大跨徑連續(xù)鋼箱梁鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)

潘友強(qiáng)，郭忠印

（1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；2.江蘇省交通科學(xué)研究院股份有限公司，江蘇 南京211112）

經(jīng)過(guò)十余年的研究和大量的工程實(shí)踐，我國(guó)鋼橋面鋪裝的技術(shù)力量和科研水平逐步加強(qiáng)，形成了適合于我國(guó)國(guó)情的鋼橋面鋪裝技術(shù).目前國(guó)內(nèi)鋼橋面鋪裝的主要類(lèi)型以美國(guó)環(huán)氧瀝青混凝土、澆注式瀝青混凝土和組合式鋼橋面鋪裝方案為主.

環(huán)氧瀝青鋪裝具有非常優(yōu)良的性能，如鋪裝強(qiáng)度高、整體性好、高溫性能好、抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著施工難度大、鋪裝養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)、后期養(yǎng)護(hù)難度大等缺點(diǎn).從國(guó)內(nèi)已建環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝的使用情況來(lái)看，成功和失敗的工程案例都有［1－5］.澆注式瀝青鋼橋面鋪裝具有優(yōu)良的變形隨從性和防水性能，在一些大跨徑的懸索橋中具有很大的應(yīng)用前景.但在國(guó)內(nèi)高溫重載的使用條件下，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)澆注式鋼橋面鋪裝高溫性能的研究［6－9］.組合式鋼橋面鋪裝技術(shù)是在國(guó)內(nèi)早期采用的雙層瀝青瑪蹄脂碎石（SMA）鋼橋面鋪裝研究的基礎(chǔ)上，采用環(huán)氧樹(shù)脂和樹(shù)脂瀝青混凝土解決SMA層與鋼板的黏結(jié)問(wèn)題，從目前已經(jīng)開(kāi)通的鋼橋面鋪裝項(xiàng)目來(lái)看使用效果良好，但其長(zhǎng)期使用性能還需要進(jìn)一步觀測(cè)驗(yàn)證［10－13］.

長(zhǎng)期的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，任何橋面鋪裝方案都有一定的適用性.應(yīng)對(duì)每一座橋的具體特點(diǎn)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)和研究，充分考慮當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、荷載條件、施工條件等因素，保證橋面鋪裝的最終性能.

崇啟大橋是目前我國(guó)聯(lián)長(zhǎng)最長(zhǎng)、跨徑最大的連續(xù)鋼箱梁橋，橋面鋪裝受力復(fù)雜.大橋主橋采用六跨連續(xù)鋼箱梁，雙向六車(chē)道，主跨跨徑185m，鋼箱梁橋長(zhǎng)944m（見(jiàn)圖1），橋?qū)?3m.多跨連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)研究相對(duì)較少，受力模式與懸索或斜拉結(jié)構(gòu)有較大不同，設(shè)計(jì)時(shí)需要滿(mǎn)足跨中的撓曲變形、墩頂負(fù)彎矩區(qū)大面積的拉應(yīng)變、車(chē)輛荷載的疊加效應(yīng)等受力特性對(duì)橋面鋪裝提出的技術(shù)要求.針對(duì)崇啟大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文首先采用三階段力學(xué)分析方法分析崇啟大橋鋼橋面的力學(xué)特點(diǎn)，結(jié)合崇啟大橋的交通條件和使用環(huán)境，推薦鋼橋面鋪裝方案，然后針對(duì)鋪裝關(guān)鍵材料展開(kāi)試驗(yàn)研究.

圖1 崇啟大橋連續(xù)鋼箱梁橋（單位：m）Fig.1 Long－span continuous steel box girder bridge of Chongqi Bridge

1 崇啟大橋交通荷載分析

鋼橋面鋪裝的使用性能受交通荷載狀況影響很大，對(duì)實(shí)際交通荷載掌握不準(zhǔn)確往往是造成鋼橋面鋪裝發(fā)生早期病害的首要原因.崇啟大橋作為江蘇省內(nèi)的主要過(guò)江通道，其主要的交通荷載類(lèi)型與當(dāng)前省內(nèi)其他跨江大橋基本一致，因此調(diào)查研究省內(nèi)其他主要跨江橋梁的交通量及荷載類(lèi)型，有利于更準(zhǔn)確地分析崇啟大橋的鋼橋面鋪裝使用受力特點(diǎn).

本文首先對(duì)江蘇省四座采用環(huán)氧瀝青鋪裝的跨江大橋的交通量和軸載譜進(jìn)行了調(diào)研，包括江陰大橋、南京二橋、南京三橋和潤(rùn)揚(yáng)大橋，借鑒調(diào)研結(jié)果確定崇啟大橋鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)的累計(jì)交通荷載和計(jì)算軸載譜［14－18］.以橋面鋪裝重車(chē)道設(shè)計(jì)使用壽命10年計(jì)算，考慮輪跡橫向分布系數(shù)50%，最終確定崇啟大橋的累計(jì)軸載次數(shù)和軸載譜如表1所示.

表1 崇啟大橋鋼橋面鋪裝累計(jì)軸載次數(shù)和軸載譜Tab.1 The cumulative load axles and the axle spectrum of Chongqi Bridge

2 崇啟大橋鋼橋面鋪裝的力學(xué)分析

2.1 崇啟大橋鋼橋面鋪裝三階段力學(xué)分析方法

鋼橋面鋪裝早期破壞的主要原因包括：① 鋪裝層在光滑的鋼板上受水平剪應(yīng)力和彎曲剪應(yīng)力作用，界面黏結(jié)強(qiáng)度不足導(dǎo)致鋪裝層產(chǎn)生了水平位移，形成開(kāi)裂滲水，引起鋪裝層崩潰；② 鋪裝層受縱橫隔板、U型加勁肋和荷載的共同作用，因其抗疲勞能力不足導(dǎo)致開(kāi)裂，進(jìn)而引起鋪裝層的破壞.

為了全面準(zhǔn)確地把握崇啟大橋鋼橋面鋪裝的受力特點(diǎn)，本文采用三階段力學(xué)分析方法對(duì)崇啟大橋鋼橋面鋪裝進(jìn)行多尺度全方位的綜合分析.

第一階段：整體分析.鋼箱梁在不利荷載組合情況下發(fā)生整體撓曲變形對(duì)鋪裝層可能產(chǎn)生的界面剪應(yīng)力和彎拉應(yīng)變.

第二階段：局部分析.取一段鋼箱梁作為脫離體，包括數(shù)節(jié)縱橫隔板和U型加勁肋，假定其邊界約束條件和鋪裝層的厚度及模量值，以有限元法建立其分析計(jì)算模型，計(jì)算不同車(chē)輪荷載布置情況下，鋪裝層底面（界面）和層間產(chǎn)生的剪應(yīng)力和彎拉應(yīng)變值.

第三階段：細(xì)部分析.剎車(chē)水平力和橋梁縱橫坡以及模量和溫度差異對(duì)鋪裝層產(chǎn)生的界面剪應(yīng)力.

2.2 第一階段力學(xué)分析

采用MIDAS橋梁分析軟件構(gòu)建崇啟大橋的整橋模型.考慮橋梁整體的跨數(shù)、跨度和連續(xù)梁結(jié)構(gòu)形式，忽略橋面鋪裝恒載的作用，重點(diǎn)考慮分析活載作用下跨中和支座處的受力特征；考慮最不利荷載布置等不利影響，計(jì)算最不利位置的應(yīng)力應(yīng)變情況.整橋計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)圖2）表明，崇啟大橋結(jié)構(gòu)的主要受力特點(diǎn)為：① 鋼箱梁墩頂負(fù)彎矩較大，且頂面受拉區(qū)延伸范圍長(zhǎng)，墩頂位置持續(xù)受拉；② 跨中處的鋼箱梁變形曲率較大，對(duì)鋼橋面鋪裝的受力狀況不利.

圖2 某工況條件下主梁所受彎矩和軸力Fig.2 The bending moment and axial force diagram of the main girder

由于整橋模型里不能包括橋面鋪裝，為了分析橋面鋪裝層受橋體整體變形的影響，在Abaqus有限元軟件中建立局部鋼箱梁模型，將整橋模型計(jì)算所得的力學(xué)指標(biāo)作為約束條件施加到局部模型上.根據(jù)整橋計(jì)算結(jié)果，分別建立墩頂處和跨中鋼箱梁局部模型進(jìn)行有限元分析，其中墩頂處鋼箱梁局部模型如圖3所示.計(jì)算所用的材料參數(shù)如表2所示.

圖3 墩頂處鋼箱梁有限元模型Fig.3 The finite element model of the steel box girder at pier

表2 有限元計(jì)算材料參數(shù)Tab.2 The parameters of the finite element calculation

第一階段力學(xué)分析結(jié)果：墩頂處鋼橋面鋪裝層在整橋最不利活載作用下產(chǎn)生的縱向拉應(yīng)變?yōu)?70～300με，而橫向拉應(yīng)變非常小，鋪裝層上下表面應(yīng)力應(yīng)變沒(méi)有變化，全截面受拉，并且在實(shí)腹式橫隔板與腹板交界處產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變突變；跨中處鋼橋面鋪裝層在整橋最不利活載作用下受壓，所受的壓應(yīng)力和壓應(yīng)變都很小.

2.3 第二階段力學(xué)分析

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》［19］，公路一級(jí)荷載主車(chē)后軸軸重為13t.將后軸一側(cè)的雙輪簡(jiǎn)化為兩個(gè)矩形均布荷載，兩個(gè)矩形的橫向尺寸取為20 cm，根據(jù)軸重13t和胎壓0.707MPa，可以計(jì)算出縱向長(zhǎng)度為23cm，兩個(gè)矩形內(nèi)側(cè)邊緣的間距為10 cm.因?yàn)閮奢喌木嚯x較近，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化荷載形狀，將雙矩形均布荷載簡(jiǎn)化為單矩形均布荷載，荷載集度相同，仍是0.707MPa，如圖4所示.

圖4 單個(gè)矩形的均布荷載分布圖Fig.4 The single rectangle distributed load

第一階段力學(xué)分析表明，墩頂處和跨中為橋面鋪裝層受力不利位置，因此本階段力學(xué)分析中分別建立墩頂處和跨中處鋼箱梁及橋面層模型，分析不利位置處鋼橋面鋪裝層的受力狀況，其中跨中處鋼箱梁有限元模型如圖5所示.采用的材料參數(shù)與第一階段相同.實(shí)際上本階段力學(xué)分析建立的鋼箱梁局部模型與第一階段模型相同，只是約束條件不同，分析結(jié)果表明局部鋼箱梁縱向兩端采用不同的約束條件對(duì)計(jì)算結(jié)果影響并不大.

圖5 跨中處局部鋼箱梁有限元模型Fig.5 The finite element model of the steel box girder at mid－span

計(jì)算橫向和縱向多種不利位置荷載作用下鋼橋面鋪裝層的力學(xué)響應(yīng)，結(jié)果表明：無(wú)論墩頂處還是跨中處在最不利荷載作用下，產(chǎn)生的最大縱向拉應(yīng)變都小于30με，產(chǎn)生的最大橫向拉應(yīng)變?yōu)?10με左右；產(chǎn)生較大橫向拉應(yīng)變的位置不僅位于荷載作用處，也位于腹板附近.產(chǎn)生的縱向剪應(yīng)力為0.083 MPa，橫向剪應(yīng)力為0.089MPa.

2.4 第三階段力學(xué)分析

當(dāng)車(chē)輛剎車(chē)時(shí)，橋面鋪裝將承受較大的水平荷載.如果剎車(chē)比較急，水平力可能會(huì)作用于集中的區(qū)域，特別是在交通量比較大的區(qū)域，這種現(xiàn)象時(shí)常出現(xiàn)，久而久之將會(huì)使橋面鋪裝產(chǎn)生剪切破壞.本文選擇水平荷載系數(shù)為0.5，標(biāo)準(zhǔn)垂直荷載的作用集度為0.707MPa，則水平荷載的集度為0.354MPa，計(jì)算所得的最大應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果如表3所示.

表3 考慮水平荷載的最大應(yīng)力應(yīng)變的計(jì)算結(jié)果Tab.3 The computation results of the maximum stress/strain with a consideration of the horizontal force

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，考慮縱向水平荷載后，鋼橋面鋪裝層所受的縱向剪應(yīng)力和拉應(yīng)變?cè)黾恿思s3.5倍，而橫向剪應(yīng)力和拉應(yīng)變幾乎沒(méi)有發(fā)生變化.

2.5 計(jì)算結(jié)果綜合分析

綜合三階段的計(jì)算結(jié)果可以看出，第一階段整體模型，在墩頂處橫隔板與腹板交界處易產(chǎn)生應(yīng)力突變，縱向上最大應(yīng)變300με，但橫向上產(chǎn)生的應(yīng)變值較小；非應(yīng)力突變處縱向最大應(yīng)變普遍為170～250με.第二階段作用車(chē)輛局部荷載時(shí)，在最不利荷位，縱向產(chǎn)生的應(yīng)變不到30με，橫向上應(yīng)變?yōu)?10 με.第三階段當(dāng)加上縱向水平荷載，縱向拉應(yīng)變?cè)黾拥?0με，而橫向拉應(yīng)變基本沒(méi)有變化.

在基本無(wú)擁堵的交通條件下，將第一和第二階段疊加，墩頂處最大縱向拉應(yīng)變?yōu)?00～280με，橫向?yàn)?05με；跨中最大縱向拉應(yīng)變?yōu)?0με，橫向?yàn)?10με左右.

如果考慮交通擁堵，需將第二和第三階段疊加，墩頂處最大縱向拉應(yīng)變?yōu)?60～340με，橫向?yàn)?20 με；跨中最大縱向拉應(yīng)變?yōu)?0με，橫向?yàn)?10με左右.

第一階段和第二階段中鋼橋面鋪裝層所受的剪應(yīng)力比較小，第三階段即考慮鋼橋面鋪裝層受到的最大剪應(yīng)力在0.3MPa左右.

力學(xué)分析結(jié)果表明，崇啟大橋的鋼箱梁剛度比較大，特別是鋼橋面板厚度比較厚，因而崇啟大橋橋面鋪裝層在局部車(chē)輛荷載長(zhǎng)期作用下的疲勞應(yīng)變相對(duì)較小.但是由于連續(xù)鋼箱梁在墩頂處會(huì)產(chǎn)生很大的負(fù)彎矩，在整橋變形協(xié)調(diào)影響下墩頂處產(chǎn)生的縱向拉應(yīng)變比較大，而且長(zhǎng)期處于這種狀態(tài)，所以墩頂處對(duì)稱(chēng)4～6個(gè)橫隔板之間的橋面鋪裝設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)關(guān)注.

3 崇啟大橋鋼橋面鋪裝方案設(shè)計(jì)

崇啟大橋鋼橋面鋪裝方案的設(shè)計(jì)需要依據(jù)崇啟大橋的特點(diǎn)，充分考慮當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、荷載條件、施工條件等因素，協(xié)調(diào)平衡.崇啟大橋力學(xué)計(jì)算結(jié)果顯示，在局部荷載作用下鋪裝層受到的橫向拉應(yīng)變與江蘇省內(nèi)目前采用的環(huán)氧瀝青鋪裝橋梁相比較小，鋪裝層出現(xiàn)縱向開(kāi)裂的幾率大為降低，綜合考慮國(guó)內(nèi)各類(lèi)型方案的性能，特別是考慮到環(huán)氧瀝青鋪裝方案在江蘇省內(nèi)有成功的案例，鋪裝的技術(shù)成熟度高，因此推薦崇啟大橋鋼橋面鋪裝采用雙層環(huán)氧瀝青鋪裝，鋪裝方案見(jiàn)圖6所示，鋪裝總厚度為5.5 cm.但在墩頂位置存在持續(xù)受拉區(qū)，建議對(duì)墩頂位置防裂措施進(jìn)行研究.

圖6 崇啟大橋鋼橋面鋪裝推薦方案Fig.6 The recommended steel deck pavement of Chongqi Bridge

4 崇啟大橋鋼橋面鋪裝關(guān)鍵材料性能研究

4.1 環(huán)氧瀝青混凝土設(shè)計(jì)及性能研究

崇啟大橋環(huán)氧瀝青混凝土采用鎮(zhèn)江茅迪公司生產(chǎn)的玄武巖橋面料，環(huán)氧瀝青采用美國(guó)化學(xué)系統(tǒng)公司的Bv型環(huán)氧瀝青.

本文在南京二橋、潤(rùn)揚(yáng)大橋、杭州灣跨海大橋橋面鋪裝研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)多次試配確定崇啟大橋環(huán)氧瀝青混凝土級(jí)配如表4所示，通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)確定最佳瀝青用量為6.5%.

參照我國(guó)瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程（JTG052—2000），對(duì)環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行水穩(wěn)定性試驗(yàn)、高低溫性能試驗(yàn)、力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)和疲勞性能研究，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示.

表4 礦料的合成級(jí)配Tab.4 The gradation of the epoxy asphalt mixture %

表5 環(huán)氧瀝青混合料性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 The test results of epoxy asphalt mixture

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)的環(huán)氧瀝青混凝土具有優(yōu)良的綜合路用性能.

4.2 富瀝青環(huán)氧瀝青混凝土性能研究

崇啟大橋?qū)儆诙嗫邕B續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，力學(xué)分析結(jié)果表明墩頂處負(fù)彎矩較大，雖然拉應(yīng)變最大值與其他橋梁相比并不算高，但墩頂處鋪裝層縱向拉應(yīng)變的受力范圍較大，并且處于長(zhǎng)期受拉狀態(tài)，對(duì)控制裂縫發(fā)展不利.為了解決墩頂處鋪裝層長(zhǎng)期受拉的問(wèn)題，專(zhuān)門(mén)開(kāi)展了墩頂處富瀝青環(huán)氧瀝青混凝土防裂研究.

富瀝青環(huán)氧瀝青混凝土級(jí)配與常規(guī)環(huán)氧瀝青混凝土相同，瀝青用量比一般采用馬歇爾方法設(shè)計(jì)的環(huán)氧瀝青混凝土高，本文推薦的富瀝青混凝土油石比為6.8%，比常規(guī)環(huán)氧瀝青混凝土最佳瀝青用量高0.3%.富瀝青環(huán)氧瀝青混凝土和常規(guī)環(huán)氧瀝青混凝土的性能試驗(yàn)結(jié)果如表6所示.

表6 富瀝青和常規(guī)環(huán)氧瀝青混合料性能比較Tab.6 Comparison of epoxy asphalt mixture with rich epoxy asphalt and common asphalt

從對(duì)比結(jié)果可以看出，富瀝青環(huán)氧瀝青混凝土的主要性能特別是變形性能和疲勞性能明顯優(yōu)于常規(guī)環(huán)氧瀝青混凝土，富瀝青環(huán)氧瀝青混凝土具有更加優(yōu)良的耐疲勞開(kāi)裂性能，可以更好地滿(mǎn)足崇啟大橋墩頂處鋼橋面鋪裝的防裂要求.

4.3 防水黏結(jié)層比選研究

防水黏結(jié)層是橋面鋪裝的重要組成部分，鋪設(shè)在鋼橋面板與鋪裝層之間.防水黏結(jié)層的主要作用是黏結(jié)，解決鋪裝層與鋼板之間的黏結(jié)問(wèn)題，其次是防水防腐，解決鋼板的腐蝕問(wèn)題.

目前國(guó)內(nèi)采用的環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝，一般采用環(huán)氧瀝青防水黏結(jié)層，防水黏結(jié)層用量為0.68L·m－2，施工過(guò)程中處于未固化狀態(tài)，易造成破壞，因此需要在施工過(guò)程中采用側(cè)喂料機(jī)等防黏措施，加大了環(huán)氧瀝青混凝土施工難度.為此崇啟大橋鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)中研究采用環(huán)氧黏結(jié)碎石層作為環(huán)氧瀝青鋪裝防水黏結(jié)層的可行性.

環(huán)氧黏結(jié)碎石層是指在鋼板噴砂除銹完成后即涂布一層0.9～1.1kg·m－2的改性環(huán)氧樹(shù)脂，然后立即撒布一層3～5mm的單粒徑碎石于環(huán)氧表面，使之與環(huán)氧樹(shù)脂一起固化，最終形成碎石與環(huán)氧樹(shù)脂及環(huán)氧樹(shù)脂與鋼板黏結(jié)牢固粗糙的抗滑且防水表面，從而實(shí)現(xiàn)鋼橋鋪裝層界面的防水和防剪切滑移.環(huán)氧黏結(jié)碎石層具有與鋼板黏結(jié)強(qiáng)度高、施工簡(jiǎn)便、固化時(shí)間短等特點(diǎn)，環(huán)氧黏結(jié)碎石層固化后可以作為環(huán)氧瀝青施工的平臺(tái)，解決環(huán)氧瀝青防水黏結(jié)層施工過(guò)程中的黏結(jié)破壞問(wèn)題，大大降低環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝的施工難度和施工風(fēng)險(xiǎn).

為了保證本文提出的防水黏結(jié)層具有良好的黏結(jié)性能和防水防腐性能，將其與環(huán)氧瀝青防水黏結(jié)層性能進(jìn)行了以下試驗(yàn)比較：① 強(qiáng)度，包括防水黏結(jié)層與鋼板黏結(jié)強(qiáng)度和自身的斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)；② 變形能力，包括防水黏結(jié)層的拉伸試驗(yàn)；③ 耐腐蝕性（鹽霧試驗(yàn)）；④ 組合件拉拔試驗(yàn).

試驗(yàn)結(jié)果如表7所示.

表7 環(huán)氧黏結(jié)碎石層與環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)層試驗(yàn)結(jié)果比較Tab.7 The test results of epoxy resin and epoxy asphalt adhesion layer

由表可見(jiàn)，采用環(huán)氧瀝青黏結(jié)層的鋪裝組合件在25℃時(shí)的拉拔強(qiáng)度大于5MPa，70℃的拉拔強(qiáng)度大于1MPa，破壞位置發(fā)生在環(huán)氧瀝青混合料內(nèi)部（見(jiàn)圖7b），說(shuō)明鋼板與鋪裝層之間的黏結(jié)強(qiáng)度超過(guò)環(huán)氧瀝青混合料本身；采用環(huán)氧黏結(jié)碎石層的組合件在25℃時(shí)的拉拔強(qiáng)度為1.87MPa，70℃的拉拔強(qiáng)度為0.56MPa，破壞位置發(fā)生在環(huán)氧瀝青混合料與環(huán)氧黏結(jié)碎石層之間（見(jiàn)圖7a），說(shuō)明鋼板與環(huán)氧黏結(jié)碎石層之間黏結(jié)較為牢固，但環(huán)氧黏結(jié)碎石層與鋪裝層之間存在脫開(kāi)的風(fēng)險(xiǎn).組合件拉拔試驗(yàn)結(jié)果表明：采用環(huán)氧黏結(jié)碎石層作為環(huán)氧瀝青鋪裝的防水黏結(jié)層時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)環(huán)氧瀝青混合料與環(huán)氧黏結(jié)碎石層之間黏結(jié)的處理.

圖7 拉拔試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Pull－off test results of the composite specimen

耐腐蝕試驗(yàn)（耐鹽霧試驗(yàn)）時(shí)間為336h，試驗(yàn)后各試件表面均沒(méi)有出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，鋼板刻槽部分的銹蝕沒(méi)有進(jìn)一步擴(kuò)展，表明環(huán)氧富鋅漆＋環(huán)氧防水黏結(jié)料、環(huán)氧黏結(jié)碎石層均可以保護(hù)鋼板，有效防銹.環(huán)氧黏結(jié)碎石層與環(huán)氧富鋅漆的防銹機(jī)理有所不同，環(huán)氧黏結(jié)碎石層通過(guò)完全阻斷水和空氣與鋼板接觸保證鋼板不被銹蝕，而環(huán)氧富鋅漆則通過(guò)代償作用保證鋼板不被銹蝕.

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，環(huán)氧黏結(jié)碎石層與鋼板黏結(jié)牢靠，但是與上層鋪裝之間黏結(jié)強(qiáng)度較低，綜合考慮防水黏結(jié)層性能與可施工性，推薦崇啟大橋鋼橋面鋪裝采用環(huán)氧瀝青防水黏結(jié)層.

5 崇啟大橋鋼橋面鋪裝組合結(jié)構(gòu)研究

5.1 組合結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)結(jié)果

為了較為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)鋼橋面鋪裝的使用性能，需要在接近實(shí)際使用條件的情況下對(duì)鋼橋面鋪裝狀況和性能進(jìn)行快速的試驗(yàn)研究，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)取得試驗(yàn)結(jié)果.本文采用三點(diǎn)式帶鋼板復(fù)合件彎曲疲勞試驗(yàn)評(píng)價(jià)崇啟大橋鋼橋面鋪裝組合結(jié)構(gòu)的疲勞耐久性.圖8為鋪裝組合結(jié)構(gòu)試驗(yàn)照片.

圖8 鋪裝組合結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)Fig.8 The fatigue test picture of composite specimen

帶鋼板疲勞試件嚴(yán)格按照現(xiàn)場(chǎng)施工工序進(jìn)行成型，鋼板采用16mm厚鋼板，試件鋪裝下層厚度為2.5cm，鋪裝上層厚度為3.0cm，試驗(yàn)采用正弦加載，加載頻率10Hz.試驗(yàn)采用前文確定的軸載譜作為輸入?yún)?shù)，如表1所示.根據(jù)鋼板表面應(yīng)變等效的原則，通過(guò)力學(xué)分析和室內(nèi)試驗(yàn)建立現(xiàn)場(chǎng)軸載與室內(nèi)荷載之間的等效關(guān)系，如軸重13t對(duì)應(yīng)于室內(nèi)疲勞荷載6kN.忽略10t以下軸載對(duì)鋪裝層疲勞壽命的影響，則疲勞試驗(yàn)的加載條件為6kN加載1 200萬(wàn)次，9kN加載120萬(wàn)次，最后采用12kN加載8萬(wàn)次，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示.

表8 雙層環(huán)氧瀝青鋪裝組合結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)結(jié)果（油石比6.5%）Tab.8 The fatigue test results of dual－layer epoxy asphalt（asphalt－aggregate ratio：6.5%）

崇啟大橋鋼橋面鋪裝組合結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)6，9，12kN的組合荷載，作用總次數(shù)達(dá)到1 328萬(wàn)次的疲勞試驗(yàn)，基本模擬了當(dāng)前江蘇省內(nèi)大跨徑橋梁的貨車(chē)輪載情況，最終試件未發(fā)生破壞，試驗(yàn)結(jié)果表明目前設(shè)計(jì)的雙層環(huán)氧瀝青鋪裝的使用壽命可以滿(mǎn)足崇啟大橋鋼橋面鋪裝10年的使用要求.

5.2 富瀝青環(huán)氧瀝青鋪裝組合結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)結(jié)果

為了解決崇啟大橋墩頂處鋪裝長(zhǎng)期受拉的問(wèn)題，本文開(kāi)展了富瀝青組合結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)研究.考慮到對(duì)上面層鋪裝粗糙度的要求，僅在鋪裝下層中采用油石比為6.8%的富瀝青環(huán)氧瀝青混凝土.成型了2.5cm富瀝青環(huán)氧瀝青鋪裝下層（油石比為6.8%）和3.0cm環(huán)氧瀝青鋪裝上層（油石比為6.5%）的組合結(jié)構(gòu)試件，開(kāi)展了帶鋼板組合結(jié)構(gòu)的疲勞試驗(yàn).試驗(yàn)用鋼板材質(zhì)、尺寸與第5.1節(jié)中相同，試驗(yàn)采用正弦加載，加載頻率10Hz.考慮到試驗(yàn)的可行性，采用超載50%的疲勞荷載（9kN）作為控制荷載，以試件破壞或者作用次數(shù)超過(guò)600萬(wàn)次（相當(dāng)于江蘇省內(nèi)跨江大橋10年內(nèi)50%超載的交通荷載累計(jì)作用次數(shù)的5倍）作為結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，表9為富瀝青鋪裝組合結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)結(jié)果.

表9 雙層富瀝青環(huán)氧瀝青鋪裝組合結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)比較Tab.9 Comparison of the fatigue performance of dual－layer epoxy asphalts

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在9kN試驗(yàn)荷載條件下，與常規(guī)環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝組合結(jié)構(gòu)相比，富瀝青環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝組合結(jié)構(gòu)能夠表現(xiàn)出更加優(yōu)良的疲勞性能，疲勞壽命提高2.5倍以上.因此本文推薦崇啟大橋鋼橋面鋪裝下層中采用富瀝青環(huán)氧瀝青混凝土.

6 結(jié)論

（1）多跨連續(xù)大跨徑鋼箱梁橋面鋪裝層在墩頂位置存在較大范圍的持續(xù)拉應(yīng)變區(qū)，該拉應(yīng)變持續(xù)時(shí)間久，對(duì)鋪裝的耐疲勞性能提出了更高的要求.

（2）環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝具有優(yōu)良的綜合路用性能，且在江蘇省內(nèi)有成功的案例，結(jié)合崇啟大橋鋼橋面鋪裝的受力特點(diǎn)和使用特點(diǎn)，推薦崇啟大橋鋼橋面采用雙層環(huán)氧瀝青鋪裝.

（3）環(huán)氧瀝青混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果表明富瀝青環(huán)氧瀝青混凝土的主要性能特別是變形性能和疲勞性能要比常規(guī)環(huán)氧瀝青混凝土高，可以更好地滿(mǎn)足崇啟大橋鋼橋面鋪裝墩頂處防裂的要求.

（4）綜合考慮使用性能和施工和易性，建議崇啟大橋環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝采用環(huán)氧瀝青作防水黏結(jié)層.

（5）室內(nèi)帶鋼板組合結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)表明在當(dāng)前江蘇省內(nèi)跨江大橋貨車(chē)交通軸載譜條件下，雙層環(huán)氧鋪裝的疲勞壽命可以滿(mǎn)足崇啟大橋10年的使用.

（6）與常規(guī)環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝組合結(jié)構(gòu)相比，鋪裝下層采用富瀝青環(huán)氧瀝青混凝土可顯著提高鋪裝組合結(jié)構(gòu)的疲勞耐久性.

［1］ 黃衛(wèi)，錢(qián)振東，程剛，等.大跨徑鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝研究［J］.科學(xué)通報(bào)，2002，47（24）：1894.HUANG Wei，QIAN Zhendong，CHENG Gang，et al.The reasearch of epoxy asphalt concrete on large span steel deck pavement［J］.Chinese Science Bulletin，2002，47（24）：1894.

［2］ 黃衛(wèi)，胡光偉，張曉春.大跨徑鋼橋面瀝青混合料特性研究［J］.公路交通科技，2002（2）：53.HUANG Wei，HU Guangwei，ZHANG Xiaochun.Study on asphalt concrete paving performance on long－span steel bridge［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2002（2）：53.

［3］ 李洪濤，黃衛(wèi).潤(rùn)揚(yáng)大橋鋼橋面鋪裝實(shí)橋試驗(yàn)研究［J］.公路交通科技，2005（4）：76.LI Hongtao，HUANG Wei.Study on deck surfacing［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2005（4）：76.

［4］ 關(guān)永勝，遲占華，宗海.大跨徑鋼橋面鋪裝早期病害分析及對(duì)策［J］.中外公路，2005，25（6）：99.GUANG Yongsheng，CHI Zhanhua，ZONG Hai.The studies on early age deterioration of long span steel deck pavement［J］.Journal of China ＆ Foreign Highway，2005，25（6）：99.

［5］ 黃衛(wèi)，錢(qián)振東，程剛.環(huán)氧瀝青混凝土在大跨徑鋼橋面鋪裝中的應(yīng)用［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，32（5）：783.HUANG Wei，QIAN Zhendong，CHENG Gang.Application of epoxy asphalt to pavement of long span steel bridge deck［J］.Journal of Southeast University：Natural Science Edition，2002，32（5）：783.

［6］ 陳先華，黃衛(wèi)，李洪濤.鋼橋面澆注式瀝青混合料鋪裝的高溫穩(wěn)定性研究［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，22（1）：32.CHEN Xianhua，HUANG Wei，LI Hongtao.Studies on high temperature stability of guss－asphalt used for steel deck paving［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2003，22（1）：32.

［7］ 鄧學(xué)鈞.中國(guó)江陰長(zhǎng)江大橋橋面瀝青鋪裝層高溫穩(wěn)定性［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2002，2（2）：1.DENG Xuejun. Asphalt pavement stability at hightemperature for the Jiangyin bridge in China［J］.Journal of Traffic and Transportation Engineering，2002，2（2）：1.

［8］ 陳先華，黃衛(wèi)，王建偉，等.澆注式瀝青混凝土鋪裝破壞原因［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2004，4（4）：5.CHEN Xianhua，HUANG Wei，WANG Jiangwei，et al.Damage causes of mastic asphalt pavement on orthotropic steel deck plate ［J］.Journal of Traffic and Tansportation Engineering，2004，4（4）：5.

［9］ 樊葉華，王敬民，陳雄飛，等.澆注式瀝青混凝土鋼橋面鋪裝養(yǎng)護(hù)對(duì)策分析［J］.中外公路，2005，25（1）：81.FAN Yehua，WANG Jingmin，CHEN Xiongfei，et al.The analysis of maintenance strategy of guss－asphalt steel deck pavement［J］.Journal of China ＆ Foreign Highway，2005，25（1）：81.

［10］ 魏琛宇.高粘度SMA瀝青混合料在中小鋼橋橋面鋪裝中的應(yīng)用［J］.江蘇交通科技，2011（5）：5.WEI Chenyu.The research on the use of SMA with high viscosity bitumen in deck pavement of small span steel bridge［J］.Jiangsu Communication Science and Technology，2011（5）：5.

［11］ 徐韻淳，郝振華，閆國(guó)杰，等.鋼橋面鋪裝用特種瀝青瑪蹄脂混合料配合比設(shè)計(jì)思路及應(yīng)用［J］.城市道橋與防洪，2010（9）：76.XU Yunchun，HAO Zhenhua，YAN Guojie，et al.The design and application of special SMA in steel deck pavement［J］.Urban Roads Bridges ＆ Flood Control，2010（9）：76.

［12］ 王玨.鋼橋面SMA瀝青鋪裝層應(yīng)用優(yōu)化研究［J］.路基工程，2010（4）：97.WANG Jue.Study on optimization of SMA asphalt pavement on steel bridge surface［J］.Journal of Basement Engineering，2010（4）：97.

［13］ 艾珺，羅建軍.SMA10高彈性瀝青混合料在鋼橋面鋪裝的應(yīng)用研究［J］.湖南交通科技，2010，36（2）：104.AI Jun，LUO Jianjun.The research on the use of SMA10with high viscosity bitumen in steel deck pavement［J］.Hunan Communication Science and Technology，2010，36（2）：104.

［14］ 南京二橋建設(shè)指揮部，東南大學(xué)交通學(xué)院.南京二橋環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝技術(shù)研究［R］.南京：東南大學(xué)，2001.Nanjing Second Yangze River Bridge Construction Headquaters， School of Transportation of Southeast University.The research on epoxy steel deck pavement of Nanjing Second Yangze River Bridge［R］.Nanjing：Southeast University，2001.

［15］ 章登精.南京長(zhǎng)江第三大橋環(huán)氧瀝青橋面鋪裝工程［J］.公路，2007（9）：21.ZHANG Dengjing.The steel deck paving engineering of Nanjing Third Bridge［J］.Highway，2007（9）：21.

［16］ 黃衛(wèi).潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江公路大橋建設(shè)鋼橋面鋪裝分冊(cè)［M］.北京：人民交通出版社，2006.HUANG Wei.The collection of Runyang Yangze River Bridge construction，steel deck pavement ［M］.Beijing：China Commmunications Press，2006.

［17］ 張磊.江陰大橋鋼橋面鋪裝病害研究［D］.南京：東南大學(xué)，2004.ZHANG Lei.Research on deterioration of Jiangyin Yangtze Bridge deck pavement［D］.Nanjing：Southeast University，2004.

［18］ 江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇省交通科學(xué)研究院.崇啟大橋多孔大跨徑連續(xù)鋼箱梁橋面鋪裝體系研究調(diào)研報(bào)告［R］.南京：江蘇省交通運(yùn)輸廳，2011.Jiangsu Transportation Construction Bureau， Jiangsu Transportation Institute.Research on steel deck pavement of Chongqi Bridge with long－span continuous steel box girder［R］.Nanjing：Department of Transport of Jiangsu Province，2011.

［19］ 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTG D60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.Ministry of Transport of People’s Republic of China.JTG D60—2004General code for design of highway bridges and culverts［S］.Beijing：China Communications Press，2004.