大跨徑橋面鋪裝技術(shù)-大跨徑鋼箱梁橋面鋪裝病害成因分析及防治措施

大跨徑橋面鋪裝技術(shù)[大跨徑鋼箱梁橋面鋪裝病害成因分析及防治措施]（廣東汕揭高速大路進(jìn)展有限公司廣東揭陽515556）【摘要】本文針對(duì)國內(nèi)外幾種典型的鋼箱梁橋面鋪裝中消失的大量問題，通過調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬等手段對(duì)各種鋪裝結(jié)構(gòu)的破壞類型及破壞成因進(jìn)行了分析；同時(shí)，從橋面鋪裝設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營等方面考慮得出削減鋼橋面鋪裝產(chǎn)生病害的防治措施。

【關(guān)鍵詞】橋面鋪裝；理論分析；數(shù)值模擬；破壞類型；鋪裝病害

Theanalysisofdiseasecausesandpreventionoflargespansteelboxgirderbridgedeck

YaoWen-bin

(Guangdongshan-jiehighwayCo．，LtdGuangdongGuangzhou515556)

【Abstract】Inthispaper,aimsomeproblemswhichhappenedonseveraltypicaldomesticandforeignsteelboxgirderbridgedeck，byresearch,theoreticalanalysis,numericalsimulationandseveralmeans，analysisvariouspavementtypesanddamagecauses;atthesametime,knowpreventionmeasurehowtoreducethesteelbridgedeckdiseasefromdesign,construction,operationaspects.

【Keywords】Bridgedeckpavement;Theoreticalanalysis;Numericalsimulation;Damagetypepavementdisease

1.引言

正交異性鋼箱梁橋面板具有構(gòu)件質(zhì)量輕、運(yùn)輸和架設(shè)便利、施工周期短等特點(diǎn)，因此，大跨徑的懸索橋、斜拉橋幾乎都采納正交異性鋼箱梁板面板和瀝青混合料鋪裝體系作為橋面系。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速進(jìn)展，已經(jīng)建設(shè)了一些大跨徑的鋼箱梁懸索橋或斜拉橋，以虎門大橋、江陰長江大橋?yàn)榇淼拇罂鐝戒撓淞簶蛟絹碓绞艿角嗖?。橋面鋪裝作為直接的承重層也受到相當(dāng)高的重視，橋面鋪裝直接鋪設(shè)在正交異性鋼板上,在行車荷載、風(fēng)載、溫度變化及鋼橋面局部變形等因素影響下,其受力和變形遠(yuǎn)較大路路面或機(jī)場道面簡單.橋面鋪裝層直接承受荷載、梁體變形和環(huán)境因素的作用,其變形和應(yīng)力特征與主梁及橋面結(jié)構(gòu)形式親密相關(guān),一方面可分散荷載,參加橋面板的受力;另一方面起聯(lián)合各主梁共同受力的作用,它既是橋面愛護(hù)層又是橋面結(jié)構(gòu)的共同受力層,所以要求其具有足夠的強(qiáng)度和良好的整體性,并且具有足夠的抗裂性能、抗疲憊性能、抗車轍性能、抗剪切性能以及變形協(xié)調(diào)性能。我國已投入使用的大跨徑鋼橋中除少數(shù)橋梁橋面鋪裝的運(yùn)營狀況良好以外,大部分橋梁的橋面鋪裝都消失了車轍、開裂等病害,個(gè)別橋梁甚至進(jìn)行了多次大修。橋梁的使用性能和使用壽命與橋面鋪裝的好壞關(guān)系親密,做好橋面鋪裝并保證其良好的使用性能,就必需總結(jié)已有鋪裝結(jié)構(gòu)消失的問題,分析其破壞的緣由并找到解決方法，在以后的工程中加以改進(jìn).鋼橋面鋪裝就成為國內(nèi)外討論的一個(gè)熱點(diǎn)問題。

圖1施加0.35MPa水平力、

豎直壓力0.7MPa鋪裝變形圖（放大600倍）2.我國鋼橋面鋪裝的主要結(jié)構(gòu)形式

目前，國內(nèi)外大跨徑鋼箱梁橋橋面鋪裝形成了四大鋪裝材料。它們分別是以德國、日本為代表的高溫拌和澆注式瀝青混合料（Gussasphalt），以英國為代表的瀝青瑪蹄脂混合料（MasticAsphalt），德國和日本等國近期采納的改性瀝青SMA（StoneMasticAsphalt），和以美國為代表的環(huán)氧樹脂瀝青（EpoxyAsphalt）混合料。這幾種鋪裝材料在國內(nèi)外各大鋼橋面上都的到了較廣泛的應(yīng)用。然而，在車輛荷載及溫度、降水等環(huán)境因素的反復(fù)綜合作用下，這些鋪裝都會(huì)消失老化和破壞，導(dǎo)致橋面鋪裝路用性能下降，影響行車的舒適和平安性，并且，由于平整度降低，增加了車輛沖擊、振動(dòng)，使主梁直接受到外界環(huán)境不良因素的影響而易產(chǎn)生較嚴(yán)峻的破壞。鋼橋面瀝青混合料鋪裝使用過程中消失的主要破壞類型可概括為兩大類：一是結(jié)構(gòu)性破壞，如疲憊開裂、低溫開裂、粘結(jié)層失效或脫層等；二是功能性破壞，如車轍、推移、隆脹等。

3.鋼橋面鋪裝受力條件分析

本文以湛江海灣大橋?yàn)槔M(jìn)行鋼橋面板掌握指標(biāo)的分析，正交異性橋面系的橋面鋼板厚度為14mm；梯形加勁肋高度為280mm，肋開口寬度300mm，肋閉口寬度184mm，厚度6mm，兩相鄰加勁肋中心間距600mm；橫隔板間距為3200mm，厚度為12mm。車輛行駛中的驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)過程對(duì)鋪裝層有水平力作用，對(duì)上、下面層分別為25mm厚，模量為2000MPa、5000MPa的鋪裝層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了水平作用影響分析，豎向作用力為0.7MPa，水平作用力系數(shù)分別取0、0.5，即水平力分別為0MPa、0.35MPa。（見圖1）水平力對(duì)粘結(jié)層的剪應(yīng)力見表1，表中數(shù)據(jù)反映出τxy橫斷面內(nèi)剪應(yīng)力高于τyz縱斷面內(nèi)剪應(yīng)力，施加0.35MPa水平力后，2000MPa、5000MPa的粘結(jié)層剪應(yīng)力分別增加37%、27%。水平作用力對(duì)鋪裝層表面應(yīng)變的影響數(shù)據(jù)見表2，表中數(shù)據(jù)表明水平作用力對(duì)橫向應(yīng)變影響較小，只是增加了縱向的拉應(yīng)變。因此橫向力作用對(duì)鋼橋面鋪裝影響最大，鋪裝層材料設(shè)計(jì)可以橫向作用力作為掌握指標(biāo)。

4.我國各種典型鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的破壞類型。

4.1改性瀝青SMA混合料。SMA混合料為間斷級(jí)配，粗集料多。細(xì)集料少，礦粉用量多，瀝青用量也多。我國使用改性瀝青SMA作為橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，是我國自行研發(fā)的解決大跨徑鋼橋面鋪裝的成套技術(shù)，在國內(nèi)大跨徑鋼橋面鋪裝得到了較多的應(yīng)用，1997年在虎門大橋的應(yīng)用使我國對(duì)鋼橋面鋪裝討論快速成為熱點(diǎn)，之后又先后在汕頭覺石大橋、廈門海滄大橋、重慶鵝公巖長江大橋、宜昌長江大路大橋、武漢軍山大橋及上海盧浦大橋得到應(yīng)用。

從改性瀝青SMA橋面鋪裝層的使用狀況來看，主要病害表現(xiàn)為開裂、推移和脫層等病害。

4.2澆注式瀝青混凝土。澆注式瀝青混凝土起源于德國，其特點(diǎn)是在較高施工溫度(220~250℃)下具有較好的流淌性和施工和易性，由于瀝青混合料有肯定的流淌性，只需要用攤鋪整平機(jī)即可完成施工(不需碾壓)，并能達(dá)到規(guī)定的密實(shí)度和平整度；同時(shí)，澆注式瀝青混凝土變形力量強(qiáng)，整體性優(yōu)良，具有優(yōu)良的抗低溫開裂與抗疲勞開裂性能。由于澆注式瀝青混凝土這種特殊的性能，近年來在大中型橋梁、特殊是在鋼橋橋面鋪裝中的得到較多的應(yīng)用，如江陰長江大橋、山東成功黃河大橋、安慶長江大橋，重慶菜園壩長江大橋，重慶朝天門長江大橋，貴州北盤江大橋等。澆注式鋼橋面鋪裝病害主要包括裂縫、車轍、層間滑移和推擠,其中裂縫主要是疲憊裂縫，裂縫包括橫向開裂、縱向開裂以及這兩種裂縫的組合,裂縫位于行車道兩側(cè)輪跡帶的U型肋肋頂與橫隔板上方的鋪裝中。

圖2雙層SMA結(jié)構(gòu)示意圖

圖3澆注式瀝青混凝土產(chǎn)生的破壞4.3環(huán)氧瀝青混凝土。環(huán)氧瀝青混合料是一種熱固性混合料，與一般瀝青混合料不同,環(huán)氧瀝青混合料的性能受成型時(shí)溫度、時(shí)間等因素變化的影響很大,對(duì)施工質(zhì)量掌握體系的要求相當(dāng)高,并且在攤鋪后必需保證有足夠長的養(yǎng)護(hù)期以確保環(huán)氧瀝青混合料能夠基本完成固化。環(huán)氧瀝青混合料,其路用性能比一般瀝青混合料優(yōu)異得多,是一種超使用效果較好的鋪裝材料。我國已在南京二橋、潤揚(yáng)大橋等特大型鋼橋面鋪裝采納了環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝，從使用的效果來看消失了肯定程度的損壞,損壞類型以縱向裂縫為主,也有脫層、推移等病害。環(huán)氧瀝青混合料一些病害并非消失在受力不利的位置,其早期損壞絕大部分是由施工的因素的影響。

圖4環(huán)氧瀝青混凝土產(chǎn)生的破壞5.病害緣由的分析。

5.1裂縫。

5.1.1因鋪裝材料耐疲憊性能不足產(chǎn)生疲憊開裂。疲憊開裂是鋼橋面瀝青混合料鋪裝的主要破壞類型，是鋪裝層在正常使用狀況下，由行車荷載和溫度變化的多次反復(fù)作用引起的鋪裝層的開裂破壞。由于工作環(huán)境和受力模式的不同，鋼橋面鋪裝層疲憊開裂的破壞形式、破壞位置與瀝青路面結(jié)構(gòu)層完全不同，鋼橋面瀝青混合料鋪裝層由正交異性鋼橋面板支撐，在車輛荷載作用下，正交異性鋼橋面板的變形導(dǎo)致縱向加勁肋、橫隔板（或橫向加勁肋）、縱隔板、主梁腹板等加勁部件與鋼橋面板焊接處成為高應(yīng)力區(qū)，這些位置處的鋪裝層表面是拉應(yīng)力或負(fù)彎矩區(qū)。因此，疲憊開裂首先消失在鋪裝層表面，然后漸漸向底面進(jìn)展。在縱向加勁肋、縱隔板、主梁腹板頂部的橋面鋪裝層表面會(huì)消失縱向裂縫，在橫隔板（或橫向加勁肋）頂部的橋面鋪裝層表面會(huì)消失橫向裂縫，在橫隔板與加勁肋交匯處，鋪裝層表面易消失網(wǎng)裂。

5.1.2因橋梁結(jié)構(gòu)特殊是橋面系結(jié)構(gòu)剛度不足（例如橋面板太薄、縱橫向加勁間距過大等）引起鋪裝表面拉應(yīng)變過大，使其產(chǎn)生拉應(yīng)力，同疲憊開裂一樣，開裂首先消失在鋪裝層表面，然后漸漸向底面進(jìn)展。

5.1.3汽車荷載過重（例如嚴(yán)峻超載）等引起鋪裝表面拉應(yīng)變過大，從而造成縱向裂縫的產(chǎn)生。

5.2車轍。主要是由于鋼橋面鋪裝層在高溫季節(jié)或長時(shí)間承受車輛荷載作用下，鋪裝層瀝青混合料的抗永久變形力量不足引起的。

5.2.1在高溫季節(jié)，在汽車反復(fù)荷載作用下，因混合料蠕變形成永久變形積累。

5.2.2地區(qū)溫度過高，長年高溫季節(jié)過長及封閉式箱梁內(nèi)部溫度較高等引起粘結(jié)層和鋪裝層溫度過高。特殊是粘結(jié)層的溫度上升會(huì)使其強(qiáng)度大幅度下降，抗剪切力量不足，在重載作用下，輪跡下面的鋪裝層會(huì)消失沉陷及其側(cè)向隆起現(xiàn)象，長期累積形成車轍。

5.2.3汽車荷載過重（超載），使混合料的抗剪切性能無法滿意車輛所施加荷載壓力，從而使混合料內(nèi)部發(fā)生剪切破壞，造成車轍現(xiàn)象。

5.3脫層及推移。由于鋼橋面板與鋪裝層之間要加鋪粘結(jié)防水層層，所以，脫層是鋼橋面鋪裝特有的一種破壞類型，也是鋼橋面瀝青混合料鋪裝的又一類主要破壞類型。脫層形成之后鋼板與鋪裝層共同作用的效果基本丟失，在行車荷載作用下脫層會(huì)漸漸擴(kuò)展或形成推移。推移是瀝青混凝土的塑性流淌變形產(chǎn)生的，鋼橋面鋪裝層與鋼板間存在較大的剪應(yīng)力，當(dāng)鋪裝層與鋼板之間結(jié)合界面的粘結(jié)力差、抗水平剪切力量較弱時(shí)，在水平方向便產(chǎn)生相對(duì)位移直至粘結(jié)層失效或脫層。另外鋼板表面不平整及橋面系結(jié)構(gòu)剛度較低（同時(shí)鋪裝與鋼板間結(jié)合強(qiáng)度不足），在行車振動(dòng)荷載下引起脫層，進(jìn)而產(chǎn)生推移及斜向開裂。

5.4坑槽。（1）瀝青混凝土抗水損害力量不足。（2）材料抗水損害力量不足。（3）瀝青混凝土空隙率較大。

6.病害防治措施

針對(duì)我國鋼橋面鋪裝層主要破壞現(xiàn)象和緣由,為了削減鋼橋面鋪裝病害,延長鋼橋面使用壽命,降低修理成本,我們需要從設(shè)計(jì)、施工和使用過程這幾個(gè)方面做出努力。

6.1設(shè)計(jì)過程中。目前,國內(nèi)國際上鋼橋面鋪裝尚沒有完善的設(shè)計(jì)方法，鋼橋面鋪裝受力條件較一般路面遠(yuǎn)為簡單和惡劣,特殊是對(duì)正交異性板來說,由于U型加勁肋、縱橫隔板和頂板的厚度變化等緣由,使得鋼橋面鋪裝層的受力分析計(jì)算變得特別簡單。不同使用條件下、不同橋型的鋼箱梁橋面使用的橋面鋪裝類型也不同,需要經(jīng)過調(diào)研同等條件的橋梁各種鋪裝類型的使用狀況,然后經(jīng)過理論計(jì)算和室內(nèi)試驗(yàn)找出適合的鋪裝類型。

6.2施工過程中。橋面鋪裝施工工藝包括橋面處理、防水粘結(jié)層施工、鋪裝層混合料備料、拌和、攤鋪、運(yùn)輸、碾壓等各環(huán)節(jié)。施工質(zhì)量掌握的好壞對(duì)鋼橋面鋪裝特殊是環(huán)氧瀝青鋪裝層的使用性能有很大影響。如何確保鋪裝層在投入使用后的優(yōu)異性能,除正確的設(shè)計(jì)與選材之外,其中最重要的一點(diǎn)就是如何保證鋪裝層施工中不消失由于質(zhì)量隱患而引起的鋪裝層早期損壞。橋面鋪裝設(shè)計(jì)單位在鋪裝方案確定以后,需要建立標(biāo)準(zhǔn)的施工操作工藝,細(xì)化施工各環(huán)節(jié)的留意事項(xiàng)。

6.3使用過程中。通過以上的分析可知,重載影響是鋼橋面鋪裝病害產(chǎn)生的一個(gè)重要方面。鋼橋面使用過程中預(yù)防病害的主要方面是掌握重載超載車輛的通行。

7.結(jié)束語

當(dāng)前，我國眾多大跨徑橋梁