佛陈大桥(扩建)的轻型组合桥面结构设计

郑楷柱,何 海,梁立农,邵旭东

(1.广东省公路勘察规划设计院股份有限公司,广东广州 510507；2.湖南大学土木工程学院,湖南长沙 410082)

佛陈大桥(扩建)的轻型组合桥面结构设计

郑楷柱1,何 海1,梁立农1,邵旭东2

(1.广东省公路勘察规划设计院股份有限公司,广东广州 510507；2.湖南大学土木工程学院,湖南长沙 410082)

佛陈大桥(扩建)连续钢箱梁的桥面采用各向异性钢桥面铺装,为解决钢桥面疲劳裂纹和铺装易损坏的问题,从耐久性出发,转变桥面铺装的设计思路,结合钢箱梁的结构设计,引入了轻型组合桥面结构,在扩建右幅桥试验性地采用超高韧性混凝土(STC)和沥青磨耗层组合铺装结构,提高铺装下层的设计年限和钢桥面的抗疲劳寿命,从而降低铺装层的养护成本和生命周期总成本。通过模型试验,验证该轻型组合桥面结构的抗裂能力,能达到设计要求。

工程结构；连续钢箱梁；铺装；耐久性

1 工程概述

佛陈大桥(扩建)工程位于佛山市禅城区、顺德区交界处,路线北起魁奇路与南海大道交叉口,向南经东平水道(佛陈桥)、终于碧桂花城正门以南100 m处,顺接佛陈路,路线全长约1.363 km。现状南海大道和佛陈路为双向8车道城市主干道,佛陈桥为双向四车道,目前佛陈桥交通量非常大,成为交通瓶颈,需要进行扩建。

根据路网和城市规划,扩建工程在旧桥两侧进行,跨径与旧桥对齐。旧桥主桥为112.8 m下承式钢管混凝土系杆拱桥,适应这一跨径又与旧桥协调的桥型有拱桥和变截面连续梁桥,从景观协调性考虑,变截面连续梁桥是适应的,从桥墩对齐的布置原则,扩建新桥的跨径为(58.51+112.8+58.51)m。从景观要求出发,受限于梁高、施工进度、新旧桥桥面高差及远期航道升级等多种因素,主桥采用三跨钢箱连续梁桥。

佛陈大桥(扩建)连续钢箱梁采用正交异性钢桥面板结构,如钢桥面采用传统沥青混凝土铺装,则担心正交异性钢桥面板容易疲劳开裂,危及结构的安全性；担心沥青混凝土铺装容易破损,寿命较短,耐久性和全寿命经济性较差；同时鉴于右幅预测交通量大且轴载大,并存在超载可能。因此本文将从安全性、经济性、耐久性出发,转变铺装的设计思路,结合主桥连续钢箱梁的结构设计,探讨采用新的铺装层结构,提高钢箱梁正交异性钢桥面板结构及钢桥面铺装的各方面性能。

2 主桥结构设计［1，3,4］

主桥采用58.51 m+112.8 m+58.51 m=229.82 m三跨钢箱连续梁桥。单幅桥梁宽15.75 m。主墩墩顶2 m区段钢箱梁梁高5 m,主墩顶等高梁段两侧15.4 m区段梁高从5 m按二次抛物线渐变至2.8 m,其余区段梁高为2.8 m。根部梁高与中跨跨径比值为1/22.56,跨中梁高与中跨跨径比值为1/40.286。钢箱梁顶板宽15.75 m,底板宽7.5 m。

(1)顶板

根据受力需要,顶板在顺桥向不同区段采用了16 mm、18 mm、20 mm、22 mm 四种不同的厚度,主墩墩顶附近板厚最大。

顶板采用U 型加劲肋加劲,上口宽285mm,下口宽170 mm,间距570 mm。U 型加劲肋厚度8 mm,加劲肋高度280 mm。

(2)底板及其加劲肋

根据受力需要,底板在顺桥向不同区段采用了16 mm、20 mm、24 mm、28 mm、32 mm、36 mm、40 mm七种不同的板厚。

底板采用板式加劲肋加劲,基本间距400 mm。加劲肋厚度根据其所支承底板厚度的不同,在16～28 mm 之间变化。主墩墩顶梁段底板采用 T形加劲肋加劲,以改善其受力性能。

(3)腹板及其加劲肋

根据受力需要,腹板在顺桥向不同区段采用了16 mm、18 mm、20 mm、24 mm、28 mm 五种不同的钢板厚度,腹板内侧保持平齐。

腹板采用板式加劲肋加劲,加劲肋板厚分别为16 mm、18 mm、20 mm及24 mm。

(4)横隔板及横肋板

电源结构得到优化。火电装机占比由2015年约75%下降至2030年的60%，新能源装机占比由2015年的3%大幅提高至13.4%。

横隔板标准间距2.5 m,采用实腹式横隔。

横隔板分为普通横隔板、主墩支座处横隔板、过渡墩支座处横隔板和端横隔板。普通横隔板等梁高段板厚均为12 mm,变梁高段板厚均为16 mm；一个主墩支座处横隔板分为两道,板厚为32 mm；过渡墩支座处横隔板为一道,板厚为20 mm,端横隔板板厚为20 mm。

箱梁外侧与横隔板对应位置均设置挑臂,挑臂腹板厚14 mm,翼缘厚度20 mm,外侧纵板厚度12 mm,水平纵板厚度16 mm。竖向设两道加劲肋,加劲肋板厚均为10 mm,高度分别为750 mm和900 mm。

图1 中支点处钢箱梁横断面(单位:mm)

图2 跨中处钢箱梁横断面(单位:mm)

3 主桥铺装设计

连续钢箱梁桥与拉索支撑扁平流线型钢箱梁桥相比跨径较小而刚度较大,拉索支撑扁平流线型钢箱梁桥面铺装结构与材料研究成果不完全适用于连续钢箱梁桥面铺装,需要深入开展连续钢箱梁正交异性钢桥面铺装技术研究,寻求适合连续钢箱梁桥的新型桥面铺装材料及铺装结构。针对钢箱连续梁桥正交异性桥面板柔韧性大、易挠曲、传热快,桥面内部纵横加劲肋多；桥面板刚度较低,焊缝应力幅大,容易疲劳开裂,危及结构安全性等特点,其铺装层须满足行驶功能及对钢板的防锈保护功能,同时应适当提高桥面板刚度,尽量降低焊缝应力幅,提高耐久性［4］。

根据佛陈大桥旧桥的交通量及轴载调查与预测,该桥左右幅交通量均较大,左幅以小客车居多,轴载较小,右幅以运输钢材的货车为主,轴载大,并存在超载可能。为此需要提出一种适合该桥的铺装结构,以解决钢箱梁正交异性钢桥面板结构及钢桥面铺装耐久性问题。

3.1 钢桥面铺装的新设计方法［5］

为解决钢桥面疲劳裂纹和铺装易损坏的问题,引入超高性能轻型组合桥面结构,提出一种新的设计方法：改变将钢箱梁沥青铺装传统地作为结构的受力荷载作用,引入组合桥面结构的思路,将钢桥面铺装下层作为组合桥面结构的混凝土部分,而连续钢箱梁作为钢梁部分,从而实现铺装层的下层作为桥梁结构的一部分,并提高铺装下层的设计年限,设计年限跟桥梁结构一样达100年,而铺装上层作为磨耗层,采用沥青铺装磨耗层,设计年限为10年；为了减轻自重,同时提高抗裂能力,采用活性粉末混凝土(RPC),制成超高韧性混凝土(Super Toughness Concrete-STC),从而实现减小组合桥面板厚度的目的；钢梁顶板焊接有35mm高的焊钉,与STC有效结合,以组合桥面结构的形式实现铺装下层与钢梁有效粘结。

采用新的铺装设计方法后,可以实现如下优点：

(1)组合结构提高了桥面刚度,大幅度减小了面板和纵横肋在轮载下的应力,提高了钢桥面的抗疲劳寿命。

(3)常规组合结构中,普通混凝土部分的厚度一般大于20 cm,而且桥面板抗拉能力低,而采用粉末混凝土的STC,厚度可以减小至5 cm,大大减轻自重,同时STC的混凝土桥面板抗拉强度高。

(4)钢桥面铺装下层成为桥梁结构的一部分,提高了铺层下层的设计年限,提高了钢桥面铺装层的耐久性。

(5)经济性上,在100年的设计年限内,考虑铺装的更换养护成本,钢桥面铺装下层因其设计年限长,降低养护成本和生命周期的总成本,可以带来很好的经济效益。

3.2 轻型组合桥面的结构设计

从耐久性出发,钢桥面铺装采用新的设计方法,佛陈大桥主桥右幅行车道试验性采用4.5 cm超高韧性混凝土(STC)+3.5 cm改性沥青SMA-13的轻型结合桥面铺装结构。

具体钢桥面铺装方案为：在钢主梁上铺设薄层超高韧性混凝土 (STC)层,将钢箱梁转变成钢-STC组合连续梁结构,即在钢箱梁上焊剪力钉,再浇筑STC层,然后在其上摊铺沥青混凝土磨耗层。STC层厚为45mm,上面有SMA-13的沥青磨耗层35 mm。

行车道钢桥面板整体喷砂除锈,达到Sa2.5级,焊接剪力钉(约16个/m2),进行桥面防腐涂装；施工环氧树脂粘结层,安装钢筋网；现浇STC层,STC表面须整平、糙化,并进行蒸汽高温养护,完全消除STC收缩；最后进行沥青磨耗层铺装。具体见图3。

图3 STC+沥青磨耗层的轻型组合桥面结构图

3.3 轻型组合桥面的模型试验

为了验证轻型组合桥面的结构设计,进行了模型破坏试验,示意图及现场照片分别见图4和图5。从试验结果可知：STC开裂应力达45.4 MPa,大于设计开裂应力。

图4 破坏试验加载示意图(单位:mm)

图5 模型破坏试验现场照片

4 结语

佛陈大桥(扩建)的各向异性钢桥面铺装从耐久性出发,转变铺装的设计思路,结合主桥连续钢箱梁的结构设计,引入轻型组合桥面结构,扩建右幅桥试验性采用超高韧性混凝土(STC)和沥青磨耗层铺装结构,提高部分铺装结构的设计年限,从而降低养护成本和生命周期的总成本。这对于类似的连续钢箱梁桥面铺装设计具有一定的借鉴意义。

［1］ 袁毅，彭振华.九圩港大桥工程连续钢箱梁设计 ［J］. 钢结构，2009(5):51-53.

［2］ 小西一郎.钢桥［M］.北京:人民出版社，1980.

［3］ 日本道路协会.道路桥示方书·同解说［M］.东京:神谷印刷株式会社，平成14年.

［4］ 柏平，李淑娥，徐刚，等.九圩港大桥连续钢箱梁桥面铺装结构设计［J］. 中国市政工程， 2012(5):14-16，108-109.

［5］ 邵旭东，黄政宇，李嘉.钢超高性能混凝土组合桥面结构［P］.中国: CN 101858052 A，2010.10.13.

U443.33

B

1009-7716(2015)09-0101-03

2015-04-13

郑楷柱(1983-)，男， 广东潮州人,工学硕士， 工程师， 主要从事桥梁结构的设计和研究工作。