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(guó)內(nèi)大多數(shù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)的柔性鋪裝在使用過(guò)程中均出現(xiàn)了鋪裝層開(kāi)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(kāi)裂、縱肋-橫隔板連接處疲勞開(kāi)裂、橫隔板弧形切口處疲勞開(kāi)裂、縱肋拼接焊縫處疲勞開(kāi)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(hào)）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(jì)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(wàn)家咀轉(zhuǎn)盤(pán)、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(jiàn)圖1所示。
2方案設(shè)計(jì)
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(wèn)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(mén)大橋，因交通繁重，運(yùn)營(yíng)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(kāi)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(zhǎng)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(lái)隱患。上述兩類病害問(wèn)題是正交異性鋼橋面所固有的。事實(shí)上，我國(guó)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(wú)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(wèn)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(kāi)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(wèn)題，采用鋼-超高韌性混凝土輕型組合橋面結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2所示。其中的超高韌性混凝土（簡(jiǎn)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(kāi)裂強(qiáng)度可達(dá)40MPa，開(kāi)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(guò)300多萬(wàn)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(jí)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(shì)
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(duì)比。情形一：對(duì)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(duì)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(zhǎng)鋼橋面的疲勞壽命周期。根據(jù)北京鐵科檢測(cè)中心對(duì)廣東肇慶馬房大橋第11跨鋼橋面的檢測(cè)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(kāi)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(yíng)中無(wú)需更換，僅需對(duì)鋪裝層定期翻修，而STC層上的鋪裝層為普通瀝青材料，價(jià)格低廉、施工便利，其運(yùn)營(yíng)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(jià)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(wàn)元/m2•次×12次=1.68萬(wàn)元/m2。對(duì)于鋼-STC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)，其價(jià)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(wú)需更換，而僅需對(duì)其頂面的瀝青鋪裝進(jìn)行翻修，其單價(jià)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(wàn)元/次×1次+0.008萬(wàn)元/次×12次=0.246萬(wàn)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(guò)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(lái)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(shí)，需對(duì)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(chǎng)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(duì)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(yǔ)
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(kāi)裂病害問(wèn)題。STC層為永久性結(jié)構(gòu)層，在運(yùn)營(yíng)中無(wú)需更換，僅需對(duì)鋪裝層定期翻修，而STC上的鋪裝層為普通瀝青材料，價(jià)格低廉、施工便利，其運(yùn)營(yíng)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(yíng)中出現(xiàn)病害問(wèn)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(guó)際工程咨詢（中國(guó)）有限公司武漢分公司