九江長(zhǎng)江大橋公路橋鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

楊亞林，薛永超，錢(qián)振東，桂 鑫，王智涵

(1.江西贛鄂皖路橋投資有限責(zé)任公司，江西 九江 332099； 2.東南大學(xué) 智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心，江蘇 南京 211189)

1 概述

九江長(zhǎng)江大橋地處長(zhǎng)江中游，系贛、鄂和皖三省，北連黃岡，南接九江，是重要的交通樞紐。該橋由南岸引橋、正橋、北岸引橋三部分組成[1]，其中正橋?yàn)楣F兩用，兩側(cè)引橋各有三跨為公鐵合用，其余橋跨為公鐵分離[2]。由于該橋的區(qū)位特點(diǎn)，其通行的車(chē)輛中重車(chē)比例偏高，公路橋面通行的汽車(chē)荷載大于原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載等級(jí)。長(zhǎng)此以往，公路正橋橋面鋪裝病害多有發(fā)生，且日益突出，嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)氐慕煌òl(fā)展，給行車(chē)安全帶來(lái)較大隱患。因此，九江長(zhǎng)江大橋公路橋改造工程需要選擇與該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、交通條件及橋區(qū)氣候特征相適應(yīng)的鋼橋面鋪裝方案。

本研究總結(jié)近年來(lái)出現(xiàn)的新技術(shù)、新材料、新方案，分析不同鋼橋面鋪裝方案的特點(diǎn)和適用性，優(yōu)選出適宜于九江長(zhǎng)江大橋公路橋鋼橋面鋪裝技術(shù)要求的長(zhǎng)壽命鋪裝復(fù)合體系，基于九江長(zhǎng)江大橋公路橋的環(huán)境氣候特點(diǎn)設(shè)置相應(yīng)的試驗(yàn)條件及技術(shù)指標(biāo)，對(duì)鋪裝材料與結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定性能、抗疲勞性能、層間粘結(jié)性能與鋪裝復(fù)合結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行驗(yàn)證，保證橋面鋪裝的整體性能和使用壽命。

2 九江長(zhǎng)江大橋公路橋鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)

由于鋼橋本身在荷載、溫度變化和風(fēng)載作用下變形的復(fù)雜性和正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)的特殊性，鋪裝層受力變得十分復(fù)雜，而對(duì)交通量和交通組成、鋪裝層工作溫度及軸載的合理估計(jì)是確定鋪裝材料性能指標(biāo)、評(píng)估鋪裝使用壽命的重要依據(jù)[3]。九江長(zhǎng)江大橋公路橋鋼橋面鋪裝的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 九江長(zhǎng)江大橋鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)流程

2.1 九江長(zhǎng)江大橋公路橋鋼橋面鋪裝使用條件分析

2.1.1環(huán)境氣候條件

氣候條件中對(duì)鋪裝影響最大的因素是氣溫，其次包括降水、風(fēng)力等，九江地區(qū)典型氣候要素的相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

由表1可知，九江長(zhǎng)江大橋所屬區(qū)位雨水豐沛，夏季溫度較高，全年溫差較大，參考國(guó)內(nèi)已有的鋼橋面鋪裝材料設(shè)計(jì)的工作溫度，結(jié)合九江長(zhǎng)江大橋所在地區(qū)的環(huán)境等因素，確定九江長(zhǎng)江大橋公路橋橋面鋪裝材料的設(shè)計(jì)溫度范圍為-15 ℃～+70 ℃。在鋪裝設(shè)計(jì)與性能驗(yàn)證時(shí)，需要著重考慮高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性等特性，同時(shí)還需要考慮鋪裝的密水特性。

表1 九江長(zhǎng)江大橋環(huán)境氣候條件匯總Table1 SummaryofenvironmentalandclimaticconditionsofJiujiangYangtzeRiverBridge氣候要素特征值全年平均17最熱月平均29氣溫/℃最冷月平均5極端最高40.2極端最低-12降雨量/mm全年平均1400全年最大2500無(wú)霜期/天年無(wú)霜期239～266霧日/天全年平均<16

2.1.2交通條件

根據(jù)《九江長(zhǎng)江大橋正橋改造工程設(shè)計(jì)文件》[4]中所預(yù)測(cè)未來(lái)車(chē)型構(gòu)成比例、年交通年平均增長(zhǎng)率與各特征年的年平均日交通量，考慮到九江長(zhǎng)江大橋的貨運(yùn)需求，本文設(shè)定九江長(zhǎng)江大橋公路橋的設(shè)計(jì)超載比為20%，超載量為30%。基于疲勞等效的鋼橋面瀝青混凝土鋪裝體系軸載換算公式[5]，推算橋面累計(jì)當(dāng)量軸載，結(jié)果如表2所示。

表2 九江長(zhǎng)江大橋各種軸載的累計(jì)軸載作用次數(shù)Table2 CumulativetimesofaxleloadofJiujiangYangtzeRiverBridge實(shí)際軸重/kN輪胎壓力/MPa設(shè)計(jì)年限內(nèi)換算為各種軸載的累計(jì)軸載作用次數(shù)/萬(wàn)次1000.7138871200.845531401.00475

由于當(dāng)?shù)貧鉁剌^高、交通量較大，設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮了超載問(wèn)題。故而在進(jìn)行抗疲勞能力測(cè)試時(shí)，本文采用軸載140 kN、胎壓1.00 MPa作為鋪裝層的荷載標(biāo)準(zhǔn)，鋪裝設(shè)計(jì)年限內(nèi)重載作用下的累計(jì)軸載作用次數(shù)為475萬(wàn)次。因此，將疲勞極限最低要求設(shè)定為500萬(wàn)次。

2.1.3結(jié)構(gòu)條件

九江長(zhǎng)江大橋公路橋由四聯(lián)鋼桁梁組成，自北向南依次為：(0.056+3×162+1.1)m連續(xù)鋼桁梁、(1.1+3×162+1.1)m連續(xù)鋼桁梁、(1.1+180+216+180+1.1)m柔性拱鋼桁梁和(1.1+2×126+0.056)m連續(xù)鋼桁梁，共11孔鋼梁，全長(zhǎng)1 806.712 m[6]。改造后的正橋標(biāo)準(zhǔn)斷面及3大拱處分別寬19.5、24.5 m，更換后的正交異性鋼橋面板整體橋面結(jié)構(gòu)組成部分包括縱肋(梁)、橫梁和加勁的鋼橋面板。九江長(zhǎng)江大橋公路橋正交異性鋼橋面板幾何結(jié)構(gòu)參數(shù):橋梁主跨為216 m；縱向加勁肋為U形，高280 mm，厚8 mm,開(kāi)口寬250 mm，縱肋重心間距為510 mm,橫隔板間距為2 250 mm，頂板厚為16 mm。

2.2 九江長(zhǎng)江大橋公路橋鋼橋面鋪裝材料及結(jié)構(gòu)

鋼橋面鋪裝作為橋梁的功能層，其材料的優(yōu)良性、結(jié)構(gòu)的適宜性、性能的優(yōu)異性、施工的便利性及經(jīng)濟(jì)的合理性等對(duì)橋梁行車(chē)質(zhì)量及鋪裝使用壽命至關(guān)重要。本研究從鋼橋面鋪裝的材料、結(jié)構(gòu)、施工工藝及經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，結(jié)合九江長(zhǎng)江大橋公路橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、交通條件、氣候特征及功能需求，并參考已有鋼橋的鋪裝使用現(xiàn)狀，對(duì)不同鋼橋面鋪裝方案進(jìn)行相關(guān)的調(diào)查對(duì)比研究，最終優(yōu)選出適宜九江長(zhǎng)江大橋公路橋的鋼橋面鋪裝方案[7]。

2.2.1鋼橋面鋪裝典型材料

目前在鋼橋面鋪裝領(lǐng)域主要使用“環(huán)氧、澆注、改性SMA”這3種典型瀝青混凝土材料。本研究對(duì)鋪裝典型瀝青混凝土的材料特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，重點(diǎn)分析各鋪裝材料的高溫抗車(chē)轍能力、低溫抗裂性能、防滲水性能、抗滑性能以及抗疲勞性能，以尋求適合于九江長(zhǎng)江大橋公路橋的鋪裝材料，鋪裝材料特性見(jiàn)表3。

表3 典型鋼橋面鋪裝瀝青混凝土特性Table3 Characteristicsofasphaltconcretefortypicalsteeldeckpavement混凝土種類(lèi)級(jí)配類(lèi)型空隙率/%構(gòu)造深度/mmTSR/%穩(wěn)定度/kN動(dòng)穩(wěn)定度/mm60℃70℃極限彎曲應(yīng)變(-15℃)/με疲勞性能(15℃)/次改性SMA骨架密實(shí)3～4≥0.55>88.38.606342484630908000EA懸浮密實(shí)<3—>91.863.61860015000372018000GA懸浮密實(shí)<1—>95.79.82815465826012000

從表4中可以看出：GA的空隙率基本為零，較其他2種混凝土具有更好的密實(shí)性，可以防止水分侵蝕鋼板，EA的密實(shí)性?xún)H次于GA；在抗滑性能方面，改性SMA表面構(gòu)造深度遠(yuǎn)大于GA和EA；3種混凝土的TSR值均大于85%，其水穩(wěn)定性均較好；EA的穩(wěn)定度最高，且遠(yuǎn)高于其他兩種材料；從3種混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度可以看出EA的高溫穩(wěn)定性最優(yōu)，改性SMA的高溫穩(wěn)定性良好，GA在高溫穩(wěn)定性上存在較大的不足；GA的極限彎拉應(yīng)變最大，其低溫變形能力最好，EA介于GA和改性SMA之間；EA具有最佳的抗疲勞性能，GA其次，分別約為改性SMA疲勞性能的2.25倍和1.5倍。

綜合以上分析可得：EA在密水性、水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和抗疲勞性能方面表現(xiàn)優(yōu)異，但表面抗滑性能一般；改性SMA表面抗滑性能優(yōu)異，對(duì)于行車(chē)安全十分有利，但其他性能相對(duì)較弱，可以用于鋼橋面鋪裝上層，且一般采用改性SMA或適當(dāng)添加抗車(chē)轍劑，以提高其高溫穩(wěn)定性，適應(yīng)于九江長(zhǎng)江大橋公路橋重交通量的現(xiàn)狀；GA的密水性、水穩(wěn)定性和抗疲勞性能方面表現(xiàn)良好，低溫變形能力優(yōu)異，抗滑性能一般，但在高溫性能上存在較大的不足，可用于鋪裝下層。

2.2.2鋼橋面鋪裝典型結(jié)構(gòu)

本研究根據(jù)對(duì)EA、GA、改性SMA這3種鋪裝材料基本特性的認(rèn)識(shí)，結(jié)合九江長(zhǎng)江大橋公路橋的工程特點(diǎn)，對(duì)“雙層EA”、“下層EA+上層改性SMA”與“下層GA+上層改性SMA”3種鋼橋面鋪裝典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比研究。

鋼橋面鋪裝應(yīng)設(shè)置完善的防水粘結(jié)體系，且必須具有較好的變形協(xié)調(diào)能力、復(fù)合結(jié)構(gòu)路用性能以及維養(yǎng)便捷性，重點(diǎn)從界面安全性、變形協(xié)調(diào)性、復(fù)合結(jié)構(gòu)路用性能、維養(yǎng)狀況等方面對(duì)3種鋪裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，3種鋪裝結(jié)構(gòu)的技術(shù)性能見(jiàn)表4。

表4 典型鋪裝結(jié)構(gòu)的技術(shù)性能Table4 Technicalperformanceoftypicalpavementstructure鋪裝結(jié)構(gòu)技術(shù)性能“雙層EA”“下層GA+上層改性SMA”“下層EA+上層改性SMA”界面安全性鋼橋面防腐保護(hù)環(huán)氧富鋅防腐層ZedS94底涂層環(huán)氧富鋅防腐層防水性能不透水不透水不透水粘結(jié)性能/MPa拉拔強(qiáng)度:3.0剪切強(qiáng)度:3.1拉拔強(qiáng)度:2.28剪切強(qiáng)度:4拉拔強(qiáng)度:3.0剪切強(qiáng)度:3.1變形協(xié)調(diào)性線(xiàn)收縮系數(shù)(15℃～-15℃)/(10-5℃-1)鋪裝下層:1.52(接近鋼板)鋪裝下層:2.14鋪裝下層:1.52(接近鋼板)復(fù)合結(jié)構(gòu)路用性能極限應(yīng)變(-15℃)/με335047103020疲勞性能(60℃,7kN)/萬(wàn)次800(未見(jiàn)破壞)600(跨中GA高溫流動(dòng))650(未見(jiàn)破壞)抗滑性能/BPN658080養(yǎng)生時(shí)間養(yǎng)生25～45d鋪裝完成即可通車(chē)鋪裝完成即可通車(chē)維養(yǎng)便捷性養(yǎng)護(hù)時(shí)工作量較大小(主要修復(fù)改性SMA)小(主要修復(fù)改性SMA)修復(fù)便捷性修復(fù)較困難,面積較大時(shí)需封閉交通主要修復(fù)改性SMA,修復(fù)較簡(jiǎn)單,無(wú)需封閉交通主要修復(fù)改性SMA,修復(fù)較簡(jiǎn)單,無(wú)需封閉交通

由表4可知：“雙層EA”及“下層EA+上層改性SMA”鋪裝結(jié)構(gòu)采用EA作為基層，線(xiàn)收縮系數(shù)接近鋼板，具有較好的變形協(xié)調(diào)能力；“下層GA+上層改性SMA”鋪裝結(jié)構(gòu)的極限應(yīng)變最大，表明“下層GA+上層改性SMA”鋪裝結(jié)構(gòu)低溫變形能力優(yōu)異，“雙層EA”及“下層EA+上層改性SMA”鋪裝結(jié)構(gòu)相對(duì)較弱；“下層GA+上層改性SMA”鋪裝結(jié)構(gòu)在600萬(wàn)次荷載作用下已出現(xiàn)高溫流動(dòng)，其抗疲勞性能相較于其他兩種鋪裝結(jié)構(gòu)較弱，高溫穩(wěn)定性略顯不足；在表面抗滑性能方面，“下層EA+上層改性SMA”及“下層GA+上層改性SMA” 鋪裝結(jié)構(gòu)上層均采用改性SMA磨耗層，擺值能達(dá)到80BPN，可以提供粗糙的行車(chē)界面，有利于行車(chē)安全，而“雙層EA”鋪裝結(jié)構(gòu)采用環(huán)氧瀝青混凝土面層，擺值較小，表面抗滑性能不如其他兩種鋪裝結(jié)構(gòu)。在維養(yǎng)便捷性方面，“下層GA+上層改性SMA”及“下層EA+上層改性SMA”鋪裝結(jié)構(gòu)較好，“雙層EA” 鋪裝結(jié)構(gòu)相對(duì)較差。

綜合以上分析可得：“雙層EA”鋪裝結(jié)構(gòu)具有良好的界面安全性、變形協(xié)調(diào)性能以及優(yōu)異的抗疲勞性能，但是其表層抗滑性能一般，維養(yǎng)便捷性差；“下層GA+上層改性SMA” 鋪裝結(jié)構(gòu)的界面安全性、抗滑性能、變形協(xié)調(diào)性和維養(yǎng)便捷性?xún)?yōu)異，但其抗疲勞性能以及高溫穩(wěn)定性相對(duì)較弱；“下層EA+上層改性SMA”鋪裝結(jié)構(gòu)在界面安全性、變形協(xié)調(diào)性能、抗疲勞性能、維養(yǎng)便捷性以及抗滑性能均表現(xiàn)優(yōu)異。

2.3 九江長(zhǎng)江大橋公路橋鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)確定

相比于“雙層EA”鋪裝方案和“下層GA+上層改性SMA”鋪裝方案，“下層EA+上層改性SMA”鋪裝方案作為一種長(zhǎng)壽命鋼橋面鋪裝方案，其在材料特性、結(jié)構(gòu)性能、施工工藝以及工程造價(jià)、運(yùn)營(yíng)后維養(yǎng)便捷等方面均表現(xiàn)優(yōu)異，更適應(yīng)于九江長(zhǎng)江大橋公路橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、交通條件及所處位置的氣候特征。

根據(jù)九江長(zhǎng)江大橋鋼橋面鋪裝的使用條件及工程經(jīng)驗(yàn)，其鋪裝結(jié)構(gòu)擬采用下層30mmEA+上層40mmSMA結(jié)構(gòu)，鋪裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 九江長(zhǎng)江大橋擬采用的鋪裝結(jié)構(gòu)

3 九江長(zhǎng)江大橋公路橋鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)證

本文在常規(guī)鋪裝結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)證試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，依照九江長(zhǎng)江大橋的氣候及交通特性，優(yōu)化了試驗(yàn)條件，并參考相近工程提出了較高的技術(shù)要求[8-9]。需要注意的是，涉及環(huán)氧瀝青混合料的試驗(yàn)，應(yīng)在環(huán)氧瀝青固化完成后方可進(jìn)行試驗(yàn)。

橋面鋪裝是直接承受車(chē)輛荷載的結(jié)構(gòu)層，除了保障車(chē)輛通行的安全性與舒適性以外，還承擔(dān)著對(duì)鋼橋面板的保護(hù)功能。鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)基于鋼橋面使用條件，設(shè)置相應(yīng)的試驗(yàn)條件及技術(shù)指標(biāo)，對(duì)鋪裝材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗疲勞性能、層間粘結(jié)性能及表面性能進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試。同時(shí)，鋼橋面-鋪裝體系的結(jié)構(gòu)剛度不足是導(dǎo)致我國(guó)早期建設(shè)的鋼橋面鋪裝早期病害的重要因素，本研究對(duì)下層EA+上層改性SMA鋼橋面鋪裝體系進(jìn)行剛度驗(yàn)算，若剛度不足還應(yīng)進(jìn)行修正與改進(jìn)。

3.1 鋪裝結(jié)構(gòu)溫度穩(wěn)定性驗(yàn)證

3.1.1高溫穩(wěn)定性驗(yàn)證

常見(jiàn)的瀝青混合料高溫穩(wěn)定性測(cè)試試驗(yàn)一般在60 ℃的環(huán)境下進(jìn)行，考慮到九江長(zhǎng)江大橋所屬區(qū)位的氣候特征，夏季最炎熱時(shí)鋼箱梁溫度可達(dá)70 ℃，故本文在常用的60 ℃車(chē)轍試驗(yàn)基礎(chǔ)上增設(shè)一組70 ℃下車(chē)轍試驗(yàn)驗(yàn)證該鋪裝組合結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性，以動(dòng)穩(wěn)定度為驗(yàn)證指標(biāo)[10]。

根據(jù)瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)規(guī)程按照“鋪裝下層→粘結(jié)層→鋪裝上層”的順序制備鋪裝組合結(jié)構(gòu)車(chē)轍板試件，進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度分別為60 ℃和70 ℃。

由表5知該鋪裝組合結(jié)構(gòu)在60 ℃和70 ℃時(shí)的動(dòng)穩(wěn)定度均能滿(mǎn)足技術(shù)要求，其高溫穩(wěn)定性良好。

表5 鋪裝組合結(jié)構(gòu)高溫穩(wěn)定性驗(yàn)證結(jié)果(60℃&70℃)Table5 Verificationresultsofhightemperaturestabilityofpavementcompositestructure(60℃&70℃)試驗(yàn)條件試驗(yàn)結(jié)果/(次·mm-1)123平均值/(次·mm-1)技術(shù)要求/(次·mm-1)60℃,0.7MPa,60min1022311230989710450≥800070℃,0.7MPa,60min6290578961026060≥4000注:本試驗(yàn)采用JTGE20-2011T0719方法。

3.1.2低溫抗裂性驗(yàn)證

采用-15 ℃彎曲試驗(yàn)驗(yàn)證該鋪裝組合結(jié)構(gòu)低溫抗裂性，以極限彎曲強(qiáng)度和極限彎曲應(yīng)變?yōu)轵?yàn)證指標(biāo)。

根據(jù)瀝青混合料彎曲試驗(yàn)規(guī)程按照“鋪裝下層→粘結(jié)層→鋪裝上層”的順序制尺寸為250 mm×50 mm×40 mm的鋪裝組合結(jié)構(gòu)棱柱體小梁試件，進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-15 ℃，加載速率為1 mm/min。

由表6可知，該鋪裝組合結(jié)構(gòu)在-15 ℃時(shí)的極限彎曲強(qiáng)度和極限彎曲應(yīng)變均能滿(mǎn)足技術(shù)要求，其低溫抗裂性良好。

表6 鋪裝組合結(jié)構(gòu)低溫抗裂性驗(yàn)證結(jié)果(-15℃)Table6 Verificationresultsoflowtemperaturecrackresist-anceofpavementcompositestructure(-15℃)極限彎曲強(qiáng)度/MPa極限彎曲應(yīng)變/10-3試驗(yàn)結(jié)果115.12.33試驗(yàn)結(jié)果214.92.39試驗(yàn)結(jié)果314.22.50平均值14.72.41技術(shù)要求≥10.0≥2.00注:本試驗(yàn)采用JTGE20-2011T0715方法。

3.2 鋪裝結(jié)構(gòu)層間粘結(jié)性能驗(yàn)證

根據(jù)環(huán)氧材料的粘結(jié)機(jī)理，環(huán)境溫度越高其粘結(jié)強(qiáng)度及剪切強(qiáng)度越低，越容易發(fā)生脫層病害，故應(yīng)測(cè)試高溫狀態(tài)下的拉拔與剪切強(qiáng)度，但在拉拔試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，高溫會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料軟化、斷裂，無(wú)法測(cè)試真實(shí)的拉拔強(qiáng)度，故本文在20 ℃環(huán)境下測(cè)試復(fù)合結(jié)構(gòu)粘結(jié)強(qiáng)度，在60 ℃的環(huán)境下測(cè)試剪切強(qiáng)度，試件受力面與加載方向取成45°夾角。

3.2.1拉拔試驗(yàn)

選擇實(shí)際橋面鋼板，經(jīng)噴砂除銹、防銹涂裝處理后，按“防水粘結(jié)層→鋪裝下層→粘結(jié)層→鋪裝上層”的順序制作該鋪裝結(jié)構(gòu)的復(fù)合梁試件，待試件完全固化后，進(jìn)行鋪裝復(fù)合結(jié)構(gòu)的拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度(20±2)℃。拉拔試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 鋪裝復(fù)合結(jié)構(gòu)界面安全性驗(yàn)證結(jié)果(20℃)Table7 Interfacesafetyverificationresultsofpavementcompositestructure(20℃)編號(hào)破壞拉力/kN粘結(jié)強(qiáng)度/MPa平均值/MPa技術(shù)要求/MPa破壞面位置1≥5.90≥3.05鋪裝層上層內(nèi)部2≥6.01≥3.12≥3.08≥2.75鋪裝層上層內(nèi)部3≥5.93≥3.06鋪裝層上層內(nèi)部

由表8可見(jiàn)，復(fù)合梁試件的粘結(jié)強(qiáng)度滿(mǎn)足技術(shù)要求，并且破壞面均未出現(xiàn)在粘結(jié)層上，表明鋪裝層與鋼板及鋪裝層層間均具有良好的粘結(jié)性能，該鋪裝復(fù)合結(jié)構(gòu)的界面安全性良好。

3.2.2剪切試驗(yàn)

選擇實(shí)際橋面鋼板，經(jīng)噴砂除銹、防銹涂裝處理后，按“防水粘結(jié)層→鋪裝下層→粘結(jié)層→鋪裝上層”的順序制作該鋪裝復(fù)合結(jié)構(gòu)的剪切試塊，進(jìn)行剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為60 ℃，試驗(yàn)加載速度為50 mm/min，試件受力面與加載方向取成45°夾角。60 ℃剪切試驗(yàn)破壞面位置在鋪裝上、下層之間的粘結(jié)面,試驗(yàn)結(jié)果1為0.78 MPa,結(jié)果2為0.81 MPa,結(jié)果3為0.91 MPa,其平均值為0.83 MPa,而課題組根據(jù)科研成果和工程經(jīng)驗(yàn)確定的要求是大于或等于0.6。

3.3 疲勞性能驗(yàn)證

常見(jiàn)的鋼橋面鋪裝疲勞性能測(cè)試試驗(yàn)分為五點(diǎn)式疲勞測(cè)試及三點(diǎn)式疲勞測(cè)試兩種，其中五點(diǎn)式疲勞試驗(yàn)的最終破壞形態(tài)常表現(xiàn)為粘層脫落，而三點(diǎn)式疲勞試驗(yàn)的最終破壞形態(tài)常表現(xiàn)為鋪裝層開(kāi)裂[11]，由于EA+SMA體系鋪裝結(jié)構(gòu)的典型病害為疲勞開(kāi)裂，故文本采用疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證鋼橋面-鋪裝復(fù)合結(jié)構(gòu)的疲勞性能，以疲勞壽命為驗(yàn)證指標(biāo)。

選擇實(shí)際橋面鋼板，經(jīng)噴砂除銹、防銹涂裝處理后，按“防水粘結(jié)層→鋪裝下層→粘結(jié)層→鋪裝上層”的順序制作該鋪裝結(jié)構(gòu)的復(fù)合梁試件。疲勞試驗(yàn)在MTS 810材料試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，試驗(yàn)荷載取7 kN(對(duì)應(yīng)軸重140 kN)，試驗(yàn)頻率為10 Hz，試驗(yàn)溫度為70 ℃。疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 鋪裝復(fù)合結(jié)構(gòu)疲勞性能驗(yàn)證結(jié)果Table8 Fatigueperformanceverificationresultsofpavementcompositestructure鋪裝結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法疲勞壽命/萬(wàn)次規(guī)范要求/萬(wàn)次備注EA10+SMA13三點(diǎn)加載疲勞試驗(yàn)1320≥1000上面層開(kāi)裂五點(diǎn)加載疲勞試驗(yàn)137≥100防水粘結(jié)層破壞

由表8可知，復(fù)合梁試件在70 ℃時(shí)的疲勞壽命滿(mǎn)足技術(shù)要求，該鋪裝復(fù)合結(jié)構(gòu)的疲勞性能良好。

3.4 鋼橋面-鋪裝復(fù)合結(jié)構(gòu)剛度驗(yàn)證

本研究采用理論計(jì)算法計(jì)算鋼橋面-鋪裝復(fù)合結(jié)構(gòu)的剛度，參照日本《道路橋示方書(shū)》中的規(guī)定[12]，以最小曲率半徑R與肋間相對(duì)撓度Δ作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。R與Δ按式(1)～式(3)進(jìn)行。

(1)

Δ=KΔ×Δ0

(2)

(3)

式(1)～式(3)中各符號(hào)的物理意義及取值如表9所示。

表9 復(fù)合結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算公式中各符號(hào)的物理意義及取值表Table9 Physicalmeaningandvaluetableofeachsymbolinstiffnesscalculationformulaofcompositestructure項(xiàng)目參數(shù)備注鋼橋面板210000 彈性模量Ei/MPaEA15000 SMA1400 鋼橋面板14 結(jié)構(gòu)層厚度hi/mmEA30 SMA40 縱向加勁肋間距b/mm250 驗(yàn)算荷載的接地壓強(qiáng)P/MPa0.81理論計(jì)算的荷載折減系數(shù)kt0.5 動(dòng)載系數(shù)kμ1.3 驗(yàn)算荷載單輪橫向接地寬度p/mm200 曲率半徑布載差異修正系數(shù)KR1.25與鋼橋面板的幾何尺寸有關(guān)撓度布載差異修正系數(shù)KΔ0.98

九江長(zhǎng)江大橋公路橋鋼橋面-鋪裝復(fù)合體系的剛度計(jì)算結(jié)果及技術(shù)要求如表10所示。

表10 九江長(zhǎng)江大橋公路橋鋼橋面-鋪裝復(fù)合體系的剛度計(jì)算結(jié)果Table10 StiffnesscalculationresultsofsteeldeckpavementcompositesystemofJiujiangYangtzeRiverBridge項(xiàng)目?jī)?nèi)容最小曲率半徑R/m肋間相對(duì)撓度Δ計(jì)算結(jié)果51.320.046技術(shù)要求>20<0.4

由表10可知，九江長(zhǎng)江大橋公路橋鋼橋面-鋪裝復(fù)合體系的剛度滿(mǎn)足要求，可以進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

a.EA各方面性能均比較優(yōu)異，但表面抗滑性能一般；改性SMA表面抗滑性能優(yōu)異，可以用于鋼橋面鋪裝上層，且一般采用改性SMA或適當(dāng)添加抗車(chē)轍劑，以提高其高溫穩(wěn)定性；GA的密水性、水穩(wěn)定性，抗滑性能一般，可用于鋪裝下層。

b.相較于“雙層EA”、“下層GA+上層改性SMA” 鋪裝結(jié)構(gòu)，“下層EA+上層改性SMA”鋪裝結(jié)構(gòu)在界面安全性、變形協(xié)調(diào)性能、抗疲勞性能、維養(yǎng)便捷性以及抗滑性能均表現(xiàn)優(yōu)異。

c.“下層EA+上層SMA”鋪裝結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定性、層間粘結(jié)性、疲勞性能、鋪裝復(fù)合結(jié)構(gòu)剛度均滿(mǎn)足九江長(zhǎng)江大橋公路橋鋼橋面鋪裝的要求。