湘府路城市快速路组合钢桥面铺装方案研究

郭福宽 周尚猛

（1.桥梁结构健康与安全国家重点实验室，武汉 430034；2.中铁大桥科学研究院有限公司，武汉 430034）

0 引 言

钢桥中桥面铺装问题一直以来是钢桥领域的重点和难点。常用的铺装结构有环氧沥青混凝土、浇筑式沥青混凝土、双层SMA等，主要为柔性铺装结构。由于沥青混凝土材料弹性模量较小，对提升桥面局部刚度作用有限，在车辆荷载作用下，桥面局部变形较大，桥面系结构应力集中较为严重，加上交通荷载繁重，极易出现疲劳破坏。而沥青铺装层在这种支撑条件下，也容易出现开裂和脱层等病害［1］。

近年来业内提出一种新型组合钢桥面铺装，该铺装引入超高性能混凝土（简称UHPC）材料作为结构层，与钢桥面板之间采用短剪力钉结合，形成组合铺装结构。由于UHPC具有良好的抗拉性能，在荷载作用下不易发生开裂，同时钢桥面板与UHPC层组合后，大幅度增加了钢桥面板的局部刚度，有效地减小了钢桥面的疲劳应力幅［2-6］。目前该桥面铺装已经较多应用于公路和铁路桥梁工程中［7］，但该桥面铺装在城市快速路工程应用较少。与公路桥梁相比，城市桥梁具有行车数量多、车速慢、堵车几率大、大型车较少等特点，且现行《城桥规》［8］和《公桥规》［9］中车辆荷载取值明显不同。因此开展湘府路城市快速路组合钢桥面铺装方案研究显得尤为必要。本文通过铺装各层理论分析和足尺寸模型静力与疲劳试验，考察沥青面层支撑条件、超高性能混凝土层抗裂性能和钢桥面板疲劳性能，旨在解决组合桥面铺装在湘府路城市快速路上应用的适用性问题。

1 工程概况

湘府路城市快速路地处长沙城区南部，是在现有湘府路主干道上架设高架桥而形成的城市快速路，呈东西走向，全长约12 km。西接湘府路湘江大桥，东接浏阳河桥，沿线跨越多条主干路。在满足快速化施工和跨越能力的前提下，湘府路重点跨线桥采用了大跨度连续钢箱梁结构，桥面体系为正交异性钢桥面板结构形式。

限于篇幅，本文以湘府路工程中的跨京珠高速桥为例进行钢桥面铺装研究，其他跨线桥与其类似。

跨京珠高速桥是一座跨线连续钢箱梁桥，跨径布置为（58+72+48）m。主梁采用双边式钢箱梁，单侧边箱梁宽2.6 m、高2.5 m。边箱之间设置3道倒T型纵梁，高度为1.2～2.5 m。桥面设置双向横坡，坡度为2%。桥面结构采用正交异性桥面板，顶板厚度为12 mm、16 mm，加劲肋为U形和板肋两种，U肋厚度为6 mm、8 mm。箱梁设置有横隔板，纵向间距为3 m，隔板厚度为8 mm、10 mm、12 mm。桥梁外形尺寸如图1所示。

图1 跨京珠高速桥示意图（单位：mm）Fig.1 Schematic diagram of Beijing Zhuhai Expressway Bridge（Unit：mm）

2 铺装方案

2.1 应用案例调研

通过工程调研可知，国内有接近二十余座桥梁工程采用了超高性能混凝土组合钢桥面铺装，基本上包括了大多数桥型。部分典型案例及使用现状如表1所示。

表1 超高性能混凝土组合钢桥面铺装部分典型案例及使用现状Table 1 Typical cases and application status of super high performance concrete composite steel deck pavement

从表1可以看出，组合钢桥面铺装于2011年在广东马房大桥上应用，在重交通、车辆超载严重的情况下，已经良好运营10年，无病害发生，超过传统钢桥面沥青铺装的通常使用寿命（一般使用寿命为5年）。采用组合钢桥面铺装可大大降低桥面铺装病害，节约后期养护成本。在钢桥上大规模推广应用该桥面铺装将是一种趋势。

2.2 铺装方案设计

根据应用案例调研，为了减少后期铺装病害，降低养护成本。湘府路钢桥面拟采用超高性能混凝土组合钢桥面铺装。拟采用的铺装结构自下至上依次为50 mmUHPC层+纤维增强桥面粘结防水层+32 mmSMA10沥青混凝土，如图2所示。UHPC性能指标：抗压强度≥100 MPa；抗折强度≥25 MPa；弹性模量≥40 GPa。UHPC层与钢桥面板之间采用剪力钉连接，剪力钉材质为ML15AL，规格为φ19×35 mm，纵、横向布置间距为300 mm×300 mm。UHPC内部设有钢筋网，由φ10 mm的HRB400钢筋构成。钢筋间距为50 mm（纵向，下层，φ10 mm）×50 mm（横向，上层，φ10 mm），上表面净保护层厚度为15 mm。

图2 湘府路钢桥面铺装结构（单位：mm）Fig.2 Steel deck pavement structure of Xiangfu Road（Unit：mm）

3 铺装结构分析

本节将通过铺装各层理论分析和足尺寸模型静力与疲劳试验，重点考察沥青面层支撑条件、超高性能混凝土层抗裂性能和钢桥面板疲劳性能。

3.1 沥青面层支撑条件分析

在组合钢桥面铺装结构中沥青混凝土面层主要起到分散轮载，提高行车舒适性和稳定性作用。桥面系的局部刚度对沥青面层的使用寿命有着至关重要的影响。因此本节对桥面局部刚度进行分析。

为了便于分析，组合钢桥面铺装与同厚度的沥青混凝土铺装对比，依据文献［10］提供的方法对两者的桥面局部刚度进行对比分析，计算如图3所示，两种局部刚度结果如表2所示。

图3 桥面系刚度计算示意图Fig.3 Rigidity calculation diagram of bridge deck system

表2 桥面局部刚度计算表Table 2 Calculation table of local stiffness of bridge deck

由表2可知，与同厚度的沥青混凝土相比，组合钢桥面铺装结构肋间相对挠度降低74%，曲率半径提升3.8倍，显著提高了桥面系局部刚度，进而大大改善了沥青混凝土面层的支撑条件，面层使用寿命大大延长。

3.2 UHPC层受力性能分析

3.2.1 UHPC层受力性能有限元分析

通过整体和局部有限元模型分析，可以得到UHPC层第一体系和第二、三体系应力，汇总结果如表3所示。

表3 UHPC层表面最大拉应力Table 3 Maximum tensile stress of UHPC layer surface

根据应力叠加原理，UHPC层表面最大横向拉应力为9.2 MPa，最大纵向拉应力为12.2 MPa，均出现在中支点主梁截面，位于边箱腹板顶面附近。

3.2.2 UHPC层抗裂性能试验

1）试验设计及加载

试验模型选取横向单U肋、纵向2跨结构。模型长4.1 m，宽0.6 m，支点间距1.85 m。UHPC层及U肋参数选用桥面设计参数。多功能试验机通过分载梁传递到模型中支点两侧，距离1.4 m。试验模型加载及模型横截面如图4所示，试验模型加载测试现场如图5所示。

图4 模型尺寸布置图（单位：mm）Fig.4 Model size layout（Unit：mm）

图5 试验现场情况Fig.5 Test site conditions

2）试验结果分析

模型试验结果如表4所示。由表4可知，通过施加荷载，当试验模型UHPC层分别达到实桥第一体系纵向应力4.6 MPa及实桥纵向总应力12.2 MPa时，UHPC层顶面均未观察到裂纹，模型未见异常；当UHPC层名义应力达到18.8 MPa（即1.5倍的实桥纵向总应力）时，在中支点位置UHPC表面观察到可见裂纹，宽度为0.05 mm。继续施加荷载，当名义应力达到62.4 MPa（即5.1倍的实桥纵向总应力）时，裂缝宽度为0.15 mm，此时试验模型中支点发生屈曲变形，模型试验停止。

表4 模型名义应力与UHPC层裂缝对应关系Table 4 Corresponding relationship between model nominal stress and UHPC fracture

因此，组合桥面铺装体系中UHPC层运营期间不会发生开裂且具有足够的结构安全储备。

3.3 钢结构疲劳性能分析

3.3.1 钢结构疲劳性能评估

通过钢箱梁病害调研可知，一般正交异性桥面板疲劳问题主要发生在加劲肋与顶板连接区、加劲肋与横隔板连接区及弧形切口区，因此需要对这些疲劳区域进行疲劳计算分析，应力点如图6所示。

图6 应力计算点（单位：mm）Fig.6 Stress calculation points（Unit：mm）

在3.2.1节局部有限元模型上进行疲劳加载，疲劳加载选用140 kN双轴荷载，并考虑1.5倍超重系数。横向加载工况与静力加载相同，根据确定的横向加载位置，进行纵桥向移动加载，即可获得应力时程曲线，进而可以求得计算点最大应力幅和构造细节最大应力幅。

为了便于分析，将组合钢桥面铺装与等厚度的沥青混凝土铺装对比。通过有限元计算，可得到钢桥面板上述三类疲劳细节的最不利应力幅，如表5所示。表中给出了三个限值，限值1对应Eurocode 3［11］5×106次疲劳应力幅，限值 2 对应BS5400［12］1×107次疲劳应力幅，限值 3 为常幅截止限。

表5 正交异性钢桥面板构造细节最大应力幅比较Table 5 Comparison of maximum stress amplitude of structural details of orthotropic steel bridge deck

计算表明：采用组合钢桥面铺装可以显著降低正交异性板构造细节应力，应力幅下降幅度依次为：面板（64.1%～66.4%）＞加劲肋（37.2%～43.6%）＞横隔板（17.3%～42.5%）。采用沥青铺装正交异性板部分疲劳细节应力幅超过了限值1，存在疲劳开裂风险，而采用组合钢桥面铺装后，全部疲劳细节应力幅均降至限值2以下，甚至部分已降低至限值3以下，大大降低了钢结构疲劳开裂的风险，理论上可达到无限疲劳寿命。

3.3.2 单U肋疲劳性能试验

对第3.2.2节单U肋模型进行疲劳试验，以中支点UHPC层表面应力幅为控制指标，采用4.6～18.8 MPa应力幅进行500万次循环加载，其中下限为UHPC层实桥第一体系纵向应力值，上限为UHPC层出现0.05 mm宽度裂缝对应的试验名义应力值，试验机频率为4 Hz。试验过程中，每隔50万次，进行1次静力加载。

疲劳试验结果：UHPC层表面出现的裂缝会随加载次数增加而有所增长，宽度始终控制在0.05 mm以内，钢结构部分未发现可见疲劳裂纹，且模型整体刚度未见明显退化（3%以内）。

4 结论

湘府路城市快速路钢桥面系采用组合钢桥面铺装方案，得到如下结论：

（1）与同厚度沥青混凝土铺装相比，组合钢桥面铺装对桥面系局部刚度的提高具有显著的效应，改善沥青面层的支撑条件，延长了面层的使用寿命；

（2）在运营期间，组合桥面铺装体系中超高性能混凝土层不会发生开裂且具有足够的结构安全储备；

（3）超高性能混凝土层与钢桥面板的协同受力作用有效降低了钢桥面板的疲劳应力幅，可达到无限疲劳寿命要求。