钢桥面铺装

一、钢桥面铺装总述

1.大跨径钢桥桥面铺装问题研究，王姣兰，国外建材科技

大跨径桥梁的钢桥面铺装一直是一个国际性的难题,其原因在于钢桥面的刚度较小,变形较大,要求沥青铺装具有良好的变形随从形;铺装层受力复杂,受温度的影响很严重,尤其是在水平剪应力的作用下,铺装层易于产生各种变形破坏。

概括地说,钢桥面铺装应具备以下基本性能:

1) 应具备良好的疲劳抗开裂性能以承受反复复杂变形。

2) 应具备优良高温稳定性,以满足高达70 ℃的高温使用要求。

3) 完善的防排水体系。以保证钢板不受侵蚀。

4) 良好的层间结合,保证铺装与桥面板的协同作用。

5) 对钢板变形良好的追从性,以适应钢板变形。

6) 良好的平整度与抗滑性能。

钢桥面铺装方案多种多样,就目前来看,钢桥面使用的沥青铺装,主要有浇筑式沥青混凝土、环氧改性沥青混凝土、沥青玛蹄脂碎石(SMA) 。这3 种铺装材料在材料组成、性能、施工工艺上有很大的区别。

浇筑式沥青混凝土( Gussasphalt ) 源于英国,主要在英联邦国家得到应用。沥青玛蹄脂混合料(SMA) 源于德国,并在日本和中国得到较普遍的应用。两者的共同特点是2 阶段高温拌和,拌制的混合料具有一定流动性,浇筑式摊铺(不需要碾压) ,一般使用天然硬质沥青(德国也已开始使用聚合物改性沥青) ,混合料组成相近,混合料结构的强度形成原理一致,但拌制工艺略有区别。环氧沥青是将环氧树脂加入沥青中,经与固化剂发生固化反应,形成不可逆的固化物,这种材料从根本上改变了沥青的热塑性质,而赋予沥青完全新的优良的物理力学性质。从选用的材料和施工方法角度出发,目前国外桥面铺装方案主要有以下3 大类:

1) 单层铺装结构

以英国的浇筑式混合料为代表,在英国、法国、丹麦、瑞典等国应用较广,国内的江阴长江大桥与香港青马大桥采用了这种方案。这种单层体系通常为45 cm 厚,对于高低温季节差异并不是很大的欧洲国家来说是较为适宜的。对于我国高温地区不合适,如江阴长江大桥采用此结构后,出现了严重的车辙。

2) 双层铺装结构

德国的双层浇注式沥青混凝土、美国的双层环氧沥青混凝土以及日本的本四系列联络桥方案均为双层式结构,厚度在7. 0 cm 左右,国内新建的几座大桥则以双层改性SMA 为铺装结构。我国的双层SMA 结构的最大缺点是层间粘结不过关,出现推移裂缝等病害

3) 环氧树脂沥青( Epoxy asphalt) 混合料方案

目前, 我国环氧沥青钢桥面铺装所用粘结层材料均采用美国进口的环氧沥青热固性粘结材料。属于专利产品,价格昂贵。材料由2 组分组成: 组分A (环氧树脂) 和组分B1 (一种由石油沥青和固化剂组成的匀质合成物) 。环氧沥青粘结料由组分A和B 按质量比例(1∶4. 45) 配制而成, 并且在配制过程中有严格的温度时间要求。

钢桥面铺装出现的主要病害及原因分析，主要的破坏形式有以下几种。

1) 车辙

铺装层的车辙是我国钢桥面铺装的主要病害类型。车辙的存在严重影响铺装的服务质量和使用寿命。在铺装已产生病害的大桥中, 有近80 % 的大桥其钢桥面铺装均产生不同程度的车辙。2) 开裂

在使用初期铺装层即出现纵向裂缝、横向裂缝甚至环状裂缝, 也是我国钢桥面铺装早期破坏的常见形式。裂缝的位置均出现在行车道两侧轮迹带的U 形加劲肋的肋顶以及横隔板上方的铺装。纵向裂缝的间距在30 cm 左右, 与纵向U 形加劲肋的开口宽度相当, 横缝则与横隔板的所在位置基本一致。

3)脱层与滑移

脱层与滑移是指因铺装粘结层与钢板及铺装的粘结力较低或粘结力丧失而造成铺装脱开, 在行车荷载作用下, 铺装不断拍打钢桥面板并相对钢桥面板发生部分或整体错动的病害现象。

4) 其它病害:如拥包,坑槽,鼓包,老化等。

界面内力分析

行车过程中作用于铺装层的总剪应力由刹车惯性力产生的剪应力、纵向变形差产生的剪应力、后轮轮压产生的剪应力、后轮荷载斜面剪应力组成,约为1. 50～1. 70 MPa 。

因此,典型的病害如车辙,推移开裂,拥包等产生的主要外因是行车的水平惯性力产生的剪应力、

铺装层与钢桥面板体系温差和因热膨胀系数不同而造成纵向相对变位差产生的剪应力以及钢桥面板受车辆荷载作用发生弯曲变形而在结合面上产生的剪应力。主要内因是铺装层及其与钢桥面板结合面上的粘结材料的抗剪强度不能满足受力要求。因此,钢桥面铺装成败与否主要需解决铺装层在光滑的钢板表面上的界面抗剪问题。粘结材料在设计高温时的抗剪强度应不低于2. 0 MPa ;在设计低温时,粘结材料应不脆裂;在设计使用年限内,粘结材料应不老化变质,同时还应具

有良好的防水密封性能。

目前防水粘结层分析

采用一种材料过渡, 一方面可以与钢板有足够的粘结强度, 另一方面可以提供粗糙表面与铺装层嵌挤。按照防水粘结层材料的物理形态, 可以分为液态型和固态型, 按照施工方法分,则可分为粘贴型、涂刷洒布型。

1) 粘贴型

粘贴型固态防水粘结材料主要是指以防水卷材为代表的成品。这种材料广泛应用于水泥混凝土桥面沥青铺装工程中的桥面接缝防水处理, 在旧水泥混凝土路面黑色罩面工程的接缝处理中也有应用。也正是由于该种材料在上述工程中的优异表现, 有文献研究了其在钢桥面铺装工程中作为防水粘结层的可行性与基本性能。但由于相关研究在国内外都不完善, 许多关键技术未经过试验验证, 国内未见试验钢桥与实际钢桥应用的资料。

2) 涂刷洒布型

延续一般沥青路面的传统防水粘结层设置方式, 在完成防锈涂层的钢板表面洒布特殊聚合物改

性沥青, 并撒布一定数量的预拌碎石作为防水粘结层。这种方法的优点是可以利用路面施工的常用设备与施工方法, 施工简单, 目的明确。利用面层施工时的高温融化粘结层沥青, 从而达到铺装层与防水粘结层的结合。但实践证明, 这种方式并没有达到铺装结构与钢板的理想结合。在铺装压实过程中, 防水粘结层沥青有上泛, 铺装结构与钢板的接触关系实际成为点面接触。鉴于此, 研发性能更为优越的粘结材料成为发展方向。

解决钢桥面铺装问题的方向

由前面的分析可知,提高钢桥面与桥面铺装间以及桥面铺装层间的粘结力是钢桥面铺装能否成功的关键。改善粘结性,改善界面结构。经分析有2种方法:第1 种是改善胶粘剂,增强粘接强度。第2种是改善面层,使面层与粘接剂的粘接强度增大。

2.大跨径钢桥桥面铺装早期病害分析及对策，关永胜，中外公路

针对我国桥面铺装的具体情况,将车辙、开裂和粘结层破坏作为大跨径钢桥桥面铺装早期病害的主要形式。

病害原因分析及防治对策

车辙：通常认为车辙的产生是由于材料或结构的高温稳定性不足引起的。

开裂

目前,开裂是钢桥面铺装中普遍存在的病害之一。

3种材料的铺装层都存在开裂病害,且开裂类型相同,分为:细小裂纹、纵向裂缝、横向裂缝、斜裂缝及网状裂缝,具体特征如表3 所示。在这5种类型中,主要的开裂病害是纵、横向裂缝。

可见,顶板厚度增加能显著改善铺装层受力。

粘结层破坏

钢桥面铺装与普通沥青路面铺装有显著的区别,普通沥青路面和路基顶面相连接,钢桥面铺装层通过粘结层及防锈层与钢板相连接。目前使用的粘结材料分为:热熔性粘结材料、溶剂性粘结材料和热固性粘结材料;实践表明 3 种粘结层均存在病害,国内环氧沥青铺装粘结层目前没有出现破坏。

(1) 粘结层的抗剪强度过低

(2) 防锈层破坏

预防粘结层病害,一方面要提高粘结层的强度,特别是材料的高温抗剪强度,例如合理使用热固性的环氧沥青;另一方面铺装体系需要具备完善的防水性能,防水粘结层、铺装层的功能明确。

3.钢桥面铺装技术的研究、实施与总结，韩道均，公路

随着对钢桥面铺装技术问题认识的深入, 我们认识到要解决铺装技术问题, 必须综合考虑铺装与钢板之间的粘接及各铺装层之间的粘接、铺装层的防水、铺装各层的抗高温车辙和推移、抗疲劳开裂性能及铺装层低温下对钢板的变形追从性等问题。

桥梁结构对钢桥面铺装的影响

由于钢箱梁桥是密闭的, 钢桁架桥是开放式的, 在夏季高温天气时, 钢桁架桥面铺装

较钢箱梁桥面铺装温度约低10℃。因而, 钢箱梁桥面铺装技术问题更难以解决。

桥的型式对铺装的影响

实际上, 从铺装受力分析结果可以清楚地看到, 全桥或全段面的I 体系的变形,对铺装影响非常小。由此使铺装层产生的拉应变也非常小。但是, 柔性更大的桥梁行车振动对铺装带来

的危害应该更大一些, 该问题正在迚一步研究中。

伸缩缝的跳车加剧了桥面脱层病害的发展。

桥面系结构对铺装的影响

桥面系结构对铺装的受力状态有着决定性的影响。概括地说, 主要有以下几个方面: 桥面顶板( 钢板) 厚度、加劲肋肋型或尺寸、横隔板( 梁) 间距、有无纵向腹板, 是全焊接还是栓接等等。

根据过去的实测资料和有限分析结果, 纵向腹板顶面铺装表面拉应变量大, 其次为加劲肋顶面, 然后是横隔板顶面。因此, 在桥梁结构设计中, 纵向腹板一定要避免设置在行车道轮迹部位。否则, 该部位铺装很快会产生纵向开裂( 一般为1～2 年间) 。钢箱梁的联接也要尽可能采用全焊接( 采用栓接时, 易产生跳车冲击) 。

一般来说, 结构设计必须满足肋板间相对变形< 0. 4 mm, 最小曲率半径> 20 m 的基本要求。

铺装的施工控制是铺装的关键

( 1) 施工时下卧层界面必须保持干净、粗糙、确保各层间粘接。例如: 喷砂除锈必须清除所有锈迹和原底漆, 达到一定粗糙度, 防护漆或粘接剂才能与钢板间牢固结合; 粘接剂洒布前底面必须干净、干燥;未粘牢固的预拌碎石必须清除干净等。

4.钢桥面铺装设计方案分析，毛学功，城市道桥与防洪

一般说来，钢桥面铺装的设计中需要考虑到如下的一些特殊要求：

（1）钢板变形、振动对桥面铺装的变形随从性要求高。

（2）桥面铺装的高低温性能要求更高。

（3）荷载作用下，加劲肋、横隔板、纵隔板顶部的铺装层表面出现负弯距，使得铺装层最大拉应力或拉应变出现在铺装层表面。

（4）桥面防水要求高。

（5）桥面维修困难，危害大，要求耐久性好。

钢桥面铺装的主要方案

钢桥面铺装方案的发展经历了相当长的时间，并没有普遍适用的铺装方案，在铺装设计中必

须结合当地的环境、气候特征，荷载特点，以及材料来源和施工工艺水平等进行综合确定。目前的桥面铺装主要方案有三个，分别是：单双层SMA、浇注式沥青混凝土、环氧沥青混凝土。在美国以环氧沥青混凝土为主，欧州和日本等以浇注式沥青混凝土为主，中国以双层SMA 为主。综合比较，采用双层式SMA 沥青混凝土钢桥面铺装更加适合目前国内的气候、交通状况和工

艺水平，并且其实施在国内有成功的先例和较多失败的教训，推荐在钢桥面铺装中采用此方案。

在桥面铺装设计中，需要注意如下一些要点：

（1）桥面铺装层总厚度控制在70 mm；

（2）应专门研制改性增韧性SMA 沥青混凝土；

（3）在钢板上加焊横向钢筋在上海城市高架中较多采用，可提高桥面的抗剪强度。

5.钢桥桥面铺装方案环道试验研究，吴光蓉，公路

( 1) 钢桥面铺装的抗开裂性能和抗车辙性能是一矛盾组合体。一般来说, 抗开裂性能优良的铺装,其抗车辙性能则相对弱一些, 反之亦然。因此, 在设计钢桥面铺装时, 需对钢桥结构类型、所处地理气候条件、所承受的交通荷载条件和施工条件等因素予以综合考虑, 选择综合性能好的铺装结构和材料类型作为设计方案。

( 2) 夏季炎热气候区钢桥面铺装表面层宜采用X - 5 改性沥青( 达到SHRP PG82- 22 等级) 。底面层可采用Y- 2 或X - 3 改性沥青。

( 3) 铺装层中, 预拌碎石表面可以洒布改性乳化沥青粘层, 用量为0. 4～0. 6 L/ m2。

( 4) 在保证层间结合状态及基本厚度情况下, 采用5 cm 单层铺装是可行的。但应采用变形能力强,弹性好的结合料, 并采用掺加长纤维等相关技术措施进行特殊的混合料设计。

( 5) 热融型粘接剂可用新研制的溶剂型粘接剂替代, 使用效果良好, 但仍要保证0. 6 mm 以上厚度。

( 6) 采用薄层溶剂型粘层和沥青玛蹄脂防水层对双层SMA 铺装结构是不适宜的, 不相匹配。( 7) 采取表面层使用X - 5 改性沥青、预拌碎石上再洒布改性乳化沥青粘层、采用新型溶剂型粘接剂( 4～5 层涂布, 总厚度0. 6～1. 2 mm) , 及采用长纤维等技术措施后, 铺装层抗疲劳开裂性能有显著提高。

6.上海延安东路高架钢桥面铺装防水黏结体系，俞国平，中国市政工程

主要介绍了铺装层实施的工艺指标

钢板的防腐处理

环氧防水层的实施

缓冲层

铺装层SMA

上海延安东路高架钢桥面铺装方案为上海卢浦大桥采用过的成熟方案。上海卢浦大桥于2003年6月开放交通，使用6 a时间，未发生任何破坏。广西柳州红光大桥也采用相同的方案，使用5 a，使用效果良好。

二、钢纤维混凝土铺装

1.复合材料钢桥面铺装结构的试验研究，仝瑞金，结构工程师

结构形式更简单

FRP- 沥青混凝土钢桥面铺装结构, 是一种不需要在钢桥面板与FRP结构层间界面设置

防水层和粘接层的双层结构, 这不仅使钢桥面铺装结构的结构形式简单, 还可带来设计和施工的简化与高效, 并有可能实现铺装下层的工厂化加工。

结构功能更全面

因FRP材料自重轻、强度高、模量适中, 抗冲击、振动和断裂、疲劳的性能优于钢材, 密闭防水、耐高低温疲劳破坏和酸、碱、盐腐蚀的性能优于沥青混凝土[ 6, 7] , 加上FRP材料中树脂基体与钢材具有分子间的吸引力、增强纤维能承担界面上的高剪应力; 正交异性的夹芯板结构形式既能弥补正交异性钢桥面板的刚度方向性和突变性给铺装层带来的刚度缺陷, 还能吸收车辆冲击、钢桥面板振动的动力效应和温度传导的扩散影响, 从而使FRP铺装下层兼有钢桥面板结构增强层、防水粘接层和铺装结构刚度过渡层等多种功能, 可使得钢桥面铺装结构组成更合理, 总体使用性能更和谐。

材料性能比较

FRP材料密度与沥青混凝土材料相当, 但强度、模量远大于沥青混凝土, 并且强度和模量介于钢桥面板和沥青混凝土中间, 这表明FRP铺装下层既不会先于沥青混凝土破坏, 也不会对钢桥面

板构成位移约束, 从而减小二者材料性能悬殊过大时的变形协调难度。

截面刚度比较

改用FRP-沥青混凝土钢桥面铺装结构, 对纵桥向的刚度贡献可忽略不计, 但对横桥向的刚度贡献增大了20. 1% 。更重要的是,钢桥面板与FRP铺装下层的优异连结效果能保证二者构成完全结构整体。

经初步理论分析计算和实验室模拟试验, 得到如下几点结论:

( 1) FRP- 沥青混凝土钢桥面铺装结构, 是典型的异质双层铺装结构, 不需另设防水层和粘

接层。FRP铺装下层既是钢桥面板的结构增强层和防水粘接层, 又是铺装结构的刚度过渡层, 比现有沥青混凝土钢桥面铺装结构组成更合理, 总体使用性能更和谐。

( 2) 钢板- FRP- 沥青铺装层试件试件相对于钢板- 沥青铺装层试件的挠度减小24. 5% (设

计荷载) , 22. 0% (超载1 /3) , 21. 2% (超载2 /3);相对于钢板- 沥青铺装层试件的钢板拉应变减小37. 6% (设计荷载) , 37. 9% ( 超载1 /3) , 21. 8%(超载2 /3)。FRP- 沥青混凝土钢桥面铺装结构的主要贡献是增大钢桥面板和整体铺装结构的横桥向刚度, 减小其横向应力和挠度, 并且这种贡献随着沥青混凝土铺装层的材料性能降低而增大。

( 3) 沥青混凝土随温度升高和降低, 性能会急剧衰减, 而FRP材料在- 30 ?~ 70 ?范围内性能基本稳定, 故可弥补沥青混凝土层性能衰减的缺陷并使整体结构温度影响减弱。此外, FRP材料的疲劳性能优于钢材, 可提高钢桥面铺装的使用寿命, 还可减小钢桥面铺装的维修频率和费用。

( 4) FRP- 沥青混凝土钢桥面铺装结构以强度较高的FRP 铺装下层增大其分担结构总应力比例, 能够使钢桥面板和沥青混凝土铺装层应力减小, 这将使铺装结构各组成部分受力更合理,避免沥青混凝土铺装层先行失效破坏。这种结构具有优于现有钢桥面铺装结构的技术、经济性能, 可为钢桥面铺装设计提供一定的参考, 对钢桥面铺装结构的技术创新和工程应用具有一定的使用价值。

2. 西江特大桥主桥钢纤维混凝土桥面铺装，蒲坚，湖南交通科技

厚8 cm。经论证,主桥( 620m)采用钢纤维水泥混凝土作桥面铺装,用以提高抗折强度,增强抗疲劳性能,

钢纤维混凝土( SFRC)的特性

钢纤维混凝土( Steel Fibre Reinforced Concrete简称SFRC)是一种新型复合材料,是在普通混凝土

中掺入乱向分布的钢纤维所形成的一种纤维型与颗粒型相混合而成的复合材料。通过混凝土和钢纤维的相互作用,两者各施所长,显著的提高了混凝土的各项性能指标,不仅提高了混凝土的抗拉、抗折、抗剪强度,而且由于它的阻裂性能使原本本质上是脆性材料的混凝土呈现出很高的抗裂性、延性和韧性。

提高抗弯韧性

脆性破坏是普通混凝土致命的弱点之一。在通常的纤维掺量下,钢纤维混凝土比普通混凝土抗弯韧性有显著提高,通常可提高到几倍到几十倍。

1. 2提高抗疲劳性能

钢纤维混凝土在荷载反复作用下,对于裂缝的引发和扩展有着非常良好的抑制能力。这是由于钢纤维能够改善混凝土的孔结构,约束在反复荷载的作用下微细裂纹的发展。所以他的抗疲劳破坏性能有显著提高。

提高抗拉强度和抗弯强度

在混凝土中加入钢纤维对混凝土的抗压性能改善不大,但由于钢纤维阻止和延缓微裂缝的发生和发展,使混凝土的抗拉强度有明显提高。

钢纤维混凝土( SFRC)的桥面铺装

原材料的准备

1)钢纤维

选用铣削型钢纤维。单丝钢纤维抗拉强度不小于600MPa,长度介于砼粗集料最大公称粒径的

1/3～2倍,且与标准长度的偏差不超过10%。

2)水泥。施工选用P·Ⅱ42. 5R普通硅酸盐袋装水泥。

3)碎石。选用花岗岩碎石,符合公路水泥混凝土路面用碎石标准。选用3种粒级的集料迚行掺配组成合成级配。

4)砂。选用中砂,符合公路水泥混凝土路面用砂标准。

5)外加剂。为改善混凝土的和易性,减少混凝土坍落度的损失,减少用水量,提高混凝土的抗压强度、抗折强度、抗裂性能,根据《公路水泥混凝土路面施工技术规范》的要求在混凝土中加入一定量的减水剂。考虑到施工时砼运输距离较进,工序繁多,采用FDN - 440 缓凝型减水剂,冷天施工时改用FDN - 5早强型减水剂。

钢纤维混凝土配合比设计

以《钢纤维混凝土结构设计与施工规程》为依据迚行配合比设计，根据采用人工摊铺的特点和施工方案,其中钢纤维的用量按照设计要求为50 kg/m3。钢纤维混凝土抗压设计强度为C40 ,弯拉设计强度为6MPa;配合比强度保证系数为1. 15。