正交異型鋼橋面板鋪裝體系使用壽命因素分析

王凌欣

摘 要：橋面鋪裝指的是為保護(hù)橋面板和分布車輪的集中荷載，用瀝青混凝土、水泥混凝土、高分子聚合物等材料鋪筑在橋面板上的保護(hù)層。又稱車道鋪裝，其作用是保護(hù)橋面板防止車輪或履帶直接磨耗面，保護(hù)主梁免受雨水侵蝕，并借以分散車輪的集中荷載。常用的橋面鋪裝有水泥混凝土，瀝青混凝土兩種鋪裝形式。在不設(shè)防水層的橋面上，也有采用防水混凝土鋪裝的。橋面鋪裝層直接承受行車荷載、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板結(jié)構(gòu)型式密切相關(guān)。近十年來(lái)，我國(guó)加快了大跨徑鋼橋的建設(shè)步伐，這些橋梁幾乎都采用正交異性鋼橋面板和瀝青鋪裝體系作為橋面系。但是由于沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)和成熟的設(shè)計(jì)理論，正交異性鋼橋面板上瀝青鋪裝層在運(yùn)行一到兩年后，會(huì)出現(xiàn)橫向或縱向裂縫，并逐步擴(kuò)展。到目前為止，我國(guó)正交異性鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工還未完全取得成功，仍是大跨徑鋼橋急待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

關(guān)鍵詞：正交異性鋼橋面板；瀝青鋪裝體系；影響因素；使用壽命

中圖分類號(hào)：TU279.7+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3198（2009）03-0288-02

1 正交異性鋼橋面的定義和發(fā)展歷史

正交異性鋼橋面結(jié)構(gòu)由橫向橫隔梁、縱向加勁肋及其共同支撐的橋面板組成，橋面結(jié)構(gòu)縱橫兩個(gè)方向彈性性能不同，同一方向不同位置橋面剛度也存在差異，這些因素形成了正交異性鋼橋面板的剛度及變形的不均勻性，這種橋面板剛度特點(diǎn)也對(duì)橋面鋪裝性能提出了更高的要求。正交異性鋼橋面前期的發(fā)展動(dòng)力主要是二戰(zhàn)后德國(guó)重建大跨徑橋梁，當(dāng)時(shí)鋼材短缺，而正交異性鋼橋面具有節(jié)省鋼材的優(yōu)點(diǎn)。

2 正交異性鋼橋面板的力學(xué)特性

2.1 構(gòu)造特點(diǎn)

在大跨徑的橋梁建設(shè)中，常采用箱形截面正交異性鋼橋面板。它的構(gòu)成部分主要是頂、底板，腹板和加勁構(gòu)件。頂板一般厚度不小于10cm，并用密布的縱肋及垂直于縱肋的分布較疏的橫肋來(lái)加勁；腹板沿長(zhǎng)度方向需設(shè)置焊接或栓接的豎向接頭，沿高度方向隨尺寸設(shè)水平接頭或采用整塊鋼板，其厚度在10～36cm間變化；底板一般也設(shè)有縱、橫肋，橫肋與頂板橫肋位置一致，以組成橫向連接系，縱肋布置間距較頂板間距大。此外，箱梁還應(yīng)設(shè)有一定數(shù)量的橫隔板或橫框架以保證其整體作用，一般間隔10m～15m設(shè)置，跨中和支點(diǎn)截面必設(shè)。

2.2 力學(xué)特性

正交異性板鋼箱作為加勁梁，梁高底矮，如同機(jī)翼一樣，空氣動(dòng)力性能好，橫向阻力小，大大減小了塔的橫向力；抗扭剛度大，頂板直接作橋面板，恒載輕，主纜截面可以減小，從而降低用鋼量和造價(jià)。正交異性鋼橋面板既承受車輪局部荷載，又與縱、橫肋組成橋面結(jié)構(gòu)，同時(shí)又形成鋼箱梁的頂板，因此力學(xué)作用復(fù)雜，一般將其分為三個(gè)結(jié)構(gòu)體系來(lái)計(jì)算，最后將應(yīng)力疊加。第一結(jié)構(gòu)體系指將橋面板作為箱梁頂板的體系，按閉口薄壁桿件分析應(yīng)力。

2.3 瀝青鋪裝體系的結(jié)構(gòu)形式

鋼橋面鋪裝的使用條件比較惡劣，其對(duì)高溫穩(wěn)定性、抗疲勞開裂性、對(duì)鋼板變形的追從性、層間粘接特性及完善的防、排水體系等均有極高的要求，否則對(duì)鋪裝層的正常工作狀態(tài)不利。從減輕橋梁自重、經(jīng)濟(jì)和行車舒適性等方面考慮，大跨徑鋼橋一般采用薄層瀝青混凝土鋪裝層。

2.4 影響鋪裝體系使用壽命的因素分析

瀝青鋪裝層必須為車輛提供長(zhǎng)期穩(wěn)定、平整的行車表面。但由于正交異性鋼橋面板的柔度大，易產(chǎn)生較大的局部變形，在行車荷載、風(fēng)載、溫度變化等因素的影響下，其受力和變形遠(yuǎn)較公路路面或機(jī)場(chǎng)道面復(fù)雜，因而對(duì)鋼橋面的受力狀態(tài)、鋪裝材料的基本強(qiáng)度、變形穩(wěn)定性能、疲勞耐久性、抗腐蝕性、水穩(wěn)性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、粘接性、抗滑性、施工工藝等等均有更高要求。

3 結(jié)構(gòu)理論與設(shè)計(jì)

從現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)分析方法看，主要是用三維等參元模型進(jìn)行分析，目前較多采用的是三維八結(jié)點(diǎn)和二十結(jié)點(diǎn)單元。對(duì)于不設(shè)防水層的情況，可以借鑒復(fù)合路面的處理方式。對(duì)于設(shè)防水層的情況，實(shí)際施工中防水層的厚度在2～5mm之間，一般約為3mm。由于防水層的厚度很薄，有的學(xué)者將其簡(jiǎn)化為一種接觸條件來(lái)處理。橋面鋪裝層是一種特殊的路面結(jié)構(gòu)，如何合理簡(jiǎn)化荷載模型，以及如何進(jìn)行橫向和縱向布載，也直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的精確程度。

3.1 粘結(jié)層性能

因水平摩擦系數(shù)不同，粘結(jié)層為滑動(dòng)狀態(tài)比連續(xù)狀態(tài)的鋪裝層水平方向應(yīng)變峰值高15％～34％。因此，粘結(jié)層結(jié)構(gòu)可靠的粘結(jié)性能不僅保證鋪裝層粘附于橋面板，而且可以改善鋪裝層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。粘結(jié)層結(jié)構(gòu)是保證鋪裝層可靠性的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)從設(shè)計(jì)、材料、施工等方面來(lái)滿足粘結(jié)層的性能要求。

3.2 防水層的設(shè)置

目前在保證鋪裝層具有完善的防水系統(tǒng)條件下，取消防水膠層可避免層間接合強(qiáng)度不足的問(wèn)題，經(jīng)常采用的防水粘結(jié)材料是0.8～1.2mm的熱熔型和溶劑型兩種，熱熔型粘結(jié)材料以瀝青、聚合物和樹脂等構(gòu)成，實(shí)踐表明溶劑型粘結(jié)材料難以達(dá)到粘結(jié)牢固的效果，所以目前防水粘結(jié)層多采用熱熔型材料，并在其上面撒布預(yù)拌瀝青碎石層構(gòu)成。

3.3 溫度的敏感性

由于夏季高溫時(shí)間較長(zhǎng)，加之鋼橋面?zhèn)鳠嵝阅芎?，封閉的鋼箱結(jié)構(gòu)又密不透風(fēng)，鋪裝層底部、鋼橋面板表面溫度較高，一般達(dá)到55℃～65℃以上，鋪裝層內(nèi)部最高溫度可達(dá)到60℃～70℃左右，這就對(duì)瀝青鋪裝層的高溫抗流動(dòng)性、抗車轍能力、抵抗剪切推移能力提出較高的要求，同時(shí)高溫對(duì)防水粘結(jié)層的抵抗剪切能力也會(huì)帶來(lái)影響，一般要求粘結(jié)劑的軟化點(diǎn)不能太低，用量不宜過(guò)多，初始軟化溫度必須高于使用溫度10℃以上。在冬季外界氣溫降低后，鋼橋面板也會(huì)隨著溫度的變化而變形，而這時(shí)瀝青鋪裝層模量反而提高，對(duì)鋼橋面板變形的追從性降低，容易產(chǎn)生開裂，所以高溫的熱穩(wěn)定性及低溫的抗裂性是瀝青鋪裝層面臨的主要問(wèn)題。

3.4 材料與施工工藝

對(duì)鋼橋面板防銹處理材料、施工工藝的選擇，直接影響到大橋的使用壽命和維護(hù)費(fèi)用，如果在生銹狀態(tài)下進(jìn)行橋面鋪裝施工，會(huì)造成結(jié)合不牢固，成為鋪裝層早期破壞的原因，同時(shí)鋼箱要注意焊縫的清理。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)從起步修建現(xiàn)代懸索橋、斜拉橋等大跨徑橋梁開始加勁梁就一直采用鋼箱，在已修建的幾座懸索橋上，橋面瀝青鋪裝相繼出現(xiàn)了損壞現(xiàn)象，使用壽命很短，有的橋梁工作者反思認(rèn)為，鋼箱作為加勁梁還有一些方面值得改進(jìn)，如鋼箱橋面板的局部撓度以及箱體的通風(fēng)問(wèn)題。若采用桁架梁作為加勁梁，其剛度大，橋面溫度相對(duì)低，還可解決雙層交通等，會(huì)比采用鋼箱更有利，這是值得深入探討的課題。目前特大型橋梁的設(shè)計(jì)壽命一般為100年，甚至120年，而瀝青混凝土設(shè)計(jì)壽命一般為8～15年，鋪裝層壽命很少達(dá)到5年以上，由此可見(jiàn)，如何延長(zhǎng)橋梁鋪裝層壽命是一項(xiàng)急切緊迫的課題，它對(duì)于節(jié)約橋梁的投資和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，保證橋梁和路網(wǎng)的通行能力都具有重要的意義。通過(guò)對(duì)影響正交異性鋼橋面板鋪裝體系使用壽命的因素分析，可以看到這是一個(gè)對(duì)設(shè)計(jì)、材料和施工要求很高的技術(shù)難題，由于我國(guó)開展正交異性鋼橋面板鋪裝研究較晚，還沒(méi)有鋼橋面鋪裝的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，目前都是參照國(guó)外的有關(guān)技術(shù)規(guī)范和國(guó)內(nèi)應(yīng)用實(shí)例的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，所以應(yīng)加緊對(duì)這一領(lǐng)域內(nèi)課題的研究，盡快制定出適合我國(guó)不同地區(qū)、不同結(jié)構(gòu)型式的大跨徑橋梁鋼橋面鋪裝的技術(shù)規(guī)范。

參考文獻(xiàn)

［1］@劉軍.瀝青混凝土橋面鋪裝試驗(yàn)研究及計(jì)算分析［D］.大連理工大學(xué)，2008.

［2］@羅友鴻，黃賢波.淺談橋面鋪裝常見(jiàn)病害及防治措施［J］.中國(guó)水運(yùn)（學(xué)術(shù)版），2007，（9）.

［3］@王輝，劉涌.鋼橋面鋪裝的拉應(yīng)力分析［J］.長(zhǎng)沙交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，（1）：31-34.

［4］@張滿平.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁模型設(shè)計(jì)研究［D］.長(zhǎng)安大學(xué)，2005.