中小跨径钢箱梁桥面铺装设计实践

周　翔　梁　斌

(杭州市交通规划设计研究院　杭州　310006)

中小跨径钢箱梁桥面铺装设计实践

周翔梁斌

(杭州市交通规划设计研究院杭州310006)

摘要结合杭州市德胜快速路跨文汇路立交桥钢箱梁工程，针对中小跨径钢箱梁的工程特点，以及荷载、气候条件，设计选用了优化后的SMA结合钢纤维混凝土铺装结构，并提出相应的施工注意事项。

关键词钢箱梁桥面铺装SMA钢纤维混凝土

钢箱梁桥面铺装直接承受着交通荷载的反复作用，桥面铺装长期处于不利的工作环境中。钢桥面铺装具有一般沥青路面和水泥混凝土桥面所没有的工作特点：它既不具备水泥混凝土桥面包括钢箱梁水泥混凝土组合式桥面的刚性底板支承，也不具备道路坚硬的路基与基层结构的支承。钢桥面铺装处于随时都在变形的基础上。钢桥本身的变形振动都将直接影响铺装层的应力状态。钢材的导热系数要比其他材料大很多，除正常铺装层自身温度变化的影响外，钢箱梁桥跨结构的

全年季节性温度变化也将加重影响铺装层的变形。钢材的最大的弱点是会生锈，它比其他材料更怕水。桥面铺装一旦发生破损，将严重影响钢桥主体结构的品质和寿命，维修更困难。

钢桥面铺装必须具有与钢板随从变形的性能，与钢板粘结性能好，高温稳定、低温抗裂、耐疲劳、不透水、耐久、表面抗滑、便于施工、易于维修等基本的技术要求。因此，钢箱梁桥面铺装层对材料、结构的要求比通常的路用材料要求更高、更苛刻[1]。

[3]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[4]王军文，宋晓东，张文学，等．石板坡大桥墩梁固结点局部应力分析[J]．国防交通工程与技术，2007(1):30-32.

[5]曹忠强.异型矮塔斜拉桥塔墩梁固结部位应力分析[J].交通科技，2010(3):13-17.

Local Analysis of the Fixation of Pylon-beam-pier

of the Extradosed Cable-stayed Bridge

ZhangShuqing

(Anhui Transport Consulting & Design Institute Co.,Ltd., Hefei 230088, China)

Abstract：By using ANSYS, we established the FEM model of the fixation part of pylon-beam-pier of the extradosed cable-stayed bridge and tried to do a static analysis of the most unfavorable working conditions after the structure installation. We analyzed the stress distributions of the fixation part of pier-pylon-beam and obtained the resultof its stress distribution. We comprehensively evaluated the design scheme of the fixation of pylon-beam-pier. We combined the overpass steel box girder of Desheng expressway striding Wenhui road in Hangzhou. According to the feature of small and medium span steel box girder bridge, the load condition and climate conditions, we adopted the optimized SMA combining with steel fiber concrete pavement structure. Next we proposed the corresponding attention in the construction work..

Key words:extradosed cable-stayed bridge; fixation of pylon-beam-pier; FEM; static analysis the steel box girder; deck pavement; SMA; steel fiber concrete

本文结合杭州市德胜快速路跨文汇路立交桥钢箱梁的工程实例，针对中小跨径钢箱梁的工程特点，提出了优化后的SMA结合钢纤维混凝土铺装设计结构。

1工程概述

杭州市德胜快速路采用《城市道路工程设计规范》(CJJ 37-2012)中双向6车道快速路标准建设，设计速度80 km/h，路基宽度28 m。

德胜快速路跨文汇路分离立交桥桥梁总长度454.06 m，桥梁配跨为4×35 m+50 m+70 m+50 m+4×35 m，其中第二联上跨文汇路上部结构采用50 m+70 m+50 m钢箱梁，其他联上部结构采用预应力混凝土T梁；下部结构采用柱式墩，柱式桥台，钻孔灌注桩基础。德胜快速路跨文汇路分离立交钢箱梁立面图与断面图分别见图1与图2。跨文汇路立交桥西侧为杭州主城区方向，东侧是改建后杭州绕城高速公路下沙东互通收费站。

图1　德胜快速路跨文汇路分离立

图2　德胜快速路跨文汇路分离立

跨文汇路钢箱梁铺装具有以下工程特点。

1.1　荷载条件

本工程是连接高速公路与杭州主城区的快速通道，承受大量的小客车等客运车辆(由于德胜快速路禁货，货车均在德胜快速路地面道路通行)。因此，杭州市德胜快速路跨文汇路立交桥钢箱梁桥面铺装承受的车辆荷载均较小。

1.2　气候条件

本工程所在地区处于中低纬度，属亚热带季风性湿润气候，拟建工程区年平均气温在16 ℃左右，极端最高气温为39.3 ℃，出现在7月；极端最低气温为-12.4 ℃，出现在1月。1年中日最高气温≥35 ℃的天数大多出现在6～8月，平均高温日数为10.8～19.7 d，最长连续高温日数达22 d。因而要求铺装用混合料具有良好的高温稳定性与低温抗裂性。

1.3　其他特点

跨文汇路钢箱梁桥梁主跨为70 m，相较于大跨径钢桥而言，其对变形的协同性要求相对较低。此外，本工程的钢桥面的铺装面积不大，桥梁铺面的施工工艺及后期养护也是影响工程的重要因素之一。

2钢箱梁桥面铺装设计

2.1　技术特点

本工程钢箱梁桥面铺装除了具备变形随从性、防水性能、抗滑性能、抗疲劳性能等以外，结合本文前述的工程特点，还需具备以下技术要求。

(1) 良好的稳定性，即夏天能耐高温，有良好的高温稳定性，和抗流动变形能力，不致产生车辙、推拥、流动变形；冬天能耐低温，有良好的应力松弛性能和低温抗裂性能[2]。

(2) 尽量采用成熟与便利的施工工艺与施工设备，且运营阶段的养护较为便易。

目前，在国内大跨度钢桥面铺装应用较多的有环氧沥青混凝土和浇注式沥青混凝土，但由于本工程钢箱梁跨径不大，且钢桥面的铺装面积亦较小，因此采用桥梁铺面的施工工艺较为成熟，对施工设备要求相对不高的ERS树脂沥青组合体系铺装结构与SMA结合钢纤维混凝土铺装结构2个方案进行综合比选。

2.2　方案一。6.5 cm厚的ERS树脂沥青组合体系铺装结构

ERS钢桥面铺装体系由EBCL，RA05，SMA13结构组成，具体结构见图3。

图3　ERS树脂沥青组合体系铺装结构图

树脂沥青组合体系(ERS)是近年来应用较多的一种钢桥面铺装结构，树脂沥青组合体系(ERS)中的EBCL界面防水防腐性能好，对钢板的粘结强度高，高温稳定性可靠，有针对性地解决了SMA铺装层容易滑移破坏的问题，而且EBCL施工简便，易于控制，施工现场的各项检测也比较简单和直观。造价较环氧沥青混凝土和浇注式沥青混凝土均较低，而且无需专用设备，施工和组织相对简单。

2.3　方案二。SMA结合钢纤维混凝土铺装结构

上层采用10 cm沥青混凝土铺装(4 cm SMA-13型改性沥青玛蹄脂碎石+6 cm AC-20C型改性中粒式沥青混凝土),下层采用10 cm厚C50补偿收缩钢纤维混凝土铺装，在混凝土铺装层顶面喷涂防水层,见图4。方案二由于采用了SMA结合钢纤维混凝土的铺面,相对方案一来说具有较好的密水性和抗疲劳性能。较厚的铺面结构具有良好的高温抗车辙性能、耐久性等。同时SMA混合料在国内使用较为普遍,施工不需要特殊的设备,成本相对来说也不高,一般工程都能够接受。

图4　SMA结合钢纤维混凝土铺装结构

但是，该方案铺面结构恒荷载较大，且对混凝土与钢桥面的协调一致性不及方案一。

2.4　铺面设计方案选定及优化

综合前文所述，本工程的特点是高温稳定性要求高、钢箱梁跨径不大且桥面铺装面积亦较小，对钢桥面的变形协同性要求没有大跨径钢桥面铺装那么高。而方案二上层采用10 cm沥青混凝土铺装(4 cm SMA-13型改性沥青玛蹄脂碎石+ 6 cm AC-20C型改性中粒式沥青混凝土),下层采用10 cm厚C50补偿收缩钢纤维混凝土铺装的结构，其高温稳定性和耐久性优于方案一。因此本工程采用方案二作为德胜快速路跨文汇路立交桥钢箱梁的铺面方案。

针对方案二混凝土与钢桥面协调一致性相对较差的情况，本次设计进行了以下优化措施，增加钢桥面与铺装的结合。首先，在桥面10 cm C50补偿收缩钢纤维混凝土铺装内设1层D10冷轧带肋钢筋焊接网片，距离混凝土铺装层顶面净距3.0 cm；其次，在钢箱梁顶面设置6 cm高剪力钉，横桥向、纵桥向布置间距均为30 cm，保证混凝土铺装与钢箱梁结合[3]。

对于本工程结构分析采用MIDAS/CIVIL软件，建立钢箱梁结构分析模型，根据桥面布置，汽车按最不利情况进行影响线加载。温度考虑整体升降温20°和梯度温度。主梁顶、底和腹板采用实际板厚，钢材重力密度78.5 kN/m3，单元重力密度考虑各种加劲肋和焊缝实际重量提高；混凝土桥面板重力密度25 kN/m3。沥青混凝土重力密度24 kN/m3。计算分析模型图见图5。

图5　MIDAS/CIVIL模型图

在极限承载能力作用下，应力计算结果见图6，最大压应力出现在跨中顶板为130 MPa，最大拉应力出现在墩顶位置顶缘为123 MPa，均小于210 MPa，满足规范要求。

图6　极限承载能力作用下应力图(单位：MPa)

在正常使用状态作用下，应力计算结果见图7，最大压应力出现在跨中顶板为106 MPa，最大拉应力出现在墩顶位置顶缘为103 MPa，均小于210 MPa，满足规范要求。

图7　正常使用状态作用下应力图(单位：MPa)

在汽车荷载作用下，中跨跨中最大下挠38 mm，最大上挠15 mm，边跨跨中最大下挠19 mm，最大上挠12 mm。计算按最不利状况取中跨：(38+15)mm=53 mm≤l 000×(70 m)/600=117 mm；边跨：(19+12) mm=31 mm≤l 000×(50 m)/600=83 mm，结构刚度满足规范要求。

经验算，采用20 cm厚度的SMA结合钢纤维混凝土铺装结构后，本桥上部结构，承载能力，正常使用状态应力、刚度均满足规范要求。

3施工注意要点

(1) 剪力钉的焊接应符合《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50-2011)第19.5.4条的规定[4]。剪力钉焊接试验结果应符合现行国家标准《电弧螺柱焊用圆柱头焊钉》(GB/T 10433-2002)的规定[5]。

(2) 钢纤维混凝土：钢纤维混凝土中钢纤维的体积比约为0.8%(62.5 kg/m3)，钢纤维长度25～50 mm，等效直径0.3～0.8 mm，且钢纤维混凝土的强度等级不应低于C50混凝土的同级强度，其中钢纤维混凝土抗弯拉强度应比同级砼抗弯拉强度提高40%以上，并不小于7 MPa。搅拌采用机械搅拌，搅拌的次序和方法应以搅拌过程中钢纤维不产生结团和保证一定的生产率为原则，并通过试拌确定。建议采用将钢纤维、水泥、粗细骨料先干拌而后加水湿拌的方法，必要时采用钢纤维分散机布料，且干拌时间不宜小于1.5 min，并应按下列步骤振捣与整平。

①用平板振捣器振捣密实，然后用振动梁振捣整平。

②用表面带凸棱的经书圆滚将竖起的钢纤维和位于表面的石子和钢纤维压下去，然后用金属圆滚将表面滚压平整。待钢纤维混凝土表面无泌水时用金属抹刀抹平，经修整的表面不得裸露钢纤维，也不得有浮浆。

③抹平的表面应在初凝前做拉毛处理，拉毛时不得带出钢纤维，拉毛工具可使用刷子和压滚，不得使用木刮板、粗布路刷和竹扫帚。

(3) 采用的膨胀剂性能应符合现行国家标准《混凝土膨胀剂》(GB 23439-2009)[6]的规定，掺入膨胀剂的混凝土宜采取有效的持续保湿养护措施。浇筑10 cmC50补偿收缩钢纤维混凝土时的顺序应是先跨中后墩顶，最后浇筑主墩墩顶处。

4结语

在钢箱梁跨径不大的情况下，采用环氧沥青混凝土或浇注式沥青混凝土，考虑施工工艺，以及后期养护与工程成本均不甚合适。本文结合杭州市德胜快速路跨文汇路立交桥钢箱梁工程，针对中小跨径钢箱梁的工程特点以及荷载、气候条件，通过对目前施工工艺较为成熟的桥面铺装结构进行了构造加强后，设计了优化后的SMA结合钢纤维混凝土铺装结构，为中小跨径钢箱梁桥面铺装设计提供了一种设计思路和借鉴。

参考文献

[1]牟廷敏，丁庆军，周孝军，等.钢纤维混凝土桥面铺装疲劳性能试验研究[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2012(5)：988-991.

[2]JTG D50-2006公路沥青路面设计规范[S].北京:人民交通出版社,2006.

[3]冯源，李运，陈祺.香港路立交桥钢桥面铺装的设计与施工[J].施工技术，2006(1)：80-82.

[4]JTG D30-2004 公路桥涵施工技术规范[S].北京:人民交通出版社,2001.

[5]GB/T 10433-2002 电弧螺柱焊用圆柱头焊钉[S].北京:中国标准出版社，2002.

[6]GB 23439-2009 混凝土膨胀剂[S].北京:中国标准出版社，2009.

Deck Pavement Design Practice of Small and

Medium Span Steel Box Girder Bridge

ZhouXiang,LiangBin

(Hangzhou Design&Research Institute of Traffic Planning, Hangzhou, 310006)

收稿日期：2015-05-22

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.017