張晉瑞，陳國(guó)平，胡建華，崔劍峰

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410008； 2.大岳高速洞庭湖大橋建設(shè)開發(fā)有限公司；3.湖南省交通水利建設(shè)集團(tuán)有限公司)

傳統(tǒng)鋼桁加勁梁懸索橋一般采用非合成型鋼橋面，隨著懸索橋跨度的增大，恒載效應(yīng)顯著提高，為有效地減輕橋梁恒載，減少鋼材用量，同時(shí)提高結(jié)構(gòu)自身的抗彎、抗扭剛度，將正交異性鋼橋面板與桁架直接結(jié)合得到了板桁結(jié)合型加勁梁。為綜合解決正交異性鋼橋面疲勞開裂和鋪裝易損壞的問題，提出了超高性能輕型組合橋面，并在300 m跨徑的株洲楓溪大橋(自錨式懸索橋)上得到了應(yīng)用。

岳陽洞庭湖大橋在國(guó)內(nèi)外首次采用組合橋面板桁結(jié)合型加勁梁，鑒于其復(fù)雜性，對(duì)其施工控制提出了更高的要求。與傳統(tǒng)分離式橋面系相比，結(jié)合型橋面系參與整體受力，后澆筑的STC(超韌性混凝土)層又參與組合橋面的受力，三者相互影響，為使所有結(jié)構(gòu)受力合理，特別是不能使STC施工過程中產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，需制定合理的施工工序和控制措施；大跨徑懸索橋?yàn)橹亓棵舾行徒Y(jié)構(gòu)，為控制現(xiàn)澆STC和鋪裝層重量，同時(shí)考慮到STC層總厚度相對(duì)于一般結(jié)構(gòu)較薄，STC層澆筑厚度不足將導(dǎo)致漏筋，STC澆筑過厚又會(huì)使得鋼筋相對(duì)位置發(fā)生較大變化，為保證STC性能滿足設(shè)計(jì)要求，DB43/T 1173-2016《鋼-超高韌性混凝土輕型組合結(jié)構(gòu)橋面技術(shù)規(guī)范》對(duì)其施工厚度和平整度提出了很高的要求，而鋼橋面板不可避免地會(huì)產(chǎn)生變形，了解變形產(chǎn)生的原因和影響大小，并針對(duì)性地采取措施，對(duì)控制STC的澆筑厚度至關(guān)重要。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

洞庭湖大橋主橋采用雙塔雙跨板桁結(jié)合型鋼桁梁懸索橋，加勁梁跨徑組成為(1 480+453.6) m，主梁全長(zhǎng)1 933.6 m。橋面系寬33.5 m，鋼桁加勁梁全寬35.4 m，梁高9 m，節(jié)間長(zhǎng)度8.4 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度16.8 m，重量約320 t，全橋共有115個(gè)節(jié)段。索塔采用門式框架塔，岳陽側(cè)高203.088 m，君山側(cè)高206.088 m；索塔單塔柱下設(shè)40根D300 cm樁基礎(chǔ)。兩岸錨碇均為地連墻基礎(chǔ)重力式錨。岳陽側(cè)索塔處及君山錨碇處梁端設(shè)豎向支座和橫向抗風(fēng)支座；君山側(cè)索塔處加勁梁設(shè)橫向抗風(fēng)支座。洞庭湖大橋總體布置見圖1，加勁梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見圖2。

圖1 洞庭湖大橋總體布置示意(除標(biāo)高單位為m外，其余單位：cm)

圖2 加勁梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：mm)

1.2 橋面系構(gòu)造及施工方案

洞庭湖大橋橋面構(gòu)造為：12 mm鋼橋面板+45 mm STC層+40 mmSMA13瀝青層，即將常規(guī)的正交異性鋼橋面系轉(zhuǎn)化為鋼-超高韌性混凝土輕型組合橋面系。鋼橋面板上焊接φ13 mm×35 mm焊釘，焊釘標(biāo)準(zhǔn)間距150 mm；STC結(jié)構(gòu)層里布設(shè)φ10@37.5 mm HRB400鋼筋網(wǎng)，橫向鋼筋須布置在上層，鋼橋面上現(xiàn)澆45 mmSTC層。為改善路面適用性能、減少高強(qiáng)度STC 對(duì)車輪的磨損，提供良好的行車舒適性，在STC 層上設(shè)置40 mm 厚SMA-13 瀝青鋪裝作為磨耗層。瀝青鋪裝前需對(duì)STC頂板進(jìn)行拋丸糙化處理，并涂刷環(huán)氧樹脂黏層。橋面系結(jié)構(gòu)見圖3。

2 STC施工應(yīng)力控制

2.1 壓重影響

大跨徑懸索橋結(jié)構(gòu)體系柔度大，荷載作用下變形大，洞庭湖大橋鋼桁梁施工過程中豎向變形如圖4所示。鋼桁梁吊裝完畢后主跨跨中上撓4.3 m，且在君山索塔位置鋼梁線形發(fā)生轉(zhuǎn)折。假設(shè)STC在初凝前能一次性澆筑完成，在不壓重的情況下，STC的施工次應(yīng)力如圖5所示，君山索塔附近將產(chǎn)生最大約2 MPa的拉應(yīng)力。該橋橋面系為組合結(jié)構(gòu)，STC層參與整體受力，運(yùn)營(yíng)狀態(tài)在最不利工況(恒載+溫度+橫向極限風(fēng)荷載)作用下，STC應(yīng)力在君山索塔附近將比較高。為增加STC在運(yùn)營(yíng)階段的應(yīng)力儲(chǔ)備，應(yīng)盡量降低施工階段的損耗。綜合考慮后，在設(shè)計(jì)文件中規(guī)定了由施工引起的STC次拉應(yīng)力不超過0.5 MPa。

圖3 鋼-STC輕型組合橋面構(gòu)造

因此，為減小STC施工次應(yīng)力，有必要在施工中采取壓重措施，以減小鋼桁梁的變形。

圖4 鋼桁梁施工過程豎向變形

圖5 STC不壓重一次澆筑應(yīng)力增量

2.2 施工分塊及壓重優(yōu)化

洞庭湖大橋首次在大跨徑懸索橋上采用鋼-STC組合結(jié)構(gòu)。STC層的施工面積約6.5萬m2，考慮施工工藝、設(shè)備能力，STC分塊澆筑，單塊澆筑面積約6 000 m2，橫向接縫應(yīng)設(shè)置在桁架節(jié)間跨中位置，縱向接縫設(shè)置在橋梁中心線上，接縫處設(shè)置S形鋼板加強(qiáng)連接。為滿足工期要求，STC采用流水作業(yè)方式施工，流水施工應(yīng)按每4 d澆筑1段考慮，澆筑采用錯(cuò)開、間斷方式進(jìn)行，這樣可以使工期得到節(jié)約。STC分為 12 段進(jìn)行施工，最終采用的分塊方式見圖6，圖中數(shù)字序號(hào)即為攤鋪順序號(hào)。STC施工應(yīng)在全橋鋼梁剛結(jié)后進(jìn)行，其施工工序?yàn)椋汉附覵形鋼板→鋼板補(bǔ)焊栓釘→鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)→澆筑STC層→保濕養(yǎng)護(hù)→高溫蒸氣養(yǎng)護(hù)。全橋STC施工完成后，在STC層表面拋丸糙化處理，涂刷環(huán)氧樹脂黏結(jié)層，鋪裝層施工。

圖6 STC施工分塊示意(單位：m)

按圖6所示STC施工分塊及順序，對(duì)可能的幾種壓重方案進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同壓重方案STC應(yīng)力比較(拉應(yīng)力為正)

從圖7可以看出：

(1) 如果不壓重，STC將普遍產(chǎn)生拉應(yīng)力，最大將達(dá)3 MPa，且STC受力不均勻。

(2) 全壓重方案可以使除11#、12#塊以外的區(qū)域STC成橋后保持壓應(yīng)力，但君山索塔附近的11#、12#區(qū)域仍然存在拉應(yīng)力，最大超過1 MPa，該方案所需壓重荷載大，施工中需多次移動(dòng)壓重(STC施工前撤除，達(dá)強(qiáng)度后補(bǔ)壓鋪裝荷載)，工期要求長(zhǎng)，且由于該橋不能上下游同時(shí)澆筑，單幅STC澆筑過程中其自重與對(duì)應(yīng)幅的壓重不平衡，會(huì)產(chǎn)生額外的扭轉(zhuǎn)次應(yīng)力。

(3) 只壓STC自重的方案，除11#、12#塊以外的區(qū)域STC成橋后存在不超過0.5 MPa的拉應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求，但11#、12#區(qū)域拉應(yīng)力最大約1.5 MPa，不滿足要求，為解決該問題，提出了修正的部分壓重方案，即在11#、12#塊施工時(shí)采取額外的壓重措施。

(4) 修正部分壓重方案能很好地滿足設(shè)計(jì)要求，控制STC施工拉應(yīng)力不超過0.5 MPa，且大大簡(jiǎn)化了壓重工序，該方案合計(jì)壓重9 050 t，與全壓重方案需壓重15 650 t比，節(jié)約壓重荷載6 600 t。

2.3 實(shí)橋控制措施

修正部分壓重的具體方案為：

(1) 一般區(qū)域(君山索塔兩側(cè)共計(jì)約400 m以外區(qū)域)通過在全橋鋼橋面板上預(yù)加載STC層重量，然后在STC分塊澆筑過程中，通過等代替換的方式，逐步卸載，使STC施工過程中鋼桁梁線形保持不變，壓重布置見圖8。

(2) 特殊區(qū)域(君山索塔兩側(cè)共計(jì)約400 m以內(nèi)區(qū)域)因全橋STC重量和二期荷載在該范圍內(nèi)引起較大的變形，除預(yù)加載STC層重量外，還需通過在中邊跨已澆筑的STC層上施加額外壓重，壓重布置見圖9。

圖8 一般區(qū)域STC壓重總體布置示意(單位：m)

圖9 特殊區(qū)域STC壓重總體布置示意(單位：m)

實(shí)橋壓重見圖10，STC施工應(yīng)注意：

(1) 壓重荷載應(yīng)布置于STC重心，以免引起施工中鋼桁梁扭轉(zhuǎn)。

(2) STC終凝前應(yīng)防止橋面施工擾動(dòng)。

(3) 11#和12#塊區(qū)域STC全部蒸養(yǎng)完成后才能撤除特殊區(qū)域額外壓重。

圖10 實(shí)橋水箱壓重

3 鋼橋面板局部變形對(duì)STC施工的影響及控制措施

3.1 局部變形的影響

洞庭橋鋼橋面寬33.5 m，橫向跨度大，在加工制造、運(yùn)輸及安裝階段皆存在變形，多種因素的累積將引起較大的變形。局部變形的存在，一方面使STC澆筑厚度不均勻，如最小厚度按不低于設(shè)計(jì)值控制將引起重量增加，從而對(duì)主橋構(gòu)件產(chǎn)生不利影響，重量增加對(duì)主橋的影響結(jié)果見表1。

從表1可以看出：重量增加太多將引起索夾抗滑安全系數(shù)不足，主梁變形過大；另一方面使鋼筋保護(hù)層厚度大小不一，保護(hù)層厚度太小不能滿足耐久性要求，保護(hù)層厚度太大鋼筋又不能充分發(fā)揮作用，降低了STC局部受力性能。

表1 STC厚度增加對(duì)主橋結(jié)構(gòu)的影響

為了控制STC澆筑重量和質(zhì)量，以滿足整體和局部受力性能，對(duì)STC施工提出了以下要求：

(1) STC平均厚度超方控制在3 mm以內(nèi)，局部最小厚度不小于40 mm。

(2) 保證鋼筋網(wǎng)頂面的凈保護(hù)層在10～15 mm范圍內(nèi)。

為了解各種因素對(duì)橋面變形的影響大小，并在施工過程中對(duì)主要變形采取針對(duì)性的措施，下面對(duì)可能存在的影響因素進(jìn)行分析并提出應(yīng)對(duì)措施。

3.2 引起變形的因素

3.2.1 加工工藝誤差

橋面板塊制作精度是板桁組合結(jié)構(gòu)疊合精度的關(guān)鍵，是影響節(jié)段制作精度的因素之一。根據(jù)鋼板軋制能力和制作需要，對(duì)橋面板和橫梁進(jìn)行分塊制作，具體分塊方案見圖 11。工廠高程測(cè)點(diǎn)在半幅橋面上僅有5個(gè)控制點(diǎn)。

圖11 橋面板制造分塊示意(單位：mm)

橋面板制作精度要求中，控制橋面板高差主要是橋面各點(diǎn)標(biāo)高和橋面板平面度兩項(xiàng)。橋面各點(diǎn)標(biāo)高：±4.0 mm。橋面板塊平面度：縱向，橫肋間距/500且≤3.0 m；橫向，縱肋間距/300且≤1.5 mm。 按照上述要求上限值計(jì)算的加工誤差如下：

(1) 橋面設(shè)計(jì)橫坡為2%，半幅橫向距離為16 930 mm，因標(biāo)高最大偏差±4 mm引起的橫坡誤差為±0.05%。

(2) 橋面板平面度偏差的影響主要體現(xiàn)在鋼板對(duì)接焊縫處，縱肋間距為600 mm，按允許最大偏差1.5 mm計(jì)算，如果兩鋼板對(duì)接時(shí)存在折角，折角最大將達(dá)到arctg(1.5/300)=0.286°，從而導(dǎo)致最寬3 600 mm的板兩側(cè)高程產(chǎn)生18 mm的誤差。

綜上可見，由于工廠高程控制點(diǎn)半幅橋面僅選取了有限的5個(gè)點(diǎn)，且這些位置受桁梁桿件的約束作用強(qiáng)，不易產(chǎn)生較大的變形，使得各點(diǎn)標(biāo)高偏差對(duì)橋面板橫向各點(diǎn)標(biāo)高影響不大；而橋面板組裝時(shí)非桁架桿件連接處豎向約束小，對(duì)于較寬的板即使很小的焊接轉(zhuǎn)角變形也能引起不容忽視的橋面標(biāo)高誤差，而僅通過平面度偏差的限制無法避免這些誤差的產(chǎn)生。

3.2.2 支撐條件

鋼桁梁在工廠組拼胎架、運(yùn)梁棧橋及起吊安裝后，所受支撐條件不同，鋼橋面板的變形也不同。按組拼胎架的測(cè)量結(jié)果控制的橋面高程，現(xiàn)場(chǎng)安裝后會(huì)發(fā)生高程變化，支撐條件對(duì)橋面變形的影響見圖 12。

從圖12可以看出：當(dāng)在組拼胎架上支撐較多時(shí)，橋面板變形較小，當(dāng)?shù)跹b就位僅由吊索支撐時(shí)，變形較大，兩者在橫橋向跨中位置最大相差約3 mm。

3.2.3 測(cè)量環(huán)境溫度

橋面標(biāo)高測(cè)量應(yīng)選取氣溫相對(duì)穩(wěn)定，且不受陽光直曬的時(shí)段進(jìn)行。但鋼桁梁制造安裝時(shí)間長(zhǎng)，跨越不同季節(jié)，且制造和安裝地點(diǎn)相距甚遠(yuǎn)，氣候條件不同，難以采用統(tǒng)一的測(cè)量溫度。測(cè)量溫度對(duì)橋面板標(biāo)高的影響結(jié)果見圖13。

圖12 支撐條件對(duì)橋面變形的影響

圖13 測(cè)量環(huán)境溫度對(duì)橋面變形的影響

從圖13可以看出：均勻溫度變化對(duì)橋面板變形影響很小，可忽略不計(jì)。

3.3 橋位實(shí)測(cè)變形

鋼桁梁合龍后，STC施工前，通過高程測(cè)量掌握STC澆筑前鋼橋面的實(shí)際高程、縱橫坡等情況，為后續(xù)STC澆筑的厚度、重量及標(biāo)高等各項(xiàng)指標(biāo)控制提供依據(jù)。鋼橋面測(cè)點(diǎn)縱橋向布置在橫梁及橫隔板對(duì)應(yīng)的位置，橫橋向以橫向跨中為基準(zhǔn)線，均勻布置。標(biāo)準(zhǔn)梁橫斷面的測(cè)點(diǎn)分布見圖14。

圖14 橋面橫斷面高程測(cè)點(diǎn)布置(單位：mm)

以B3梁段為例，橋面相對(duì)變形數(shù)據(jù)見圖 15，圖中以K點(diǎn)和L6/R6點(diǎn)的連線作為實(shí)測(cè)橫坡，其余點(diǎn)相對(duì)該連線的高差作為相對(duì)變形，負(fù)數(shù)表示橋面板下凹。

從圖15可以看出：主要由于上一節(jié)所述加工工藝誤差的存在，使得橋面板整體呈現(xiàn)折線形，整體平面度較差，且一個(gè)梁段內(nèi)縱向不同位置變形都不一致。

圖15 橋面實(shí)測(cè)相對(duì)變形(單位：mm)

3.4 施工解決措施

3.4.1 基本思路

鋼-STC輕型組合結(jié)構(gòu)橋面是鋼桁梁的主體結(jié)構(gòu)，STC的最小厚度和鋼筋及栓釘?shù)鹊谋Ｗo(hù)層厚度是組合結(jié)構(gòu)超高力學(xué)性能和耐久性能的重要保證。同時(shí)，懸索橋?yàn)橹亓棵舾薪Y(jié)構(gòu)，STC厚度的變化將導(dǎo)致橋面恒載發(fā)生變化，對(duì)主橋受力產(chǎn)生影響。但由于橋面平整度較差，對(duì)STC澆筑厚度、重量及標(biāo)高等各項(xiàng)指標(biāo)控制提出了挑戰(zhàn)。為解決該難點(diǎn)，針對(duì)洞庭湖大橋STC施工采用的整平機(jī)，提出了“曲線調(diào)坡”法和“直線調(diào)坡”法，整平機(jī)及軌道構(gòu)造見圖 16，軌道縱向6 m一道，連接位置高程可調(diào)，整平板橫向分成多塊，每塊高程可調(diào)。

“曲線調(diào)坡”是通過各梁段的測(cè)量結(jié)果，利用梁段的直線擬合縱坡調(diào)節(jié)軌道線形，利用全部橫斷面的平均多項(xiàng)式擬合橫坡調(diào)節(jié)每塊整平板的橫坡，實(shí)現(xiàn)各個(gè)斷面的線形基本與橋面線形一致，從而確保橋面各點(diǎn)的STC厚度滿足要求?！爸本€調(diào)坡”與“曲線調(diào)坡”的區(qū)別僅在于橫向不分段調(diào)整整平板坡度，其取值為一條直線。下文以一次澆筑的B3～B20梁段“曲線調(diào)坡”為例說明調(diào)坡過程。

圖16 整平機(jī)及軌道構(gòu)造示意(單位：m)

3.4.2 調(diào)坡過程

調(diào)坡過程如圖17所示。

具體流程為：① 橫坡擬合。對(duì)每個(gè)測(cè)量橫斷面都進(jìn)行橫坡線性擬合；② 高差的多項(xiàng)式擬合。高差=橫

圖17 調(diào)坡流程示意

坡擬合后標(biāo)高-橋面測(cè)量標(biāo)高，采用橫向各個(gè)測(cè)量位置縱向整個(gè)澆筑段的高差平均值進(jìn)行橫向多項(xiàng)式擬合，相當(dāng)于一次澆筑整平板標(biāo)高采用統(tǒng)一值，施工過程中不再調(diào)整；③ 橫坡調(diào)整。 對(duì)高差進(jìn)行多項(xiàng)式調(diào)整，如測(cè)點(diǎn)負(fù)高差仍大于3 mm，對(duì)其所在橫斷面再次進(jìn)行直線插值調(diào)整；④ 軌道縱坡調(diào)整。單個(gè)節(jié)段內(nèi)縱坡分兩段進(jìn)行直線擬合，并根據(jù)擬合后的軌道標(biāo)高現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整軌道安裝高程。

STC澆筑厚度按45 mm控制，B3～B20梁段經(jīng)調(diào)整后，STC最小厚度為37.8 mm，最大厚度為60.5 mm；超過50 mm的點(diǎn)數(shù)為64個(gè)，占總數(shù)的8.7%，小于40 mm的點(diǎn)數(shù)為6個(gè)，占總數(shù)的0.8%；STC厚度平均值為45.7，理論超方1.6%。

3.4.3 調(diào)坡方法對(duì)比

直線調(diào)坡與曲線調(diào)坡類似，區(qū)別僅在于不進(jìn)行高差的多項(xiàng)式擬合，即橫向不分段調(diào)整整平板坡度，其取值為一條直線。兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表2，綜合考慮后，洞庭湖大橋采用了“直線調(diào)坡”法，STC最小厚度原則不低于40 mm，鋼筋保護(hù)層厚度為10～15 mm，STC實(shí)際超方量為4.7%。

4 結(jié)論

洞庭湖大橋首次在大跨徑懸索橋上采用鋼-STC組合結(jié)構(gòu)，由于STC參與整體受力，且其厚度控制嚴(yán)格，對(duì)STC施工提出了更高的要求。通過該文的分析，可以得出以下結(jié)論：

(1) 大跨徑懸索橋橋面系采用鋼-STC組合結(jié)構(gòu)時(shí)，施工影響因素多，為減小STC施工次應(yīng)力的產(chǎn)生，有必要進(jìn)行施工配重。控制STC澆筑厚度的鋼橋面板平整度誤差主要由加工制造誤差引起，目前的偏差指標(biāo)不足以限制較大誤差的產(chǎn)生。

(2) 針對(duì)鋼橋面平整度問題，結(jié)合施工設(shè)備的可調(diào)性，STC施工中提出了“曲線調(diào)坡”和“直線調(diào)坡”法，“曲線調(diào)坡”擁有更高的精度，“直線調(diào)坡”法具有更好的操作性，綜合考慮，洞庭湖大橋采用了“直線調(diào)坡”法，有效控制了STC厚度和超方量，達(dá)到了較好效果。

(3) 該文的研究成果適用于所有橋梁。只是對(duì)于懸索橋這種主要由重力剛度提供整體剛度的橋梁，其恒載重量對(duì)結(jié)構(gòu)影響更大，因此按該文介紹的方法對(duì)橋面系施工重量進(jìn)行精確控制意義更大。