大跨径钢箱梁桥面铺装病害成因分析及防治措施

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　　（广东汕揭高速公路发展有限公司 广东 揭阳 515556）
　　【摘 要】本文针对国内外几种典型的钢箱梁桥面铺装中出现的大量问题，通过调研、理论分析、数值模拟等手段对各种铺装结构的破坏类型及破坏成因进行了分析；同时，从桥面铺装设计、施工、运营等方面考虑得出减少钢桥面铺装产生病害的防治措施。
　　 【关键词】桥面铺装；理论分析；数值模拟；破坏类型；铺装病害
　　The analysis of disease causes and prevention oflarge span steel box girder bridge deck
　　
　　Yao Wen-bin
　　(Guangdong shan-jie highway Co．，Ltd Guangdong Guangzhou 515556)
　　 【Abstract】 In this paper, aim some problems which happened on several typical domestic and foreign steel box girder bridge deck， by research, theoretical analysis, numerical simulation and several means，analysis various pavement types and damage causes; at the same time, know prevention measure how to reduce the steel bridge deck disease from design, construction,operation aspects.
　　 【Key words】Bridge deck pavement;Theoretical analysis;Numerical simulation;Damage type pavement disease
　　
　　1. 引言
　　 正交异性钢箱梁桥面板具有构件质量轻、运输和架设方便、施工周期短等特点，因此，大跨径的悬索桥、斜拉桥几乎都采用正交异性钢箱梁板面板和沥青混合料铺装体系作为桥面系。随着我国国民经济的快速发展，已经建设了一些大跨径的钢箱梁悬索桥或斜拉桥，以虎门大桥、江阴长江大桥为代表的大跨径钢箱梁桥越来越受到青睬。桥面铺装作为直接的承重层也受到相当高的重视，桥面铺装直接铺设在正交异性钢板上, 在行车荷载、风载、温度变化及钢桥面局部变形等因素影响下, 其受力和变形远较公路路面或机场道面复杂. 桥面铺装层直接承受荷载、 梁体变形和环境因素的作用, 其变形和应力特征与主梁及桥面结构形式密切相关,一方面可分散荷载,参与桥面板的受力;另一方面起联合各主梁共同受力的作用,它既是桥面保护层又是桥面结构的共同受力层, 所以要求其具有足够的强度和良好的整体性,并且具有足够的抗裂性能、 抗疲劳性能、 抗车辙性能、 抗剪切性能以及变形协调性能。我国已投入使用的大跨径钢桥中除少数桥梁桥面铺装的运营状况良好以外,大部分桥梁的桥面铺装都出现了车辙、 开裂等病害,个别桥梁甚至进行了多次大修。桥梁的使用性能和使用寿命与桥面铺装的好坏关系密切, 做好桥面铺装并保证其良好的使用性能,就必须总结已有铺装结构出现的问题,分析其破坏的原因并找到解决办法，在以后的工程中加以改进.钢桥面铺装就成为国内外研究的一个热点问题。
　　图1 施加0.35MPa水平力、
　　
　　竖直压力0.7MPa铺装变形图（放大600倍）2. 我国钢桥面铺装的主要结构形式
　　 目前， 国内外大跨径钢箱梁桥桥面铺装形成了四大铺装材料。它们分别是以德国、日本为代表的高温拌和浇注式沥青混合料（Gussasphalt） ，以英国为代表的沥青玛蹄脂混合料（Mastic Asphalt） ，德国和日本等国近期采用的改性沥青 SMA （Stone Mastic Asphalt） ，和以美国为代表的环氧树脂沥青（Epoxy Asphalt）混合料。 这几种铺装材料在国内外各大钢桥面上都的到了较广泛的应用。然而，在车辆荷载及温度、降水等环境因素的反复综合作用下， 这些铺装都会出现老化和破坏，导致桥面铺装路用性能下降，影响行车的舒适和安全性，并且，由于平整度降低，增加了车辆冲击、振动，使主梁直接受到外界环境不良因素的影响而易产生较严重的破坏。钢桥面沥青混合料铺装使用过程中出现的主要破坏类型可概括为两大类：一是结构性破坏，如疲劳开裂、低温开裂、粘结层失效或脱层等；二是功能性破坏，如车辙、推移、隆胀等。
　　3. 钢桥面铺装受力条件分析
　　 本文以湛江海湾大桥为例，进行钢桥面板控制指标的分析，正交异性桥面系的桥面钢板厚度为14mm；梯形加劲肋高度为280mm，肋开口宽度300mm，肋闭口宽度184mm，厚度6mm，两相邻加劲肋中心间距600mm；横隔板间距为3200mm，厚度为12mm。车辆行驶中的驱动、制动过程对铺装层有水平力作用，对上、下面层分别为25mm厚，模量为2000MPa、5000MPa的铺装层结构进行了水平作用影响分析，竖向作用力为0.7MPa，水平作用力系数分别取0、0.5，即水平力分别为0MPa、0.35MPa。（见图1） 水平力对粘结层的剪应力见表1，表中数据反映出τxy横断面内剪应力高于τyz纵断面内剪应力，施加0.35MPa水平力后，2000MPa、5000MPa的粘结层剪应力分别增加37%、27%。水平作用力对铺装层表面应变的影响数据见表2，表中数据表明水平作用力对横向应变影响较小，只是增加了纵向的拉应变。因此横向力作用对钢桥面铺装影响最大，铺装层材料设计可以横向作用力作为控制指标。
　　4. 我国各种典型钢桥面铺装结构的破坏类型。
　　 4.1 改性沥青SMA混合料。SMA混合料为间断级配，粗集料多。细集料少，矿粉用量多，沥青用量也多。我国使用改性沥青 SMA 作为桥面铺装结构，是我国自行研发的解决大跨径钢桥面铺装的成套技术，在国内大跨径钢桥面铺装得到了较多的应用，1997年在虎门大桥的应用使我国对钢桥面铺装研究迅速成为热点，之后又先后在汕头觉石大桥、厦门海沧大桥、重庆鹅公岩长江大桥、宜昌长江公路大桥、武汉军山大桥及上海卢浦大桥得到应用。
　　 从改性沥青 SMA 桥面铺装层的使用情况来看，主要病害表现为开裂、推移和脱层等病害。
　　 4.2 浇注式沥青混凝土。 浇注式沥青混凝土起源于德国，其特点是在较高施 工温度 ( 2 2 0 ~2 5 0℃) 下具有较好的流动性和施工和易性， 由于沥青混合料有一定的流动性 ，只需要 用摊铺整平机 即可完成施工 ( 不需碾压) ，并能达到规定 的密实度和 平整度 ；同时，浇注式沥青混凝土变 形能力强， 整体性优良，具有优良的抗低温开裂与抗疲 劳开裂性能。由于浇注式沥青混凝 土这种特 殊的性能 ，近年来在大中型桥梁、 特别是在钢桥桥面铺装 中的得到较多的 应用，如江阴长江大桥、山东胜利黄河大桥、安庆长江大 桥，重庆菜园坝长江大桥，重庆朝天门长江大桥，贵州北盘江大桥等。浇注式钢桥面铺装病害主要包括裂缝、车辙、层间滑移和推挤, 其中裂缝主要是疲劳裂缝，裂缝包括横向开裂、 纵向开裂以及这两种裂缝的组合,裂缝位于行车道两侧轮迹带的 U 型肋肋顶与横隔板上方的铺装中。

　　
　　图2 双层SMA 结构示意图
　　图3 浇注式沥青混凝土产生的破坏 4.3 环氧沥青混凝土。环氧沥青混合料是一种热固性混合料，与普通沥青混合料不同,环氧沥青混合料的性能受成型时温度、 时间等因素变化的影响很大, 对施工质量控制体系的要求相当高,并且在摊铺后必须保证有足够长的养护期以确保环氧沥青混合料能够基本完成固化。环氧沥青混合料, 其路用性能比普通沥青混合料优异得多,是一种超使用效果较好的铺装材料。我国已在南京二桥、润扬大桥等特大型钢桥面铺装采用了环氧沥青混凝土铺装，从使用的效果来看出现了一定程度的损坏,损坏类型以纵向裂缝为主, 也有脱层、推移等病害。环氧沥青混合料一些病害并非出现在受力不利的位置,其早期损坏绝大部分是由施工的因素的影响。
　　图4 环氧沥青混凝土产生的破坏 5. 病害原因的分析。
　　 5.1 裂缝。
　　 5.1.1 因铺装材料耐疲劳性能不足产生疲劳开裂。疲劳开裂是钢桥面沥青混合料铺装的主要破坏类型，是铺装层在正常使用情况下， 由行车荷载和温度变化的多次反复作用引起的铺装层的开裂破坏。 由于工作环境和受力模式的不同， 钢桥面铺装层疲劳开裂的破坏形式、破坏位置与沥青路面结构层完全不同，钢桥面沥青混合料铺装层由正交异性钢桥面板支撑， 在车辆荷载作用下， 正交异性钢桥面板的变形导致纵向加劲肋、横隔板（或横向加劲肋） 、纵隔板、主梁腹板等加劲部件与钢桥面板焊接处成为高应力区， 这些位置处的铺装层表面是拉应力或负弯矩区。因此，疲劳开裂首先出现在铺装层表面，然后逐渐向底面发展。在纵向加劲肋、纵隔板、主梁腹板顶部的桥面铺装层表面会出现纵向裂缝， 在横隔板 （或横向加劲肋）顶部的桥面铺装层表面会出现横向裂缝， 在横隔板与加劲肋交汇处，铺装层表面易出现网裂。
　　 5.1.2 因桥梁结构特别是桥面系结构刚度不足（例如桥面板太薄、纵横向加劲间距过大等） 引起铺装表面拉应变过大，使其产生拉应力，同疲劳开裂一样，开裂首先出现在铺装层表面，然后逐渐向底面发展。
　　 5.1.3 汽车荷载过重（例如严重超载）等引起铺装表面拉应变过大，从而造成纵向裂缝的产生。
　　 5.2 车辙。主要是由于钢桥面铺装层在高温季节或长时间承受车辆荷载作用下，铺装层沥青混合料的抗永久变形能力不足引起的。
　　 5.2.1 在高温季节，在汽车反复荷载作用下， 因混合料蠕变形成永久变形积累。
　　 5.2.2 地区温度过高，长年高温季节过长及封闭式箱梁内部温度较高等引起粘结层和铺装层温度过高。特别是粘结层的温度升高会使其强度大幅度下降， 抗剪切能力不足，在重载作用下，轮迹下面的铺装层会出现沉陷及其侧向隆起现象，长期累积形成车辙。
　　 5.2.3 汽车荷载过重（超载），使混合料的抗剪切性能无法满足车辆所施加荷载压力，从而使混合料内部发生剪切破坏，造成车辙现象。
　　 5.3 脱层及推移。由于钢桥面板与铺装层之间要加铺粘结防水层层，所以，脱层是钢桥面铺装特有的一种破坏类型， 也是钢桥面沥青混合料铺装的又一类主要破坏类型。 脱层形成之后钢板与铺装层共同作用的效果基本丧失， 在行车荷载作用下脱层会慢慢扩展或形成推移。 推移是沥青混凝土的塑性流动变形产生的， 钢桥面铺装层与钢板间存在较大的剪应力，当铺装层与钢板之间结合界面的粘结力差、 抗水平剪切能力较弱时， 在水平方向便产生相对位移直至粘结层失效或脱层。 另外钢板表面不平整及桥面系结构刚度较低（同时铺装与钢板间结合强度不足） ，在行车振动荷载下引起脱层，进而产生推移及斜向开裂。
　　 5.4 坑槽。（1）沥青混凝土抗水损害能力不足。 （2）材料抗水损害能力不足。 （3）沥青混凝土空隙率较大。
　　6. 病害防治措施
　　 针对我国钢桥面铺装层主要破坏现象和原因,为了减少钢桥面铺装病害,延长钢桥面使用寿命,降低维修成本,我们需要从设计、 施工和使用过程这几个方面做出努力。
　　 6.1 设计过程中。目前,国内国际上钢桥面铺装尚没有完善的设计方法，钢桥面铺装受力条件较一般路面远为复杂和恶劣, 特别是对正交异性板来说, 由于 U型加劲肋、 纵横隔板和顶板的厚度变化等原因,使得钢桥面铺装层的受力分析计算变得异常复杂。不同使用条件下、 不同桥型的钢箱梁桥面使用的桥面铺装类型也不同, 需要经过调研同等条件的桥梁各种铺装类型的使用情况, 然后经过理论计算和室内试验找出适合的铺装类型。
　　 6.2 施工过程中。桥面铺装施工工艺包括桥面处理、 防水粘结层施工、 铺装层混合料备料、 拌和、 摊铺、 运输、 碾压等各环节。施工质量控制的好坏对钢桥面铺装特别是环氧沥青铺装层的使用性能有很大影响。如何确保铺装层在投入使用后的优异性能,除正确的设计与选材之外, 其中最重要的一点就是如何保证铺装层施工中不出现由于质量隐患而引起的铺装层早期损坏。桥面铺装设计单位在铺装方案确定以后,需要建立标准的施工操作工艺,细化施工各环节的注意事项。
　　 6.3 使用过程中。通过以上的分析可知,重载影响是钢桥面铺装病害产生的一个重要方面。钢桥面使用过程中预防病害的主要方面是控制重载超载车辆的通行。
　　7. 结束语
　　 当前，我国众多大跨径桥梁均采用钢箱梁结构，桥梁的使用性能和使用寿命与桥面铺装的好坏关系密切。本文总结了当今国内外钢桥面铺装的病害情况， 并分析了产生的原因，通过归纳和总结, 认为我国钢桥面铺装的主要病害类型有粘结层破坏、 开裂、 脱层或者剥落、 车辙。产生这些病害的原因主要是粘结层抗剪切能力不足,铺筑在正交异性钢桥面板上的沥青混合料抗疲劳性能不足, 施工过程中细节问题及重载超载的影响等。我们可以通过提高铺装材料性能、 改善铺装层工作环境、 优化铺装层结构, 注意施工细节,严格控制超载超限等方面预防和减少钢桥面沥青铺装层病害，是我国的钢桥面铺装建设能进入一个良性循环。
　　参考文献
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