潮汕环线高速榕江特大桥STC组合桥面结构应用技术研究

贺金龙 郑州 袁路

摘 要：目前，钢桥面体系中存在着正交异性钢桥面结构疲劳开裂和沥青混凝土铺装层易损这两大世界性难题。超高韧性混凝土（STC）的成功研发为解决这两大难题打开了新的思路，以超高韧性混凝土为基体形成的钢-STC轻型组合桥面结构可大大增加钢桥面板的局部刚度，降低了正交异性钢桥面板各构造细节处的活载应力，大幅提高了钢桥面的抗疲劳寿命，同时改善了沥青面层的工作条件，大幅降低了铺装层出现病害的风险。本文以榕江特大桥桥面铺装工程为背景，介绍了轻型组合桥面结构在斜拉桥上应用的设计、施工及检验验收等情况。

关键词：正交异性钢桥面板;超高韧性混凝土;组合桥面结构;斜拉桥;实桥应用

中图分类号：U445.4 文献标识码：A

1 背景

正交异性钢桥面板是一种重要的桥面结构形式，其具有自重轻、承载力大、施工快捷方便等优点，被广泛应用于国内外桥梁结构中[1]。正交异性钢桥面铺装层通常为沥青混凝土材料，包括防锈层、粘结层和铺装层，总厚度为35 mm～80 mm[2]。

在运营中，正交异性钢桥面系容易出现两类病害问题：（1）在反复的车轮荷载作用下，正交异性钢桥面结构出现疲劳开裂现象;（2）常规沥青混凝土铺装层使用约5～10年后便严重破损，使用寿命较短。引起上述病害的因素诸多，涵盖了材料性能、设计、施工、运营状况（如环境温度、超载车辆）等诸多方面。其中一个不容忽视的原因是：正交異性钢桥面结构自身局部刚度低。由于正交异性钢桥面结构偏柔性，且其构造复杂，焊缝数量多，因而在重载车的反复作用下，构造细节处的应力幅较大，容易滋生疲劳开裂病害;同时，同样由于钢桥面的柔性，重载车引起沥青混凝土铺装层中应力与变形均较大，容易产生铺装层开裂、粘结层失效等病害问题。

为综合解决正交异性钢桥面系的病害问题，结合湖南大学活性粉末混凝土和密配筋混凝土的特点，开发出超高韧性混凝土（Super Toughness Concrete，STC），并提出了新型正交异性钢板-STC组合桥面结构。STC具有优异的抗拉性能，可适应钢桥面水泥混凝土层中的受力状态。试验研究表明，STC的抗拉强度可高达42.7 MPa[3]。STC层通过栓钉与钢桥面连接，并在STC层上铺筑磨耗层，形成永久性组合桥面结构（简称“新型钢-STC组合桥面结构”）。

与传统正交异性钢桥面板相比，新型钢-STC组合桥面结构的局部刚度显著提高，进而大幅度降低了正交异性钢桥面各构造细节处的活载应力，从而可基本消除钢桥面疲劳开裂的风险。同时，与价格昂贵且需经常更换的沥青混凝土铺装相比，新型钢-STC组合桥面结构的使用寿命长，具有更优的耐久性，解决了钢桥面沥青铺装破损的难题。

该新型组合桥面结构因其优异的特性，自经过第一座实桥（广东肇庆马房大桥）验证后迅速得到推广应用。2020年8月，新型钢-STC组合桥面结构技术应用于榕江特大桥桥面铺装工程中，本文以该桥为背景，对该组合桥面结构技术在斜拉桥上的应用情况进行简要介绍。

2 工程概况

榕江特大桥是潮汕环线高速公路项目的关键控制性工程，起于广东省揭阳市滨海工业园北侧，终于汕头市潮阳区西胪镇东侧榕江南岸，大桥全长4.84 km。其中，主桥为主跨长度400 m的双塔双索面钢箱梁斜拉桥，索塔采用钻石型混凝土结构，塔高146.9 m。

主桥钢梁全长800 m，桥面铺装标准全宽30 m，横向设置2%横坡，纵向最大纵坡为2.5%。主桥钢箱梁采用5 cm超高韧性混凝土（STC）进行桥面铺装，铺装面积约24 000 m2。

STC层与钢桥面之间通过焊接栓钉连接，栓钉规格为Ф13×35 mm，纵横向标准间距为15 cm×15 cm。STC层内配置Ф10 mm的HRB400级钢筋网，纵、横桥向钢筋间距均为50 mm×50 mm，横桥向钢筋位于上层，纵向钢筋位于下层。

超高韧性STC混凝土设计性能指标为：

抗压强度：≥140 MPa;抗弯拉强度≥25 MPa;抗渗等级不低于P20级。

3 设计验算

3.1 总体计算

总体计算选用Midas Civil 2012，采用三维空间有限元模型计算。

将新型钢-STC轻型组合桥面结构方案的计算结果与原设计沥青混凝土铺装方案对比，计算结果表明：

（1）新型钢-STC方案层比较原设计沥青层方案动力特性变化不大，不会影响主桥抗风性能、抗震性能。

（2）新型钢-STC方案层的重量比原设计沥青层方案略为增加，斜拉索的索力在成桥状态下仅平均增加1.78%，而在恒载+6车道活载的组合作用下平均增加仅为1.1%。

（3）在6车道荷载作用下，新型钢-STC方案层中的主梁跨中挠度最大为0.803 m，为主跨跨径400 m的1/500，小于《公路斜拉桥设计细则》中规定的1/400的要求（适用于钢主梁）。而在原设计沥青层方案中，主梁跨中挠度及主塔塔顶最大水平位移为均与STC方案相差不大，STC方案不会对主塔受力造成不利影响。

（4）成桥状态下，两种方案的钢主梁应力基本相同;在运营状态下，新型钢-STC方案层中最不利工况的钢主梁最大拉、压应力分别为131.2 MPa和154.3 MPa，而原设计沥青层方案中钢主梁的最大拉、压应力分别为124.1 MPa和146.2 MPa，对比发现，运营状态下主梁的应力亦变化不大;成桥状态下，两种方案的索塔受力基本相同，在运营状态下，两种方案的索塔应力亦变化不大。

（5）在新型钢-STC方案层中，在车道荷载作用下，STC层的最大拉应力为5.01 MPa，最大压应力为7.03 MPa，均较小，因此，STC层的受力将主要由局部荷载控制。

3.2 局部模型计算

疲劳问题是钢桥面板的最大问题，也是STC组合桥面板期望解决的首要问题，STC组合桥面结构的就是利用刚性铺装STC层来降低钢桥面疲劳应力幅，同时凭借STC层优异的抗疲劳性能，保证其自身在设计使用年限内不会疲劳开裂。

對钢桥面结构的疲劳敏感部位而言，其应力受第一体系作用影响不大，但第二、第三体系作用影响比较突出，为此，利用ANSYS软件建立榕江特大桥钢箱梁及钢-STC（厚度

5 cm）组合桥面板进行局部疲劳分析模型。

主要计算结果如下：

（1）榕江特大桥钢-STC组合桥面系中，STC层的最大拉应力为8.54 MPa，而根据轻型组合桥面结构技术规程，STC的抗弯拉强度为25 MPa，满足设计要求。

（2）STC层对桥面板与U形肋连接细节应力影响较为明显，相对于原设计方案，应力降幅在58%～82%之间，钢桥面板最大应力均不超过48.6 MPa，疲劳应力幅低于常幅疲劳极限，钢-STC组合桥面结构将基本消除钢桥面的疲劳开裂病害问题。

（3）对于U肋弧形切口细节、U肋底，采用STC层后应力降幅在25%～55%之间，此类细节位置最大应力均不超过45.8 MPa，疲劳应力幅低于常幅疲劳极限，钢-STC组合桥面结构将基本消除该细节的疲劳开裂病害问题。

（4）对于U肋腹板，采用STC层后应力降幅在25%～55%之间。

（5）对于横隔板，应力降幅相对较小，降幅最低处亦有14%，应力降幅在14%～30%之间。

综上，有限元计算结果表明，STC层应用在榕江特大桥中使钢-STC轻型组合加劲梁不仅安全可行，而且对钢箱梁的受力状况改善显著。

4 实桥施工

全桥桥面施工工期三个月，2020年6月25号开始进场施工。根据桥梁结构、施工工艺、施工效率、施工工期等条件，STC层施工采用分段施工平行作业方式。STC层的浇筑分块纵桥向划分为三段，横桥向左、右两幅分开浇筑，全桥共划分为六个施工分块。采用的是STC专用摊铺机，施工效率高，可以满足工期要求。

实桥施工的主要工序为：（1）焊接剪力钉→（2）焊接接缝处预埋“s”形加强钢板→（3）绑扎钢筋网→（4）浇筑STC→（5）STC层高温蒸汽养护。其中主要工序的施工照片如图3所示。

现浇的STC采用高温蒸汽养护，养护条件为：自混凝土终凝（约2天）后，在温度为80℃，湿度为95%的环境中持续养护72 h。养护结束后，STC层完好，未发现收缩开裂现象。目前，该桥已完工，作者将进一步关注其后续运营状态。

5 结论

钢桥面5 cm超高韧性STC混凝土作为一种新型桥面铺装技术，因其具有超高的强度、超高的韧性，有效的克服钢桥面普通混凝土铺装的两大病害，逐步在全国范围内应用推广。本文以实际工程为例，通过对超高韧性STC 混凝土配合比的设计研究，根据其力学性能及经济性进行对比，确定超高韧性STC 混凝土配合比的设计，保证了超高韧性STC 混凝土质量，提高了经济效益。通过钢桥面板5 cm STC高性能混凝土桥面铺装施工技术研究，形成技术先进、可操作性强的整套工艺工法，并通过施工质量控制，保证钢桥面 STC高性能混凝土桥面铺装施工质量。该项目成果可为后续超高韧性STC混凝土桥面铺装施工提供借鉴与参考。

参考文献：

[1]Huang C，Mangus A R，Copelan C.The Excellent Seis mic Perfor mance of Steel Orthotropic Bridges[C].Proceeding of the ATC & SEI 2009 conference on I mproving the Seis mic Perfor mance of Buildings and Other Structures，U.S.A.San Francisco，2010：389-402.

[2]黄卫.大跨径桥梁钢桥面铺装设计理论与方法[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[3]Shao，X.D.，Yi，D.T.，Huang，Z.Y.，Zhao H.，Chen，B.，and Liu，M.L.The Basic Perfor mance of the Co mposite Deck Syste m Co mposed of Orthotropic Steel Deck and Ultra-thin RPC Layer.Journal of Bridge Engineering doi：10.1061/（ASCE）BE.1943-5592.0000348.2011.