钢-STC组合桥面系改造施工技术分析

王辉辉

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

1 概述

大跨径钢桥具有施工便捷、跨越能力强等优点，正交异性钢桥面板作为其主要组成部分，由钢面板、U肋、横隔板组成[1]。作为桥梁大国，我国的大跨径钢桥于20世纪90年代开始大规模建设，为我国经济发展做出了重要贡献，但由于交通负担繁重，桥面系长期存在两大典型病害问题：钢桥面板疲劳开裂和沥青磨耗层破损[2-3]。实践表明，疲劳开裂是正交异性钢桥面板所固有的病害形式，钢桥面一般运营20年左右便进入疲劳裂缝爆发期，且难以修复。同时，SMA、ERS等常规柔性铺装材料难以承受大跨径桥梁交通量大、重载交通比例高、夏季高温等多重因素的考验，长期使用效果欠佳。

2 钢-STC组合桥面体系技术特点

钢-STC组合桥面体系可以同时解决这两大典型病害，厚度为35～60 mm的STC结构层与钢桥面板通过短栓钉作为连接件形成新的组合桥面体系。STC是指抗压强度达到150 MPa、使用寿命超200年的新型水泥基工程材料。根据最大密实度理论，主要由硅灰、水泥、细骨料及混杂钢纤维等材料组成，材料内部的缺陷最大限度地降低，使其具备优异的力学性能和耐久性。STC中的混杂钢纤维起到了桥梁作用，抑制了混凝土内部微裂缝的扩展，使混凝土表现出良好受力特征。与传统正交异性桥面板相比，该新型组合桥面体系具有以下两个特点：第一，大幅提高了第三体系的局部刚度，从而显著改善了桥面磨耗层的工作条件，延长了磨耗层服役寿命，根治了正交异性钢桥面板磨耗层易破损问题；第二，STC层与钢桥面组成结构体系共同受力，可显著降低局部轮载作用下钢桥面焊接接头的疲劳应力幅，提高第三体系局部力学性能，显著降低传统正交异性钢桥面板易疲劳开裂的风险。因此，钢-STC组合桥面体系可以在不增加大桥自重的前提下，显著提高桥面刚度及层间黏结性能，是根治钢桥面两大世界性难题的关键[4-7]。

目前我国已有60座桥梁采用钢-STC组合桥面体系技术，涵盖了梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥等各类桥型。对于在役桥梁应用组合桥面体系进行桥面加固改造时，全桥面封闭施工将完全阻断交通，对处于重要高速公路的大跨径桥梁的交通通行能力造成较大影响。因此，在役桥梁的组合桥面体系一般选择半幅通车、半幅封闭施工的施工方案，受通车幅的活载影响，施工幅中的STC层须保证不开裂且钢箱梁需满足受力条件，故本文以某大跨径钢桥为背景，开展了在役桥梁钢-STC组合桥面体系施工过程受力分析。

3 设计方案

本文以某在役大跨度正交异性板加劲钢箱梁斜拉桥为研究背景，采用双向六车道一级公路技术标准，设计速度120 km/h，桥面总宽33.5 m，荷载等级为汽-超20，挂-120，人群3.5 kN/m2，大桥主跨长460m；钢箱梁顶板厚度12mm，U形加劲肋间距600mm，厚6 mm，每隔3 m设置一道实腹式横隔板，横隔梁间距6 m。于1999年2月9日建成开始通车，行车道采用的铺装结构为：双层SMA13+改性沥青碎石封层+环氧富锌漆+桥面钢板除锈，铺装总厚度为8 cm。

图1 大桥立面设计图（单位：cm）

2004年开始，大桥桥面铺装局部出现坑槽、泛油等病害，表面大范围出现严重车辙、推移，并伴随诸多裂缝。经多次维修后的路面效果不佳，病害无法得以根除，而且大部分维修路段再次出现病害，极大影响了车辆的正常运行。2017年，根据前述病害成因，考虑到大桥桥面整体刚度不足、交通量大、重车及超载重车多等特点，提出桥面铺装结构层采用SMA+STC结构：3.5 cm厚SMA-13沥青磨耗层+应力吸收层+4.5 cm厚STC层+黏结层，如图2所示。

图2 钢-STC组合桥面体系设计方案（单位：mm）

4 施工方案与交通组织设计

STC层施工包含桥面清理、栓钉焊接、防腐涂装、钢筋网安装、STC摊铺、保湿养护、高温蒸养、表面抛丸、边界接头及接缝处理等施工工序。为了保证桥面改造施工期间大桥不中断交通，采用了半幅浇筑STC、半幅通车的施工方案。即半幅先行铲除现有沥青铺装层，再进行STC层施工并铺筑新的沥青磨耗层，待完成后重新通车并对另一幅施工，具体分幅分块浇筑方式如表1所示。

表1 半幅浇筑STC、半幅通车的施工方案

施工作业区设置分为3个区域：施工材料储物区域、组合桥面施工区域、施工材料储物区域，施工期间桥面半幅完全封闭，另半幅保持双向行驶。具体如图3所示。控制区两端设置警告区、过渡区、缓冲区、终止区等区域，将社会车辆引导至上游侧桥幅，借用对向车道通行。施工期间通车幅车速应降至40 km/h，驶入非施工路段公路的施工车辆要对现况公路通行影响最小。施工时在施工区段两头采用水马封闭，水马外侧粘贴黄白相间反光膜，并设置标识警告牌。应设置警告区，其长度不小于1 600 m。警告区设置相应指示标识，相邻标识间距不得超过400 m。警告区内应设置限速标识、前方车道变窄标识、禁止通行标识、前方施工标识等。施工期前半幅路封闭施工交通组织如图3所示。

图3 半幅路封闭施工交通组织示意图

5 施工过程受力分析

本桥STC层施工方案为半幅通车、半幅浇筑，在浇筑STC时另一幅产生的活载对于浇筑幅施工过程中存在影响，因此应考虑相应施工阶段，浇筑幅STC的受力受通车幅的扰动。采用Midas Civil桥梁分析软件对施工过程各阶段钢箱梁的应力以及STC层的受力状态进行计算分析，根据承载能力极限状态下的荷载组合分别提取关键施工状态下的计算结果。

有限元计算模型包含5 058个节点、2 144个单元，单元类型包括梁单元与索单元，如图4所示。计算中考虑1.2倍自重荷载+1.4倍车道荷载[8]，分别提取关键施工状态下，钢箱梁上、下缘以及STC层应力的计算结果。

图4 Midas Civil有限元计算模型

为了保证施工中钢箱梁的安全性，计算了施工过程中钢箱梁的应力变化，如表2所示。

表2 钢箱梁主梁整体应力

由上述计算结果可以看出，施工过程各阶段钢箱梁上缘与下缘应力最大值较小，承载力富裕度较大，安全系数较高。

考虑到半幅浇筑时受到相邻通车幅的活载扰动，STC层存在开裂风险。因此，计算将重点关注施工中各阶段STC层的应力，计算结果如表3所示。

表3 施工过程关键过程STC层应力

对于半幅浇筑STC、半幅通车状态下的STC层，组合桥面体系方案的STC最大拉应力为6.4 MPa，小于STC自终凝至养护结束能承受的最大拉应力（9 MPa）[4]，采用半幅浇筑STC、半幅通车的方法进行施工满足要求。

6 结论

钢-STC组合桥面体系作为正交异性钢桥面的新型铺装结构，不仅解决了钢桥面传统沥青铺装层易破损的病害，也能从根本上消除钢桥面疲劳开裂的耐久性问题。本文研究了钢-STC轻型组合结构用于在役桥梁时，采用半幅通车、半幅浇筑方案施工各阶段的应力状况，得出以下结论：

a）提出了在役大跨径钢箱梁在应用钢-STC组合桥面体系时半幅浇筑STC、半幅通车的施工方案，在不用中断交通并保证基本交通通行能力的情况下，完成桥面改造工程。提出了相应的交通组织设计思路，配套半幅浇筑、半幅通车的施工方案，该方案切实可行。

b）通过计算半幅浇筑STC、半幅通车施工过程各阶段钢箱梁上、下缘的应力，结果表明各阶段钢箱梁应力小于容许值，且安全系数较高。

c）通过计算施工过程各阶段STC层的应力，结果表明STC层最大拉应力小于其开裂强度，在施工过程各阶段均能保证不开裂。