鵝公巖大橋鋼橋面翻修方案論證與優(yōu)化設(shè)計(jì)

付 斌 王 民 吳文軍

(1.重慶交通大學(xué)，重慶 400074;2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 400060)

0 引言

重慶鵝公巖長江大橋是主城區(qū)快速路系統(tǒng)中的東西主干道。西起成渝高速公路出口處的九龍坡區(qū)大公館，東與渝黔高速公路相連。重慶鵝公巖長江大橋長1 022 m，主橋?yàn)?10 m+600 m+210 m的門型雙塔柱三跨連續(xù)加勁鋼箱梁懸索橋。橋面有效橋?qū)?2.5 m(行車道 26.5 m)，雙向六車道，兩側(cè)為人行道，2000年12月建成通車。該橋?qū)儆谖覈缙诮ㄔO(shè)大跨徑鋼橋之一，鋼橋面頂板厚度僅12 mm，大橋建設(shè)初期采用雙層高粘度改性瀝青SMA結(jié)構(gòu):無機(jī)富鋅底漆+高粘改性瀝青(撒2.36 mm～4.75 mm預(yù)拌碎石)+35 mm鋪裝下層SMA10+39 mm鋪裝上層SMA13。截止2012年年底，使用超過12年，未進(jìn)行整體翻修，是目前鋼箱梁橋中橋面鋪裝使用壽命最長的。

由于早期鋼橋面鋪裝技術(shù)不成熟，加之重載交通快速增長等因素，運(yùn)營四年時(shí)，橋面局部開始出現(xiàn)微裂縫，并逐步擴(kuò)展，隨即進(jìn)行了快速處治。之后幾乎每年都需要對橋面進(jìn)行不同面積的修補(bǔ)，病害主要表現(xiàn)為橫縱向裂縫、網(wǎng)裂、推移、坑洞等。2011年對大橋鋪裝使用情況進(jìn)行調(diào)查和評定，根據(jù)JTG H20-2007公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)，大橋上下游鋼橋面鋪裝路面狀況評價(jià)指標(biāo)(PCI)分別為43.1和41.2，屬于差的技術(shù)等級，亟需處治[1]。進(jìn)入2012年夏季，橋面病害發(fā)展迅速，根據(jù)重慶智翔公司維修統(tǒng)計(jì)記錄，兩個(gè)月(7月，8月)累計(jì)破損(鋼板裸露)15處～20處，面積150 m2～200 m2，維修8次。

鑒于鋼橋面鋪裝整體失穩(wěn)，隨時(shí)面臨崩潰性的破壞，考慮通行安全及保護(hù)結(jié)構(gòu)，橋梁管理單位組織設(shè)計(jì)及養(yǎng)護(hù)單位，開展橋面鋪裝方案論證及翻修設(shè)計(jì)。

1 橋面破壞成因分析

針對鵝公巖大橋橋面鋪裝所出現(xiàn)的病害(裂縫、推移等)，結(jié)合使用環(huán)境、溫度、交通荷載等影響因素，對其成因進(jìn)行分析，主要有以下幾方面:

1)鋼橋面板剛性不足。

鵝公巖大橋鋼板較薄，只有12 mm，橋面系剛度不足，在重載交通的作用下，橋面板極易產(chǎn)生較大變形。橋面鋪裝層跟隨鋼橋面產(chǎn)生這種大幅度的反復(fù)彎曲變形，使得瀝青混凝土性能衰退，變形逐漸超出了瀝青混凝土所能容許的變形范圍，沿U形肋方向產(chǎn)生了嚴(yán)重的縱向開裂。在U形肋和橫隔板、縱腹板頂部產(chǎn)生疲勞裂縫與荷載的大小，鋼板的厚度及U形肋的間距及開口大小直接相關(guān)。

2)環(huán)境溫度惡劣。

橋面環(huán)境溫度過高，夏季持續(xù)高溫時(shí)間長，6月～9月內(nèi)氣溫長時(shí)間30℃以上，甚至超過40℃，致使路面溫度達(dá)到60℃，受瀝青混凝土與鋼箱梁的吸熱、儲熱效應(yīng)，導(dǎo)致橋面鋪裝溫度較高，在如此高溫下車輛荷載對瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)的損傷效應(yīng)更大。如果瀝青鋪裝層沒有很好的高溫穩(wěn)定性，在超載車輛的作用下，橋面鋪裝將很快被破壞。

3)交通量大，重載車輛多。

鵝公巖大橋的日交通量約11萬輛～12萬輛，且存在重載車和超重車，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了橋面原設(shè)計(jì)交通量6.5萬輛/d的通行能力。這種超負(fù)荷的交通量，進(jìn)一步加大了橋面鋪裝隨從鋼橋面板的變形幅度和次數(shù)，大大增加了鋪裝層產(chǎn)生開裂破壞的可能性。

4)早期鋪裝材料(方案)性能有限。

橋梁設(shè)計(jì)之初對鋼橋面鋪裝使用的溫度、荷載條件等掌握不充分，造成早期橋面鋪裝材料性能有限，當(dāng)橋梁通車后，遇到使用溫度較高，車輛荷載不斷增加，特別是重車超載增多時(shí)，橋面鋪裝容易發(fā)生疲勞病害。

2 鋼橋面初步設(shè)計(jì)方案

鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)不同于常規(guī)道路，加之大橋建設(shè)早，鋼橋頂板剛度較小，因此對鋪裝材料的綜合性能要求非常高。同時(shí)，考慮維修工程建設(shè)特點(diǎn)，制定了鋼橋面鋪裝翻修需遵循的基本原則:1)對環(huán)境與交通的適應(yīng)性;2)鋪裝材料和技術(shù)先進(jìn)性;3)鋪裝結(jié)構(gòu)的耐久性;4)交通組織可行性;5)鋪裝方案成熟性。

基于以上幾項(xiàng)基本原則，提出了三種鋼橋面行車道鋪裝方案，結(jié)構(gòu)組成依次見圖1～圖3。

圖1 鋪裝方案一結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 鋪裝方案二結(jié)構(gòu)簡圖

圖3 鋪裝方案三結(jié)構(gòu)簡圖

1)鋪裝方案一(澆筑式瀝青混凝土GA+SMA):橋面鋪裝設(shè)計(jì)總厚度75 mm，結(jié)構(gòu)組成為:38 mm高彈瀝青SMA10+35 mm澆筑式瀝青混凝土(GA10)+2 mm防水粘結(jié)層。

鋼板一般會發(fā)生銹蝕，為保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，在去除舊鋪裝層后，對橋面進(jìn)行清潔、干燥處理，然后進(jìn)行噴砂除銹，噴砂除銹清潔度達(dá)到Sa2.5級，即“非常徹底的噴砂除銹，鋼材表面無可見的油脂、污垢、氧化皮、鐵銹和油漆涂層等附著物，任何的痕跡應(yīng)僅是點(diǎn)狀或條紋狀的輕微色斑”;同時(shí)要求鋼橋面板噴砂除銹后粗糙度達(dá)到 50 μm ～100 μm。

防水粘結(jié)層采用的是甲基丙烯酸樹脂防水體系，其是一種專門針對鋼橋面防水而開發(fā)的材料，是橋面鋪裝結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，對橋面防水、防腐起保護(hù)作用，并承接鋪裝層，起粘結(jié)作用。該體系由防腐底漆、甲基丙烯酸樹脂涂料、二階反應(yīng)性粘結(jié)劑構(gòu)成，主要功能是防護(hù)鋼材結(jié)構(gòu)，并承接橋面的瀝青混凝土結(jié)構(gòu)面層。該材料最大的特點(diǎn)是除了具有較好的防腐性、泌水性和粘結(jié)效果之外，還具有優(yōu)良的柔韌性，在正交異型鋼橋面板上，能很好的適應(yīng)其結(jié)構(gòu)特性，在荷載反復(fù)作用下性能不衰變。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和工程驗(yàn)證[2]，該類體系具有優(yōu)異的防水性和耐久性，在國外，使用壽命甚至已達(dá)30年而未重新鋪設(shè)。

鋪裝下層(保護(hù)層)采用孔隙率小于1%的澆筑式瀝青混凝土(GA10)，該混合料結(jié)構(gòu)形式為懸浮密集型，細(xì)集料多，瀝青含量高，在高溫下經(jīng)特殊攪拌工藝拌制后，混合料呈現(xiàn)自流狀態(tài)，經(jīng)攤鋪整平后，形成密實(shí)且不透水的鋪裝層，整體上具有很好的抗疲勞性能和耐久性。同時(shí)，為了提高澆筑式瀝青混凝土與上部鋪裝層之間的結(jié)合力和整體抗剪強(qiáng)度，在澆筑式瀝青混凝土攤鋪后，同步撒布預(yù)拌碎石。

鋪裝上層選用高彈改性SMA10[3]，主要考慮到面層功能性要求，對鋪裝面層的綜合性能要求較高，要具有良好的高溫穩(wěn)定性、抗滑性能、低溫抗裂性、平整度、抗疲勞性能等，還要空隙率小、水穩(wěn)性好，因此選用高彈改性SMA10作為面層結(jié)構(gòu)。

鋪裝下層(GA10)、防水粘結(jié)層以及填縫料等構(gòu)成該橋的橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的防排水系統(tǒng)。

2)鋪裝方案二(雙層環(huán)氧瀝青混凝土EA10):鋪裝總厚度50 mm，環(huán)氧富鋅漆 +環(huán)氧粘結(jié)劑 +25 mm環(huán)氧瀝青混凝土(EA10)+25 mm環(huán)氧瀝青混凝土(EA10)。

橋面去除原鋪裝層后，對橋面進(jìn)行清潔、干燥處理，然后進(jìn)行噴砂除銹。

鋪裝結(jié)構(gòu)上下層均采用孔隙率小于3%的環(huán)氧瀝青混凝土(EA10)，環(huán)氧瀝青混凝土屬于反應(yīng)型樹脂混凝土，成型后強(qiáng)度極高，具有優(yōu)良的力學(xué)性能、高溫性能、低溫抗裂性和抗疲勞性能等，可以滿足我國對高溫重載交通的使用要求。同時(shí)施工過程中對拌合溫度要求嚴(yán)格(121℃～128℃)，在拌和時(shí)必須嚴(yán)格控制溫度。

3)鋪裝方案三(FRP結(jié)構(gòu)):鋪裝總厚度70 mm，粘結(jié)層厚度為3 mm，環(huán)氧礫石層為7 mm，鋪裝上下層采用SMA10。

該方案根據(jù)重慶城投公司主持的《鋼橋面鋪裝新結(jié)構(gòu)與材料關(guān)鍵技術(shù)研究》課題階段性研究成果提出。在鋼橋面噴砂除銹后，噴涂防水粘結(jié)層。

防水粘結(jié)材料采用FRP材料，F(xiàn)RP即纖維強(qiáng)化塑料，一般用玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂基體，俗稱玻璃鋼。因其質(zhì)量輕、耐腐蝕性和憎水性等性能優(yōu)良，是一種比較理想的防水粘結(jié)材料。FRP防水粘結(jié)層通過人工涂刷實(shí)現(xiàn)的，涂刷厚度為3 mm，分三次涂刷完畢，每次涂刷間隔時(shí)間約為8 h。

環(huán)氧礫石層由粒徑7 mm～9 mm的碎石嵌入在FRP結(jié)構(gòu)層上，待環(huán)氧礫石完全嵌入FRP結(jié)構(gòu)層中，然后在上部施工高彈改性瀝青SMA10。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空隙率為3.0%～4.0%，具有良好密實(shí)性和整體性，相對于普通改性瀝青而言，具有更好的抗開裂能力和耐疲勞能力。

3 鋪裝方案論證

對三種典型鋪裝方案，結(jié)合大橋使用條件，從技術(shù)性能、施工工藝、交通組織、使用壽命、工期等內(nèi)外因素方面綜合對比分析，為重慶鵝公巖大橋推薦最適宜翻修方案。

3.1 技術(shù)性能

對三種鋪裝方案的技術(shù)性能進(jìn)行對比分析，見表1。

表1 鋪裝組合結(jié)構(gòu)性能對比

鋪裝方案一防水、協(xié)調(diào)變形能力、疲勞耐久性較優(yōu)，熱穩(wěn)性略差;方案二高溫抗重載能力、疲勞性能和粘結(jié)性優(yōu)異，防水性略差;方案三抗剪性能較優(yōu)，疲勞性能與隨從變形能力較差。

3.2 施工及交通組織管理

從表2三種鋪裝方案施工交通組織與工藝要求對比分析結(jié)果可以看出，鋪裝方案一對設(shè)備有特殊要求，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng);方案二對施工環(huán)境及工藝要求較高，工期最長，施工交通組織難度大[4];方案三施工工藝較為簡單，但其中關(guān)鍵環(huán)節(jié)對環(huán)境提出了特殊要求，非機(jī)械化施工工序質(zhì)量可靠度低。

表2 鋪裝組合結(jié)構(gòu)施工組織與工藝對比

3.3 經(jīng)濟(jì)及應(yīng)用情況

根據(jù)橋區(qū)原材料供貨情況，結(jié)合實(shí)體工程使用壽命及運(yùn)營養(yǎng)護(hù)情況，對建設(shè)費(fèi)用及使用情況進(jìn)行分析，見表3。

表3 典型鋪裝方案壽命及經(jīng)濟(jì)成本對比

鋪裝方案一早期建設(shè)費(fèi)用最低，后期養(yǎng)護(hù)成本最低，實(shí)體應(yīng)用工程多;方案二早期建設(shè)費(fèi)用和后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用都較高，應(yīng)用工程多;方案三缺乏實(shí)橋工程案例，無法對其養(yǎng)護(hù)費(fèi)用進(jìn)行預(yù)估。

3.4 綜合分析

總而言之，三種方案各具特點(diǎn)，其優(yōu)缺點(diǎn)可簡要?dú)w納為以下幾點(diǎn):

1)鋪裝方案一(澆筑式+SMA):主要優(yōu)點(diǎn)是鋪裝體系完善，綜合性能優(yōu)，特別是耐久性，良好的協(xié)調(diào)變形能力在12 mm鋼板上適應(yīng)性更強(qiáng)，實(shí)橋成功案例多，工期有保障;主要缺點(diǎn)是高溫抗重載能力要弱于環(huán)氧瀝青混凝土。

2)鋪裝方案二(雙層環(huán)氧混凝土):最大優(yōu)點(diǎn)是整體強(qiáng)度高;主要缺點(diǎn)是對施工環(huán)境條件要求極高，對于翻修工程，施工周期太長。

3)鋪裝方案三(FRP結(jié)構(gòu)):最大優(yōu)點(diǎn)是FRP結(jié)構(gòu)在理論上有一定的補(bǔ)強(qiáng)加勁作用;主要缺點(diǎn)是無防腐層、FRP與瀝青層之間缺乏有效粘結(jié)層，目前尚無實(shí)橋成功案例。

根據(jù)技術(shù)性能、施工工藝、交通組織、工期、經(jīng)濟(jì)等因素分析結(jié)果，對三種方案進(jìn)行綜合排名，依次為:方案一、方案二、方案三。

4 結(jié)語

根據(jù)典型方案綜合論證意見，推薦鋪裝方案一(甲基丙烯酸樹脂體系+澆筑式瀝青混凝土+高彈改性瀝青SMA)作為重慶鵝公巖大橋鋼橋面行車道翻修方案。

同時(shí)，針對鵝公巖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及早期病害，結(jié)合設(shè)計(jì)要求，建議對推薦方案進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，編制施工圖設(shè)計(jì)文件。

1)澆筑式瀝青混凝土采用聚合復(fù)合改性瀝青，相對于早期的天然瀝青復(fù)合改性瀝青，所形成的澆筑式瀝青混凝土在保證高溫穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，具有更強(qiáng)的粘韌性及變形能力。

2)鋪裝面層采用高彈體改性瀝青，綜合高溫穩(wěn)定性及疲勞耐久性要求，優(yōu)化高彈體改性瀝青性能，以適應(yīng)鵝公巖大橋的交通荷載和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(12 mm)以及早期病害，提升鋪裝層抗疲勞開裂及極限應(yīng)變能力，遏制疲勞裂縫早期發(fā)生。

3)針對柔性支撐體系剛性不足、混合料壓實(shí)困難的問題，采用水平振動壓路機(jī)，有效改善SMA混合料的壓實(shí)效果，保障路面的高溫穩(wěn)定性及泌水性。

4)強(qiáng)化施工過程質(zhì)量控制，細(xì)化關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)，確保施工質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

[1] 招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司.重慶鵝公巖長江大橋鋼橋面鋪裝翻修方案論證書[R].重慶:招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，2012.

[2] 王 民，伍朝暉，李玉龍.重慶菜園壩長江大橋鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2008(9):127.

[3] 郝增恒，張肖寧，盛興躍，等.高彈改性瀝青在鋼橋面鋪裝中的應(yīng)用研究[J].公路交通技術(shù)，2010(4):25.

[4] 徐 偉，張肖寧，涂常衛(wèi).虎門大橋鋼橋面鋪裝維修方案研究與工程實(shí)施[J].公路，2010(10):86.