重慶地區(qū)大跨徑鋼橋橋面鋪裝病害分析及對策

劉堯澤

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

0 引言

重慶其獨特的地理位置、地形地貌和水文等自然條件，以及受到城市熱島效應(yīng)的影響，沿長江兩岸的河谷地區(qū)夏季“高溫、高濕、少風(fēng)”的特點天氣。該地區(qū)夏季最高氣溫達42℃，橋面鋼板隨環(huán)境氣溫變化比較大，溫度可以達到七八十度，橋面瀝青鋪裝層就將面臨著高溫軟化，容易出現(xiàn)諸如車轍、擁包、推移等熱穩(wěn)定性病害，道路維修和養(yǎng)護費用不斷增加。

同時，全年降水充沛，日照嚴(yán)重不足，造成空氣和路面濕度很大，因此該地區(qū)還屬于我國的高濕區(qū)。瀝青鋪裝層長時間受到地表水侵蝕作用，造成鋪裝層在行車荷載與溫度應(yīng)力綜合作用下瀝青混合料加速老化，引起路面產(chǎn)生疲勞裂縫、坑槽、剝落等水損害。

1 典型病害調(diào)查與分析

通過對重慶地區(qū)鋼橋面鋪裝層的病害進行調(diào)研，并將一些典型破壞類型主要分為裂縫類、變形類、結(jié)構(gòu)層類、松散類四種，具體統(tǒng)計結(jié)果如下表所示：[1][2][3][4][5]

1.1 裂縫類病害

1.1.1 縱向裂縫

在正常使用情況下，行車荷載和溫度變化的多次反復(fù)作用，正交異性鋼橋面板的變形導(dǎo)致縱向加勁肋、縱隔板、主梁腹板等加勁部件與鋼橋面板焊接處成為高應(yīng)力區(qū)，并在這些位置處的鋪裝層產(chǎn)生較大的負(fù)彎矩，鋪裝層表面應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變超過材料的極限拉應(yīng)力或拉應(yīng)變，因此開裂首先出現(xiàn)在基本與行車方向平行的外側(cè)車道（行車道或重車道）鋪裝層表面，然后沿著縱橋向迅速擴展，向深度發(fā)展也較快。[6]鋼橋面瀝青鋪裝的縱橋向裂縫在各種鋪裝材料與鋪裝結(jié)構(gòu)中均有出現(xiàn)，特別是在雙層改性瀝青SMA鋪裝結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)多且早。

1.1.2 橫向裂縫

由于工作環(huán)境和受力模式的不同，在行車荷載和溫度變化反復(fù)作用下，正交異性鋼橋面板的變形導(dǎo)致在橫隔板頂部的橋面鋪裝層表面會出現(xiàn)與路中心線基本垂直，縫寬不一，尤其集中在渠化交通的輪跡帶的外側(cè)重車道。該病害多以溫縮裂縫為主，橫橋向裂縫開裂時間晚相對較晚，裂縫擴展相對較慢，沿著輪跡帶逐步向整個車行道延伸，由外側(cè)（重車道）向內(nèi)側(cè)（快車道）延伸，裂縫兩邊的鋪裝層受到行車道方向上的水平力作用下，最終完成全斷面開裂。

1.1.3 月牙形裂縫

一般是由于材料設(shè)計或施工存在缺陷，加之超載和重載交通環(huán)境下的行車荷載作用，瀝青鋪裝層瞬間產(chǎn)生的拉應(yīng)力變超過材料的極限拉應(yīng)力，裂縫最初產(chǎn)生在距離橋臺附近的渠化交通的輪跡帶，并且一旦產(chǎn)生裂縫，裂縫發(fā)展極快，充分開裂的裂紋呈現(xiàn)“月牙形”。[6]月牙形裂縫主要出現(xiàn)在雙層SMA結(jié)構(gòu)、澆筑式瀝青混凝土+SMA鋪裝結(jié)構(gòu)以及澆筑式瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)。

1.2 變形類病害

1.2.1 車轍

車轍包括兩種類型：一方面是由于在車荷載反復(fù)作用下，鋪裝層內(nèi)部材料流動產(chǎn)生橫向變形引起的，特別是當(dāng)材料高溫穩(wěn)定性不足時，瀝青混合料表現(xiàn)出較強的粘塑性和流變性，抗永久變形能力不足，在外力作用下產(chǎn)生的不可逆的縱向沉陷稱為失穩(wěn)型車轍；另一方面是由于渠化交通和重載交通的條件下，上面層鋪裝材料在車輪反復(fù)磨損和自然環(huán)境作用下持續(xù)不斷地侵蝕消耗產(chǎn)生的車道輪跡帶稱為磨耗型車轍磨耗型車轍。通常在澆注式瀝青混凝土（GA）車轍特別嚴(yán)重，相對而言環(huán)氧瀝青鋪裝層和改性SMA鋪裝層出現(xiàn)較少。[7]

1.2.2 擁包

在夏季高溫的氣候條件下，瀝青層鋪裝在導(dǎo)熱性好的鋼橋面板上，瀝青混合料吸熱后快速升溫，導(dǎo)致瀝青鋪裝層抗剪切破壞能力迅速衰減，同時車行道還受到行駛車輛的沖擊、振動荷載作用，在車輛豎直方向與水平方向受力共同作用下，讓鋪裝層內(nèi)產(chǎn)生的剪應(yīng)力大于了鋪裝層抗剪強度，引起鋪裝層表面局部隆起的剪切變形，且表面一般沒有縱橋向與橫橋向裂縫。

1.3 結(jié)構(gòu)層類病害

1.3.1 防水粘層破壞

經(jīng)過防水粘層受到超高溫度和沖擊、振動荷載反復(fù)作用后，以及橋面滲水腐蝕主梁，導(dǎo)致鋼橋面板與下鋪層粘結(jié)力快速衰減或喪失，鋪裝層與橋面板受力不均衡，層間結(jié)合面的抗剪切能力太弱，受到過大的輪載水平力作用時，整個豎直面內(nèi)鋪裝層大面積沿輪載水平力方向的滑移，防水粘層失效或破壞。

1.3.2 脫層(粘結(jié)層破壞)

由于鋪裝下面層和鋪裝上面層彈性模量差異較大，在受到較大的車輪水平荷載與豎向荷載共同作用時，鋪裝上面層與鋪裝下面層間存在較大的剪應(yīng)力，當(dāng)該剪應(yīng)力超過層間結(jié)合面的容許剪應(yīng)力時，鋪裝上面層在水平方向會產(chǎn)生相對位移，發(fā)生上，下鋪裝層之間粘結(jié)層失效或脫層。

1.4 松散類病害

該地區(qū)雨季時間長，瀝青鋪裝層長期直接接觸雨水，雨水會侵入瀝青與骨料的接觸面，在動水力的作用下，瀝青混合料的水穩(wěn)定性薄弱裹附表面，部分骨料與瀝青混合料的粘結(jié)作用下降，在車輛荷載的作用下剝落，車輛行駛時將細(xì)碎的小塊帶走，逐漸形成坑槽。

2 鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

根據(jù)對鋼橋面鋪裝應(yīng)用情況調(diào)查和高溫多雨地區(qū)的使用條件分析，提出了重慶地區(qū)大跨徑鋼橋面鋪裝設(shè)計要求。

2.1 瀝青鋪裝層具有良好的抗車轍性能

重慶地區(qū)大跨徑鋼橋面鋪裝使用環(huán)境極端最高氣溫達42℃，橋面鋼板溫度可以達到七八十度，使得瀝青鋪裝層溫度顯著高于普通路面面層的溫度。[1]因此保證橋面瀝青鋪裝層在重交通荷載作用下具有較高的高溫穩(wěn)定性，以便能延緩瀝青鋪裝層車轍的出現(xiàn)。

2.2 瀝青鋪裝層具有良好的抗疲勞性能

在重載交通荷載作用下，橋面鋪裝層要隨同鋼板產(chǎn)生較大變形，而產(chǎn)生這種大幅度的反復(fù)撓曲變形，使得瀝青混凝土性能衰退，變形超出了瀝青混凝土所能容許的變形范圍，將產(chǎn)生反復(fù)彎曲應(yīng)力而開裂。[1]鋪裝層結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮瀝青混合料的抗疲勞開裂性能。

2.3 鋼板與鋪裝層之間具有良好的層間結(jié)合性能

在車輛荷載和溫度應(yīng)力綜合作用下，瀝青鋪裝層與鋼板會產(chǎn)生不同的溫縮變形，這使得各結(jié)構(gòu)層之間產(chǎn)生較大的彎拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力，并導(dǎo)致層間脫離。[3]因此瀝青鋪裝層與鋼板之間必須要提高粘結(jié)層的強度，使之具有良好的層間粘結(jié)力。

2.4 瀝青鋪裝層對橋面板等鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的保護作用

該地區(qū)年降雨量大，雨量充沛，氣候潮濕，空氣中水蒸汽極易導(dǎo)致鋼板銹蝕，而降低鋪裝結(jié)構(gòu)層的耐久性和橋梁鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命。[1]因此，鋪裝體系要具備完善的防水性能，防水粘結(jié)層、鋪裝層的功能明確，對鋼板的保護作用和防腐作用。

3 結(jié)語

本文總結(jié)了重慶地區(qū)鋼橋面鋪裝層在受到高溫高濕自然環(huán)境和超負(fù)荷的車輛荷載條件等因素，對產(chǎn)生的鋪裝層病害類型進行調(diào)查和分析，從而不僅可以為我國重慶地區(qū)橋面鋪裝提供科學(xué)地設(shè)計鋪裝結(jié)構(gòu)體系和合理地優(yōu)化施工技術(shù)方案，還可以為我國其他地區(qū)鋼橋面鋪裝提供研究理論借鑒和參考，并推動我國鋼橋面鋪裝技術(shù)的發(fā)展。