大跨径悬索桥超高性能轻型组合桥面施工控制研究

张晋瑞，陈国平，胡建华，崔剑峰

(1.湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙 410008； 2.大岳高速洞庭湖大桥建设开发有限公司；3.湖南省交通水利建设集团有限公司)

传统钢桁加劲梁悬索桥一般采用非合成型钢桥面，随着悬索桥跨度的增大，恒载效应显著提高，为有效地减轻桥梁恒载，减少钢材用量，同时提高结构自身的抗弯、抗扭刚度，将正交异性钢桥面板与桁架直接结合得到了板桁结合型加劲梁。为综合解决正交异性钢桥面疲劳开裂和铺装易损坏的问题，提出了超高性能轻型组合桥面，并在300 m跨径的株洲枫溪大桥(自锚式悬索桥)上得到了应用。

岳阳洞庭湖大桥在国内外首次采用组合桥面板桁结合型加劲梁，鉴于其复杂性，对其施工控制提出了更高的要求。与传统分离式桥面系相比，结合型桥面系参与整体受力，后浇筑的STC(超韧性混凝土)层又参与组合桥面的受力，三者相互影响，为使所有结构受力合理，特别是不能使STC施工过程中产生较大的拉应力，需制定合理的施工工序和控制措施；大跨径悬索桥为重量敏感型结构，为控制现浇STC和铺装层重量，同时考虑到STC层总厚度相对于一般结构较薄，STC层浇筑厚度不足将导致漏筋，STC浇筑过厚又会使得钢筋相对位置发生较大变化，为保证STC性能满足设计要求，DB43/T 1173-2016《钢-超高韧性混凝土轻型组合结构桥面技术规范》对其施工厚度和平整度提出了很高的要求，而钢桥面板不可避免地会产生变形，了解变形产生的原因和影响大小，并针对性地采取措施，对控制STC的浇筑厚度至关重要。

1 工程概况

1.1 项目简介

洞庭湖大桥主桥采用双塔双跨板桁结合型钢桁梁悬索桥，加劲梁跨径组成为(1 480+453.6) m，主梁全长1 933.6 m。桥面系宽33.5 m，钢桁加劲梁全宽35.4 m，梁高9 m，节间长度8.4 m，标准节段长度16.8 m，重量约320 t，全桥共有115个节段。索塔采用门式框架塔，岳阳侧高203.088 m，君山侧高206.088 m；索塔单塔柱下设40根D300 cm桩基础。两岸锚碇均为地连墙基础重力式锚。岳阳侧索塔处及君山锚碇处梁端设竖向支座和横向抗风支座；君山侧索塔处加劲梁设横向抗风支座。洞庭湖大桥总体布置见图1，加劲梁标准横断面见图2。

图1 洞庭湖大桥总体布置示意(除标高单位为m外，其余单位：cm)

图2 加劲梁标准横断面(单位：mm)

1.2 桥面系构造及施工方案

洞庭湖大桥桥面构造为：12 mm钢桥面板+45 mm STC层+40 mmSMA13沥青层，即将常规的正交异性钢桥面系转化为钢-超高韧性混凝土轻型组合桥面系。钢桥面板上焊接φ13 mm×35 mm焊钉，焊钉标准间距150 mm；STC结构层里布设φ10@37.5 mm HRB400钢筋网，横向钢筋须布置在上层，钢桥面上现浇45 mmSTC层。为改善路面适用性能、减少高强度STC 对车轮的磨损，提供良好的行车舒适性，在STC 层上设置40 mm 厚SMA-13 沥青铺装作为磨耗层。沥青铺装前需对STC顶板进行抛丸糙化处理，并涂刷环氧树脂黏层。桥面系结构见图3。

2 STC施工应力控制

2.1 压重影响

大跨径悬索桥结构体系柔度大，荷载作用下变形大，洞庭湖大桥钢桁梁施工过程中竖向变形如图4所示。钢桁梁吊装完毕后主跨跨中上挠4.3 m，且在君山索塔位置钢梁线形发生转折。假设STC在初凝前能一次性浇筑完成，在不压重的情况下，STC的施工次应力如图5所示，君山索塔附近将产生最大约2 MPa的拉应力。该桥桥面系为组合结构，STC层参与整体受力，运营状态在最不利工况(恒载+温度+横向极限风荷载)作用下，STC应力在君山索塔附近将比较高。为增加STC在运营阶段的应力储备，应尽量降低施工阶段的损耗。综合考虑后，在设计文件中规定了由施工引起的STC次拉应力不超过0.5 MPa。

图3 钢-STC轻型组合桥面构造

因此，为减小STC施工次应力，有必要在施工中采取压重措施，以减小钢桁梁的变形。

图4 钢桁梁施工过程竖向变形

图5 STC不压重一次浇筑应力增量

2.2 施工分块及压重优化

洞庭湖大桥首次在大跨径悬索桥上采用钢-STC组合结构。STC层的施工面积约6.5万m2，考虑施工工艺、设备能力，STC分块浇筑，单块浇筑面积约6 000 m2，横向接缝应设置在桁架节间跨中位置，纵向接缝设置在桥梁中心线上，接缝处设置S形钢板加强连接。为满足工期要求，STC采用流水作业方式施工，流水施工应按每4 d浇筑1段考虑，浇筑采用错开、间断方式进行，这样可以使工期得到节约。STC分为 12 段进行施工，最终采用的分块方式见图6，图中数字序号即为摊铺顺序号。STC施工应在全桥钢梁刚结后进行，其施工工序为：焊接S形钢板→钢板补焊栓钉→铺设钢筋网→浇筑STC层→保湿养护→高温蒸气养护。全桥STC施工完成后，在STC层表面抛丸糙化处理，涂刷环氧树脂黏结层，铺装层施工。

图6 STC施工分块示意(单位：m)

按图6所示STC施工分块及顺序，对可能的几种压重方案进行模拟分析，结果如图7所示。

图7 不同压重方案STC应力比较(拉应力为正)

从图7可以看出：

(1) 如果不压重，STC将普遍产生拉应力，最大将达3 MPa，且STC受力不均匀。

(2) 全压重方案可以使除11#、12#块以外的区域STC成桥后保持压应力，但君山索塔附近的11#、12#区域仍然存在拉应力，最大超过1 MPa，该方案所需压重荷载大，施工中需多次移动压重(STC施工前撤除，达强度后补压铺装荷载)，工期要求长，且由于该桥不能上下游同时浇筑，单幅STC浇筑过程中其自重与对应幅的压重不平衡，会产生额外的扭转次应力。

(3) 只压STC自重的方案，除11#、12#块以外的区域STC成桥后存在不超过0.5 MPa的拉应力，满足设计要求，但11#、12#区域拉应力最大约1.5 MPa，不满足要求，为解决该问题，提出了修正的部分压重方案，即在11#、12#块施工时采取额外的压重措施。

(4) 修正部分压重方案能很好地满足设计要求，控制STC施工拉应力不超过0.5 MPa，且大大简化了压重工序，该方案合计压重9 050 t，与全压重方案需压重15 650 t比，节约压重荷载6 600 t。

2.3 实桥控制措施

修正部分压重的具体方案为：

(1) 一般区域(君山索塔两侧共计约400 m以外区域)通过在全桥钢桥面板上预加载STC层重量，然后在STC分块浇筑过程中，通过等代替换的方式，逐步卸载，使STC施工过程中钢桁梁线形保持不变，压重布置见图8。

(2) 特殊区域(君山索塔两侧共计约400 m以内区域)因全桥STC重量和二期荷载在该范围内引起较大的变形，除预加载STC层重量外，还需通过在中边跨已浇筑的STC层上施加额外压重，压重布置见图9。

图8 一般区域STC压重总体布置示意(单位：m)

图9 特殊区域STC压重总体布置示意(单位：m)

实桥压重见图10，STC施工应注意：

(1) 压重荷载应布置于STC重心，以免引起施工中钢桁梁扭转。

(2) STC终凝前应防止桥面施工扰动。

(3) 11#和12#块区域STC全部蒸养完成后才能撤除特殊区域额外压重。

图10 实桥水箱压重

3 钢桥面板局部变形对STC施工的影响及控制措施

3.1 局部变形的影响

洞庭桥钢桥面宽33.5 m，横向跨度大，在加工制造、运输及安装阶段皆存在变形，多种因素的累积将引起较大的变形。局部变形的存在，一方面使STC浇筑厚度不均匀，如最小厚度按不低于设计值控制将引起重量增加，从而对主桥构件产生不利影响，重量增加对主桥的影响结果见表1。

从表1可以看出：重量增加太多将引起索夹抗滑安全系数不足，主梁变形过大；另一方面使钢筋保护层厚度大小不一，保护层厚度太小不能满足耐久性要求，保护层厚度太大钢筋又不能充分发挥作用，降低了STC局部受力性能。

表1 STC厚度增加对主桥结构的影响

为了控制STC浇筑重量和质量，以满足整体和局部受力性能，对STC施工提出了以下要求：

(1) STC平均厚度超方控制在3 mm以内，局部最小厚度不小于40 mm。

(2) 保证钢筋网顶面的净保护层在10～15 mm范围内。

为了解各种因素对桥面变形的影响大小，并在施工过程中对主要变形采取针对性的措施，下面对可能存在的影响因素进行分析并提出应对措施。

3.2 引起变形的因素

3.2.1 加工工艺误差

桥面板块制作精度是板桁组合结构叠合精度的关键，是影响节段制作精度的因素之一。根据钢板轧制能力和制作需要，对桥面板和横梁进行分块制作，具体分块方案见图 11。工厂高程测点在半幅桥面上仅有5个控制点。

图11 桥面板制造分块示意(单位：mm)

桥面板制作精度要求中，控制桥面板高差主要是桥面各点标高和桥面板平面度两项。桥面各点标高：±4.0 mm。桥面板块平面度：纵向，横肋间距/500且≤3.0 m；横向，纵肋间距/300且≤1.5 mm。 按照上述要求上限值计算的加工误差如下：

(1) 桥面设计横坡为2%，半幅横向距离为16 930 mm，因标高最大偏差±4 mm引起的横坡误差为±0.05%。

(2) 桥面板平面度偏差的影响主要体现在钢板对接焊缝处，纵肋间距为600 mm，按允许最大偏差1.5 mm计算，如果两钢板对接时存在折角，折角最大将达到arctg(1.5/300)=0.286°，从而导致最宽3 600 mm的板两侧高程产生18 mm的误差。

综上可见，由于工厂高程控制点半幅桥面仅选取了有限的5个点，且这些位置受桁梁杆件的约束作用强，不易产生较大的变形，使得各点标高偏差对桥面板横向各点标高影响不大；而桥面板组装时非桁架杆件连接处竖向约束小，对于较宽的板即使很小的焊接转角变形也能引起不容忽视的桥面标高误差，而仅通过平面度偏差的限制无法避免这些误差的产生。

3.2.2 支撑条件

钢桁梁在工厂组拼胎架、运梁栈桥及起吊安装后，所受支撑条件不同，钢桥面板的变形也不同。按组拼胎架的测量结果控制的桥面高程，现场安装后会发生高程变化，支撑条件对桥面变形的影响见图 12。

从图12可以看出：当在组拼胎架上支撑较多时，桥面板变形较小，当吊装就位仅由吊索支撑时，变形较大，两者在横桥向跨中位置最大相差约3 mm。

3.2.3 测量环境温度

桥面标高测量应选取气温相对稳定，且不受阳光直晒的时段进行。但钢桁梁制造安装时间长，跨越不同季节，且制造和安装地点相距甚远，气候条件不同，难以采用统一的测量温度。测量温度对桥面板标高的影响结果见图13。

图12 支撑条件对桥面变形的影响

图13 测量环境温度对桥面变形的影响

从图13可以看出：均匀温度变化对桥面板变形影响很小，可忽略不计。

3.3 桥位实测变形

钢桁梁合龙后，STC施工前，通过高程测量掌握STC浇筑前钢桥面的实际高程、纵横坡等情况，为后续STC浇筑的厚度、重量及标高等各项指标控制提供依据。钢桥面测点纵桥向布置在横梁及横隔板对应的位置，横桥向以横向跨中为基准线，均匀布置。标准梁横断面的测点分布见图14。

图14 桥面横断面高程测点布置(单位：mm)

以B3梁段为例，桥面相对变形数据见图 15，图中以K点和L6/R6点的连线作为实测横坡，其余点相对该连线的高差作为相对变形，负数表示桥面板下凹。

从图15可以看出：主要由于上一节所述加工工艺误差的存在，使得桥面板整体呈现折线形，整体平面度较差，且一个梁段内纵向不同位置变形都不一致。

图15 桥面实测相对变形(单位：mm)

3.4 施工解决措施

3.4.1 基本思路

钢-STC轻型组合结构桥面是钢桁梁的主体结构，STC的最小厚度和钢筋及栓钉等的保护层厚度是组合结构超高力学性能和耐久性能的重要保证。同时，悬索桥为重量敏感结构，STC厚度的变化将导致桥面恒载发生变化，对主桥受力产生影响。但由于桥面平整度较差，对STC浇筑厚度、重量及标高等各项指标控制提出了挑战。为解决该难点，针对洞庭湖大桥STC施工采用的整平机，提出了“曲线调坡”法和“直线调坡”法，整平机及轨道构造见图 16，轨道纵向6 m一道，连接位置高程可调，整平板横向分成多块，每块高程可调。

“曲线调坡”是通过各梁段的测量结果，利用梁段的直线拟合纵坡调节轨道线形，利用全部横断面的平均多项式拟合横坡调节每块整平板的横坡，实现各个断面的线形基本与桥面线形一致，从而确保桥面各点的STC厚度满足要求。“直线调坡”与“曲线调坡”的区别仅在于横向不分段调整整平板坡度，其取值为一条直线。下文以一次浇筑的B3～B20梁段“曲线调坡”为例说明调坡过程。

图16 整平机及轨道构造示意(单位：m)

3.4.2 调坡过程

调坡过程如图17所示。

具体流程为：① 横坡拟合。对每个测量横断面都进行横坡线性拟合；② 高差的多项式拟合。高差=横

图17 调坡流程示意

坡拟合后标高-桥面测量标高，采用横向各个测量位置纵向整个浇筑段的高差平均值进行横向多项式拟合，相当于一次浇筑整平板标高采用统一值，施工过程中不再调整；③ 横坡调整。 对高差进行多项式调整，如测点负高差仍大于3 mm，对其所在横断面再次进行直线插值调整；④ 轨道纵坡调整。单个节段内纵坡分两段进行直线拟合，并根据拟合后的轨道标高现场调整轨道安装高程。

STC浇筑厚度按45 mm控制，B3～B20梁段经调整后，STC最小厚度为37.8 mm，最大厚度为60.5 mm；超过50 mm的点数为64个，占总数的8.7%，小于40 mm的点数为6个，占总数的0.8%；STC厚度平均值为45.7，理论超方1.6%。

3.4.3 调坡方法对比

直线调坡与曲线调坡类似，区别仅在于不进行高差的多项式拟合，即横向不分段调整整平板坡度，其取值为一条直线。两种方法的优缺点对比见表2，综合考虑后，洞庭湖大桥采用了“直线调坡”法，STC最小厚度原则不低于40 mm，钢筋保护层厚度为10～15 mm，STC实际超方量为4.7%。

4 结论

洞庭湖大桥首次在大跨径悬索桥上采用钢-STC组合结构，由于STC参与整体受力，且其厚度控制严格，对STC施工提出了更高的要求。通过该文的分析，可以得出以下结论：

(1) 大跨径悬索桥桥面系采用钢-STC组合结构时，施工影响因素多，为减小STC施工次应力的产生，有必要进行施工配重。控制STC浇筑厚度的钢桥面板平整度误差主要由加工制造误差引起，目前的偏差指标不足以限制较大误差的产生。

(2) 针对钢桥面平整度问题，结合施工设备的可调性，STC施工中提出了“曲线调坡”和“直线调坡”法，“曲线调坡”拥有更高的精度，“直线调坡”法具有更好的操作性，综合考虑，洞庭湖大桥采用了“直线调坡”法，有效控制了STC厚度和超方量，达到了较好效果。

(3) 该文的研究成果适用于所有桥梁。只是对于悬索桥这种主要由重力刚度提供整体刚度的桥梁，其恒载重量对结构影响更大，因此按该文介绍的方法对桥面系施工重量进行精确控制意义更大。