天津地區(qū)鋼橋面鋪裝選型原則

張海濤

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院 天津市 300051）

0 引言

鋼橋因其具有強(qiáng)度高、自重輕、跨越能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在大跨徑橋梁中得以廣泛應(yīng)用。鋼橋面為增大剛度承擔(dān)車輪荷載常采用正交異性板。鋼橋面鋪裝是指鋪設(shè)在正交異性鋼板上，保護(hù)鋼板并提供良好行駛性能的構(gòu)筑層，其材料常采用瀝青混凝土，鋪裝層通過(guò)防水粘結(jié)層與鋼板緊密連接，共同承受車輛荷載、溫度等引起的應(yīng)力與變形。鋼橋面鋪裝是橋梁行車系的重要組成部分，它的好壞直接影響到行車的安全性、舒適性、耐久性等，已成為評(píng)價(jià)橋梁工程質(zhì)量的重要指標(biāo)。

鋼橋面鋪裝使用環(huán)境特殊，首先正交異性鋼板受力模式特殊，鋼橋面板剛度較小，變形較大，但是沿頂板加勁肋兩個(gè)方向的剛度、變形存在顯著差異，鋼橋面鋪裝需要具備足夠的變形適應(yīng)性；鋼橋面板對(duì)防腐要求極高，鋼橋面容易銹蝕且導(dǎo)致鋪裝病害；鋼橋面承受反復(fù)頻繁的車輪荷載作用，橋面及鋪裝均需具備抗疲勞能力和協(xié)同工作能力；鋼橋面及鋪裝在夏季炎熱天氣下，表面溫度會(huì)升高且不易散熱，同時(shí)綜合重載、油污等惡劣條件會(huì)嚴(yán)重削弱鋪裝的強(qiáng)度，導(dǎo)致鋪裝易出現(xiàn)車轍、推移等病害。

由上，鋼橋面鋪裝一般需具備以下幾項(xiàng)基本特性：

（1）強(qiáng)度高、自重輕。增加鋪裝的厚度及自重，會(huì)增加橋梁的二期荷載，增加鋼橋設(shè)計(jì)的困難。因此鋼橋面鋪裝宜選用高強(qiáng)度、輕質(zhì)化材料。

（2）界面抗剪能力強(qiáng)。界面抗剪問(wèn)題是鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，鋪裝層與層之間、鋪裝與鋼梁頂板之間必須具備足夠的抗剪切能力，防止因抗剪能力不足導(dǎo)致出現(xiàn)層間推移破壞。

（3）穩(wěn)定性。主要包括鋪裝材料的水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定等。鋪裝材料在水分滲入作用下，膠結(jié)劑和石料容易出現(xiàn)脫離、掉粒、松散現(xiàn)象，使路面出現(xiàn)坑槽、變形等損壞。夏季炎熱天氣鋪裝承受長(zhǎng)時(shí)間高溫則容易出現(xiàn)車轍、變形多種病害。

（4）變形協(xié)調(diào)性。鋼橋面屬于柔性體系，變形幅度大、頻率高，鋪裝層需具備優(yōu)良的柔韌性和變形服從性，以避免疲勞作用下鋪裝層與鋼橋面變形不協(xié)調(diào)開(kāi)裂。

（5）密水性。鋼橋面屬于易腐蝕結(jié)構(gòu)，鋪裝滲水會(huì)導(dǎo)致水接觸到鋼橋面引起鋼結(jié)構(gòu)銹蝕，從而導(dǎo)致鋪裝整體失效。

（6）耐久性。耐久性是橋梁工程質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，鋼橋面鋪裝通常由多層材料組合而成，且中間設(shè)置多道黏結(jié)層、防水層等功能層，維修難度大，對(duì)交通的影響也很大。為保證鋪裝的使用壽命，盡量減少維修的次數(shù)，鋪裝材料必須具備足夠的耐久性。

以上是鋼橋面鋪裝的一些基本性能要求，實(shí)際情況下，多種指標(biāo)之間相互關(guān)聯(lián)、制約，對(duì)鋼橋面鋪裝性能的影響是綜合性影響，因此鋼橋面鋪裝體系之間的差異也集中體現(xiàn)在幾種鋪裝材料特性之間的差異。

鋼橋面鋪裝的應(yīng)用廣泛且復(fù)雜多變，以往工程中存在很多成功或失敗的經(jīng)驗(yàn)。以天津地區(qū)鋼橋面鋪裝的應(yīng)用情況為背景，對(duì)常用鋼橋面鋪裝的體系特征及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析介紹，并基于各類鋪裝的適用條件進(jìn)行綜合比較，示例針對(duì)天津地區(qū)的區(qū)域特點(diǎn)給予鋼橋面鋪裝選型建議，可供相似工程參考使用。

1 鋼橋面鋪裝類型

1.1 常用鋼橋面鋪裝材料

鋼橋面鋪裝材料經(jīng)過(guò)多年的研究、實(shí)踐，現(xiàn)如今能夠比較好滿足鋼橋面特性要求并最常使用的材料主要有以下幾種：澆筑式瀝青混凝土（GA）；環(huán)氧瀝青混凝土（EA）；瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）；密級(jí)配改性瀝青混凝土（AC）；超高性能混凝土（UHPC）、超高韌性混凝土（STC）。

其中，GA和EA都是研究和使用時(shí)間比較長(zhǎng)，并得到廣泛推廣應(yīng)用的鋪裝材料，性能得到不斷優(yōu)化、改進(jìn)。SMA和AC常用作鋼橋面鋪裝的面層，是路橋行業(yè)最常見(jiàn)的橋面鋪裝材料。UHPC和STC是高性能混凝土鋪裝材料，這些材料強(qiáng)度高、剛度大，是近年研究較多的新型材料。

1.2 鋼橋面鋪裝特點(diǎn)

由以上幾種鋪裝材料，主要形成了幾種常用的鋼橋面鋪裝體系：

（1）澆筑式瀝青混凝土鋪裝體系［1］

國(guó)內(nèi)澆筑式瀝青混凝土鋪裝技術(shù)源于德國(guó)和日本，從二十世紀(jì)九十年代引入中國(guó)到現(xiàn)在經(jīng)過(guò)多階段的改良，已在原材料基礎(chǔ)上得到很大改進(jìn)。該體系應(yīng)用廣泛，如南京長(zhǎng)江四橋、泰州長(zhǎng)江大橋等。使用時(shí)常采用澆筑式瀝青混凝土作下層，SMA作面層。

澆筑式瀝青混凝土施工采用高溫拌和、自流平，集料中瀝青含量很高，因此材料的密水性好、耐久性好。缺點(diǎn)是材料的高溫穩(wěn)定性較差，高溫天氣重載情況下容易出現(xiàn)車轍等病害。

（2）環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝體系［2］

環(huán)氧瀝青混凝土的研究源于美國(guó)，傳入國(guó)內(nèi)之后得到十分廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。如蘇通大橋、西堠門(mén)大橋等。環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝體系通常采用雙層環(huán)氧瀝青混凝土，中間采用黏結(jié)層。

環(huán)氧瀝青混凝土強(qiáng)度高、剛度大，穩(wěn)定性、耐疲勞性、耐久性均屬優(yōu)良。缺點(diǎn)在于環(huán)氧瀝青混凝土施工要求苛刻，施工周期長(zhǎng)，因此病害維修復(fù)雜，對(duì)交通影響大。

（3）雙層SMA鋪裝體系

雙層SMA鋪裝體系在國(guó)內(nèi)應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，SMA強(qiáng)度較高，抗滑性能好，最常用作鋪裝的面層。雙層SMA能夠滿足鋼橋面鋪裝的基本要求，且造價(jià)低，國(guó)內(nèi)在礐石大橋、盧浦大橋中得以應(yīng)用。但SMA穩(wěn)定性、耐久性較差，鋪裝厚，應(yīng)用中出現(xiàn)的病害比較多，后期出現(xiàn)較多維修。

（4）高性能混凝土鋪裝體系［3］

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete），簡(jiǎn)稱UHPC，是指超高韌性、超長(zhǎng)耐久性水泥基復(fù)合材料一類的統(tǒng)稱，因摻入鋼纖維強(qiáng)度、變形能力得以提升，在橋梁工程中廣泛應(yīng)用。超高韌性混凝土（Super Toughness Concrete），簡(jiǎn)稱STC，是一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)、強(qiáng)化的UHPC，專用于鋼橋面鋪裝，其抗裂、收縮性能遠(yuǎn)優(yōu)于市場(chǎng)上一般的UHPC。

高性能混凝土鋪裝體系的工作原理是通過(guò)栓釘將現(xiàn)澆的UHPC、STC與鋼橋面板形成永久性組合的橋面結(jié)構(gòu)，然后在頂上鋪筑面層。這種鋪裝體系大大提高了鋼橋面的剛度，從本質(zhì)上改善了橋面系的受力性能。缺點(diǎn)是施工較復(fù)雜，造價(jià)高。

表1 典型鋼橋面鋪裝性能對(duì)比

2 天津地區(qū)鋼橋面鋪裝應(yīng)用

2.1 天津地區(qū)的氣候、交通特點(diǎn)

天津市地處華北平原東北部，東臨渤海，北依燕山，與河北省、北京市為鄰。天津位于中緯度歐亞大陸東岸，季風(fēng)環(huán)流影響顯著，冬季受蒙古冷高氣壓控制盛行西北風(fēng)；夏季受西太平洋副熱帶高氣壓左右而多偏南風(fēng)。天津氣候類型屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。氣候特點(diǎn)是：春季干旱多風(fēng)，冷暖多變；夏季溫高濕重，雨熱共濟(jì)；秋季天高云淡，風(fēng)和日麗；冬季寒冷干燥，雨雪稀少。

天津市年平均氣溫12.5℃，最高氣溫39.9℃，最低氣溫-18.3℃。年平均降雨量602.9mm，降水多集中在7、8月份，占全年降水量的60%。年蒸發(fā)量為1750～1840mm，是降水量的3倍左右。

天津市是我國(guó)北方地區(qū)重要的公路主樞紐，是我國(guó)重要的港口城市，是連接京冀、面向環(huán)渤海、服務(wù)全國(guó)的重要通道，交通量大、交通組成復(fù)雜，歷年的交通運(yùn)輸規(guī)模不斷攀升，特別是公路貨運(yùn)運(yùn)輸發(fā)展速度穩(wěn)步增長(zhǎng)。

2.2 天津地區(qū)鋼橋面鋪裝應(yīng)用現(xiàn)狀

天津地區(qū)已建的鋼橋數(shù)量眾多，有較長(zhǎng)的鋼橋面鋪裝應(yīng)用歷史，主要工程如表2所示［4］。

表2 天津地區(qū)主要鋼橋面鋪裝應(yīng)用工程

由表2可知，天津地區(qū)已建鋼橋采用最多的鋪裝類型是環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝，主要原因在于另一種常用的鋪裝材料澆筑式瀝青混凝土在天津地區(qū)夏季高溫天氣下的性能表現(xiàn)較差，而天津地區(qū)冬季低溫情況并不極端，無(wú)需過(guò)多考慮鋪裝材料的低溫硬化及開(kāi)裂問(wèn)題，因此相對(duì)而言，環(huán)氧瀝青混凝土是一種較為合理的選擇。

此外，在交通量大的情況下，特別是在濱海地區(qū)的一些貨運(yùn)通道上，如海河大橋，由于日常承擔(dān)較為沉重的重載碾壓，常規(guī)的鋪裝材料容易出現(xiàn)坑洼、推移、開(kāi)裂等病害，而且鋼箱梁內(nèi)部的U肋、橫隔板也多見(jiàn)疲勞開(kāi)裂破壞［5］。鑒于以上情況，這些位置的鋼橋面鋪裝維修采用了整體翻新為STC+SMA鋪裝類型，目的在于從本質(zhì)上優(yōu)化鋼橋面受力體系，以抵抗重載影響。

另外，國(guó)內(nèi)早期出于成本控制、施工方便等原因，采用過(guò)雙層SMA或AC+SMA的鋪裝體系，后因重載、高溫等因素的影響，病害情況均比較嚴(yán)重［6］，后期國(guó)內(nèi)多地對(duì)原有的鋪裝進(jìn)行整體鏟除重做，并更換鋪裝體系，如礐石大橋、武漢軍山大橋等?，F(xiàn)階段此類鋪裝也只推薦在道路等級(jí)較低、交通量較小的情況下采用。

2.3 天津地區(qū)鋼橋面鋪裝選型原則

結(jié)合以上天津地區(qū)的鋪裝使用條件及應(yīng)用結(jié)果等，可以總結(jié)出鋼橋面鋪裝基本可以參照以下原則進(jìn)行選型：

（1）由于夏季高溫天氣下鋼箱梁在使用過(guò)程中溫度聚集不易散熱，鋼橋面溫度甚至可以達(dá)到70℃以上。因此，熱穩(wěn)定性能較差的鋪裝材料不建議采用。澆筑式瀝青混凝土及SMA不宜用作鋪裝體系的下層，僅適于其它限制條件較多時(shí)選用。

（2）環(huán)氧瀝青混凝土強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、變形隨從性好，耐疲勞性、耐久性均優(yōu)良，缺點(diǎn)是施工要求嚴(yán)格、養(yǎng)護(hù)周期長(zhǎng)，因此施工、維修難度均較大。但在施工質(zhì)量能夠得到保證，運(yùn)營(yíng)階段使用合理的情況下，壽命比澆筑式瀝青混凝土、SMA等其它鋪裝材料要長(zhǎng)。

近年國(guó)內(nèi)對(duì)環(huán)氧瀝青混凝土的材料研發(fā)及施工工藝不斷改進(jìn)，推出了國(guó)產(chǎn)的產(chǎn)品，在施工上也采用特殊的養(yǎng)護(hù)方式，降低了施工難度及施工周期，使得這種材料的使用得到了更多的發(fā)展空間。因此在天津地區(qū)，環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝體系依然是常規(guī)情況下較為理想的選擇。

（3）雙層SMA鋪裝，其造價(jià)低、施工速度快、維修方便，更適用于交通量小，使用要求低的路段采用。

（4）高性能混凝土鋪裝體系能夠?qū)︿摌蛎嬲w受力進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于交通量大、重載多、使用條件惡劣的情況下是最為理想的選擇，但其造價(jià)高、施工復(fù)雜，一次性投入較多，并不適于大規(guī)模采用。建議結(jié)合具體的交通狀況、使用條件進(jìn)行綜合比較。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）鋼橋面鋪裝類型較多，可以選用的材料并不僅限于本文提到的幾種，可以結(jié)合鋼橋面鋪裝的使用條件擴(kuò)充選型范圍。

（2）鋼橋面鋪裝在材料改良、體系改進(jìn)等領(lǐng)域內(nèi)仍不斷發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出新產(chǎn)品，以更好地適應(yīng)工程選擇。

（3）鋼橋面鋪裝的選擇應(yīng)結(jié)合橋梁所處區(qū)域的氣候、交通、施工條件等因素綜合考慮，選取最佳的鋪裝方案，降低病害風(fēng)險(xiǎn)。

（4）天津地區(qū)的鋼橋面鋪裝應(yīng)用具有當(dāng)?shù)氐奶攸c(diǎn)，總結(jié)了天津地區(qū)鋼橋面鋪裝的應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合當(dāng)?shù)氐氖褂脳l件總結(jié)了鋪裝選型原則，可供相關(guān)工程參考使用。