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1任务来源及说明

超高性能轻型组合桥面结构技术规程

编

制

说

明

规程编制组

2015年3月

《超高性能轻型组合桥面结构技术规程》编制说明

 1、任务来源及说明 

本项目来源于广东省交通运输厅2011年科技计划项目，任务来源于广东省交通运输厅政府引导性项目，项目编号：

科技-2013-03-017。

钢桥的桥面多采用正交异性钢桥面板，这种桥面结构于1948年在德国首创，具有构件质量轻、运输与架设方便、施工周期短等特点，60多年来这种轻型的钢桥面已成为钢桥，尤其是特大跨桥梁的首选桥面形式。

但是经多年使用后，发现正交异性钢桥面存在两个世界性难题：

（1）钢桥面沥青混凝土铺装极易损坏；

（2）正交异性钢桥面板中主要构件间的焊缝易出现疲劳开裂。

上述两个难题是正交异性钢桥面所固有的，归纳而言，主要有以下三方面的原因：

（1）正交异性钢桥面的构造特点决定了其局部刚度较低，这是引发两种病害的主要原因；

（2）超载车的影响颇为关键；（3）其他诸如施工、夏季高温环境影响等因素不容忽视。

因此，一般来说，工程人员可从优化钢桥面构造细节、提高沥青铺装材料性能、严格要求施工、治理超载等方面来减少或减缓正交异性钢桥面系上述两类病害问题的发生。

但这些措施均不能治本。

无疑，如果能在钢桥面上铺设水泥基材料，则可提高桥面板刚度，大幅度降低应力幅，有助于解决钢桥面板疲劳开裂问题。

例如在荷兰和日本，分别将RHPC（ReinforcedHighPerformanceConcrete）和SFRC（SteelFiberReinforcedConcrete）作为钢桥面铺装，以期减少正交异性钢桥面疲劳开裂病害。

根据试验结果和实桥应用效果，这种方法能够降低车载作用下钢桥面构造细节中的应力，有助于提高钢桥面的抗疲劳寿命。

然而，由于种种原因，这些混凝土铺装在运营中出现了开裂现象。

当铺装层开裂后，改善效果自然会被削弱。

为综合解决钢桥面板的前述两大难题，本项目研发了超高韧性混凝土（SuperToughnessConcrete,STC），与钢桥面共同形成正交异性钢板-薄层超高韧性混凝土组合桥面结构（简称“超高性能轻型组合桥面结构”）。

首先通过栓钉将现浇的STC层与钢桥面板形成永久性组合桥面结构，然后在STC层上铺筑铺装层（图0-4）。

STC以改性的活性粉末混凝土RPC为基体材料，同时密布钢筋网，以获得超高的抗拉性能，能够适应钢桥面上的高应力状态。

前期研究和试验表明，STC的抗拉强度可达42.7MPa，远高于常规的水泥混凝土材料。

超高性能轻型组合桥面结构构造示意图

与传统正交异性钢桥面板相比，超高性能轻型组合桥面结构的局部刚度显著提高，进而大幅度降低了正交异性钢桥面各构造细节处的活载应力，从而可基本消除疲劳开裂的风险。

同时，与价格昂贵且需经常更换的沥青混凝土铺装相比，超高性能轻型组合桥面结构的使用寿命长，具有更优的耐久性，解决了钢桥面沥青铺装破损的难题。

因此，本研究从根本上综合解决了钢桥面板中的两类典型病害问题，具有重大的工程意义和应用价值。

2、标准制定的目的和意义

解决正交异性钢桥面疲劳破损的难题。

将专利技术上升为标准技术，利于推广。

3、编制过程

Ø2010年7月起：

对超高性能轻型组合桥面开展大规模试验研究；

Ø2011年11月：

首次应用于广东肇庆马房大桥上；

Ø2013年3月：

成立规程编写组、制定了详细工作计划；

Ø2013年11月26日：

通过交通运输厅组织的开题报告评审；

Ø征求意见稿：

深化前期研究和应用成果，按工作导则编制初稿，经多次讨论并邀请相关专家及从业人员座谈，形成征求意见稿；

Ø2014年3月：

将征求意见稿送专家，以及设计、高校、业主、施工等单位征求意见，修改征求意见稿，形成送审稿；

Ø2014年7月17日：

广东省交通运输厅组织召开项目中期审查会。

Ø2015年3月20日：

广东省交通运输厅支持召开了项目验收会议

4、编制原则和依据

一、编制原则

适用性原则：

指导超高性能轻型组合桥面结构设计、施工、验收的实用性技术文件。

可操作原则：

对规程条文的对象进行深入分析并经实践检验可行。

可检查（或检验）原则：

重点关注超高性能轻型组合桥面结构施工质量全过程可检查（或检测、检验）的实现。

系统性原则：

从设计、施工、验收各环节的内在联系入手，同时避免规程与现行规范之间发生矛盾和冲突。

二、编制依据：

GB/T1.1-2009标准化工作导则第1部分：

标准的结构和编写

JG/T3064钢纤维混凝土

JTGD60-2004公路桥涵设计通用规范

GB/T714-2008桥梁用结构钢

GB50917—2013钢-混凝土组合桥梁设计规范

EN1993-1-9:

2005Eurocode3：

Designofsteelstructures—Part1-9：

Fatigue

AASHTO:

2007AASHTOLRFDBridgeDesignSpecifications（SIunit,the4thEdition）

AFGC:

2013UltraHighPerformanceFibre-ReinforcedConcrete:

Recommendations（法国UHPC规范）

5、主要内容

5.1总则

本规程适用于以超高性能轻型组合桥面结构作为桥面体系的桥梁结构，包括新建桥梁和大中修桥梁钢桥面改造。

本规范采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，按分项系数的表达式进行设计。

超高性能轻型组合桥面结构按STC不开裂进行设计，设计基准期与主体桥梁一致。

5.2构成体系

超高性能轻型组合桥面结构主要由正交异性钢桥面板、超高韧性混凝土层组合而成，超高性能轻型组合桥面结构顶面可铺设面层（沥青混凝土铺装层），如图2.1.2所示。

图2.1.2超高性能轻型组合桥面结构示意图

5.3材料

（1）STC的组成部分包括水泥、粉煤灰、石英砂、石英粉、钢纤维、减水剂和水，其中水胶比宜为0.16~0.22；

（2）配筋对改善STC基本力学特性的作用显著，STC的强度等级应按照配筋和不配筋进行区分。

（3）不配筋STC的强度等级应按抗弯拉强度划分，分为STC22、STC25、STC28三个等级。

（4）STC现浇接缝的弯拉应力容许值按STC连续浇筑处弯拉应力容许值的0.65倍取值。

5.4设计

5.4.1设计流程和内容

5.4.2承载能力极限设计

（1）抗弯承载能力计算

（正弯矩作用）

（正弯矩作用）

（2）整体稳定计算

U型加劲肋抗扭刚度较大，一般不需要进行整体稳定计算，若采用开口加劲肋（如倒T型钢、角钢等），应进行整体稳定计算

（3）疲劳验算

总体原则：

疲劳验算应涵盖STC连续浇筑处、STC现浇接缝、钢桥面板中的疲劳细节、抗剪栓钉等各个构件。

各构件均按照500万次疲劳寿命进行设计，钢桥面板的疲劳验算基于热点应力法。

依据是《公路钢结构桥梁设计规范》报批初稿。

（4）STC层疲劳强度取值

STC层的疲劳强度以容许等效最大应力水平定义，具体指STC层的等效最大名义应力与其静力名义弯拉应力容许值之比。

500万次疲劳寿命时STC的容许等效最大应力水平为0.48。

200万次为0.51。

STC层的疲劳细节及分类

500万次

疲劳强度

（MPa）

200万次

疲劳强度

（MPa）

细节位置及示意图

细节描述和施工要求

0.48

0.51

STC层连续区域

1）STC层连续浇筑。

0.48

0.51

②

STC接缝区域

②

2）先浇-后浇交界区域，设置STC接缝。

5.4.3正常使用极限状态设计

应根据正常使用极限状态的要求进行短暂状况和持久状况的计算。

持久状况设计：

应验算截面应力、抗裂性和挠度。

短暂状况设计：

应验算截面应力。

（1）应力验算

宜按线弹性计算，考虑总体和局部荷载效应的叠加。

对STC层顶面和钢主梁下翼缘应力进行计算：

STC层顶面应力：

钢主梁下翼缘应力：

对STC层现浇接缝处的拉应力进行计算，STC接缝应设置在低拉应力区，如两横隔板之间。

（2）栓钉应力验算

建立整体和局部计算模型，并将计算结果进行叠加。

计算模型宜以弹簧单元模拟栓钉；考虑由车轮竖向荷载和车轮刹车水平荷载。

（2）STC抗剪验算

总体原则是，确保STC层的裂缝宽度小于0.05mm，STC连续浇筑处的设计拉应力不得大于本规程表3.1.14规定的配筋STC的名义弯拉应力容许值，STC接缝处的设计拉应力不得大于本规程表3.1.15规定的接缝STC的名义弯拉应力容许值

（3）挠度验算

整体挠度应按照《钢-混凝土组合桥梁设计规范》GB50917—2013中第6.3节计算。

桥面系的局部挠度计算图示如下：

局部挠度验算加载示意图

5.4.4抗剪栓钉设计

栓钉应保证STC与钢主梁能有效组合和共同承担作用，还需满足STC层厚度薄的重要特性。

剪力连接件疲劳验算应符合本规程第5.4节的规定，栓钉连接件的抗剪S-N曲线斜率m=8。

5.4.5构造要求

◆桥梁的钢面板厚度不宜小于12mm

◆STC层的厚度不宜小于35mm

◆钢筋直径不宜小于10mm，钢筋中心间距不宜大于50mm

◆最小STC保护层厚度不宜小于10mm

◆栓钉的钉柱直径不宜小于9mm

◆当桥面纵肋腹板间距≤300mm时，栓钉的纵、横桥向间距宜为140-160mm；

◆当桥面纵肋腹板间距＞300mm时，栓钉的纵、横桥向间距宜为120-140mm。

5.5施工

（1）大中修钢桥面改造施工流程：

（2）新建钢桥面施工流程：

5.6验收

本节规定了超高性能轻型组合桥面结构各原材料及工序的质量检验内容及指标。

超高性能轻型组合桥面结构质量检验贯穿施工中的每一道工序，即在施工过程中须对各道工序进行检验，确保质量合格后方可进入下一道工序。

6、应用情况

超高性能轻型组合桥面结构分别于2011年11月于肇庆马房大桥第11跨和2014年12月于新建佛山三跨钢箱连续梁佛陈大桥上应用，马房大桥已运营超过3年，在改善现有问题上取得显著效果。

7、与有关法律、法规及强制性标准的关系

本标准与现行法律、法规和强制性标准没有冲突。

8、标准在编写过程中意见分歧情况

本标准在编写过程中没有重大意见分歧。

9、经济效益及社会效益 

钢桥是一种重要的桥梁结构形式，而钢桥面的两类典型病害问题影响着钢桥的耐久性，增加了运营成本，成为亟需解决的难题。

本项目的研究成果将彻底解决这两类病害问题。

现以虎门大桥钢桥面为例计算静态直接经济效益：

环氧沥青等钢桥面铺装的价格约1600元/平方米，寿命平均约8年，100年内需更换12次，总价C1:

C1=1600×888m×30m×12次＝5.11亿元

而超高性能轻型组合桥面结构的单价为2200元/平方米，其中STC寿命100年，磨耗层寿命约8年，100年内只需更换16次磨耗层，单价为80元/平方米，总价C2:

C2=2200×888m×30m＋80×888m×30m×12次＝0.84亿元

静态直接经济效益C1-C2=4.27亿元。

平均每年节省维护投资大于500万元。

同时，超高性能轻型组合桥面结构消除了钢结构疲劳开裂风险，将带来巨大的效益。

此外，由于钢桥面的两类典型病害问题的已解决，桥梁在运营中的维护规模，以及在维护中对交通的阻断将大大减小，将产生潜在的经济和社会效益。