佛陳大橋(擴建)的輕型組合橋面結(jié)構(gòu)設(shè)計

鄭楷柱,何 海,梁立農(nóng),邵旭東

(1.廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司,廣東廣州 510507；2.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南長沙 410082)

佛陳大橋(擴建)的輕型組合橋面結(jié)構(gòu)設(shè)計

鄭楷柱1,何 海1,梁立農(nóng)1,邵旭東2

(1.廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司,廣東廣州 510507；2.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南長沙 410082)

佛陳大橋(擴建)連續(xù)鋼箱梁的橋面采用各向異性鋼橋面鋪裝,為解決鋼橋面疲勞裂紋和鋪裝易損壞的問題,從耐久性出發(fā),轉(zhuǎn)變橋面鋪裝的設(shè)計思路,結(jié)合鋼箱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計,引入了輕型組合橋面結(jié)構(gòu),在擴建右幅橋試驗性地采用超高韌性混凝土(STC)和瀝青磨耗層組合鋪裝結(jié)構(gòu),提高鋪裝下層的設(shè)計年限和鋼橋面的抗疲勞壽命,從而降低鋪裝層的養(yǎng)護成本和生命周期總成本。通過模型試驗,驗證該輕型組合橋面結(jié)構(gòu)的抗裂能力,能達(dá)到設(shè)計要求。

工程結(jié)構(gòu)；連續(xù)鋼箱梁；鋪裝；耐久性

1 工程概述

佛陳大橋(擴建)工程位于佛山市禪城區(qū)、順德區(qū)交界處,路線北起魁奇路與南海大道交叉口,向南經(jīng)東平水道(佛陳橋)、終于碧桂花城正門以南100 m處,順接佛陳路,路線全長約1.363 km。現(xiàn)狀南海大道和佛陳路為雙向8車道城市主干道,佛陳橋為雙向四車道,目前佛陳橋交通量非常大,成為交通瓶頸,需要進行擴建。

根據(jù)路網(wǎng)和城市規(guī)劃,擴建工程在舊橋兩側(cè)進行,跨徑與舊橋?qū)R。舊橋主橋為112.8 m下承式鋼管混凝土系桿拱橋,適應(yīng)這一跨徑又與舊橋協(xié)調(diào)的橋型有拱橋和變截面連續(xù)梁橋,從景觀協(xié)調(diào)性考慮,變截面連續(xù)梁橋是適應(yīng)的,從橋墩對齊的布置原則,擴建新橋的跨徑為(58.51+112.8+58.51)m。從景觀要求出發(fā),受限于梁高、施工進度、新舊橋橋面高差及遠(yuǎn)期航道升級等多種因素,主橋采用三跨鋼箱連續(xù)梁橋。

佛陳大橋(擴建)連續(xù)鋼箱梁采用正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu),如鋼橋面采用傳統(tǒng)瀝青混凝土鋪裝,則擔(dān)心正交異性鋼橋面板容易疲勞開裂,危及結(jié)構(gòu)的安全性；擔(dān)心瀝青混凝土鋪裝容易破損,壽命較短,耐久性和全壽命經(jīng)濟性較差；同時鑒于右幅預(yù)測交通量大且軸載大,并存在超載可能。因此本文將從安全性、經(jīng)濟性、耐久性出發(fā),轉(zhuǎn)變鋪裝的設(shè)計思路,結(jié)合主橋連續(xù)鋼箱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計,探討采用新的鋪裝層結(jié)構(gòu),提高鋼箱梁正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)及鋼橋面鋪裝的各方面性能。

2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計［1，3,4］

主橋采用58.51 m+112.8 m+58.51 m=229.82 m三跨鋼箱連續(xù)梁橋。單幅橋梁寬15.75 m。主墩墩頂2 m區(qū)段鋼箱梁梁高5 m,主墩頂?shù)雀吡憾蝺蓚?cè)15.4 m區(qū)段梁高從5 m按二次拋物線漸變至2.8 m,其余區(qū)段梁高為2.8 m。根部梁高與中跨跨徑比值為1/22.56,跨中梁高與中跨跨徑比值為1/40.286。鋼箱梁頂板寬15.75 m,底板寬7.5 m。

(1)頂板

根據(jù)受力需要,頂板在順橋向不同區(qū)段采用了16 mm、18 mm、20 mm、22 mm 四種不同的厚度,主墩墩頂附近板厚最大。

頂板采用U 型加勁肋加勁,上口寬285mm,下口寬170 mm,間距570 mm。U 型加勁肋厚度8 mm,加勁肋高度280 mm。

(2)底板及其加勁肋

根據(jù)受力需要,底板在順橋向不同區(qū)段采用了16 mm、20 mm、24 mm、28 mm、32 mm、36 mm、40 mm七種不同的板厚。

底板采用板式加勁肋加勁,基本間距400 mm。加勁肋厚度根據(jù)其所支承底板厚度的不同,在16～28 mm 之間變化。主墩墩頂梁段底板采用 T形加勁肋加勁,以改善其受力性能。

(3)腹板及其加勁肋

根據(jù)受力需要,腹板在順橋向不同區(qū)段采用了16 mm、18 mm、20 mm、24 mm、28 mm 五種不同的鋼板厚度,腹板內(nèi)側(cè)保持平齊。

腹板采用板式加勁肋加勁,加勁肋板厚分別為16 mm、18 mm、20 mm及24 mm。

(4)橫隔板及橫肋板

電源結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。火電裝機占比由2015年約75%下降至2030年的60%，新能源裝機占比由2015年的3%大幅提高至13.4%。

橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距2.5 m,采用實腹式橫隔。

橫隔板分為普通橫隔板、主墩支座處橫隔板、過渡墩支座處橫隔板和端橫隔板。普通橫隔板等梁高段板厚均為12 mm,變梁高段板厚均為16 mm；一個主墩支座處橫隔板分為兩道,板厚為32 mm；過渡墩支座處橫隔板為一道,板厚為20 mm,端橫隔板板厚為20 mm。

箱梁外側(cè)與橫隔板對應(yīng)位置均設(shè)置挑臂,挑臂腹板厚14 mm,翼緣厚度20 mm,外側(cè)縱板厚度12 mm,水平縱板厚度16 mm。豎向設(shè)兩道加勁肋,加勁肋板厚均為10 mm,高度分別為750 mm和900 mm。

圖1 中支點處鋼箱梁橫斷面(單位:mm)

圖2 跨中處鋼箱梁橫斷面(單位:mm)

3 主橋鋪裝設(shè)計

連續(xù)鋼箱梁橋與拉索支撐扁平流線型鋼箱梁橋相比跨徑較小而剛度較大,拉索支撐扁平流線型鋼箱梁橋面鋪裝結(jié)構(gòu)與材料研究成果不完全適用于連續(xù)鋼箱梁橋面鋪裝,需要深入開展連續(xù)鋼箱梁正交異性鋼橋面鋪裝技術(shù)研究,尋求適合連續(xù)鋼箱梁橋的新型橋面鋪裝材料及鋪裝結(jié)構(gòu)。針對鋼箱連續(xù)梁橋正交異性橋面板柔韌性大、易撓曲、傳熱快,橋面內(nèi)部縱橫加勁肋多；橋面板剛度較低,焊縫應(yīng)力幅大,容易疲勞開裂,危及結(jié)構(gòu)安全性等特點,其鋪裝層須滿足行駛功能及對鋼板的防銹保護功能,同時應(yīng)適當(dāng)提高橋面板剛度,盡量降低焊縫應(yīng)力幅,提高耐久性［4］。

根據(jù)佛陳大橋舊橋的交通量及軸載調(diào)查與預(yù)測,該橋左右幅交通量均較大,左幅以小客車居多,軸載較小,右幅以運輸鋼材的貨車為主,軸載大,并存在超載可能。為此需要提出一種適合該橋的鋪裝結(jié)構(gòu),以解決鋼箱梁正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)及鋼橋面鋪裝耐久性問題。

3.1 鋼橋面鋪裝的新設(shè)計方法［5］

為解決鋼橋面疲勞裂紋和鋪裝易損壞的問題,引入超高性能輕型組合橋面結(jié)構(gòu),提出一種新的設(shè)計方法：改變將鋼箱梁瀝青鋪裝傳統(tǒng)地作為結(jié)構(gòu)的受力荷載作用,引入組合橋面結(jié)構(gòu)的思路,將鋼橋面鋪裝下層作為組合橋面結(jié)構(gòu)的混凝土部分,而連續(xù)鋼箱梁作為鋼梁部分,從而實現(xiàn)鋪裝層的下層作為橋梁結(jié)構(gòu)的一部分,并提高鋪裝下層的設(shè)計年限,設(shè)計年限跟橋梁結(jié)構(gòu)一樣達(dá)100年,而鋪裝上層作為磨耗層,采用瀝青鋪裝磨耗層,設(shè)計年限為10年；為了減輕自重,同時提高抗裂能力,采用活性粉末混凝土(RPC),制成超高韌性混凝土(Super Toughness Concrete-STC),從而實現(xiàn)減小組合橋面板厚度的目的；鋼梁頂板焊接有35mm高的焊釘,與STC有效結(jié)合,以組合橋面結(jié)構(gòu)的形式實現(xiàn)鋪裝下層與鋼梁有效粘結(jié)。

采用新的鋪裝設(shè)計方法后,可以實現(xiàn)如下優(yōu)點：

(1)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在輪載下的應(yīng)力,提高了鋼橋面的抗疲勞壽命。

(3)常規(guī)組合結(jié)構(gòu)中,普通混凝土部分的厚度一般大于20 cm,而且橋面板抗拉能力低,而采用粉末混凝土的STC,厚度可以減小至5 cm,大大減輕自重,同時STC的混凝土橋面板抗拉強度高。

(4)鋼橋面鋪裝下層成為橋梁結(jié)構(gòu)的一部分,提高了鋪層下層的設(shè)計年限,提高了鋼橋面鋪裝層的耐久性。

(5)經(jīng)濟性上,在100年的設(shè)計年限內(nèi),考慮鋪裝的更換養(yǎng)護成本,鋼橋面鋪裝下層因其設(shè)計年限長,降低養(yǎng)護成本和生命周期的總成本,可以帶來很好的經(jīng)濟效益。

3.2 輕型組合橋面的結(jié)構(gòu)設(shè)計

從耐久性出發(fā),鋼橋面鋪裝采用新的設(shè)計方法,佛陳大橋主橋右幅行車道試驗性采用4.5 cm超高韌性混凝土(STC)+3.5 cm改性瀝青SMA-13的輕型結(jié)合橋面鋪裝結(jié)構(gòu)。

具體鋼橋面鋪裝方案為：在鋼主梁上鋪設(shè)薄層超高韌性混凝土 (STC)層,將鋼箱梁轉(zhuǎn)變成鋼-STC組合連續(xù)梁結(jié)構(gòu),即在鋼箱梁上焊剪力釘,再澆筑STC層,然后在其上攤鋪瀝青混凝土磨耗層。STC層厚為45mm,上面有SMA-13的瀝青磨耗層35 mm。

行車道鋼橋面板整體噴砂除銹,達(dá)到Sa2.5級,焊接剪力釘(約16個/m2),進行橋面防腐涂裝；施工環(huán)氧樹脂粘結(jié)層,安裝鋼筋網(wǎng)；現(xiàn)澆STC層,STC表面須整平、糙化,并進行蒸汽高溫養(yǎng)護,完全消除STC收縮；最后進行瀝青磨耗層鋪裝。具體見圖3。

圖3 STC+瀝青磨耗層的輕型組合橋面結(jié)構(gòu)圖

3.3 輕型組合橋面的模型試驗

為了驗證輕型組合橋面的結(jié)構(gòu)設(shè)計,進行了模型破壞試驗,示意圖及現(xiàn)場照片分別見圖4和圖5。從試驗結(jié)果可知：STC開裂應(yīng)力達(dá)45.4 MPa,大于設(shè)計開裂應(yīng)力。

圖4 破壞試驗加載示意圖(單位:mm)

圖5 模型破壞試驗現(xiàn)場照片

4 結(jié)語

佛陳大橋(擴建)的各向異性鋼橋面鋪裝從耐久性出發(fā),轉(zhuǎn)變鋪裝的設(shè)計思路,結(jié)合主橋連續(xù)鋼箱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計,引入輕型組合橋面結(jié)構(gòu),擴建右幅橋試驗性采用超高韌性混凝土(STC)和瀝青磨耗層鋪裝結(jié)構(gòu),提高部分鋪裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計年限,從而降低養(yǎng)護成本和生命周期的總成本。這對于類似的連續(xù)鋼箱梁橋面鋪裝設(shè)計具有一定的借鑒意義。

［1］ 袁毅，彭振華.九圩港大橋工程連續(xù)鋼箱梁設(shè)計 ［J］. 鋼結(jié)構(gòu)，2009(5):51-53.

［2］ 小西一郎.鋼橋［M］.北京:人民出版社，1980.

［3］ 日本道路協(xié)會.道路橋示方書·同解說［M］.東京:神谷印刷株式會社，平成14年.

［4］ 柏平，李淑娥，徐剛，等.九圩港大橋連續(xù)鋼箱梁橋面鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］. 中國市政工程， 2012(5):14-16，108-109.

［5］ 邵旭東，黃政宇，李嘉.鋼超高性能混凝土組合橋面結(jié)構(gòu)［P］.中國: CN 101858052 A，2010.10.13.

U443.33

B

1009-7716(2015)09-0101-03

2015-04-13

鄭楷柱(1983-)，男， 廣東潮州人,工學(xué)碩士， 工程師， 主要從事橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計和研究工作。