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(qū)某重點(diǎn)建設(shè)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(duì)四種大跨度鋼主梁的公路橋面形式進(jìn)行了詳細(xì)介紹，從技術(shù)特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)方面對(duì)四種橋面鋪裝方案進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比，選擇超高性能混凝土組合橋面為推薦方案；最后對(duì)超高性能混凝土組合橋面進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元靜力分析，結(jié)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(guò)以上研究為同類(lèi)橋梁的設(shè)計(jì)、施工提供參考和借鑒。

關(guān)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(lèi)號(hào) U443.33文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 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(kāi)裂、高溫車(chē)轍、粘結(jié)層失效或脫層、橫向推移和擁包等。根據(jù)國(guó)內(nèi)外正交異性鋼橋面鋪裝研究、設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，影響橋面鋪裝的因素很多，主要因素有氣候環(huán)境（尤其是溫度）、交通荷載、橋面局部剛度、鋪裝材料、施工質(zhì)量等[1]，如何徹底解決正交異性鋼橋面病害問(wèn)題一直以來(lái)是橋梁工程行業(yè)的一大難題。

1 工程概況

根據(jù)城市總體規(guī)劃及綜合交通規(guī)劃，某大橋工程是南沙港重要的對(duì)外疏港通道，同時(shí)也是萬(wàn)頃沙區(qū)塊聯(lián)接其他區(qū)塊以及對(duì)外聯(lián)系的重要干道，以通行貨車(chē)為主。路線(xiàn)西起紅蓮路與迪安路交叉口東側(cè)，向東上跨萬(wàn)新大道、萬(wàn)環(huán)東路之后，跨越龍穴南水道，在龍穴島側(cè)與龍穴大道通過(guò)立交銜接。主橋采用（62+104+580+104+62）m雙塔斜拉橋，全長(zhǎng)912 m，其中主跨采用鋼箱梁，邊跨采用混凝土主梁，主橋結(jié)構(gòu)采用半漂浮體系，全橋布置圖見(jiàn)圖1所示。

2 橋面鋪裝方案選擇

鋼箱梁因強(qiáng)度高、自重輕、施工快的特點(diǎn)在國(guó)內(nèi)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(huán)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(shù)特點(diǎn)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面，對(duì)四種橋面鋪裝方案進(jìn)行綜合比較，具體見(jiàn)表1所示。

由表1中的技術(shù)特點(diǎn)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較綜合來(lái)看，四種方案均有各自特點(diǎn)，工程造價(jià)也有一定差異。由于超高性能混凝土層對(duì)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(yǎng)護(hù)期內(nèi)基本上僅需要對(duì)磨耗層進(jìn)行更換且更換次數(shù)少，后期養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)便且費(fèi)用低，鋪裝項(xiàng)目的總投資額約為柔性鋪裝方案的10%～40%。

此外，對(duì)于新建橋梁而言，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用UHPC超高性能混凝土組合橋面技術(shù)，還可以直接節(jié)約橋梁主體結(jié)構(gòu)的用鋼量，減輕橋梁上部結(jié)構(gòu)的重量，降低全橋的總造價(jià)，其經(jīng)濟(jì)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(lái)看，效果良好。超高性能混凝土與橋面形成的組合結(jié)構(gòu)提高了橋面剛度，大幅度減小了面板和縱橫肋疲勞應(yīng)力；磨耗層能有效降低粘結(jié)層失效、磨耗層開(kāi)裂、車(chē)轍、推移等破壞風(fēng)險(xiǎn)。該工程大橋通行貨車(chē)比例超過(guò)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(nèi)的綜合優(yōu)勢(shì)明顯[4-5]。

該項(xiàng)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(jiàn)圖2所示：

3 超高性能混凝土組合橋面計(jì)算分析

3.1 計(jì)算荷載

結(jié)構(gòu)自重：計(jì)入材料密度和重力加速度，以結(jié)構(gòu)實(shí)際自重施加一期恒載，鋼結(jié)構(gòu)按γ=78.5 kN/m3。

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

活載：采用城－A級(jí)車(chē)輛荷載，主橋?yàn)殡p向八車(chē)道，半幅橋面取四輛車(chē)進(jìn)行布載?？紤]鋪裝層的擴(kuò)散，以車(chē)輪著地荷載的方式施加在鋼箱梁頂板。

對(duì)橋面板及橋面系構(gòu)件的沖擊系數(shù)，一般可按規(guī)定計(jì)算或取值。對(duì)鋼箱梁橋面板局部驗(yàn)算時(shí)，該系數(shù)取值為1.4。

3.2 計(jì)算模型介紹

計(jì)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(duì)鋼箱梁受力的影響，進(jìn)行了研究計(jì)算，節(jié)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?lián)蠟?.28 cm。

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

在考慮UHPC作用下，橋面板橫橋向正應(yīng)力如圖7所示，橫橋向最大正應(yīng)力為?93.6～80.2 MPa，該最大值為個(gè)別應(yīng)力集中點(diǎn)，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(yīng)力如圖8所示，最大順橋向正應(yīng)力為?60.9～51.5 MPa。

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

以上計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2所示。

從表2計(jì)算結(jié)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(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，改善了鋼箱梁結(jié)構(gòu)受力，并有效提高了橋面的局部剛度，從本質(zhì)上解決了鋼橋面結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

該文對(duì)某工程大跨度斜拉橋鋼箱梁四種橋面形式進(jìn)行了詳細(xì)研究，從技術(shù)特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)性能方面對(duì)四種橋面鋪裝方案進(jìn)行了詳細(xì)比選，該工程通行重車(chē)比例超過(guò)50%。

采用超高性能混凝土組合橋面作為該工程的實(shí)施方案，在橋梁全壽命周期內(nèi)綜合優(yōu)勢(shì)明顯。通過(guò)對(duì)超高性能混凝土組合橋面進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元靜力分析，結(jié)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(wèn)題。該項(xiàng)目自2023年5月通車(chē)以來(lái)，超高性能混凝土組合橋面表現(xiàn)優(yōu)良，取得了良好的社會(huì)效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

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