弯、陡条件下钢桥面铺装技术应用研究

深圳市公共道路协会常务理事、深圳市市政设计研究院有限公司总工程师/徐波

摘要：本文依托实体工程，通过国内外案例，全面分析了钢桥面铺装层的主要病害和成因，结合钢桥面铺装层的特征，总结钢桥面铺装体系为达到使用性能优良、耐久、安全的设计目标和原则。根据实体工程上部结构采用有限元法分析，建立了正交异性钢桥面铺装体系力学模型，对桥面铺装层进行了详细的力学分析。根据本桥特点，拟定了四种可行的铺装方案，并开展了一系列室内外试验研究比选，提出了弯、陡条件下较优钢桥面铺装方案。

关键词：钢桥面铺装   层间推移  车辙   水损害   浇筑式沥青混凝土   环氧沥青混凝土   环氧树脂混凝土   复合铺装   拉拔试验    剪切试验   车辙试验   

一、        前言

钢桥面板因具有板原较薄、恒载小、架设方便等优点，在大跨径桥梁以及架梁条件困难等情况下被广泛应用。但桥面铺装层早期破坏问题亦日渐突出，直接影响了桥梁的正常使用。在不同的条件下，如何保证钢桥面铺装使用性能良好、耐久，是国内外研究者越来越关注的问题。本课题研究依托深圳市红桂路——晒布路改造工程，以实体工程为研究对象，通过国内外案例分析和室内外实验研究，研究大坡度条件下钢桥面铺装技术的合理可行方案。

红桂路——晒布路改造工程桥梁为跨广深铁路和布吉河三跨连续钢梁桥，线路中线与铁路斜交，角度为107°50′，分南北两幅并置，其中北桥主梁采用29.808+40+40m三跨连续变高钢箱梁结构为双箱单室结构；桥面机动车双向四车道，桥梁总宽19.6m，受铁路净空以及桥梁两端接线点标高和线位控制，桥梁纵坡达6.897%，桥梁平曲线半径仅为100m（中心线），是典型的弯、陡桥梁，桥面铺装体系难度大，要求高，是目前已知国内外最大纵坡的钢桥面铺装。

二、        钢桥面铺装层的特征

由于钢桥面板是由面板钢板及面板钢板下面的纵向加劲肋、纵向腹板、横向隔板、横梁等组成的行车道板，为正交异性板结构，其钢板刚度较小，由交通荷载引起的桥梁整体和局部变形较大，尤其是在纵肋、纵向腹板和横隔板上方引起的局部变形较大；另外，钢桥面板还存在诸如热容量小、易导热，温度变化范围大；钢板易生锈等不利属性。这些都决定了钢桥面铺装与一般高速公路路面、机场道面以及混凝土桥面铺装有很大的不同。

（1）铺装层要求具有良好的抗车辙性能

从钢桥所处地区的气候环境条件来看，年极端气温较高，加之钢桥面的热储作用使得沥青铺装层的温度显著高于路面面层的温度。因此，如何保证桥面沥青铺装层在重交通荷载作用下具有较高的高温稳定性，以期能够有效地防止或延缓沥青铺装层车辙的出现，是桥面铺装设计的技术关键。

（2）铺装层与桥面板之间应具有良好的层间结合能力

交通荷载作用下，桥面铺装层与钢板要同步变形；气候环境条件作用下，沥青铺装结构层以及钢板要产生不同的温缩变形，这使得各结构层（包括钢板）之间产生较大的弯拉应力和剪切应力，并导致层间脱离，引起铺装层破坏。因此，要求沥青铺装层与钢板之间必须具有良好的层间结合力。

（3）铺装层要求具有良好的抗疲劳开裂性能

在交通荷载作用下，桥面铺装层要随同钢板变形，而产生反复的挠曲变形，特别是在钢板U形加劲肋顶部对应的铺装表面将产生反复弯曲应力（应变）而开裂。因此，铺装设计要重点考虑沥青铺装层的抗疲劳开裂性能。

（4）铺装层具有良好的抗滑性能

深圳地区属于夏热冬温潮湿地区，暴雨、阵雨现象较为常见，在这种气候条件下，桥面湿滑，面层抗滑性能降低，存在很大的交通隐患，桥面铺装设计应考虑保证具有良好的抗滑性能，以确保交通安全。

（5）沥青铺装层对桥面板等钢结构应具有良好的保护作用

深圳地区年降雨量大于1000mm，雨量充沛，气候潮湿，水份极易导致钢板锈蚀，降低铺装结构层的耐久性和桥梁钢结构的使用寿命。因此，在铺装设计中，还要重点考虑铺装结构体系对钢板的保护作用和防腐作用。

三、        钢桥面铺装层的主要病害和成因

钢桥面铺装层的破坏主要有开裂、车辙、水损害几种类型，而前两种破坏类型是导致发生铺装层水损坏的直接原因。

3.1    层间推移

（1）防水粘结剂对钢板的粘附力与钢板的温度密切相关。

随着温度的升高，防水粘结层的粘附能力下降，即高温状态下，界面的抗剪能力会因粘结剂变软而变得薄弱，对于光滑的钢板来讲，铺装层很容易滑动。

（2）车辆荷载，特别是重载车载，在桥面上刹车制动产生水平力大于界面的抗剪强度而产生的层间推移。

（3）防水粘结层不能独立存在。

防水粘结层在沥青混合料的碾压施工中，很容易上浮，使得沥青铺装层底部的沥青含量相对高于正常的设计配合比含量。对于高温且光滑的钢板来说，局部高沥青含量使其抗剪切蠕变性能下降，引起铺装层的开裂。因此，在光滑的钢桥面板上用喷洒防水粘结剂作为界面材料，不能保证粘结抗剪和防水。即使采取特殊措施，提高沥青混合料自身的抗裂性能和强度，也不能完全弥补界面抗剪能力的不足。

3.2    车辙

一般认为沥青混凝土面层产生车辙破坏主要分为两个阶段：第1阶段，铺装层在荷载作用下面层进一步压密，表现为轮迹带铺装层沉陷；第2阶段，铺装层在荷载作用下，面层材料塑性流动，轮迹带铺装层沉陷，同时两侧出现明显的隆起现象。钢桥面铺装层车辙破坏的主要原因如下：

（1）环境条件。

环境条件主要是气候条件，包括气温、日照、辐射、风、雨等，

（2）铺装层材料设计不当。

（3）慢速和重载交通的影响。

沥青混合料具有粘弹性，环境温度、荷载作用时间、荷载大小及作用次数是影响沥青混合料高温性能的重要因素。

（4）粘结层材料的粘结能力丧失。

粘结层是保证铺装与钢桥面板紧密结合、共同承受荷载作用的结构层次，对实现铺装体系的使用功能有很重要的意义。粘结层失效导致铺装无法与钢桥面板协同工作。

（5）施工压实不充分。

由于钢桥桥面铺装的特殊性，无疑增加了沥青混合料充分压实的难度。沥青混合料压实不充分，导致铺装层空隙率过大，进而影响到铺装层的抗疲劳性能、抗水损害性能等路用性能。

3.3   水损害

在开裂、车辙等病害的基础上，水通过铺装层进入到钢桥面，破坏钢桥面与铺装层的粘结，使得铺装层的破坏范围加大；进而浸渍钢箱梁，使钢箱梁锈蚀，影响结构的安全性。

3.4  小结

从以上的病害原因分析得到，钢桥面铺装层的层间粘结对铺装层的使用性能和寿命具有关键性的作用。一旦层间粘结产生薄弱位置，将进而影响该处铺装层与钢桥面板的协同变形，降低其抗拉强度和界面抗剪强度，导致铺装层的推移开裂，加重铺装层的车辙和水损害，影响铺装层的正常使用。

四、        钢桥面铺装层的层间力学分析

4.1力学模型的假设

沥青混凝土铺装层开裂破坏主要与钢桥面的局部变形有关。取沥青混凝土铺装层与正交异性钢桥面作为计算模型，并假设沥青混凝土铺装层和钢桥面板都为均匀、连续和各向同性材料，且不计算铺装结构自重的影响。计算采用正交异性钢桥面铺装体系模型，采用ABAQUS有限元软件分析。

模型的约束条件如下：横隔板底部完全约束，横向边缘无横向水平位移,纵向边缘无纵向水平位移。其中纵向是指车辆行使的方向。计算时考虑竖向荷载与水平荷载的综合作用。其中竖向荷载采用标准轴载，并考虑重载的影响。依据《公路工程技术标准》公路I级荷载车队中550 kN的两根重轴（每根轴重140 kN）进行加载。《公路工程技术标准》规定将每侧双轮转化为单轮，则轮重为70 kN，考虑冲击系数30%，车轮与铺装层接触面积取0.6m×0.2 m。对于车轮制动时的水平荷载可以由下列公式确定：

其中 为制动情况下的路面的水平荷载； 为垂直荷载； 为水平力系数，取值范围为0~1。水平力系数的大小与行车速度 和制动距离 有关，如表1所示。

表1 常见水平系数取值表

根据设计图纸资料，所建立的模型中取钢板宽度为9.8 m，长为5.0 m；钢板含有11个梯形加劲肋，加劲肋尺寸为高280 mm×厚8 mm；模型中含有2块横隔板，间距4 m；钢板、横隔板厚度分别为18 mm、12 mm，如图1所示。模型计算所需的力学参数见表2

图1 力学模型示意图

表2 剪应力计算拟定的结构层参数

4.2  分析过程

4.2.1  最不利荷位

根据相关文献的分析阐述，对于正交异性的钢桥面板铺装，分析其在汽车荷载作用下的铺装层的层间剪应力响应，最不利荷位位于跨中。为了分析汽车荷载的横向分布位置对层间剪应力的影响，选取了三种荷位，如图2所示。其中荷位一：均布荷载的中心线位于中部加劲肋的对称轴上；荷位二：均布荷载的中心线位于中部加劲肋侧肋顶部；荷位三：均布荷载的中心线位于两加劲肋间距的中部。比较发现这三种荷位分析得到荷位二为最不利荷位。

图2 荷载横向布置图

4.2.2   铺装下面层的模量对层间剪应力的影响

沥青混凝土的模量受环境温度影响很大，因此在分析铺装层的受力特性时，要充分考虑沥青混凝土模量的改变。本次计算分别取沥青混凝土的模量为1000~10000 MPa。结果如图3~5所示。

图3 横向应力值与铺装层模量的关系

图4 纵向应力值与铺装层模量的关系

图5 总剪应力值与铺装层模量的关系

4.2.3垂直荷载对层间剪应力的影响

研究的项目桥梁横跨广深铁路，重载交通较多，对此有必要分析在较大的垂直荷载作用下对钢桥面铺装层间剪应力的影响。具体分析时，考虑紧急制动情况，水平力系数 =0.5。铺装下面层的模量为2000MPa，其他结构层参数按表1选取。分析结果如下图6所示。图中总剪应力按三角法由最大横向剪应力和最大纵向剪应力计算得到。分析得到：

（1）按《公路工程技术标准》公路I级荷载作用时，层间最大横向剪应力为0.232 MPa，最大纵向剪应力为0.164 MPa，总剪应力为0.284 MPa。

（2）垂直荷载每增加20kN，最大横向剪应力平均增加0.05MPa，最大纵向剪应力平均增加0.03MPa，最大横向剪应力增加0.06MPa。

图6 层间剪应力与垂直荷载的关系

4.2.4水平荷载对层间剪应力的影响

车辆制动时将沿着铺装层表面产生水平荷载，这种荷载的作用将显著影响铺装层的剪应力。路面纵坡越大，为保证车辆行驶的安全，司机也将频繁制动，也加剧了层间剪应力的增大。车辆制动过程中产生的水平荷载值不仅与垂直荷载有关，同时和车辆的行车速度以及制动距离有关。由公式（2）得到车辆行车速度越大，制动距离越短，则水平力系数越大。

为了同时考虑重载的影响，取单轮垂直荷载为150kN，分析不同水平力系数条件的层间剪应力值，如图7所示。

图7 层间剪应力与垂直荷载的关系

由图3可以发现，水平荷载的大小对横向剪应力和总剪应力的影响是十分显著地。水平荷载每增加10%，层间横向剪应力增加0.03~0.07MPa，总剪应力增加0.02~0.06 MPa,。水平荷载值对纵向剪应力影响微弱。

4.3 小结

通过有限元分析发现，得到有关钢桥面板铺装层间剪应力的几点规律：

（1）铺装层与钢板层间最大横向剪应力大于最大纵向剪应力。由此可见,钢桥面铺装粘结层的破坏一般是以横向剪切破坏为主。荷位2即车轮均布荷载中心线位于加劲肋侧肋顶部作用下，铺装层与钢板层间的横向剪应力是主要的控制指标。

（2）随着混凝土模量的增加,铺装层与钢板层间最大剪应力先增加后减少。

（3）垂直荷载和水平荷载的大小对铺装层与钢板层间最大剪应力影响显著。

按《公路工程技术标准》公路I级荷载作用，考虑紧急制动时水平力系数为0.5时，层间最大横向剪应力为0.232 MPa，最大纵向剪应力为0.164 MPa，总剪应力为0.284 MPa。

按重交通时的标准轴载累积作用次数为2000万次，层间抗剪强度结构系数为4.11（该数据根据胡长顺、王秉刚教授编著的《复合式路面设计原理与施工技术》公式确定），层间抗剪强度将不得低于1.167MPa。利用层间抗剪强度与层间粘结强度的关系：τ_抗剪=1.4665τ_粘结－0.2335（R²=0.9588）得到层间粘结强度不得低于0.955MPa。

在相同的水平力系数条件下，垂直荷载每增加20kN，最大横向剪应力平均增加0.05MPa，最大纵向剪应力平均增加0.03MPa，最大横向剪应力增加0.06MPa。水平荷载每增加10%，层间横向剪应力增加0.03~0.07MPa，总剪应力增加0.02~0.06 MPa。水平荷载值对纵向剪应力影响微弱。

五、拟选钢桥面铺装方案

根据本桥特点，经过国内外钢桥面铺装案例分析，提出拟选方案如下：

5.1  方案一：浇注式沥青混凝土铺装方案

钢桥面行车道铺装层厚度考虑功能要求的不同，分多层设计，铺装结构见图8，铺装结构组成为：Eliminator防水粘结层+30mm浇注式沥青混凝土GA-10+层间粘结剂+40mm改性沥青玛蹄脂碎石（SMA-13）。

图 8

5.2  方案二：环氧树脂混凝土铺装方案

钢桥面行车道铺装层厚度考虑功能要求的不同，分多层设计，铺装结构见图9，铺装结构组成为：环氧树脂防水粘结层+30mm环氧树脂混凝土（ERC05）+层间粘结剂+40mm改性沥青玛蹄脂碎石（SMA-13）。 

                               图 9

5.3  方案三：环氧沥青混凝土铺装方案

钢桥面行车道铺装层厚度考虑功能要求的不同，分多层设计，该方案的铺装结果为为：环氧改性沥青防水粘结层+环氧沥青混凝土+环氧沥青粘结层+环氧沥青混凝土。具体结构见图10。 

图 10

5.4  方案四：复合铺装方案（剪力件、钢筋网+C50高韧钢纤维轻集料混凝土+防水粘结层+SMA13）见图11。

图 11

六、钢桥面铺装室内实验结果

6.1 拉拔试验

防水粘结层的主要作用就是加强铺装层与钢桥面板的粘结；层间粘结层主要作用就是加强铺装混凝土层间的粘结，两者粘结强度对铺装层的抗剪强度及抗疲劳特性有很大影响。利用拉拔试验可以确定防水粘结层与钢桥面板及铺装层、铺装层间的粘结力情况。

             表3 防水粘结层与钢板粘结强度试验结果

6.2  防水粘结层与铺装底层粘结强度试验

铺装底层与防水粘结层粘结强度试验，主要检测钢板与底层铺装混凝土层,在施工防水粘结层后的粘结强度，通过对钢板处理，涂刷防水粘结层，铺筑底层混凝土层，检测其拉拔强度及抗剪强度。试验结果见表4。

表4  防水粘结层与铺装底层粘结强度试验结果

备注：（1）、拉拔采用便携式拉拔仪，量程为3.5MPa，该拉拔强度超出仪器量程；

（2）、剪切采用万能试验机，量程为100KN；该剪切强度超出设备量程。

6.3  铺装层间粘结强度试验

铺装层间粘结强度试验，主要检测铺装底层与铺装面层混凝土施工层间粘结层后的粘结强度，通过对底层混凝土层铺筑，涂刷层间粘结层，铺筑面层混凝土层，检测其拉拔强度及抗剪强度。出于试件制作模子尺寸及方便试件成型考虑，在不影响检测结果的条件下，试验方案的没层混凝土都按25mm厚度成型。试验结果见表5。

表5  铺装层间粘结强度试验结果

6.4  铺装组合结构车辙试验

铺装组合结构车辙试验，主要检测铺装方案在高位条件下的抗车辙能力，通过通过对钢板处理，涂刷防水粘结层，铺筑底层混凝土层，涂刷层间粘结层，铺筑面层混凝土层，检测其高温稳定度。试验结果见表6。

表6  铺装组合结构车辙试验结果

6.5 环氧沥青混凝土铺装试验

相关试验结果见表7。

表7 铺装层间粘结强度试验结果

6.6  实验小结

该试验设计三种不同的钢桥铺装方案，采用常温25℃及钢桥的70℃或60℃高温条件下界面结合强度试验作为主要评价手段，高温动稳定度作为辅助评价，对三种铺装方案的防水材料及其结构体系进行了系统研究，形成以下结论：

（1）通过防水粘结层及防水粘结体系综合试验研究发现，树脂混凝土铺装方案的环氧树脂防水粘结体系与浇注式沥青混凝土铺装方案的Eliminator防水粘结体系相比，树脂混凝土铺装方案具有更高的界面结合力和高温稳定性。

（2）通过铺装层混凝土层间拉拔及剪切试验研究，树脂混凝土铺装方案与浇注式沥青混凝土铺装方案相比较，树脂混凝土铺装方案层间抗剪性能略优；而层间抗拉拔性能浇注式沥青混凝土铺装方案表现出更大的优越性，且树脂混凝土铺装方案层间拉拔数值偏低，存在层间粘结强度不足引起的早期病害风险。

（3）通过铺装层混凝土层间剪切试验研究发现，树脂混凝土铺装方案层间破坏界限明显，原因是两层混凝土模量相差大，且即使出现微小破坏自身也无法修复；而浇注式沥青混凝土铺装方案层间破坏界限不明显，最先破坏主要出现在下层浇注式混凝土，在最初出现微小变形时，自身有一定的修复能力，但在70℃高温时，不管粘结层沥青及混凝土结合料的沥青都处于塑性状态，因此该方案出现层间早期病害的风险很低。

（4）通过铺装组合结构的高温动稳定度试验研究发现，树脂混凝土铺装方案的高温抗车辙能力明显高于浇注式沥青混凝土铺装方案，因此特别适用于南方高温地区的钢桥面铺装。浇注式沥青混凝土铺装方案动稳定度数值不高，主要是由于浇注式混凝土本身热稳性特点决定，一般不用车辙试验来评价其热稳性，因此不能由此判断浇注式沥青混凝土铺装方案不能满足高温使用要求。

（5）从试验结果看，双层环氧沥青混凝土铺装方案的铺装整体的粘结强度最高。

（6）从上述试验结果来看，前三种方案在70℃条件下，都满足不了有限元分析层间抗剪强度≥1.167MPa、层间粘结强度≥0.955Mpa的要求，但其抗剪强度计算时采用4.11的结构系数偏高。

（7）通过实验比较最终选择方案四为实施方案。

七、实施方案简介及效果

针对钢箱梁桥面铺装层沥青凝土与钢板弹模变化幅度大，界面抗剪性能差，铺装层易产生破坏，采用 “剪力件、钢筋网+C50高韧性钢纤维轻集料混凝土+防水粘结层+SMA13”的钢箱梁桥桥面铺装层材料梯度设计方法，具体铺装示意图见图1。第一步，在钢板上焊接剪力件（剪力件高度一般小于混凝土铺装厚度1cm为宜），喷涂防锈漆，绑扎钢筋网（焊接在剪力件上）；第二步，浇筑C50高韧性钢纤维混凝土7cm；第三步，铺设防水粘结层；第四步，铺设4cm厚高粘度改性沥青制备的SMA13。剪力件钢筋网使高界面抗剪能力；铺装层内材料弹模梯度变化，显著降低铺装层体系的拉应力和剪应力，高其使用寿命，行车舒适及安全性良好。该桥建成通车一年来使用效果良好。