某大跨度斜拉桥钢桥面铺装方案研究

周天喜

摘要 广州南沙区某重点建设工程主桥采用（62+104+580+104+62）m双塔斜拉桥。为研究该桥钢桥面铺装方案，对四种大跨度钢主梁的公路桥面形式进行了详细介绍，从技术特点及经济方面对四种桥面铺装方案进行了详细对比，选择超高性能混凝土组合桥面为推荐方案；最后对超高性能混凝土组合桥面进行结构有限元静力分析，结果表明UHPC可大幅度改善钢箱受力，有效提高桥面的局部刚度，改善桥面铺装的耐久性能。通过以上研究为同类桥梁的设计、施工提供参考和借鉴。

关键词 钢箱梁；桥面铺装；超高性能混凝土组合桥面；有限元

中图分类号 U443.33文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）10-0053-04

0 引言

大跨径钢箱梁桥面铺装主要病害有疲劳开裂、高温车辙、粘结层失效或脱层、横向推移和拥包等。根据国内外正交异性钢桥面铺装研究、设计、施工及运营的实践经验，影响桥面铺装的因素很多，主要因素有气候环境（尤其是温度）、交通荷载、桥面局部刚度、铺装材料、施工质量等[1]，如何彻底解决正交异性钢桥面病害问题一直以来是桥梁工程行业的一大难题。

1 工程概况

根据城市总体规划及综合交通规划，某大桥工程是南沙港重要的对外疏港通道，同时也是万顷沙区块联接其他区块以及对外联系的重要干道，以通行货车为主。路线西起红莲路与迪安路交叉口东侧，向东上跨万新大道、万环东路之后，跨越龙穴南水道，在龙穴岛侧与龙穴大道通过立交衔接。主桥采用（62+104+580+104+62）m双塔斜拉桥，全长912 m，其中主跨采用钢箱梁，边跨采用混凝土主梁，主桥结构采用半漂浮体系，全桥布置图见图1所示。

2 桥面铺装方案选择

钢箱梁因强度高、自重轻、施工快的特点在国内外大跨度桥梁中被广泛采用，大跨度钢箱梁的公路桥面形式主要有四种：①钢桥面板+浇筑式沥青混凝土桥面。②钢桥面板+SMA沥青层桥面。③钢桥面板+环氧沥青混凝土桥面。④钢桥面板+UHPC超高性能混凝土板+沥青混凝土桥面[2]。从技术特点及技术经济方面，对四种桥面铺装方案进行综合比较，具体见表1所示。

由表1中的技术特点及技术经济比较综合来看，四种方案均有各自特点，工程造价也有一定差异。由于超高性能混凝土层对柔性铺装磨耗层的支撑作用，大大改善了其受力条件，提高了使用寿命，在养护期内基本上仅需要对磨耗层进行更换且更换次数少，后期养护简便且费用低，铺装项目的总投资额约为柔性铺装方案的10%～40%。

此外，对于新建桥梁而言，在设计阶段应用UHPC超高性能混凝土组合桥面技术，还可以直接节约桥梁主体结构的用钢量，减轻桥梁上部结构的重量，降低全桥的总造价，其经济性能将更为突出[3]。

“超高性能混凝土组合桥面”方案在马房北江大桥、洞庭湖二桥等大型桥梁工程的使用情况来看，效果良好。超高性能混凝土与桥面形成的组合结构提高了桥面刚度，大幅度减小了面板和纵横肋疲劳应力；磨耗层能有效降低粘结层失效、磨耗层开裂、车辙、推移等破坏风险。该工程大桥通行货车比例超过50%，主桥中跨钢箱梁采用超高性能混凝土组合桥面，在桥梁全寿命周期内的综合优势明显[4-5]。

该项目钢桥面铺装由超高韧性混凝土（UHPC）（5 cm）+沥青混凝土磨耗层（3 cm）组成，桥面铺装示意图见图2所示：

3 超高性能混凝土组合桥面计算分析

3.1 计算荷载

结构自重：计入材料密度和重力加速度，以结构实际自重施加一期恒载，钢结构按γ=78.5 kN/m3。

二期恒载：钢箱梁二恒为107.4 kN/m3，根据二恒具体位置，分区域精确加载。

活载：采用城－A级车辆荷载，主桥为双向八车道，半幅桥面取四辆车进行布载。考虑铺装层的扩散，以车轮着地荷载的方式施加在钢箱梁顶板。

对桥面板及桥面系构件的冲击系数，一般可按规定计算或取值。對钢箱梁桥面板局部验算时，该系数取值为1.4。

3.2 计算模型介绍

计算采用ANSYS建模，有限元模型如图3所示。

3.3 UHPC作用分析

该桥桥面采用5 cm超高性能混凝土铺装层。为分析UHPC混凝土铺装层对钢箱梁受力的影响，进行了研究计算，节段加载模型如图 4所示。

在考虑UHPC作用下，钢箱梁整体竖向变形如图5所示，钢箱梁横断面跨中位置最大下挠为1.28 cm。

在考虑UHPC作用下，桥面板顺桥向正应力如图6所示，顺桥向最大正应力为?35.6～46.7 MPa。

在考虑UHPC作用下，桥面板横桥向正应力如图7所示，横桥向最大正应力为?93.6～80.2 MPa，该最大值为个别应力集中点，大部分范围在?35～5 MPa之间。

在考虑UHPC作用下，U肋顺桥向正应力如图8所示，最大顺桥向正应力为?60.9～51.5 MPa。

在考虑UHPC作用下，斜拉索横隔板VON-MISES应力如图9所示，最大VON-MISES应力为170 MPa。

以上计算结果见表2所示。

从表2计算结果可知，中跨钢箱梁桥面铺装采用UHPC组合桥面明显降低了钢箱梁桥面板、U肋及横隔板结构的应力水平，改善了钢箱梁结构受力，并有效提高了桥面的局部刚度，从本质上解决了钢桥面结构的耐久性问题[6]。

4 结语

该文对某工程大跨度斜拉桥钢箱梁四种桥面形式进行了详细研究，从技术特点及经济性能方面对四种桥面铺装方案进行了详细比选，该工程通行重车比例超过50%。

采用超高性能混凝土组合桥面作为该工程的实施方案，在桥梁全寿命周期内综合优势明显。通过对超高性能混凝土组合桥面进行结构有限元静力分析，结果表明UHPC可大幅度改善钢箱受力，有效提高桥面的局部刚度，解决了桥面铺装的耐久性能问题。该项目自2023年5月通车以来，超高性能混凝土组合桥面表现优良，取得了良好的社会效应。

参考文献

[1]孟凡超， 金秀男， 张革军. 跨海桥梁超大规模钢桥面铺装关键技术研究[J]. 土木工程学报， 2023（3）： 58-69.

[2]郭俊峰. 新型的钢桥面铺装设计[J]. 建筑技术开发， 2022（1）： 127-129.

[3]王滔， 方彪， 王民， 等. 瓯江北口大桥上层桥钢桥面铺装设计[J]. 公路交通技术， 2022（5）： 42-48.

[4]王通， 郭书峰， 高昱鹏， 等. 舟岱跨海大桥钢桥面铺装设计及工程应用[J]. 建筑经济， 2022（S1）： 447-451.

[5]郭俊峰. UHPC在城市钢箱系杆拱桥桥面铺装中的优化设计[J]. 北方交通， 2021（12）： 19-22.

[6]郭福宽， 周尚猛. 湘府路城市快速路组合钢桥面铺装方案研究[J]. 结构工程师， 2021（6）： 215-220.