UHPC在城市钢箱系杆拱桥桥面铺装中的优化设计

郭俊峰

(武汉市政工程设计研究院有限责任公司 武汉市 430023)

0 引言

超高性能混凝土(UHPC)由于其良好的力学性能和耐久性[1-2]，用于钢—UHPC组合桥面、湿接缝和维修加固等各个方面[3-4]。其中，将UHPC用于钢桥面铺装层可以减小桥面铺装的破损和钢板的疲劳开裂，在城市桥梁和公路桥梁中都有广泛的使用[5]。但是现有的分析往往局限于桥面铺装对钢桥面板的受力影响分析[6]，桥面铺装对主梁及全桥结构受力的影响分析较少[7]。以广州从化文化项目的下承式钢箱系杆拱桥为工程背景，桥面铺装参与主梁受力，分析UHPC桥面铺装层对主梁和全桥结构的影响，并进行桥面铺装优化设计。

1 工程背景

广州从化文化项目配套道路工程为城市次干路，线路起于流溪河南岸6105国道(御泉大道)，由西南方向至东北方向由桥梁上跨流溪河;在流溪河北岸灌溉渠位置接地，与3号路平交，经从化文化项目场区南侧，终于6号路与从化文化项目配套道路平交口，线路全长约1170m。

其中跨越流溪河段，采用了一跨跨越的方式，主桥采用跨径90m的下承式钢箱系杆拱桥。城—A级汽车荷载，设计行车速度60km/h，双向四车道，两侧均设置3.0m非机动车道和3.0m人行道。主桥横断面设置2片拱肋，各拱由一片主拱组成，2片拱肋之间不设横向连接系，两片主拱横向间距26.0m，在两片主拱的外侧各进行外挑(主拱中心至悬臂端部)的悬臂支撑观景廊道；系杆采用焊接钢箱平行四边形截面；吊杆采用Φ15-25及Φ15-37钢绞线，整束挤压式吊杆体系，车行道桥面系采用正交异性钢桥面。桥梁总体布置图见图1。

图1 桥梁总体布置图

2 桥面铺装方案

本桥钢桥面铺装在使用中应满足高温抗车辙、抗疲劳、层间结合能力好、抗滑、平整度等要求，同时考虑施工和养护的需求，还需满足耐久性良好、施工便利、少维修、易养护等要求。

综合桥面铺装的需求，提出了主桥钢箱梁桥铺装设计方案。桥面铺装由上到下采用4cm改性沥青马蹄脂碎石混合料SMA-13(纤维掺量30kg/t)上面层+PCR改性乳化沥青粘结层+5cm改性沥青混凝土AC-I6C型中粒式改性沥青硅下面层+道桥用聚合物改性沥青PB(Ⅰ)型防水涂料+5cm厚UHPC+防水防锈层。铺装层的施工工序为:喷砂除锈，焊接圆柱头焊钉，涂装底漆，布置钢筋，浇注超高性能混凝土，防水粘结层施工，铺沥青。

钢箱梁桥面铺装由上到下布置图见图2。

图2 桥面铺装布置示意图

3 桥面铺装方案优化

3.1 比选方案

综合考虑使用性能、施工便利、桥面系恒载等因素，另提出两种比选方案。比选方案一：4cm SMA-13(SBS改性)+6cm AC-20C(SBS改性)+8cm钢筋混凝土调平层；比选方案二：4cm SMA-13(SBS改性)+8cm不配筋UHPC。

比选方案一采用普通钢筋混凝土材料，具有造价优势，施工工艺成熟；比选方案二施工便利，但造价偏高；原铺装设计方案合理，采用5cm厚UHPC，造价稍低，但设置了钢筋网和焊钉，施工工序稍复杂。同时三种桥面铺装方案对全桥结构变形和桥面结构受力的影响需进一步的计算分析。

3.2 有限元模型建立

采用Midas civil 有限元软件建立了全桥空间计算模型(见图3)。主梁和主拱采用梁单元，吊杆采用杆单元。研究发现，桥面板与铺装层间因为存在一定的粘结力，因此两者之间没有相对滑移，两者中间存在薄膜力[4]；桥面铺装铺设有钢筋网片以及对铺装进行加强，因此纵向和横向之间的作用力大小相当，桥面铺装与钢箱梁之间设置为无相对位移。钢箱梁采用Q345qD钢，桥面铺装按铺装方案采用相应的材料。材料的参数值见表1。

图3 全桥有限元模型

表1 材料参数取值

计算时，考虑恒载、汽车与人群活载、温度等作用效应，荷载组合按《城市桥梁设计规范》(CJJ 11—2011)，其中承载能力极限状态下组合情况为：

荷载组合1：γ0Sud=1.1×(1.2S恒荷载+1.4S汽车+0.98S人群+0.98S非机动)

荷载组合2：γ0Sud=1.1×(1.2S恒荷载+1.4S汽车+0.98S人群+0.98S非机动+0.98S正温度)

3.3 计算结果分析

3.3.1桥面铺装对主梁刚度的影响

为了分析桥面铺装层对主梁和全桥结构受力的影响，建立了桥面铺装仅仅作为恒载的比较模型。通过计算分别得到桥面铺装参与主梁受力和桥面铺装作为恒载处理不参与主梁受力时的位移值，其中荷载组合1下的主梁位移值分别见图4、图5。

图4 桥面铺装参与主梁受力时的位移图

图5 桥面铺装不参与主梁受力时的位移图

通过图4、图5可知，桥面铺装参与主梁受力时，主梁最大竖向位移为25.1mm，桥面铺装作为恒载处理，不参与主梁受力时，主梁最大竖向位移为25.3mm，位移值偏大。桥面铺装层和主梁变形协调，说明主梁的受力截面面积增加，主梁抗弯刚度增大，抗变形能力增强。

在本城市桥梁钢桥面铺装设计中，桥面铺装层由于采取了钢筋网片、栓钉和粘结层等措施，桥面铺装层与桥面板的相对滑移很小，可以认为桥面铺装和主梁变形协调，因此桥面铺装可以按参与主梁受力方式建立计算模型。

3.3.2各桥面铺装方案对主梁结构的影响

分别计算桥面铺装设计方案、比选方案一和比选方案二参与主梁受力时，在恒载、汽车荷载、人群荷载、整体升温、整体降温、荷载组合1和荷载组合2作用下，主梁最大挠度和应力变化，分别见表2、表3。

表2 主梁最大挠度 mm

表3 主梁最大应力 MPa

由表2可知，设计方案、比选方案一和比选方案二这三种方案，在各荷载及荷载组合作用下的主梁最大位移，比选方案二的位移最小，比选方案一的位移最大。这主要是由于铺装层参与主要受力后提高了主梁的抗弯刚度，桥面铺装采用UHPC材料时，其弹性模量比比选方案二采用的普通钢筋混凝土稍大，其抗弯刚度大，抵抗变形能力强。

由表3可知，三种桥面铺装方案在各荷载及荷载组合作用下的主梁最大应力值，比选方案二的应力最小，比选方案一和设计方案的应力接近。比选方案二采用较厚的UHPC作为桥面铺装层，钢箱梁变形较小，同时UHPC桥面铺装与钢箱梁变形协调，UHPC承担一部分主梁的受力，主梁整体受力偏小。

由于全桥采用吊杆拱构造，主梁钢箱梁整体受力可以看成吊杆弹性支撑的多跨连续梁，其受力和变形受温度荷载影响较大；在各荷载及荷载组合作用下，其最大挠度和最大应力位置并不总在主梁跨中处。

综合比较各方案，比选方案一，铺装总厚最大，达18cm，桥面系恒载较大，对全桥结构的受力影响较大，同时，普通钢筋混凝土抗拉强度与UHPC相比较小，在重载下易开裂损坏，影响铺装防水与疲劳性能；比选方案二最有利于主梁的受力和变形，此方案采用了8cmUHPC桥面铺装层，主梁刚度较大，整体变形较小，主梁受力最小，但UHPC材料耗费较多；设计方案在主梁的受力和变形上也占有一定的优势，同时采用了5cm厚的UHPC，桥面铺装厚度不大，桥面系恒载不大，对全桥结构受力的影响稍小，UHPC材料的抗拉强度较大，在重载下不易开裂损坏，能提高桥面铺装的防水和疲劳性能，延长桥面铺装的使用寿命。综合考虑受力、施工和使用性能各方面，设计方案最优。

4 结论

以广州从化文化项目跨越流溪河段的下承式钢箱系杆拱桥为工程背景，分析了桥面铺装层对主梁及全桥结构变形的影响，并进行了桥面铺装设计优化。主要得出以下结论：

(1)桥面铺装参与主梁受力，桥面铺装层和主梁变形协调，主梁的受力截面面积增加，主梁的抗弯刚度增强，有利于减小主梁的竖向挠度。

(2)提出设计方案、比选方案一和比选方案二这三种方案进行桥面铺装设计优化，从主梁的受力和变形来看，比选方案二占优；从造价上看，比选方案一占优。从桥面防水、抗疲劳性能和使用寿命上看，设计方案占优。综合比较，设计方案最优。

(3)仅依托一座钢箱系杆拱桥为工程背景，为了更全面地分析UHPC桥面铺装对主梁和全桥结构的影响，还需要对不同类型和跨径的桥梁进行分析。