鋼橋面鋪裝層組合結(jié)構(gòu)性能研究

李洪軍， 丁慶軍， 趙明宇

(1.湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 道橋系， 湖北 武漢 430079； 2.武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

鋼橋面鋪裝層組合結(jié)構(gòu)性能研究

李洪軍1，2， 丁慶軍2， 趙明宇2

(1.湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 道橋系， 湖北 武漢 430079； 2.武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

針對鋼橋面鋪裝層普遍存在的推移、擁包、車轍、開裂等耐久性問題，提出“剪力釘+鋼筋網(wǎng)+高韌性輕質(zhì)混凝土下層+高粘高彈防水粘結(jié)應(yīng)力吸收層+高粘高彈SMA磨耗層” 的高耐久鋪裝層組合結(jié)構(gòu)，對小比例尺鋪裝組合結(jié)構(gòu)模型的高溫穩(wěn)定性能、層間粘結(jié)性能和疲勞性能進行了研究，成功應(yīng)用于枝城長江大橋維修加固工程，研究結(jié)果表明，高耐久鋪裝層組合結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的粘結(jié)抗剪性能、高溫穩(wěn)定性能與抗彎拉疲勞性能，研究成果可為我國鋼橋面鋪裝領(lǐng)域提供技術(shù)支撐。

鋼橋面鋪裝； 組合結(jié)構(gòu)； 高溫性能； 粘結(jié)性能； 疲勞性能

1 概述

鋼結(jié)構(gòu)橋梁具有自重輕、架設(shè)方便、跨越能力大等優(yōu)點，在市政工程與跨江越海等大跨徑結(jié)構(gòu)中被廣泛采用。橋面鋪裝是鋪覆在鋼梁表面的一層具有保護橋梁結(jié)構(gòu)、分布車輪集中荷載、滿足行車功能的材料結(jié)構(gòu)[1]。由于鋼結(jié)構(gòu)的變形性大，其橋面鋪裝普遍采用韌性好的瀝青混凝土。但鋼板與瀝青混凝土兩種材料的材性(彈性模量、熱導(dǎo)和熱膨脹等)差異大，在環(huán)境溫度和行車載荷變化較大時，鋪裝結(jié)構(gòu)極易變形，產(chǎn)生車轍、滑移、擁包、開裂、坑槽等病害[2]，需要修補，造成交通不便和經(jīng)濟損失，因此，鋼橋面鋪裝材料的耐久性問題是大型橋梁建造的關(guān)鍵技術(shù)和世界性難題。

目前，鋼橋面鋪裝主要有三種形式：雙層SMA瀝青混凝土、澆筑式瀝青混凝土、環(huán)氧瀝青混凝土。其中，雙層SMA瀝青混凝土在夏季高溫環(huán)境下，與鋼板的粘結(jié)性能差[3]，極易出現(xiàn)推移、擁包的病害，目前已較少采用；傳統(tǒng)澆筑式瀝青混凝土具有與鋼板追從性好、粘結(jié)強度高、抗疲勞性能好的優(yōu)點，但其高溫穩(wěn)定性能(尤其在夏季高溫、車輛重載的服役條件下)仍存在不足的問題；環(huán)氧瀝青混凝土與鋼板粘結(jié)強度高、高溫穩(wěn)定性好，作是一種優(yōu)性能優(yōu)異的鋼橋面鋪裝材料，然而，由于其施工工藝復(fù)雜難控，成本高，在普通鋼箱梁橋面的應(yīng)用并不廣泛。

本論文依托湖北枝城長江大橋維修加工工程，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點及當(dāng)?shù)貧夂蚺c行車特征，采用“剪力釘+鋼筋網(wǎng)+高韌性輕質(zhì)混凝土下層+高粘高彈防水粘結(jié)應(yīng)力吸收層+高粘高彈SMA磨耗層”的技術(shù)思路，優(yōu)化開發(fā)出高粘高彈改性瀝青，針對該鋪裝組合結(jié)構(gòu)的小比例尺試件的疲勞性能、高溫穩(wěn)定性能、粘結(jié)抗剪性能進行研究，并實現(xiàn)鋪裝方案的工程應(yīng)用。

2 組合構(gòu)件的設(shè)計制備及試驗測試方法

2.1 組合構(gòu)件設(shè)計與制備

① 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

試驗選取鋼板尺寸550×150×14 mm。面積選取550×150 mm，主要考慮一方面面積足夠設(shè)置剪力釘及鋼筋網(wǎng)，另一方面便于混凝土層及瀝青層的成型。剪力釘焊接在鋼板上，綁扎鋼筋網(wǎng)。按設(shè)計尺寸加工若干不同剪力釘間距、不同剪力釘高度、不同剪力釘直接，不同鋼筋網(wǎng)直徑與網(wǎng)格間距的鋼結(jié)構(gòu)試件。

② 混凝土層的設(shè)計與制備。

鋼結(jié)構(gòu)試件放長550×150×150 mm的非標(biāo)試模中中，按設(shè)計混凝土層厚度澆筑污泥陶粒高韌性混凝土，振搗、抹平后終凝后脫模按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至28 d。

③ 高粘高彈防水粘接應(yīng)力吸收層的設(shè)計與制備。

應(yīng)力吸收層鋪設(shè)前應(yīng)對混凝土面層進行預(yù)處理，保證混凝土板的清潔，在應(yīng)力吸收粘結(jié)層鋪裝前必須保證水泥混凝土面層清潔和干燥，確保其表面沒有浮灰，防止應(yīng)力吸收粘結(jié)層出現(xiàn)起皮、脫粘等病害。

采用新型高粘高彈改性瀝青，并撒布粒徑為9.5～13.2 mm預(yù)拌碎石，瀝青撒布量為(2.2±0.2)kg/m2，預(yù)拌碎石用量為14～16 kg/m2，撒鋪面積約占鋪裝面積的70%～85%，且撒鋪均勻不得堆積。

試驗組合構(gòu)件應(yīng)力吸收層的制備，提前將瀝青加熱至180 ℃，石料加熱至190 ℃，采用人工涂刷高粘度瀝青，碎石灑鋪量占鋪裝面積85%左右，鋪設(shè)完后立即碾壓。

④ 高粘高彈SMA面層的設(shè)計與制備。

進行面層SMA-16配合比設(shè)計，選取油石比6.2%，聚酯纖維摻量為0.45%。新型高粘高彈改性SMA制備過程控制集料加熱溫度180～190 ℃，瀝青加熱溫度選取165～175 ℃，混合料拌和溫度選取175 ℃，采用車轍成型機對拌合好的SMA混合料進行碾壓成型。采用游標(biāo)卡尺精確測試高粘SMA-16的厚度，保證原設(shè)計尺寸。

2.2 試驗方法

① 高溫穩(wěn)定性能測試。

按照鋪裝層組合結(jié)構(gòu)設(shè)計方案成型車轍試件，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)中的要求進行60 ℃動穩(wěn)定度的測試。

② 層間抗剪性能測試。

按2.1的步驟成型組合構(gòu)件，使用MTS萬能試驗機，進行構(gòu)件拉拔和抗剪試驗。構(gòu)件拉拔性能測試見圖1。構(gòu)件抗剪性能測試見圖2。

圖1 構(gòu)件拉拔性能測試Figure 1 Component drawing performance test

圖2 構(gòu)件抗剪性能測試Figure 2 Member shear performance testing

③ 疲勞試驗參數(shù)確定。

結(jié)合東南大學(xué)錢振東教授等針對環(huán)氧瀝青混凝土疲勞試驗的相關(guān)研究成果，常溫20 ℃下，橋面行車超載100%時鋪裝層最大拉應(yīng)變接近700 με，因此，本文選取控制瀝青層處于700 με下進行循環(huán)疲勞加載，加載波形利用MTS自行控制的無間歇的正弦波循環(huán)應(yīng)力比選取0.5，加載頻率取10 Hz，加載至1 000萬次后自動停止。

小比例模型試件與加載形式如圖3所示。

圖3 組合結(jié)構(gòu)模型Figure 3 Composite structure model

3 高耐久鋼橋面鋪裝層組合結(jié)構(gòu)性能

3.1 鋪裝組合結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性能

橋面鋪裝層高溫穩(wěn)定性不足易導(dǎo)致車轍[3]。在鋼板導(dǎo)熱系數(shù)大、夏季環(huán)境氣溫高的情況下，鋼橋面的橋面的高溫穩(wěn)定性能更加重要[4]。由表1可知：本結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性能明顯高于普通的雙層SMA結(jié)構(gòu)，其原因如下：首先，本結(jié)構(gòu)下層采用高韌性輕質(zhì)混凝土，自身在高溫下不會變形，同時在鋼板與瀝青混凝土間起到隔絕溫度的作用，使本方案的瀝青混凝土的服役溫度低于雙層SMA結(jié)構(gòu)，；其次，本結(jié)構(gòu)采用高粘高彈瀝青制備的SMA材料具有較高的內(nèi)部黏聚力，因此，整體結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性能得到了明顯提升。

表1 組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度試驗結(jié)果Table1 Compositestructuredynamicstabilitytestresults(60℃)結(jié)構(gòu)類型車轍深度/mm動穩(wěn)定度/(次·mm-1)試驗值平均值試驗值平均值本結(jié)構(gòu)12986228115812276013610212246065普通雙層SMA結(jié)構(gòu)20133015253222862850206523122920

3.2 鋪裝組合結(jié)構(gòu)的層間粘結(jié)性能

防水粘結(jié)層的主要作用就是加強鋪裝層與混凝土板的粘結(jié)[5，6]。橋面防水粘結(jié)體系的抗拔、抗剪性能優(yōu)劣，將影響鋪裝層使用性能。組合結(jié)構(gòu)的拉拔試驗結(jié)果如表2、表3所示。

表2 粘結(jié)強度試驗結(jié)果Table2 Adhesivestrengthtestresults試驗條件試驗溫度/℃結(jié)構(gòu)類型粘結(jié)強度/MPa強度降低率/%標(biāo)準(zhǔn)試驗條件浸水車轍之后25本結(jié)構(gòu)076/063171標(biāo)準(zhǔn)試驗條件浸水車轍之后25普通雙層SMA結(jié)構(gòu)032021343

表3 剪切強度試驗結(jié)果Table3 Shearstrengthtestresults試驗條件試驗溫度/℃結(jié)構(gòu)類型抗剪強度/MPa強度降低率/%標(biāo)準(zhǔn)試驗條件浸水車轍之后25本結(jié)構(gòu)165/15651標(biāo)準(zhǔn)試驗條件浸水車轍之后25普通雙層SMA結(jié)構(gòu)093/055409

從方案設(shè)計的鋪裝層組合結(jié)構(gòu)浸水、溫度等荷載作用后的粘結(jié)強度和抗剪強度來看，苛刻的試驗條件對普通雙層SMA的粘結(jié)抗剪性能影響較大，而本方案的強度下降幅度不大，因為高粘高彈瀝青在上下層間粘度較大，水分對防水粘結(jié)應(yīng)力吸收層的剝落能力有限，因此其性能并未出現(xiàn)明顯下降。由表2和圖4可知：本方案結(jié)構(gòu)層粘結(jié)強度是普通雙層SMA的2.4倍，經(jīng)過浸水車轍之后粘結(jié)強度降低17%，粘結(jié)強度是普通雙層SMA的3倍。由表3和圖5可知：本方案結(jié)構(gòu)層剪切強度是普通雙層SMA的1.8倍，經(jīng)過浸水車轍之后剪切強度降低5.1%，粘結(jié)強度是普通雙層SMA的2.8倍。此外，本方案加入防水粘結(jié)應(yīng)力吸收層后，其層間粘結(jié)、抗剪性能得到顯著增加，因此，在下層與鋼板采用剪力釘形成結(jié)構(gòu)性鏈接的基礎(chǔ)上，上下面層防水粘結(jié)應(yīng)力吸收層提供足夠的抗剪能力，最大程度的避免橋面鋪裝層出現(xiàn)推移、擁包的病害。

圖4 粘結(jié)強度Figure 4 Bond strength

圖5 剪切強度Figure 5 Shear strength

3.3 鋪裝組合結(jié)構(gòu)的疲勞性能

3.3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)對疲勞性能的影響

① 剪力釘間距。

針對不同剪力釘間距(300、400、500 mm)進行疲勞性能測試，按照設(shè)計方案成型試塊，連通MTS的應(yīng)變控制軟件，調(diào)控荷載保持該處應(yīng)變峰值為700 με進行循環(huán)加載。組合結(jié)構(gòu)疲勞試驗，測得的疲勞次數(shù)見表4。

表4 不同剪力釘間距下抗彎拉疲勞壽命Table4 Theflexuralfatiguelifeondifferentshearstudsspaced編號在下列剪力釘間距(mm)下的疲勞次數(shù)/萬次3004005001>1000>10008252>1000>1000743平均>1000>1000784

由上表測得的疲勞次數(shù)可知對于本方案設(shè)計的鋪裝層組合結(jié)構(gòu)體系，剪力釘間距<400 mm時，間距變化對疲勞壽命影響不大。剪力釘間距>400 mm時，疲勞次數(shù)降低。剪力釘?shù)拈g距直接關(guān)系到整體鋪裝層在受力情況下的荷載分布，剪力釘間距過大，不利于鋪裝層整體協(xié)調(diào)變形，導(dǎo)致疲勞次數(shù)呈降低趨勢。固剪力釘間距宜選取300～400 mm。

② 剪力釘高度和鋪裝層厚度。

選取剪力釘間距400 mm，剪力釘高度占鋪裝層厚度的90%～95%，剪力釘高度45、75、95 mm對應(yīng)澆筑不同的混凝土鋪裝厚度5、8、10 cm，對比不同污泥陶粒高韌性混凝土鋪裝厚度對整體鋪裝層組合結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響。結(jié)果見表5。

表5 不同剪力釘高度下的抗彎拉疲勞壽命Table5 Thepullfatiguelifeondifferentshearstudsheight剪力釘高度/mm疲勞次數(shù)/萬次平均值/萬次45>1000>1000>100075>1000>1000>100095>1000>1000>1000

由表5可知：剪力釘高度變化對鋪裝層組合結(jié)構(gòu)抗彎拉疲勞性能并無影響，剪力釘高度45、75、95 mm下疲勞次數(shù)均達到1 000萬次以上，疲勞性能十分優(yōu)異。從橋面整體承重及經(jīng)濟性方面考慮，剪力釘高度宜選取45 mm。

③ 剪力釘直徑。

剪力釘直徑的大小不僅關(guān)系到焊接工藝的可操作性，而且影響到鋪裝層受力作用下的協(xié)調(diào)變形。選取剪力釘間距400 mm，鋪裝厚度50 mm下，研究不同剪力釘直徑對鋪裝層組合結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響，見表6。

表6 不同剪力釘直徑下的抗彎拉疲勞壽命Table6 Thepullfatiguelifeondifferentshearstudsdiameter剪力釘直徑/mm疲勞次數(shù)/萬次12>100014>100016>1000

由表6可知：剪力釘直徑變化對鋪裝層組合結(jié)構(gòu)抗彎拉疲勞性能并無影響，剪力釘直徑12、14、16 mm下疲勞次數(shù)均達到1 000萬次以上。剪力釘直徑選取過小(<12 mm)影響焊接工藝，易出現(xiàn)脫焊等質(zhì)量問題，直徑選取過大(大于16 mm)經(jīng)濟性相對較差。綜合考慮施工質(zhì)量、疲勞性能與經(jīng)濟性，剪力釘直徑宜選取12～16 mm。

④ 鋼筋網(wǎng)直徑與網(wǎng)格間距。

鋼筋網(wǎng)綁扎于焊接合格的剪力釘上，剪力釘與鋼筋網(wǎng)共同構(gòu)成骨架，提高了下面層混凝土抗推移能力，同時使荷載作用于鋼橋面的應(yīng)力得以均勻傳遞，進而提高鋪裝層與鋼橋面協(xié)同變形能力和鋪裝層抗疲勞特性能，選取合適的鋼筋網(wǎng)直徑與網(wǎng)格間距至關(guān)重要。研究不同鋼筋網(wǎng)直徑下、不同網(wǎng)格間距下鋪裝層組合結(jié)構(gòu)的抗彎拉疲勞性能，見表7、表8。

表7 不同鋼筋網(wǎng)直徑下的抗彎拉疲勞壽命Table7 Thepullfatiguelifeondifferentsteelmeshdiameter鋼筋網(wǎng)直徑/mm網(wǎng)格間距/mm疲勞次數(shù)/萬次581012100×100704868>1000>1000

表8 不同網(wǎng)格間距下的抗彎拉疲勞壽命Table8 Thepullfatiguelifeondifferentgridspacing鋼筋網(wǎng)直徑/mm網(wǎng)格間距/mm疲勞次數(shù)/萬次1050×50>1000100×100>1000150×150851

由表7，表8可知：鋪裝層組合結(jié)構(gòu)抗彎拉疲勞性能隨著鋼筋網(wǎng)直徑增大而提高，減小網(wǎng)格間距可提高鋪裝層組合結(jié)構(gòu)抗彎拉疲勞性能。鋪裝層整體結(jié)構(gòu)剛度提升，剪力釘與鋼筋網(wǎng)構(gòu)成的橋面抗推移骨架致密，提高鋪裝層與鋼橋面協(xié)同變形能力和抗彎拉疲勞性能。同時鋼筋網(wǎng)直徑過大提高了鋪裝整體的靜荷載，網(wǎng)格間距過小不利于污泥陶粒高韌性混凝土澆筑、振搗。因此，鋼筋網(wǎng)宜選取直徑Ф10、網(wǎng)格間距100 mm×100 mm。

3.3.2 不同鋪裝層組合結(jié)構(gòu)抗彎拉疲勞性能對比

采用鋪裝層設(shè)計方案“鋼板+鋼筋網(wǎng)+剪力釘+污泥陶粒高韌性混凝土+新型高粘高彈防水粘結(jié)應(yīng)力吸收層+新型高粘高彈改性SMA-16”依次澆筑輕質(zhì)高強高韌性水泥基工程復(fù)合材料、新型高粘高彈防水粘結(jié)應(yīng)力吸收層、新型高粘高彈改性SMA-16成型鋪裝層組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件。其中結(jié)構(gòu)參數(shù)選取如下：鋼板(14 mm)、鋼筋網(wǎng)(直徑Ф10、網(wǎng)孔為100 mm×100 mm)、剪力釘(間距400 mm，高度45 mm，直徑Ф16 mm)、污泥陶粒高韌性混凝土(厚度50 mm)、新型高粘高彈防水粘結(jié)應(yīng)力吸收層、新型高粘高彈改性SMA-16(厚度50 mm)。針對目前國內(nèi)疲勞性能優(yōu)異的橋面鋪裝材料-澆筑式瀝青混凝土與環(huán)氧瀝青混凝土，分別與重慶交科院研究的澆筑式瀝青的疲勞試驗方法及疲勞壽命及東南大學(xué)環(huán)氧瀝青研究成果進行對比，如表9所示。

表9 鋪裝結(jié)構(gòu)疲勞試驗Table9 Pavementstructurefatiguetest指標(biāo)本設(shè)計鋪裝層組合結(jié)構(gòu)澆筑式瀝青混凝土環(huán)氧瀝青混凝土試驗溫度/℃202020加載頻率/Hz101010加載方式3點加載5點加載3點加載加載點距支點/mm150125150應(yīng)變水平700με鋼板平面尺寸/mm550×150700×200380×100鋼板厚度/mm141414疲勞壽命/萬次>1000>1000>1000

由表9可知：雖然不同鋪裝結(jié)構(gòu)試驗設(shè)計與指標(biāo)控制略有差別，采用的鋪裝層組合結(jié)構(gòu)疲勞性能優(yōu)異，達到1 000萬次以上能達到環(huán)氧瀝青混凝土及澆筑式瀝青混凝土同一極佳的抗彎拉疲勞性能層次。

4 工程應(yīng)用效果

本方案在湖北枝城長江大橋橋面維修工程中成功進行應(yīng)用，枝城長江大橋采用鋼桁架架設(shè)正交異性鋼板的橋面結(jié)構(gòu)形式，圖6為本方案施工應(yīng)用效果，在火車、重載汽車雙重荷載的作用下，服役使用至今，未發(fā)生任何病害。

(a) 剪力釘焊接

(b)鋼筋網(wǎng)綁扎

(c) 高韌性輕質(zhì)混凝土

(d) 防水粘結(jié)應(yīng)力吸收層

(e) 高粘高彈改性SMA

(f) 鋪裝效果圖6 本方案施工應(yīng)用效果

5 結(jié)語

通過理論分析與試驗?zāi)M，對新型高耐久性橋面鋪裝組合結(jié)構(gòu)進行研究，并提出了“剪力釘+鋼筋網(wǎng)+污泥陶粒高韌性混凝土+新型高粘高彈防水粘結(jié)應(yīng)力吸收層+新型高粘高彈改性SMA磨耗層”這一新的橋面鋪裝組合結(jié)構(gòu)設(shè)計，該橋面鋪裝有很好的高溫穩(wěn)定性能、結(jié)構(gòu)層間的粘結(jié)強度和剪切強度、耐久性和疲勞性能，可在很大程度上降低各類鋪裝病害的發(fā)生率，能提高橋面鋪裝的使用性能和壽命。

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Research on Composite Structure Performance of Steel Bridge Deck Pavement

LI Hongjun1，2， DING Qingjun2， ZHAO Mingyu2

(1.Department of Road & Bridge Engineering， Hubei Communications Technical College， Wuhan， Hubei 430079， China； 2.College of Materials Science & Engineering， WUT， Wuhan， Hubei 430070， China)

For the ubiquitous problem of steel deck pavement durability，like transposition，upheaval，rutting，cracking，It is put forward that "shear studs+ steel mesh+high toughness lightweight concrete underlayer+ high viscosity high elastic waterproof bonding stress absorb layer+ SMA high viscosity high elastic wear layer"，which is a highly durability pavement composite structure.High temperature stability，the interlayer adhesion and fatigue properties of the small-scale pavement composite structure model are investigated and successfully applied in ZhiCheng Yangtze river bridge reinforcement maintenance engineering.The results show that composite structure of high durability pavement has excellent shear adhesion properties，high temperature stability and flexural fatigue properties.The research results provide technical support for the field of steel bridge deck.

steel bridge deck； composite structure； high temperature properties； adhesion properties； fatigue properties

2015 — 05 — 08

湖北省交通科技項目(101-611310901)

李洪軍(1976 — )，男，湖北孝感人，碩士，副教授，從事高性能混凝土、道路橋梁材料研究。

U 443.33

A

1674 — 0610(2016)06 — 0188 — 06