受损钢桥面加固延寿有“新招”——运营20年的宜昌长江公路大桥旧钢桥面升级改造

随着我国桥梁数量的增加和使用年限的增长，桥梁“老龄化”问题逐步显现，对桥梁的耐久性和安全性提出了新的挑战。与之相适应，近年来，我国桥梁养护技术也取得了显著进步，从过去的“重建轻养”到如今的“建养并重”，桥梁养护进入了一个新的发展阶段。未来，如何高效养护桥梁、充分发挥其社会经济价值，并降低全寿命周期的养护成本，是桥梁养护管理领域的重要导向。为应对挑战，需要通过新技术、新工艺、新材料、新设备的创新研发，提升桥梁养护的科学性和效率，确保桥梁在其服役期内始终保持良好的性能。

我国高速公路网中，跨越江河湖海及深切峡谷的关键节点，很多采用了大跨径钢桥，钢桥的飞速发展成为我国公路交通桥梁建设发展的重要标志。但钢桥桥面长期遭受两大病害的困扰：

（1）钢桥面易疲劳开裂，通常运营15年左右就会出现较严重的开裂病害；

（2）钢桥面沥青铺装频繁破损，往往运营约10年就出现开裂、推移、坑槽等病害（图 1）。特别是对于长期服役、带病运营的大跨径钢桥，如何根治钢桥面的两大病害难题，使其服役寿命达到百年以上，是世界性难题，也是国家重大需求。

图 1 钢桥桥面的两大病害难题

造成上述病害的根本原因是钢桥面局部刚度低，在重载车作用下局部变形大、应力集中现象严重。解决问题的唯一出路是在不增加自重的前提下，大幅提高桥面系的局部刚度。因此，笔者团队于2010年率先提出在钢桥面上增设超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete，UHPC）薄层，形成一种钢-薄层UHPC轻型组合桥面结构。构建了考虑UHPC应变硬化-配筋-钢板协同工作的—薄层UHPC组合桥面新体系静力/疲劳计算理论和设计方法，目前，轻型组合桥面结构在我国已应用于200余座桥梁。

然而，我国90年代修建的大量枢纽性钢桥桥面服役已超过20年，钢面板存在大量穿透型裂纹以及难以侦测的隐形裂纹，且裂纹无法完全修复。此时，传统轻型组合桥面结构尚不能直接应用于长期服役受损钢桥的加固，主因是：UHPC层较薄（仅4560mm），只能布设纵横两层钢筋，当桥面横向受弯时，横向钢筋靠近UHPC顶面，以抵抗负弯矩下的拉应力，UHPC底面横向抗拉则由钢面板承受。对于受损的钢桥面，由于钢面板裂纹无法修复至完好，失去了协助UHPC底面抗拉的作用，导致UHPC底面横向抗拉不能满足受力要求（图 2）。因此，传统钢-UHPC轻型组合桥面结构不能直接用于加固长期服役受损的钢桥面，必须对UHPC底面的横桥向抗裂性能进行强化。

图 2 钢面板受损对UHPC层底面横向拉应力影响

鉴于此，笔者团队又提出一种应用于长期服役受损钢桥面加固的钢板条-UHPC组合桥面新结构。新结构由原钢桥面板、焊接有短栓钉的钢板条和UHPC薄层组合而成（图3）。焊接栓钉的钢板条作为横向加劲UHPC薄层抗拉的主要构造，沿横向布置在原钢面板之上。钢板条与钢面板之间采用临时连接方式，包括点焊、胶黏等非传力连接。钢板条埋于UHPC薄层的下缘，通过短栓钉作为抗剪连接件与现浇UHPC薄层协同受力。钢板条-UHPC组合桥面保留了传统轻型组合桥面结构中的密配钢筋网、原钢桥面栓钉、UHPC薄层之上的沥青磨耗层等。

图 3 钢板条-UHPC组合桥面结构（尺寸单位：mm）

在抗裂性能方面，笔者团队开展了钢板条-UHPC组合桥面新结构与传统轻型组合桥面结构的静力对比试验。结果表明，钢板条对UHPC底面裂缝的抑制作用明显，当UHPC底面裂缝宽度达0.05mm时，新结构的UHPC名义开裂应力为43.2MPa，而传统结构仅为8.9MPa，提升4余倍（图 4a）。相比实桥有限元计算所得的12.9MPa设计拉应力，新结构中的UHPC层抗裂强度具备足够的安全性。在疲劳性能方面，针对新结构开展了1000万次疲劳试验，试验应力幅控制为22MPa，当裂缝宽度达到0.04mm时，已完成800万次应力循环（图 4b）。若以UHPC层最大裂缝宽度0.05mm作为疲劳损伤极限，表明UHPC层具备800万次的疲劳寿命，对于钢桥面500万次的常幅疲劳极限，UHPC的疲劳寿命更长。同时，UHPC与钢板条、钢面板之间始终未出现滑移破坏，三者相结合组成了永久性组合桥面结构。

图 4 钢板条—UHPC组合桥面新结构基本性能

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，总厚度通常为7～10mm，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（表 1），能够提供长久的抗滑能力，温度稳定性好、无车辙和推移破坏。根据《NCHRP Synthesis 423: Long-Term Performance of Polymer Concrete for Bridge Decks》中的研究，其服役寿命为15～20年。TPO施工前，需先对UHPC表面抛丸糙化处理，随后分两次摊铺胶结剂和集料，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。

宜昌长江公路大桥是一座跨越长江的特大型桥梁，于2001年9月建成通车。大桥为双向四车道的双塔单跨钢箱梁悬索桥（图 5），主跨为960m，主缆垂跨比为1/10。大桥断面采用钢箱梁形式（图 6），截面全宽30m，梁高3m。桥面为正交异性钢桥面板，面板厚12mm；行车道区域桥面板采用U型闭口加劲肋，U肋厚6mm、中心间距590mm；横隔板间距4.02m，其中，无吊索处横隔板厚10mm、有吊索处12mm，每两道横隔板之间设有一道矮横肋，该横肋高450mm、厚16mm。

图 5 宜昌长江公路大桥立面图（尺寸单位：cm）

图 6 钢箱梁标准横断面图（尺寸单位：cm）

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，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，钢桥面于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。

宜昌长江公路大桥作为大跨径悬索桥，桥面加固改造的首要前提是满足自重要求。经过对大桥第一体系受力计算（表 2），对比多种加固方案，综合考虑整体受力影响与加固效果，最终采用55mmUHPC带80mm宽钢板条+10mmTPO的加固方案（图 7）。

图 7 长期服役受损钢桥面UHPC加固新结构

大桥维修加固工程于2021年8月5日开始，12月4日结束并全面恢复交通。维修加固过程中先施工上游幅桥面，再施工下游幅桥面。其中，每幅桥面施工时仅在浇筑UHPC及其蒸汽养护期间保持全桥交通封闭状态（约7d），其他工序始终维持半幅桥面可正常通行。桥面的工艺主要包括（图 8）：①铣刨钢桥面既有沥青铺装层→②钢桥面板喷砂除锈→③钢面板防腐涂装→④钢桥面板焊接栓钉→⑤粘贴钢板条→⑥防腐涂装补涂→⑦铺设钢筋网(含护栏处局部加强钢筋)→⑧浇筑UHPC层→⑨UHPC覆膜保湿养护→⑩UHPC高温蒸汽养护→?UHPC层表面抛丸→?洒布TPO粘结料剂→?撒布碎石→?开放交通。施工中，采用布料和整平一体化施工装备，通过精准布料技术严控薄层UHPC的厚度和平整度，将薄层UHPC表面平整度控制在3mm以内，并首次实现了约20h单次浇筑10250m2的高效施工新纪录。

图 8 宜昌长江公路大桥加固工程施工工序

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，分别对大桥无铺装（原沥青铺装铲除）、UHPC完工后的两种桥面状态开展现场测试。结果表明，相比无铺装桥面，组合桥面结构状态下钢桥面应力显著降低。各疲劳细节应力降幅在36%~89%之间，其中面板-U肋纵向焊缝部位应力降幅89%，顶部过焊孔-U肋应力降幅54%，横隔板弧形切口应力降幅36%（图 9）。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 组合桥面应用前后钢桥面疲劳细节应力降幅

我国从20世纪90年代开始兴建大跨径钢桥，但随着服役时间的增长，这些钢桥普遍面临钢桥面板疲劳开裂且难以修复的窘境，亟需形成有效的加固对策。为解决长期服役、带病运营钢桥面的加固维修难题，笔者团队率先研发成功钢板条-UHPC组合桥面新结构。新结构具有优异的抗裂与抗疲劳性能，大幅降低钢桥面的疲劳应力幅，根本性抑制钢桥面裂纹快速发展势头，TPO超薄磨耗层满足了大跨径悬索桥桥面加固对自重的要求。同时，发明的布料和整平一体化施工装备以及智能养护装备，满足了在役桥梁交通不中断的加固改造需求，为新结构的规模化应用提供了可靠保障，也为长期服役受损钢桥面的加固改造提供了切实可行的手段。