鋼-STC組合橋面系改造施工技術分析

王輝輝

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

1 概述

大跨徑鋼橋具有施工便捷、跨越能力強等優點，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90年代開始大規模建設，為我國經濟發展做出了重要貢獻，但由于交通負擔繁重，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，鋼橋面一般運營20年左右便進入疲勞裂縫爆發期，且難以修復。同時，SMA、ERS等常規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，長期使用效果欠佳。

2 鋼-STC組合橋面體系技術特點

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結構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是指抗壓強度達到150 MPa、使用壽命超200年的新型水泥基工程材料。根據最大密實度理論，主要由硅灰、水泥、細骨料及混雜鋼纖維等材料組成，材料內部的缺陷最大限度地降低，使其具備優異的力學性能和耐久性。STC中的混雜鋼纖維起到了橋梁作用，抑制了混凝土內部微裂縫的擴展，使混凝土表現出良好受力特征。與傳統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：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層與鋼橋面組成結構體系共同受力，可顯著降低局部輪載作用下鋼橋面焊接接頭的疲勞應力幅，提高第三體系局部力學性能，顯著降低傳統正交異性鋼橋面板易疲勞開裂的風險。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性能，是根治鋼橋面兩大世界性難題的關鍵[4-7]。

目前我國已有60座橋梁采用鋼-STC組合橋面體系技術，涵蓋了梁橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋等各類橋型。對于在役橋梁應用組合橋面體系進行橋面加固改造時，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為背景，開展了在役橋梁鋼-STC組合橋面體系施工過程受力分析。

3 設計方案

本文以某在役大跨度正交異性板加勁鋼箱梁斜拉橋為研究背景，采用雙向六車道一級公路技術標準，設計速度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設置一道實腹式橫隔板，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構為：雙層SMA13+改性瀝青碎石封層+環氧富鋅漆+橋面鋼板除銹，鋪裝總厚度為8 cm。

圖1 大橋立面設計圖（單位：cm）

2004年開始，大橋橋面鋪裝局部出現坑槽、泛油等病害，表面大范圍出現嚴重車轍、推移，并伴隨諸多裂縫。經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病害，極大影響了車輛的正常運行。2017年，根據前述病害成因，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，提出橋面鋪裝結構層采用SMA+STC結構：3.5 cm厚SMA-13瀝青磨耗層+應力吸收層+4.5 cm厚STC層+黏結層，如圖2所示。

圖2 鋼-STC組合橋面體系設計方案（單位：mm）

4 施工方案與交通組織設計

STC層施工包含橋面清理、栓釘焊接、防腐涂裝、鋼筋網安裝、STC攤鋪、保濕養護、高溫蒸養、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。即半幅先行鏟除現有瀝青鋪裝層，再進行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

施工作業區設置分為3個區域：施工材料儲物區域、組合橋面施工區域、施工材料儲物區域，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。控制區兩端設置警告區、過渡區、緩沖區、終止區等區域，將社會車輛引導至上游側橋幅，借用對向車道通行。施工期間通車幅車速應降至40 km/h，駛入非施工路段公路的施工車輛要對現況公路通行影響最小。施工時在施工區段兩頭采用水馬封閉，水馬外側粘貼黃白相間反光膜，并設置標識警告牌。應設置警告區，其長度不小于1 600 m。警告區設置相應指示標識，相鄰標識間距不得超過400 m。警告區內應設置限速標識、前方車道變窄標識、禁止通行標識、前方施工標識等。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時另一幅產生的活載對于澆筑幅施工過程中存在影響，因此應考慮相應施工階段，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力以及STC層的受力狀態進行計算分析，根據承載能力極限狀態下的荷載組合分別提取關鍵施工狀態下的計算結果。

有限元計算模型包含5 058個節點、2 144個單元，單元類型包括梁單元與索單元，如圖4所示。計算中考慮1.2倍自重荷載+1.4倍車道荷載[8]，分別提取關鍵施工狀態下，鋼箱梁上、下緣以及STC層應力的計算結果。

圖4 Midas Civil有限元計算模型

為了保證施工中鋼箱梁的安全性，計算了施工過程中鋼箱梁的應力變化，如表2所示。

表2 鋼箱梁主梁整體應力

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

考慮到半幅澆筑時受到相鄰通車幅的活載擾動，STC層存在開裂風險。因此，計算將重點關注施工中各階段STC層的應力，計算結果如表3所示。

表3 施工過程關鍵過程STC層應力

對于半幅澆筑STC、半幅通車狀態下的STC層，組合橋面體系方案的STC最大拉應力為6.4 MPa，小于STC自終凝至養護結束能承受的最大拉應力（9 MPa）[4]，采用半幅澆筑STC、半幅通車的方法進行施工滿足要求。

6 結論

鋼-STC組合橋面體系作為正交異性鋼橋面的新型鋪裝結構，不僅解決了鋼橋面傳統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輕型組合結構用于在役橋梁時，采用半幅通車、半幅澆筑方案施工各階段的應力狀況，得出以下結論：

a）提出了在役大跨徑鋼箱梁在應用鋼-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。提出了相應的交通組織設計思路，配套半幅澆筑、半幅通車的施工方案，該方案切實可行。

b）通過計算半幅澆筑STC、半幅通車施工過程各階段鋼箱梁上、下緣的應力，結果表明各階段鋼箱梁應力小于容許值，且安全系數較高。

c）通過計算施工過程各階段STC層的應力，結果表明STC層最大拉應力小于其開裂強度，在施工過程各階段均能保證不開裂。