影响钢桥面铺装体系使用寿命的因素分析

桥面铺装层直接承受行车荷载、梁体变形及环境因素的作用，其变形和应力特征与主梁及桥面板结构形式密切相关。近10年来，我国加快了大跨径钢桥的建设步伐，黄河上建造的大跨径桥梁越来越多，这些桥梁几乎都采用正交异性钢桥面板和沥青铺装体系作为桥面系。但是，很多正交异性钢桥面板上的沥青铺装层在通车运行一到两年后，出现横向或纵向裂缝。到目前为止，我国正交异性钢桥面铺装设计与施工还未完全取得成功，仍是大跨径钢桥亟待解决的关键技术之一。

　　1 正交异性钢桥面板的力学特性

　　1.1 构造特点

　　在大跨径的悬索桥、斜拉桥建设中，为减轻自重，提高结构整体性，常采用箱形截面正交异性钢桥面板。其构成部分主要是顶板、底板、腹板及加劲构件。考虑到薄钢板的刚度较小，在轮载的反复作用下易发生过大的变形，因此顶板厚度不小于10mm，并用密布的纵肋及垂直于纵肋、分布较疏的横肋来加劲。腹板沿长度方向需设置焊接或栓接的竖向接头，沿高度方向随尺寸设水平接头或采用整块钢板，其厚度在10～36mm之间。腹板的主要作用是保证局部屈曲的安全性，因此需设置水平加劲肋和竖向加劲肋。底板一般也设有纵、横肋，横肋与顶板横肋位置一致，以组成横向连接系，纵肋布置间距较顶板间距大。此外，箱梁还应设有一定数量的横隔板或横框架以保证其整体作用，一般间隔10～15m设置，跨中和支点截面必设。

　　1.2 力学特性

　　正交异性板钢箱作为加劲梁，梁高底矮，如同机翼一样，空气动力性能好，横向阻力小，大大减小了塔的横向力；抗扭刚度大，顶板直接作桥面板，恒载轻，主缆截面可以减小，从而降低用钢量和造价。正交异性钢桥面板既承受车轮局部荷载，又与纵、横肋组成桥面结构，同时又形成钢箱梁的顶板，因此力学作用复杂，一般将其分为三个结构体系来计算：第一结构体系指将桥面板作为箱梁顶板的体系，按闭口薄壁杆件分析应力；第二结构体系指盖板、纵肋和横肋组成的桥面体系，按弹性薄板理论中的正交异性板分析；第三结构体系指支承在肋上的盖板，形成连续各向同性板体系，因应力影响较小，这一状态的应力一般可以忽略。

　　2 沥青铺装体系的结构形式

　　钢桥面铺装对高温稳定性、抗疲劳开裂性、钢板变形的追从性、层间黏结特性及完善的防、排水体系等均有极高的要求。钢桥面铺装方案分四大类，即以德国和日本为代表的高温拌合浇筑式沥青混凝土方案、以英国为代表的沥青玛蹄脂混凝土方案、以美国为代表的环氧树脂沥青混凝土方案及德国、日本近期采用的改性沥青SMA方案。浇筑式沥青混凝土是指在高温条件下拌和及施工的沥青混合料，在摊铺时依靠其自身的流动性成形，无须碾压。环氧沥青混凝土是通过在沥青中添加热固性环氧树脂和固化剂，经固化反应而形成的一种强度高、韧性好的沥青混凝土。改性沥青SMA主要优点是柔韧性、抗松散及抗裂性强，具有良好的耐久性和防水性能；抗塑流、抗永久变形的能力强，不易产生车辙；具有粗糙的表面构造，防滑性能好；施工难度相对较小，施工周期短，费用较低等。沥青玛蹄脂混合料究其实质仍属浇筑式沥青混凝土，只是厚度与工艺稍微特殊而已。

　　3 影响铺装体系使用寿命的因素分析

　　3.1 结构理论与设计

　　现有研究主要集中在材料设计和铺装技术等方面，关于理论分析和结构计算的研究很少。

　　现有的结构分析方法主要是三维等参元模型［2～4］。对于不设防水层的情况，可以借鉴复合路面的处理方式；对于设防水层的情况，实际施工中防水层的厚度在2～5 mm之间。由于防水层的厚度很薄，因此有的学者将其简化为一种接触条件来处理。文献［5］和文献［6］中，对设有防水层的钢桥桥面铺装层进行力学分析时，采用了无厚度的Goodman夹层单元来模拟防水层的作用，夹层单元与相邻的夹层单元或铺装体单元之间，只有结点处有力的联系。

　　桥面铺装层是一种特殊的路面结构，如何合理简化荷载模型及进行横向、纵向布载，将直接关系到计算结果的精度。只有将桥梁结构分析与路面理论结合，才能较好地解决这一问题。

　　3.2 黏结层性能

　　桥面铺装黏结层破坏是导致桥面铺装病害的主要原因，这是因为铺装层与桥面板间需要足够大的结合力来抵抗脱层及荷载剪切推移作用。而铺装层与桥面板间的接触黏结状态比较复杂，层间既存在黏结层材料的黏结力，又存在沥青混凝土集料与桥面板间的摩阻力，确定黏结层的刚度或模量很困难。对比滑动体系与连续体系情况下铺装层黏结层的不同应变分布表明，滑动情况下铺装层（尤其是铺装层底面部分）应变水平明显高于连续情况。因水平摩擦系数不同，黏结层为滑动状态时的铺装层水平方向应变峰值比连续状态时高15％～34％［7］。可靠的黏结性能不仅可以保证铺装层与桥面板紧密结合，而且可以改善铺装层结构内部的应力应变状态，应从设计、材料、施工等方面来满足黏结层的性能要求。

　　3.3 防水层的设置

　　由于钢板与水、空气接触会发生锈蚀，因此钢桥面铺装体系必须具有完善的防水系统，桥面与铺装层之间需设置防水层，但是设置防水层的沥青混凝土铺装在行车荷载作用下易发生剪切破坏，常表现为壅包和推移现象［8］。考虑施工因素及铺装层次，通常将防水层与黏结层合并设置，组成防水黏结层，但是防水材料对黏结材料性能有一定的影响。自20世纪70年代以来，铺设防水胶层的方法在桥面铺装中被广泛采用，但是随着通车量的增加，出现了一些新问题，如面层早期破损、开裂、坑槽及防水层与面层、桥面黏结强度不足而产生推移等。目前，在保证铺装层具有完善的防水系统条件下，取消防水胶层可避免层间结合强度不足的问题。

　　3.4 温度敏感性

　　沥青铺装层在常温下为黏弹性材料，对温度变化较敏感，其模量随温度降低而升高，同时沥青铺装层的模量也会随混合料的级配、沥青性能及组成比例的不同有较大变化，这种变化又对沥青铺装层的应变有较大影响。对处于气候较为炎热地区的大跨径钢桥来说，夏季高温时间较长，钢桥面传热性能好，封闭的钢箱结构又密不透风，铺装层底部、钢桥面板表面温度较高，一般可达55～65 ℃，铺装层内部温度可达60～70 ℃左右［9］，这对沥青铺装层的高温抗流动性、抗车辙能力、抗剪切推移能力提出了较高的要求。高温对防水黏结层的抗剪切能力也会带来影响，一般要求黏结剂的软化点不能太低，用量不宜过多，初始软化温度必须高出使用温度10 ℃以上。在冬季外界气温降低后，钢桥面板也会随着温度的变化而变形，而这时沥青铺装层模量反而提高，对钢桥面板变形的追从性降低，容易产生开裂。

　　3.5 材料与施工工艺

　　对于沥青铺装层，国外使用较多的是高温拌合浇筑式沥青混凝土，我国大部分钢桥面铺装采用双层改性沥青SMA混合料。SMA是一种由集料骨架和填充在骨架内的沥青玛蹄脂组成的断级配沥青混合料，粗集料、矿粉及沥青含量高是SMA混合料的特点。铺装层的抗裂、抗车辙、防水等功能集中在一层实现是很困难的，所以一般分上、下两层铺设，根据两层的不同要求，调整混合料级配、选择改性沥青种类，区别对待材料的组成与性能。

　　对钢桥面板防锈处理材料施工工艺的选择，直接影响到大桥的使用寿命和维护费用，如果在生锈状态下进行桥面铺装施工，会造成结合不牢固，成为铺装层早期破坏的原因，同时钢箱要注意焊缝的清理。

　　4 结语

　　我国特大型桥梁的设计寿命约为100年，而沥青混凝土设计寿命一般为8～15年，铺装层寿命在5年以上的很少，可见延长桥梁铺装层寿命是一项亟待解决的课题，它对于节约桥梁的投资和养护费用，保证桥梁和路网的通行能力都具有重要的意义。通过对影响正交异性钢桥面板铺装体系使用寿命的因素分析可知，这是一项对设计、材料及施工要求均较高的技术难题，由于我国开展正交异性钢桥面板铺装研究较晚，还没有钢桥面铺装的技术标准和规范，目前都是参照国外的有关技术规范和国内应用实例的经验进行设计施工，所以应加紧对这一领域的研究，尽快制定出适合我国不同地区、不同结构形式的大跨径桥梁钢桥面铺装的设计与施工技术规范。