钢－超韧混凝土STC在大跨径桥梁的应用

钢－超韧混凝土STC在大跨径桥梁的应用

曾杰

湖南路桥建设集团有限责任公司   410000

摘要：基于超高性能混凝土UHPC，提出了钢－超韧混凝土STC (Super Toughness Concrete）轻型组合桥面结构，以大幅度提高钢桥面局部刚度，解决病害问题。钢超高韧性混凝土（STC）是一种纤维增强水泥基复合材料，力学性能和耐久性能优异。随着新材料研究的深入，UHPC因具有较强的耐久性、高的强度以及优异的抗渗性等特点，在工程中的应用日益增多，而被广泛地应用到工程项目中。杭瑞高速洞庭湖大桥为世界第一座采用钢－超韧性混凝土组合结构的千米级桥梁工程。该桥采用超韧高性能混凝土轻型组合桥面，大幅度提高桥面局部刚 度，有效解决了钢桥面板疲劳开裂风险、钢桥面沥青铺装易损两大世界性难题。

关键词：洞庭湖大桥，钢桥面，桥面铺装，STC超高韧性混凝土，

一、概述

大岳高速洞庭湖大桥是湖南省临湘至岳阳高速公路上的一座特大桥，位于洞庭湖入长江交汇处，大桥跨越湘江河道，建设条件复杂，规模宏大，是大岳高速的控制性工程。

图1大桥整体线路布置图

大桥全长2390.18m，主桥设计为（1480+453.6）m双跨钢桁加劲梁悬索桥，桥梁全宽36.1m，双向6车道，桥面布置为0.50ｍ（护栏）+15.5ｍ（行车道）+ 0.50ｍ（护栏）+0.5ｍ（中央分隔带） + 0.50ｍ（护栏）+ 15.5ｍ（行车道）+ 0.50ｍ（护栏）。

图2钢桁梁整体布置图

加劲梁设计采用由高强度、高韧性、高耐久性的超高韧性混凝土轻型组合桥面结构与主桁架结合而成的板桁结合型加劲梁，结合后的组合桥面系不仅解决了普通正交异性桥钢桥面疲劳和铺装层易破坏问题，而且使得组合桥面系桥面板参与受力，节省钢材、总体刚度大、抗风性能好、运营养护费用低、行车舒适；材料性能得到充分发挥，实现了桥梁轻型化和向大跨度方向发展。

图3桥面结构设计

二、钢－超高韧性混凝土（STC）组合桥面

超高韧性混凝土 super toughness concrete  (STC）是由水泥、矿物掺合料、细集料、钢纤维和减水剂等材料或由上述材料制成的干混料加水拌合，再经凝结硬化后形成的一种具有高抗弯强度、高韧性、高耐久性的水泥基复合材料，简称 STC。其配置机理是基于最大堆积密度理论，其组成材料不同粒径颗粒以最佳比例形成最紧密堆积，同时掺加微细的钢纤维提高其韧性和延性。

杭瑞高速洞庭湖大桥通过在钢桥面板上焊接剪力钉及绑扎钢筋网，再在上面浇筑STC，从而使钢桥面板和STC组合成一体，形成了钢－超高韧性混凝土（STC）组合桥面。在钢桁梁正交异性钢桥面上设置15×15cm间距的短栓钉，以解决STC与钢桥面间界面剪应力大的问题，确保STC层与钢板牢固结合；在栓钉间采用密配筋的方式，提高STC的抗拉强度和整体刚度；以UHPC超高性能混凝土为基础，通过在集料中掺混杂纤维和密配筋的方式，将混凝土的抗拉强度由8MPa提高至30-42 MPa；通过在集料中掺纳米材料以及利用蒸汽养护的方式，将混凝土的收缩应变由约800με减小至约80με；大跨、宽幅桥梁，STC层需分次浇筑，钢纤维在接缝位置被人为阻断，导致接缝成为薄弱断面，采用异形钢板强化接缝，接缝处STC抗拉强度达到23.5MPa，较常规平接缝抗拉强度大近4倍。

        图4组合桥面结构示意图

其性能有下列特点：

a优良的和易性；

b很高的强度（150~200 MPa ）；

c优异的耐久性；

d高的韧性（极限抗拉强度≥8MPa）。

三、钢－超高韧性混凝土（STC）组合桥面关键技术

1、能抵抗钢桥面上的高拉应力

2、提出适宜的矮剪力键形式和计算公式

3、采用异形钢板强化接缝

4、提高桥面刚度，延长疲劳寿命

四、施工技术要点

4.1施工流程

4.2栓钉焊接

栓钉作为主要连接件，是钢桥面板和超高韧性混凝土（STC）能形成整体、共同受力的关键部件。首先根据设计图纸要求进行栓钉位置放样。利用墨线在钢桥面上定好栓钉的位置，保证定位标志清晰可见和准确。栓钉标准间距为 15cm。异形钢板处栓钉焊接应在异形钢板安装完成后再进行。在定位好的位置，先采用手磨机对每个栓钉位置进行局部打磨，打磨范围比钉身外围大 3～5cm，确保焊接处钢面板表面平整、光滑。焊接之后，通过打磨和高压风机清除陶瓷护罩、焊渣、飞溅物和毛刺等物，并重新彻底清洁桥面。

 图5栓钉焊接

4.3.钢筋网绑扎

（1）绑扎钢筋时须先在箱梁顶面进行划线，严格按照图纸设计钢筋间距进行绑扎，钢筋绑扎 做到横平竖直，钢筋交叉点采用扎丝绑扎结实，扎丝成梅花型布置，钢筋接头应注意错位。

（2）将纵向钢筋按设计位置放在垫筋上，然后以设计的间距将横向钢筋放置在纵向钢筋上， 再用细钢丝将纵横钢筋在相交处绑扎。

（3）施工时如遇钢筋位置与剪力钉布置有冲突，可适当调整钢筋的横向位置，特别注意钢筋 纵向接头处的钢筋布置和螺栓带处钢筋位置。

（4）钢筋保护层检测采用钢筋保护层台车进行检测，确保保护层厚度符合设计规范要求。钢筋网保护层的厚度关系到钢筋网的受力和保护，在施工中采用以下方法对其保护厚度进行控制：钢筋网底面设置Ф10mm 为钢筋条垫块，每隔 1m 平放一个Ф10mm×50mm 的钢筋垫条，垫条呈梅花形布置；严格控制绑扎点数和牢固度，保证钢筋网整体性；对摊铺机轨道和滑靴部位钢筋垫条进行加密，以防止受压时下陷；对摊铺机轨道和滑靴部位钢梁顶板进行高程测量，计算出钢梁顶板标高线型，以作为 STC 摊铺的标高带控制点。

 图6钢筋网安装

4.4 STC搅拌

超高韧性混凝土（STC）是一种新型的混凝土材料，具有较好的流动性，比较粘稠，使用专用立轴行星式搅拌机进行搅拌。在投入生产前，各种原材料均由标定过的电子称量系统控制称量。搅拌站配料计量偏差不得超过规定，所有材料称量误差应控制在±1%，根据现场出料情况再进行适当调配。STC料搅拌完成后在浇筑现场进行塌落度和扩展度试验，坍落度应控制在 180mm～280mm，扩展度控制在 450mm～650mm，若材料发生异常，必须及时查明原因，必要时停机检查。

4.5 STC摊铺

超高韧性混凝土铺装层浇筑的总体原则是“即拌、即浇、即平、即覆盖”，拌合好的超高韧性 混凝土拌合物即刻进行布料；STC摊铺采用专用摊铺机进行布料摊铺，确保STC自动摊铺整平及振捣密实。摊铺前，应检查设备状态，确保设备行走装置、振动装置正常，且应对 STC 专业摊铺机料斗和施工面进行喷雾湿润，喷雾时注意不能造成施工面有积水；摊铺沿纵桥向，从桥面高的一端往低的一端进行，以利施工过程中积水的排除。应根据摊铺厚度、塌落度大小，确定摊铺速度，保证施工连续性；摊铺过程中，应派专人进行摊铺厚度检查并及时反馈修正；边角等摊铺机无法摊铺到的局部位置，可采用人工布料，应用平板振动器振捣密实。 STC的浇筑振捣应保证各部位密实、纤维分布均匀，避免出现拌合物离析现象。摊铺过程中，机械间断时间不应大于 STC 混合料的初凝时间。

图7 STC摊铺示意图

4.6保湿养护

由于超高韧性混凝土（STC）是由毫米级以下的材料制备而成，在空气中很容易表面失水造成结皮和干裂，所以保湿养护工作在摊铺 STC 后立即开始，紧跟摊铺面，使用雾状水进行保湿，保湿养护流程为：高压水枪水雾喷射→覆盖节水保湿膜→浇水保湿。这一环节均在工作桥面上完成，工作桥随着 STC 的向前浇筑，工作面高压水枪水雾喷射→覆盖节水保湿膜→浇水保湿环节徐徐前进。工作桥应随时检查其在轨道上的位置，确保行走方向顺直不偏斜，若有微斜，前进时及时调整。人工抹平后立即进行喷雾并覆盖保湿养生膜进行养护，养生膜搭接不小于 20cm，不能损坏摊铺好的 STC 层，搭接处用薄板覆盖防止刮风掀起。

4.7高温蒸汽养护

高温蒸汽养护通过蒸汽发生器、蒸汽管道和蒸汽养护棚等设施实现。 STC终凝后揭除节水保湿膜，搭设蒸汽养护保温棚。养护期间温度控制按要求进行。升温阶段：升温6-8 h，以不大于12°C/h的升温速度升温 至70。3；恒温阶段：保持90。2的温度24 h；降温阶段：以不大于15。3/11的降温速度降温至常温。 且升温及恒温养护过程中，环境相对湿度应保持在95%以上。

高温蒸汽养护结束后，应撤除养护设备并清扫干净。

图8 STC养护意图

4.8施工接缝的设置和处理

STC分段浇筑时，都会出现接缝。由于接缝处STC中的钢纤维不连续，抗拉强度将会降低，为此，需对接缝处做强化处理。在接缝处钢梁顶板上焊接 10mm 厚S型加强钢板，S型加强钢板与钢桥面板采用间断焊。在每次 STC 层施工中，对已浇前段 STC 层边界面，须利用电动风炮对接缝面进行凿毛处理。凿毛应垂直于接缝面向内进行，宽度符合设计要求，原则上宜为 2～3cm；凿毛断面上应有大量钢纤维裸露在外；凿毛后应采用高压风机对基面进行清理，清理后，凿毛面和钢桥面板上应无 STC 残渣和屑末；浇筑 STC 前应对凿毛面进行洒水湿润，洒水湿润后应及时清除积水。

结束语

钢－超高韧性混凝土（STC）组合桥面是近年来的一种新的钢桥面铺装方式，桥梁科技的重大变革，唯有依赖于材料的突破！STC与普通混凝土相比，具备超高的强度和超长的耐久性；STC与钢结构相比，不存在焊接残余应力问题。可以预计，钢－超高韧性混凝土（STC）组合桥面在桥梁建设中将得到广泛应用。

参考文献：

[1]《钢-超高韧性混凝土轻型组合结构桥面技术规范》(DB43/T 1173-2016)

[2] 邵旭东、曹君辉、易笃韬、陈斌、黄政宇. 正交异性钢板－薄层RPC组

合桥面基本性能研究[J]. 中国公路学报, 2012,25(2), 40-45。

[3] 王德辉，史才军，吴林妹. 超高性能混凝土在中国的研究和应用[J].

硅酸盐通报，2016(1):141-149。
作者简介：曾杰（1969.02.16）性别：男，民族：汉，学历：本科，籍贯：湖南祁东。单位：湖南路桥建设集团

有限责任公司。现有职称：副高级工程师。研究方向：道路桥梁与隧道工程施工技术及项目管理。