湘府路城市快速路組合鋼橋面鋪裝方案研究

郭福寬 周尚猛

（1.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室，武漢 430034；2.中鐵大橋科學研究院有限公司，武漢 430034）

0 引 言

鋼橋中橋面鋪裝問題一直以來是鋼橋領域的重點和難點。常用的鋪裝結構有環(huán)氧瀝青混凝土、澆筑式瀝青混凝土、雙層SMA等，主要為柔性鋪裝結構。由于瀝青混凝土材料彈性模量較小，對提升橋面局部剛度作用有限，在車輛荷載作用下，橋面局部變形較大，橋面系結構應力集中較為嚴重，加上交通荷載繁重，極易出現疲勞破壞。而瀝青鋪裝層在這種支撐條件下，也容易出現開裂和脫層等病害［1］。

近年來業(yè)內提出一種新型組合鋼橋面鋪裝，該鋪裝引入超高性能混凝土（簡稱UHPC）材料作為結構層，與鋼橋面板之間采用短剪力釘結合，形成組合鋪裝結構。由于UHPC具有良好的抗拉性能，在荷載作用下不易發(fā)生開裂，同時鋼橋面板與UHPC層組合后，大幅度增加了鋼橋面板的局部剛度，有效地減小了鋼橋面的疲勞應力幅［2-6］。目前該橋面鋪裝已經較多應用于公路和鐵路橋梁工程中［7］，但該橋面鋪裝在城市快速路工程應用較少。與公路橋梁相比，城市橋梁具有行車數量多、車速慢、堵車幾率大、大型車較少等特點，且現行《城橋規(guī)》［8］和《公橋規(guī)》［9］中車輛荷載取值明顯不同。因此開展湘府路城市快速路組合鋼橋面鋪裝方案研究顯得尤為必要。本文通過鋪裝各層理論分析和足尺寸模型靜力與疲勞試驗，考察瀝青面層支撐條件、超高性能混凝土層抗裂性能和鋼橋面板疲勞性能，旨在解決組合橋面鋪裝在湘府路城市快速路上應用的適用性問題。

1 工程概況

湘府路城市快速路地處長沙城區(qū)南部，是在現有湘府路主干道上架設高架橋而形成的城市快速路，呈東西走向，全長約12 km。西接湘府路湘江大橋，東接瀏陽河橋，沿線跨越多條主干路。在滿足快速化施工和跨越能力的前提下，湘府路重點跨線橋采用了大跨度連續(xù)鋼箱梁結構，橋面體系為正交異性鋼橋面板結構形式。

限于篇幅，本文以湘府路工程中的跨京珠高速橋為例進行鋼橋面鋪裝研究，其他跨線橋與其類似。

跨京珠高速橋是一座跨線連續(xù)鋼箱梁橋，跨徑布置為（58+72+48）m。主梁采用雙邊式鋼箱梁，單側邊箱梁寬2.6 m、高2.5 m。邊箱之間設置3道倒T型縱梁，高度為1.2～2.5 m。橋面設置雙向橫坡，坡度為2%。橋面結構采用正交異性橋面板，頂板厚度為12 mm、16 mm，加勁肋為U形和板肋兩種，U肋厚度為6 mm、8 mm。箱梁設置有橫隔板，縱向間距為3 m，隔板厚度為8 mm、10 mm、12 mm。橋梁外形尺寸如圖1所示。

圖1 跨京珠高速橋示意圖（單位：mm）Fig.1 Schematic diagram of Beijing Zhuhai Expressway Bridge（Unit：mm）

2 鋪裝方案

2.1 應用案例調研

通過工程調研可知，國內有接近二十余座橋梁工程采用了超高性能混凝土組合鋼橋面鋪裝，基本上包括了大多數橋型。部分典型案例及使用現狀如表1所示。

表1 超高性能混凝土組合鋼橋面鋪裝部分典型案例及使用現狀Table 1 Typical cases and application status of super high performance concrete composite steel deck pavement

從表1可以看出，組合鋼橋面鋪裝于2011年在廣東馬房大橋上應用，在重交通、車輛超載嚴重的情況下，已經良好運營10年，無病害發(fā)生，超過傳統(tǒng)鋼橋面瀝青鋪裝的通常使用壽命（一般使用壽命為5年）。采用組合鋼橋面鋪裝可大大降低橋面鋪裝病害，節(jié)約后期養(yǎng)護成本。在鋼橋上大規(guī)模推廣應用該橋面鋪裝將是一種趨勢。

2.2 鋪裝方案設計

根據應用案例調研，為了減少后期鋪裝病害，降低養(yǎng)護成本。湘府路鋼橋面擬采用超高性能混凝土組合鋼橋面鋪裝。擬采用的鋪裝結構自下至上依次為50 mmUHPC層+纖維增強橋面粘結防水層+32 mmSMA10瀝青混凝土，如圖2所示。UHPC性能指標：抗壓強度≥100 MPa；抗折強度≥25 MPa；彈性模量≥40 GPa。UHPC層與鋼橋面板之間采用剪力釘連接，剪力釘材質為ML15AL，規(guī)格為φ19×35 mm，縱、橫向布置間距為300 mm×300 mm。UHPC內部設有鋼筋網，由φ10 mm的HRB400鋼筋構成。鋼筋間距為50 mm（縱向，下層，φ10 mm）×50 mm（橫向，上層，φ10 mm），上表面凈保護層厚度為15 mm。

圖2 湘府路鋼橋面鋪裝結構（單位：mm）Fig.2 Steel deck pavement structure of Xiangfu Road（Unit：mm）

3 鋪裝結構分析

本節(jié)將通過鋪裝各層理論分析和足尺寸模型靜力與疲勞試驗，重點考察瀝青面層支撐條件、超高性能混凝土層抗裂性能和鋼橋面板疲勞性能。

3.1 瀝青面層支撐條件分析

在組合鋼橋面鋪裝結構中瀝青混凝土面層主要起到分散輪載，提高行車舒適性和穩(wěn)定性作用。橋面系的局部剛度對瀝青面層的使用壽命有著至關重要的影響。因此本節(jié)對橋面局部剛度進行分析。

為了便于分析，組合鋼橋面鋪裝與同厚度的瀝青混凝土鋪裝對比，依據文獻［10］提供的方法對兩者的橋面局部剛度進行對比分析，計算如圖3所示，兩種局部剛度結果如表2所示。

圖3 橋面系剛度計算示意圖Fig.3 Rigidity calculation diagram of bridge deck system

表2 橋面局部剛度計算表Table 2 Calculation table of local stiffness of bridge deck

由表2可知，與同厚度的瀝青混凝土相比，組合鋼橋面鋪裝結構肋間相對撓度降低74%，曲率半徑提升3.8倍，顯著提高了橋面系局部剛度，進而大大改善了瀝青混凝土面層的支撐條件，面層使用壽命大大延長。

3.2 UHPC層受力性能分析

3.2.1 UHPC層受力性能有限元分析

通過整體和局部有限元模型分析，可以得到UHPC層第一體系和第二、三體系應力，匯總結果如表3所示。

表3 UHPC層表面最大拉應力Table 3 Maximum tensile stress of UHPC layer surface

根據應力疊加原理，UHPC層表面最大橫向拉應力為9.2 MPa，最大縱向拉應力為12.2 MPa，均出現在中支點主梁截面，位于邊箱腹板頂面附近。

3.2.2 UHPC層抗裂性能試驗

1）試驗設計及加載

試驗模型選取橫向單U肋、縱向2跨結構。模型長4.1 m，寬0.6 m，支點間距1.85 m。UHPC層及U肋參數選用橋面設計參數。多功能試驗機通過分載梁傳遞到模型中支點兩側，距離1.4 m。試驗模型加載及模型橫截面如圖4所示，試驗模型加載測試現場如圖5所示。

圖4 模型尺寸布置圖（單位：mm）Fig.4 Model size layout（Unit：mm）

圖5 試驗現場情況Fig.5 Test site conditions

2）試驗結果分析

模型試驗結果如表4所示。由表4可知，通過施加荷載，當試驗模型UHPC層分別達到實橋第一體系縱向應力4.6 MPa及實橋縱向總應力12.2 MPa時，UHPC層頂面均未觀察到裂紋，模型未見異常；當UHPC層名義應力達到18.8 MPa（即1.5倍的實橋縱向總應力）時，在中支點位置UHPC表面觀察到可見裂紋，寬度為0.05 mm。繼續(xù)施加荷載，當名義應力達到62.4 MPa（即5.1倍的實橋縱向總應力）時，裂縫寬度為0.15 mm，此時試驗模型中支點發(fā)生屈曲變形，模型試驗停止。

表4 模型名義應力與UHPC層裂縫對應關系Table 4 Corresponding relationship between model nominal stress and UHPC fracture

因此，組合橋面鋪裝體系中UHPC層運營期間不會發(fā)生開裂且具有足夠的結構安全儲備。

3.3 鋼結構疲勞性能分析

3.3.1 鋼結構疲勞性能評估

通過鋼箱梁病害調研可知，一般正交異性橋面板疲勞問題主要發(fā)生在加勁肋與頂板連接區(qū)、加勁肋與橫隔板連接區(qū)及弧形切口區(qū)，因此需要對這些疲勞區(qū)域進行疲勞計算分析，應力點如圖6所示。

圖6 應力計算點（單位：mm）Fig.6 Stress calculation points（Unit：mm）

在3.2.1節(jié)局部有限元模型上進行疲勞加載，疲勞加載選用140 kN雙軸荷載，并考慮1.5倍超重系數。橫向加載工況與靜力加載相同，根據確定的橫向加載位置，進行縱橋向移動加載，即可獲得應力時程曲線，進而可以求得計算點最大應力幅和構造細節(jié)最大應力幅。

為了便于分析，將組合鋼橋面鋪裝與等厚度的瀝青混凝土鋪裝對比。通過有限元計算，可得到鋼橋面板上述三類疲勞細節(jié)的最不利應力幅，如表5所示。表中給出了三個限值，限值1對應Eurocode 3［11］5×106次疲勞應力幅，限值 2 對應BS5400［12］1×107次疲勞應力幅，限值 3 為常幅截止限。

表5 正交異性鋼橋面板構造細節(jié)最大應力幅比較Table 5 Comparison of maximum stress amplitude of structural details of orthotropic steel bridge deck

計算表明：采用組合鋼橋面鋪裝可以顯著降低正交異性板構造細節(jié)應力，應力幅下降幅度依次為：面板（64.1%～66.4%）＞加勁肋（37.2%～43.6%）＞橫隔板（17.3%～42.5%）。采用瀝青鋪裝正交異性板部分疲勞細節(jié)應力幅超過了限值1，存在疲勞開裂風險，而采用組合鋼橋面鋪裝后，全部疲勞細節(jié)應力幅均降至限值2以下，甚至部分已降低至限值3以下，大大降低了鋼結構疲勞開裂的風險，理論上可達到無限疲勞壽命。

3.3.2 單U肋疲勞性能試驗

對第3.2.2節(jié)單U肋模型進行疲勞試驗，以中支點UHPC層表面應力幅為控制指標，采用4.6～18.8 MPa應力幅進行500萬次循環(huán)加載，其中下限為UHPC層實橋第一體系縱向應力值，上限為UHPC層出現0.05 mm寬度裂縫對應的試驗名義應力值，試驗機頻率為4 Hz。試驗過程中，每隔50萬次，進行1次靜力加載。

疲勞試驗結果：UHPC層表面出現的裂縫會隨加載次數增加而有所增長，寬度始終控制在0.05 mm以內，鋼結構部分未發(fā)現可見疲勞裂紋，且模型整體剛度未見明顯退化（3%以內）。

4 結論

湘府路城市快速路鋼橋面系采用組合鋼橋面鋪裝方案，得到如下結論：

（1）與同厚度瀝青混凝土鋪裝相比，組合鋼橋面鋪裝對橋面系局部剛度的提高具有顯著的效應，改善瀝青面層的支撐條件，延長了面層的使用壽命；

（2）在運營期間，組合橋面鋪裝體系中超高性能混凝土層不會發(fā)生開裂且具有足夠的結構安全儲備；

（3）超高性能混凝土層與鋼橋面板的協(xié)同受力作用有效降低了鋼橋面板的疲勞應力幅，可達到無限疲勞壽命要求。