鋼-STC組合橋面系改造施工技術(shù)分析

王輝輝

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

1 概述

大跨徑鋼橋具有施工便捷、跨越能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，正交異性鋼橋面板作為其主要組成部分，由鋼面板、U肋、橫隔板組成[1]。作為橋梁大國，我國的大跨徑鋼橋于20世紀(jì)90年代開始大規(guī)模建設(shè)，為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，但由于交通負(fù)擔(dān)繁重，橋面系長期存在兩大典型病害問題：鋼橋面板疲勞開裂和瀝青磨耗層破損[2-3]。實(shí)踐表明，疲勞開裂是正交異性鋼橋面板所固有的病害形式，鋼橋面一般運(yùn)營20年左右便進(jìn)入疲勞裂縫爆發(fā)期，且難以修復(fù)。同時，SMA、ERS等常規(guī)柔性鋪裝材料難以承受大跨徑橋梁交通量大、重載交通比例高、夏季高溫等多重因素的考驗(yàn)，長期使用效果欠佳。

2 鋼-STC組合橋面體系技術(shù)特點(diǎn)

鋼-STC組合橋面體系可以同時解決這兩大典型病害，厚度為35～60 mm的STC結(jié)構(gòu)層與鋼橋面板通過短栓釘作為連接件形成新的組合橋面體系。STC是指抗壓強(qiáng)度達(dá)到150 MPa、使用壽命超200年的新型水泥基工程材料。根據(jù)最大密實(shí)度理論，主要由硅灰、水泥、細(xì)骨料及混雜鋼纖維等材料組成，材料內(nèi)部的缺陷最大限度地降低，使其具備優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性。STC中的混雜鋼纖維起到了橋梁作用，抑制了混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展，使混凝土表現(xiàn)出良好受力特征。與傳統(tǒng)正交異性橋面板相比，該新型組合橋面體系具有以下兩個特點(diǎn)：第一，大幅提高了第三體系的局部剛度，從而顯著改善了橋面磨耗層的工作條件，延長了磨耗層服役壽命，根治了正交異性鋼橋面板磨耗層易破損問題；第二，STC層與鋼橋面組成結(jié)構(gòu)體系共同受力，可顯著降低局部輪載作用下鋼橋面焊接接頭的疲勞應(yīng)力幅，提高第三體系局部力學(xué)性能，顯著降低傳統(tǒng)正交異性鋼橋面板易疲勞開裂的風(fēng)險(xiǎn)。因此，鋼-STC組合橋面體系可以在不增加大橋自重的前提下，顯著提高橋面剛度及層間黏結(jié)性能，是根治鋼橋面兩大世界性難題的關(guān)鍵[4-7]。

目前我國已有60座橋梁采用鋼-STC組合橋面體系技術(shù)，涵蓋了梁橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋等各類橋型。對于在役橋梁應(yīng)用組合橋面體系進(jìn)行橋面加固改造時，全橋面封閉施工將完全阻斷交通，對處于重要高速公路的大跨徑橋梁的交通通行能力造成較大影響。因此，在役橋梁的組合橋面體系一般選擇半幅通車、半幅封閉施工的施工方案，受通車幅的活載影響，施工幅中的STC層須保證不開裂且鋼箱梁需滿足受力條件，故本文以某大跨徑鋼橋?yàn)楸尘?，開展了在役橋梁鋼-STC組合橋面體系施工過程受力分析。

3 設(shè)計(jì)方案

本文以某在役大跨度正交異性板加勁鋼箱梁斜拉橋?yàn)檠芯勘尘埃捎秒p向六車道一級公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度120 km/h，橋面總寬33.5 m，荷載等級為汽-超20，掛-120，人群3.5 kN/m2，大橋主跨長460m；鋼箱梁頂板厚度12mm，U形加勁肋間距600mm，厚6 mm，每隔3 m設(shè)置一道實(shí)腹式橫隔板，橫隔梁間距6 m。于1999年2月9日建成開始通車，行車道采用的鋪裝結(jié)構(gòu)為：雙層SMA13+改性瀝青碎石封層+環(huán)氧富鋅漆+橋面鋼板除銹，鋪裝總厚度為8 cm。

圖1 大橋立面設(shè)計(jì)圖（單位：cm）

2004年開始，大橋橋面鋪裝局部出現(xiàn)坑槽、泛油等病害，表面大范圍出現(xiàn)嚴(yán)重車轍、推移，并伴隨諸多裂縫。經(jīng)多次維修后的路面效果不佳，病害無法得以根除，而且大部分維修路段再次出現(xiàn)病害，極大影響了車輛的正常運(yùn)行。2017年，根據(jù)前述病害成因，考慮到大橋橋面整體剛度不足、交通量大、重車及超載重車多等特點(diǎn)，提出橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層采用SMA+STC結(jié)構(gòu)：3.5 cm厚SMA-13瀝青磨耗層+應(yīng)力吸收層+4.5 cm厚STC層+黏結(jié)層，如圖2所示。

圖2 鋼-STC組合橋面體系設(shè)計(jì)方案（單位：mm）

4 施工方案與交通組織設(shè)計(jì)

STC層施工包含橋面清理、栓釘焊接、防腐涂裝、鋼筋網(wǎng)安裝、STC攤鋪、保濕養(yǎng)護(hù)、高溫蒸養(yǎng)、表面拋丸、邊界接頭及接縫處理等施工工序。為了保證橋面改造施工期間大橋不中斷交通，采用了半幅澆筑STC、半幅通車的施工方案。即半幅先行鏟除現(xiàn)有瀝青鋪裝層，再進(jìn)行STC層施工并鋪筑新的瀝青磨耗層，待完成后重新通車并對另一幅施工，具體分幅分塊澆筑方式如表1所示。

表1 半幅澆筑STC、半幅通車的施工方案

施工作業(yè)區(qū)設(shè)置分為3個區(qū)域：施工材料儲物區(qū)域、組合橋面施工區(qū)域、施工材料儲物區(qū)域，施工期間橋面半幅完全封閉，另半幅保持雙向行駛。具體如圖3所示。控制區(qū)兩端設(shè)置警告區(qū)、過渡區(qū)、緩沖區(qū)、終止區(qū)等區(qū)域，將社會車輛引導(dǎo)至上游側(cè)橋幅，借用對向車道通行。施工期間通車幅車速應(yīng)降至40 km/h，駛?cè)敕鞘┕ぢ范喂返氖┕ぼ囕v要對現(xiàn)況公路通行影響最小。施工時在施工區(qū)段兩頭采用水馬封閉，水馬外側(cè)粘貼黃白相間反光膜，并設(shè)置標(biāo)識警告牌。應(yīng)設(shè)置警告區(qū)，其長度不小于1 600 m。警告區(qū)設(shè)置相應(yīng)指示標(biāo)識，相鄰標(biāo)識間距不得超過400 m。警告區(qū)內(nèi)應(yīng)設(shè)置限速標(biāo)識、前方車道變窄標(biāo)識、禁止通行標(biāo)識、前方施工標(biāo)識等。施工期前半幅路封閉施工交通組織如圖3所示。

圖3 半幅路封閉施工交通組織示意圖

5 施工過程受力分析

本橋STC層施工方案為半幅通車、半幅澆筑，在澆筑STC時另一幅產(chǎn)生的活載對于澆筑幅施工過程中存在影響，因此應(yīng)考慮相應(yīng)施工階段，澆筑幅STC的受力受通車幅的擾動。采用Midas Civil橋梁分析軟件對施工過程各階段鋼箱梁的應(yīng)力以及STC層的受力狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)承載能力極限狀態(tài)下的荷載組合分別提取關(guān)鍵施工狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果。

有限元計(jì)算模型包含5 058個節(jié)點(diǎn)、2 144個單元，單元類型包括梁單元與索單元，如圖4所示。計(jì)算中考慮1.2倍自重荷載+1.4倍車道荷載[8]，分別提取關(guān)鍵施工狀態(tài)下，鋼箱梁上、下緣以及STC層應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果。

圖4 Midas Civil有限元計(jì)算模型

為了保證施工中鋼箱梁的安全性，計(jì)算了施工過程中鋼箱梁的應(yīng)力變化，如表2所示。

表2 鋼箱梁主梁整體應(yīng)力

由上述計(jì)算結(jié)果可以看出，施工過程各階段鋼箱梁上緣與下緣應(yīng)力最大值較小，承載力富裕度較大，安全系數(shù)較高。

考慮到半幅澆筑時受到相鄰?fù)ㄜ嚪幕钶d擾動，STC層存在開裂風(fēng)險(xiǎn)。因此，計(jì)算將重點(diǎn)關(guān)注施工中各階段STC層的應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 施工過程關(guān)鍵過程STC層應(yīng)力

對于半幅澆筑STC、半幅通車狀態(tài)下的STC層，組合橋面體系方案的STC最大拉應(yīng)力為6.4 MPa，小于STC自終凝至養(yǎng)護(hù)結(jié)束能承受的最大拉應(yīng)力（9 MPa）[4]，采用半幅澆筑STC、半幅通車的方法進(jìn)行施工滿足要求。

6 結(jié)論

鋼-STC組合橋面體系作為正交異性鋼橋面的新型鋪裝結(jié)構(gòu)，不僅解決了鋼橋面?zhèn)鹘y(tǒng)瀝青鋪裝層易破損的病害，也能從根本上消除鋼橋面疲勞開裂的耐久性問題。本文研究了鋼-STC輕型組合結(jié)構(gòu)用于在役橋梁時，采用半幅通車、半幅澆筑方案施工各階段的應(yīng)力狀況，得出以下結(jié)論：

a）提出了在役大跨徑鋼箱梁在應(yīng)用鋼-STC組合橋面體系時半幅澆筑STC、半幅通車的施工方案，在不用中斷交通并保證基本交通通行能力的情況下，完成橋面改造工程。提出了相應(yīng)的交通組織設(shè)計(jì)思路，配套半幅澆筑、半幅通車的施工方案，該方案切實(shí)可行。

b）通過計(jì)算半幅澆筑STC、半幅通車施工過程各階段鋼箱梁上、下緣的應(yīng)力，結(jié)果表明各階段鋼箱梁應(yīng)力小于容許值，且安全系數(shù)較高。

c）通過計(jì)算施工過程各階段STC層的應(yīng)力，結(jié)果表明STC層最大拉應(yīng)力小于其開裂強(qiáng)度，在施工過程各階段均能保證不開裂。