运营20年的宜昌长江大桥旧钢桥面成功升级改造

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▲ 《脚下的信仰——公路养护》

宜昌长江公路大桥已运营20年，刚刚完成桥面加固升级改造，首次采用了带钢板条UHPC+薄层聚合物罩面(TPO)组合方案，以满足加固钢桥面和自重安全两方面的要求。其中带钢板条UHPC是继军山长江大桥后，第二次被采用的技术。面对桥面板疲劳裂纹无法完全修复的现实，该技术容许钢桥面带裂缝工作。

升级改造目标：

（1）桥面局部刚度大幅度提高；

（2）加固后钢桥面原有裂纹被抑制；

（3）UHPC层与主结构同寿命；

（4）磨耗层寿命显著延长。

工程背景概况

宜昌长江公路大桥是沪渝高速公路（G50）在湖北省宜昌市境内跨越长江的一座特大型桥梁，大桥为双塔单跨悬索桥（图1），跨径960m，两主缆中心间距为24.4m。于2001年9月建成通车，至今已运营20年。

图1 宜昌长江公路大桥

大桥加劲梁采用扁平流线形钢箱梁（图2），桥面全宽30.0m，中心梁高3m。桥面为正交异性钢桥面板，顶板厚12mm；行车道区桥面板采用U型加劲肋，U肋厚6mm、中心间距590mm；钢箱梁横隔板间距4.02m，无吊索横隔板厚10mm，有吊索横隔板厚12mm，每两道横隔板梁之间设有一道高450mm，板厚16mm的横向加劲肋。原沥青铺装为7cm厚双层SMA。

图2 宜昌长江公路大桥原设计标准横断面及桥面铺装图

由于重载交通量大，2009年起，宜昌长江公路大桥的钢桥面系陆续出现了两类病害问题。一方面，钢桥面沥青铺装出现了开裂、拥包、车辙、剥离等破损现象，导致行车安全性和舒适性降低。2010年，宜昌长江公路大桥的钢桥面沥青铺装进行了翻修，翻修后的铺装方案经过约10年的运营，再次出现了病害问题。

另一方面，正交异性钢桥面板于2014年发现疲劳开裂现象，根据第三方2016年检测结果，大桥整体状况较好，但钢桥面疲劳裂纹发展迅速，导致钢箱梁评分最低，亟需进行裂缝病害处治。钢桥面疲劳裂纹主要集中在以下位置：横隔板（横肋）顶部过焊孔周边开裂、U肋与钢面板纵向焊缝开裂、横隔板弧形开口处开裂、横隔板与钢面板横向焊缝开裂。

钢桥面疲劳裂纹免修复UHPC加固新技术

按国际上钢桥案例经验，运营20年的钢桥面将出现疲劳裂纹高发期。鉴于钢桥面大量裂纹难以完全修复，且修复后短期内复裂的风险大，在军山长江大桥2018年成功应用“钢桥面疲劳裂纹免修复UHPC加固新技术” （如图3）之后，经湖北省交通运输厅批准，宜昌大桥再次采用该技术对钢桥面进行全面升级改造，以期根本性改变已开裂钢桥面板的受力状态，并同步延长磨耗层的寿命。

图3 钢桥面疲劳裂纹免修复UHPC加固方案

大跨径桥梁钢桥面加固，需考虑自重及加固效果两方面。经过对表1~表3的比较，最终的加固方案采用55mmUHPC+10mmTPO（Thin Polymer Overlay，薄层聚合物罩面）。表中计算结果表明，在确保自重安全的前提下，8个疲劳细节（图4）加固后疲劳应力由加固前的55.28~286.81MPa，降至加固后的12.01~50.34MPa。

图4 疲劳细节位置

如表4可知，一旦钢面板出现纵向裂缝，UHPC底面的横向拉应力将陡然增加，如图5的试验表明，如果不设钢板条，UHPC底面的横向抗拉强度将难以满足要求。

图5 UHPC底有无钢板条对应力-裂缝宽度关系的影响

TPO是一种以改性环氧树脂为胶结剂，以坚硬耐磨玄武岩为集料的高性能超薄铺面结构。TPO厚度薄，不仅有效减轻了铺装自重，同时具有高抗剪强度和抗拉拔强度，如表5、6，能够提供长久的抗滑能力，服役寿命预计可达20年。

实桥施工

宜昌大桥维修加固工程于2021年8月5日开始，12月4日结束并开放交通。分两次分别浇筑上、下游幅桥面，在开始浇筑UHPC至蒸养结束的时段内封闭全桥交通（约7天），其他工序时保持半幅桥面交通的正常通行。桥面的工艺如下所示（图6）。UHPC从跨中往两端对称浇筑，首次实现了约20小时单次浇筑10250平米的高效施工新记录。

图6 宜昌大桥加固工程施工工序

TPO施工前，先对UHPC表面抛丸糙化处理，随后分两次摊铺胶结剂和集料（图7），即首先在UHPC层上刷涂第一层树脂，撒布第一层集料，然后重复进行第二层树脂和集料的铺筑。TPO施工工艺严格控制，平整度良好，保证了TPO首次用作UHPC上罩面层的成功。

图7 TPO层施工

实桥监测

为了监测实桥应用的效果，在大桥钢桥面加固施工的不同阶段，分别对大桥在原沥青铺装、无铺装（原沥青铺装铲除）、UHPC完工后，三种桥面状态下进行试验。如图8所示，加载车辆采用施工现场常见的后八轮装载车（后轴重36t），加载区域纵向跨越4个横隔板（横肋），横向包括5个U肋，三次荷载试验保证加载车重、加载工况、测点布置均相同。

图8 实桥监测试验

三次荷载试验应变数据采集完毕后，得到了各测点在三种不同桥面状态下的应力测试结果。实桥监测结果表明，相比于原铺装或无铺装桥面，钢-UHPC轻型组合桥面结构状态下的钢桥面应力显著降低。其中组合桥面与无铺装桥面相比：各疲劳细节应力降幅在28%~89之间，其中面板-U肋纵向焊缝部位应力降幅达89%，顶部过焊孔-U肋应力降幅达59%，横隔板弧形切口应力降幅达28% （图9）。因此，由于大幅提高了钢桥面的局部刚度，钢-UHPC轻型组合桥面结构显著降低了钢桥面各类疲劳细节的应力，既能有效抑制钢桥面现有疲劳裂纹的扩展，还能防止新疲劳裂纹的萌生，从根源上降低了钢桥面的疲劳病害风险。

图9 桥面系主要疲劳开裂细节不同桥面状态下典型测点应力

交工验收

12月21日，建设单位宜昌长江大桥建设营运集团有限公司在湖北宜昌组织召开了宜昌长江公路大桥钢箱梁维修加固工程验收会（图10），邀请了多位专家和有关单位代表参加。验收委员会听取了相关单位的工作汇报，查看了工程现场，查阅了验收文件和内业资料，审议了监理单位的质量评定意见，经讨论后一致同意宜昌长江公路大桥钢箱梁维修加固工程通过验收。

图10 工程验收会议（左）及多位专家赴实桥现场参观（右）

结语

我国大跨径钢桥的规模化建设始于上世纪90年代，经过长年运营，陆续步入了钢桥面疲劳开裂病害的高发期，而钢桥面一旦出现疲劳开裂问题，往往具有隐蔽性、多发性、反复性等复杂特点，给钢桥面的检测和加固带来困难。本项目采用的带钢板条UHPC+TPO方案能够在不明显增加自重的前提下，从根源上扼制钢桥面裂纹开裂病害的恶化，大幅延长大跨径钢桥的使用寿命。军山大桥长期监测表明，原钢桥面裂纹不再发展。新技术为我国早期修建的大跨径钢桥桥面加固改造提供了新思路。

本项目主要参与单位：

主管：湖北省交通运输厅

业主：宜昌长江大桥建设营运集团有限公司

设计：湖北省交通规划设计院股份有限公司

施工：中铁大桥局集团有限公司

科研：湖南大学

检测：葛洲坝集团试验检测有限公司

作者 / 邵旭东 曹君辉 王洋 杨碧川 李嘉

作者单位 / 湖南大学

编辑 / 裴小吟

美编 / 赵雯

责编 / 裴小吟

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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