武汉军山长江大桥建成于2001年底。该桥是国家干线公路网中“一纵一横”两条高速公路主干道—京港澳高速公路(G4)和沪渝高速公路(G50)共用的跨长江特大型高速公路桥梁,也是武汉绕城高速公路(G4201)的重要节点。
大桥为主跨460m的双塔双索面钢箱梁斜拉桥,主桥长964m,桥面全宽38.8m,双向六车道。
由于大桥交通量大、重载车比例高,长期运营中,钢桥面系出现了严重的病害,截止到2017年,检测发现:1)正交异性钢桥面板疲劳开裂严重。大桥检测出疲劳裂缝数千条(其中桥面纵向裂缝占比60%以上),部分裂缝经修复后重新开裂。由于钢桥面疲劳开裂严重,主桥上部结构技术状况评定为“四级”。;2)钢桥面沥青铺装层破损严重。病害主要包括车辙、坑槽、网状裂缝、拥包等,其中以网状裂缝为主要病害,且多为修补后出现的网状裂缝。
针对原钢桥面出现大量疲劳裂缝难以修复、铺装层频繁破损屡修屡坏的现状,邵旭东教授团队与中交公路规划设计院有限公司合作,研发了原创性的钢桥面疲劳裂缝无需修复的钢-超高韧性混凝土(STC)轻型组合桥面结构加固技术。与团队先前研发的钢-STC轻型组合桥面结构所不同的是,因军山大桥钢桥面存在大量疲劳裂缝,钢面板对STC底面失去了保护,因此,需对STC进一步强化,同时有效阻止原有病害的继续发展(图1)。
(a)原钢桥面中的疲劳裂缝无需修复
(b)焊接短栓钉
(c)铺设钢板条
(d)铺筑STC层和沥青面层
图1. 武汉军山长江大桥钢桥面加固方案(钢筋网未示出)
计算和试验结果表明,采用新方案加固后,(1)六类典型疲劳细节中的应力幅均明显下降,其中钢面板降幅高达92%,由此可基本消除疲劳裂缝继续萌生及扩展的风险,大大延长钢桥面的使用寿命;(2)STC层具有非常高的静力和疲劳抗裂强度:今后只要超载车没把原钢桥面压屈服,STC层就不会开裂;(3)STC层与钢桥面之间连接牢固,经历了两千多万次疲劳循环,界面未出现滑移裂缝(图2)。
(a) 静力试验
(b)疲劳试验
图2. 模型试验
经湖北省交通运输厅组织的多次专家会议评审论证,最终采纳该技术为武汉军山长江大桥钢桥面加固方案(系首次应用)。2018年底大桥钢桥面加固施工结束(图3),恢复通车。经过本次改造,如果一切正常,武汉军山长江大桥有望实现“桥面终身无需大修”的目标。
(a)铺设钢板条
(b)STC高温蒸汽养护
图3. 实桥施工