構實際自重施加一期恒載，鋼結構按γ=78.5 kN/m3。

二期恒載：鋼箱梁二恒為107.4 kN/m3，根據二恒具體位置，分區域精確加載。

活載：采用城－A級車輛荷載，主橋為雙向八車道，半幅橋面取四輛車進行布載。考慮鋪裝層的擴散，以車輪著地荷載的方式施加在鋼箱梁頂板。

對橋面板及橋面系構件的沖擊系數，一般可按規定計算或取值。對鋼箱梁橋面板局部驗算時，該系數取值為1.4。

3.2 計算模型介紹

計算采用ANSYS建模，有限元模型如圖3所示。

3.3 UHPC作用分析

該橋橋面采用5 cm超高性能混凝土鋪裝層。為分析UHPC混凝土鋪裝層對鋼箱梁受力的影響，進行了研究計算，節段加載模型如圖 4所示。

在考慮UHPC作用下，鋼箱梁整體豎向變形如圖5所示，鋼箱梁橫斷面跨中位置最大下撓為1.28 cm。

在考慮UHPC作用下，橋面板順橋向正應力如圖6所示，順橋向最大正應力為?35.6～46.7 MPa。

在考慮UHPC作用下，橋面板橫橋向正應力如圖7所示，橫橋向最大正應力為?93.6～80.2 MPa，該最大值為個別應力集中點，大部分范圍在?35～5 MPa之間。

在考慮UHPC作用下，U肋順橋向正應力如圖8所示，最大順橋向正應力為?60.9～51.5 MPa。

在考慮UHPC作用下，斜拉索橫隔板VON-MISES應力如圖9所示，最大VON-MISES應力為170 MPa。

以上計算結果見表2所示。

從表2計算結果可知，中跨鋼箱梁橋面鋪裝采用UHPC組合橋面明顯降低了鋼箱梁橋面板、U肋及橫隔板結構的應力水平，改善了鋼箱梁結構受力，并有效提高了橋面的局部剛度，從本質上解決了鋼橋面結構的耐久性問題[6]。

4 結語

該文對某工程大跨度斜拉橋鋼箱梁四種橋面形式進行了詳細研究，從技術特點及經濟性能方面對四種橋面鋪裝方案進行了詳細比選，該工程通行重車比例超過50%。

采用超高性能混凝土組合橋面作為該工程的實施方案，在橋梁全壽命周期內綜合優勢明顯。通過對超高性能混凝土組合橋面進行結構有限元靜力分析，結果表明UHPC可大幅度改善鋼箱受力，有效提高橋面的局部剛度，解決了橋面鋪裝的耐久性能問題。該項目自2023年5月通車以來，超高性能混凝土組合橋面表現優良，取得了良好的社會效應。

參考文獻

[1]孟凡超， 金秀男， 張革軍. 跨海橋梁超大規模鋼橋面鋪裝關鍵技術研究[J]. 土木工程學報， 2023（3）： 58-69.

[2]郭俊峰. 新型的鋼橋面鋪裝設計[J]. 建筑技術開發， 2022（1）： 127-129.

[3]王滔， 方彪， 王民， 等. 甌江北口大橋上層橋鋼橋面鋪裝設計[J]. 公路交通技術， 2022（5）： 42-48.

[4]王通， 郭書峰， 高昱鵬， 等. 舟岱跨海大橋鋼橋面鋪裝設計及工程應用[J]. 建筑經濟， 2022（S1）： 447-451.

[5]郭俊峰. UHPC在城市鋼箱系桿拱橋橋面鋪裝中的優化設計[J]. 北方交通， 2021（12）： 19-22.

[6]郭福寬， 周尚猛. 湘府路城市快速路組合鋼橋面鋪裝方案研究[J]. 結構工程師， 2021（6）： 215-220.