大悟高速公路鋼箱梁橋面鋪裝結(jié)構(gòu)方案
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摘要：目前國內(nèi)大多數(shù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)的柔性鋪裝在使用過程中均出現(xiàn)了鋪裝層開裂、脫粘、車轍、坑槽等病害，且正交異性鋼橋面出現(xiàn)了包括縱肋-面板連接處疲勞開裂、縱肋-橫隔板連接處疲勞開裂、橫隔板弧形切口處疲勞開裂、縱肋拼接焊縫處疲勞開裂等病害。為避免這些病害情況的產(chǎn)生，采用了鋼-超高韌性混凝土（STC）輕型組合橋面鋪裝型式。
關(guān)鍵詞：鋼箱梁；正交異性鋼橋面板；橋面鋪裝；病害；STC
1工程概況
武漢至大悟高速公路是湖北省人民政府批復(fù)（鄂政函[2012]309號）的《湖北省省道規(guī)劃綱要（2011～2030年）》“九縱五橫三環(huán)”高速公路布局方案中武漢市14條放射線之一，是武漢市北向出口路、北部路網(wǎng)中的主要干線公路，是武漢市和中原城市群的快速通道。該項(xiàng)目全線建設(shè)里程85.75km，設(shè)計速度分段分別采用60、80、100、120（km/h），雙向6車道標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。主要控制點(diǎn)：漢口北大道、新十公路、萬家咀轉(zhuǎn)盤、西河、繞城高速、岱黃高速、黃陂前川城區(qū)、川龍大道、武麻鐵路、祁水線、黃孝線、橫花線、黃土公路、G346、麻竹高速。沿線路網(wǎng)分布：高速公路有武漢市北四環(huán)線（在建）、繞城高速公路、岱黃高速公路、漢十高速公路、麻竹高速公路，地方道路有漢口北大道、新十公路、黃孝公路、橫花公路、黃土公路、G346等。全線與市政道路、快速路、高速相交較多，橋梁最大跨徑70m，最小跨徑27m。為不影響橋下正常交通，且避免互通路線縱向標(biāo)高太高，相交位置均采用鋼箱梁跨越，標(biāo)準(zhǔn)鋼箱梁斷面型式見圖1所示。
2方案設(shè)計
眾所周知，正交異性鋼橋面板在橋梁建設(shè)中應(yīng)用廣泛。但是，大量工程實(shí)踐表明，正交異性鋼橋面板容易產(chǎn)生兩類典型病害問題：（1）在重載汽車高頻率作用下，鋼橋面板的焊縫和構(gòu)造容易產(chǎn)生疲勞裂縫，如廣東的虎門大橋，因交通繁重，運(yùn)營不到十年便出現(xiàn)了大量疲勞裂縫；（2）鋼結(jié)構(gòu)橋面的瀝青鋪裝層使用期限較短，極易出現(xiàn)開裂、車轍、坑槽等病害，需頻繁維修，如早些年在網(wǎng)上引起熱議的“武漢第三長江大橋10年24修”等。這些病害嚴(yán)重影響到鋼橋面的耐久性和使用性能，甚至可能給橋梁的安全性帶來隱患。上述兩類病害問題是正交異性鋼橋面所固有的。事實(shí)上，我國現(xiàn)有的“正交異性鋼橋面+瀝青鋪裝層”的橋面體系已難以承擔(dān)重載交通量大、夏天橋面溫度高達(dá)70℃的雙重影響。理論和工程實(shí)踐表明，無論采用何種性能優(yōu)良的瀝青混凝土材料，也只可能解決鋼橋面鋪裝的問題而不能起到有效降低正交異性鋼橋面板中應(yīng)力的作用，不能防止橋面鋼結(jié)構(gòu)的疲勞開裂，原因是瀝青混凝土的彈性模量很低，只有約1200MPa左右。為綜合解決上述典型病害問題，采用鋼-超高韌性混凝土輕型組合橋面結(jié)構(gòu)，見圖2所示。其中的超高韌性混凝土（簡稱STC）是一種強(qiáng)度高、模量高、韌性高、耐久性高的“四高”新型混凝土材料，其開裂強(qiáng)度可達(dá)40MPa，開裂拉應(yīng)變可達(dá)1100με，在等效拉應(yīng)力為0～21.3MPa拉應(yīng)幅作用下，抗疲勞壽命超過300多萬次。STC混凝土采用STC22，栓釘尺寸為Φ13×40mm，縱橫橋向布置間距150mm×150mm。STC層內(nèi)配置間距37.5mm的HRB400級鋼筋網(wǎng)片，其中橫橋向鋼筋位于縱橋向鋼筋的上層。STC層主要材料采用石英砂+水泥+鋼纖維+STC干混料+水按一定比例配制而成。
3方案優(yōu)勢
3.1抗彎剛度
STC層可以提高橋面局部抗彎剛度30～40倍，甚至更多?，F(xiàn)以橫橋向受力為例，進(jìn)行橋面剛度的對比。情形一：對于單位寬度的12mm厚的鋼面板，其抗彎剛度為I1=1/12×1×0.0123=1.44×10-7m7；情形二：對于單位寬度12mm的鋼面板+45mm厚STC薄層，鋼與STC層的模量比為200GPa/40GPa=5，將STC層換算成鋼，則STC層的寬度縮小為0.2m，組合板的抗彎剛度為I2=5.84×10-7m6。上述兩種情形的橋面板抗彎剛度比為I2/I1=40.6倍。
3.2疲勞
能比較明顯地降低鋼橋面在汽車車輪荷載作用下的應(yīng)力幅數(shù)值，達(dá)到延長鋼橋面的疲勞壽命周期。根據(jù)北京鐵科檢測中心對廣東肇慶馬房大橋第11跨鋼橋面的檢測結(jié)果，鋪設(shè)STC層后，縱肋底面的縱向拉應(yīng)變和鋼面板底面的橫向拉應(yīng)變降幅分別達(dá)到了80%和92%，降幅十分顯著。因此，STC層可以降低甚至消除鋼橋面的疲勞開裂病害，從而有望顯著提高鋼橋面的抗疲勞壽命周期。
3.3經(jīng)濟(jì)性
STC層為永久性結(jié)構(gòu)層，將鋼橋面鋪裝轉(zhuǎn)化為混凝土橋面鋪裝，在運(yùn)營中無需更換，僅需對鋪裝層定期翻修，而STC層上的鋪裝層為普通瀝青材料，價格低廉、施工便利，其運(yùn)營維護(hù)成本遠(yuǎn)低于鋼橋面上的其他鋪裝材料。以環(huán)氧瀝青鋪裝為例，其單價約為1400元/m2，一般平均每8年更換一次，全壽命期內(nèi)需鋪筑12次，則每平米鋼橋面鋪裝全壽命成本為：C1=0.14萬元/m2•次×12次=1.68萬元/m2。對于鋼-STC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)，其價格約為1500元/m2，由于STC層為永久性結(jié)構(gòu)層，大橋全壽命期內(nèi)無需更換，而僅需對其頂面的瀝青鋪裝進(jìn)行翻修，其單價為80元/m2，全壽命期內(nèi)同樣需鋪筑12次，則每1m2鋼橋面鋪裝全壽命成本每m2為：C2=0.15萬元/次×1次+0.008萬元/次×12次=0.246萬元/m2。STC層相較于環(huán)氧瀝青鋪裝的成本節(jié)約（C1-C2）/C1=85.4%，全壽命成本節(jié)約十分顯著。
4施工要點(diǎn)
（1）STC層的施工專業(yè)性要求較高，需做過類似工程的技術(shù)人員和具備專業(yè)施工資質(zhì)的施工單位來實(shí)施，并要求有相關(guān)施工設(shè)備。（2）在正式施工之前，應(yīng)先進(jìn)行一段試驗(yàn)段施工，保證施工設(shè)備可以正常有效運(yùn)轉(zhuǎn)，并確認(rèn)各工序流程控制的關(guān)鍵點(diǎn)，以保證可管可控。（3）鋼橋面不需要噴砂除銹（若已完成噴砂除銹可保留），完成鋼橋面浮銹清理后，在鋼橋面板四周涂刷50cm寬環(huán)氧富鋅防銹漆，然后施工栓釘和鋼筋網(wǎng)片。（4）因橋梁跨徑和寬度較大，STC層需分段進(jìn)行澆筑，設(shè)置縱橫向強(qiáng)化接縫即施工縫。之后施工時，需對前一階段的STC層進(jìn)行鑿毛處理。（5）因STC層的特殊性，攤鋪完成后，需進(jìn)行高溫蒸養(yǎng)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件和養(yǎng)護(hù)要求制定詳細(xì)的養(yǎng)護(hù)方案和操作流程。（6）全橋STC層施工完成后，應(yīng)對其表面進(jìn)行拋丸或者刻槽，拋丸方向和槽口的朝向應(yīng)沿著橋梁的橫橋向。
5結(jié)語
STC層比較明顯地提高了鋼結(jié)構(gòu)橋面板的剛度，降低了正交異性鋼橋面構(gòu)造節(jié)點(diǎn)處的荷載應(yīng)力，從而降低甚至是基本消除了鋼橋面板的疲勞開裂病害問題。STC層為永久性結(jié)構(gòu)層，在運(yùn)營中無需更換，僅需對鋪裝層定期翻修，而STC上的鋪裝層為普通瀝青材料，價格低廉、施工便利，其運(yùn)營維護(hù)成本遠(yuǎn)低于鋼橋面上的鋪裝材料。另外，由于STC層厚度薄、自重輕，能適用于各種跨徑的鋼橋。因此，為防患于未燃，避免武漢至大悟高速公路中鋼橋段的橋面系在運(yùn)營中出現(xiàn)病害問題，并降低橋面系的全壽命維護(hù)成本，采用鋼-STC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)，可為類似鋼橋建設(shè)提供借鑒。
參考文獻(xiàn)：
[1]DB43/T1173—2016，鋼-超高韌性混凝土輕型組合結(jié)構(gòu)橋面技術(shù)規(guī)范[S].
[2]GDJTG/TA01—2015，超高性能輕型組合橋面結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].
作者：黃權(quán)鋒 單位：林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司武漢分公司