跨海大橋鋼橋面鋪裝耐久性能研究

曹啟新

（健研檢測集團有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

跨海大橋是當今世界上最為重要和具有挑戰(zhàn)性的基礎建設項目之一，其建設對于促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、加強行業(yè)競爭力和提升社會福利水平等方面有著重要的推動作用。鋼箱梁憑借美觀、自重輕、跨度大、強度高、裝配性強、加固便捷等優(yōu)勢，是建設跨海大橋的常用構件，鋼橋面鋪裝品質直接影響到橋面的使用壽命、安全性能和經(jīng)濟效益。因此，對跨海大橋鋼橋面鋪裝的耐久性能進行深入研究，有著十分重要的現(xiàn)實意義和科學價值。

1 鋼橋面鋪裝力學分析方法

1.1 整體力學分析方法

鋼橋面鋪裝的應力分析是指在不同荷載作用下，對鋼橋在不同位置和不同時間點的應力分布進行分析，并確定橋梁在不同荷載情況下所承受的最大彎矩[1]。根據(jù)整橋計算結果，分別建立墩頂處和跨中鋼箱梁局部模型并進行有限元分析。整體力學分析結果：墩頂處鋼橋面鋪裝層在整橋最不利荷載作用下產(chǎn)生的縱向拉應變大，而橫向拉應變非常小，此外，在荷載作用下，鋼橋會發(fā)生一定變形，而補強措施和剛度調整可以有效降低變形量[2]。

1.2 局部力學分析方法

本文采用了與整體力學分析階段相似的方法來進行跨海大橋鋼橋面鋪裝的局部力學分析。鋼箱梁局部模型跟整體力學分析階段的有限元模型如圖1、2所示[2]。

圖2 跨中局部鋼箱梁有限元模型

1.3 細部力學分析

當車輛剎車時，橋面鋪裝將承受較大的水平荷載和橫向荷載，因此橋面鋪裝的抗久性能直接影響到大橋整體結構安全。在細部力學分析中，需要對每個細節(jié)部分建立特定的數(shù)學模型，并進行有限元分析[3]。本文選擇水平荷載系數(shù)為0.5，標準垂直荷載的作用集度為0.707MPa，則水平荷載的集度為0.354MPa，計算所得的最大應力應變結果如表1 所示。

2 關鍵使用參數(shù)對鋪裝耐久性的影響分析

2.1 鋼箱梁頂板厚度對鋪裝受力的影響

鋼箱梁頂板厚度對鋪裝受力有著重要影響。當鋼箱梁頂板厚度較薄時，受荷載后頂板所承受的應力會更大，從而造成板面裂縫、滑移等問題[3]。當鋼箱梁頂板厚度增加時，能夠減緩鋪裝層的受力狀況[4]。鋼箱梁頂板厚度對鋪裝層受力的影響見表2。

表2 鋼箱梁頂板厚度變化對鋪裝受力的影響

2.2 重載對鋪裝受力的影響

重載會對鋪裝受力產(chǎn)生顯著的影響。本文對超載問題進行了分析，分析依據(jù)為：標準胎壓0.707MPa，通過增加胎壓集度到標準胎壓的1.5 倍和2 倍，模擬在重載下的橋面鋪裝力學響應，具體結果見表3。

2.3 鋪裝層模量對鋪裝層受力的影響

彈性模量是描述材料抵抗彈性變形能力的物理量，它越大，代表該材料的剛度越高，能夠承受更大的荷載而不會產(chǎn)生過大的位移[4]。本文通過改變鋪裝層材料的模量，計算鋪裝層內(nèi)的剪應力/拉應變的變化，分析結果如表4 所示。

表4 鋪裝層模量對鋪裝受力的影響

2.4 鋪裝方案及質量控制要點

在跨海大橋鋼橋面鋪裝的耐久性能研究中，鋼箱梁頂板厚度、重載和鋪裝層模量是三個主要影響鋪裝層受力情況的因素，這些因素之間的交互作用和單獨的影響程度是非常重要的。對鋪裝層的受力影響而言，鋼箱梁頂板厚度和重載的影響較大，而鋪裝層模量的影響相對較小。因此，在跨海大橋鋼橋面鋪裝的設計和施工中，需要根據(jù)不同橋梁的特點和使用環(huán)境，要綜合考慮這三種因素的影響，以確定最優(yōu)的鋪裝層設計方案。

鋪裝方案的選擇及現(xiàn)場的施工質量對把控鋪裝層的耐久性也是至關重要的一方面，不同鋪裝方案直接表現(xiàn)出不同的工作性能、不同的路面行駛質感，甚至影響路面的使用壽命。鋪裝方案的選擇應根據(jù)橋梁的結構特點、交通荷載、環(huán)境氣候、施工條件、恒載限制等因素，結合鋼橋面鋪裝的設計和使用經(jīng)驗，初步擬定鋼橋面鋪裝組合結構的厚度及材料類型；根據(jù)初擬方案，設計材料和混合料并進行相關性能試驗，測試鋪裝結構層材料的力學參數(shù)、高溫穩(wěn)定性能、界面聯(lián)結性能、復合梁疲勞性能試驗（常見鋪裝組合方案見表5）。相較于半剛性基層路面施工，鋼橋面鋪裝層尤其要注重鋼結構的防腐層、防水黏結層及保護層的施工，施工前應做好相應組織及資源配置，建立質量管理體系及控制措施，施工過程中注重鋼梁表面的噴砂除銹，表面清理的質量直接影響到處理后的鋼板表面質量，對基面與涂層之間的結合力有至關重要的影響。磨耗層與高溫穩(wěn)定性和路面行駛質感有更緊密的關系，對重載車較多、縱坡較大或公交車站區(qū)域等路段，宜提高動穩(wěn)定度要求。

表5 常見鋪裝結構層組合方案

3 鋼橋面鋪裝疲勞耐久性研究

3.1 試件成型

試件成型是橋梁鋪裝工程設計過程中的關鍵環(huán)節(jié)之一，其主要目的在于檢驗和評價結構性能是否符合規(guī)范要求。試件成型過程中應保證鋪裝的密度達到設計要求，該試驗采用16mm 厚復合件鋼板，具體如圖3 所示。

圖3 復合件鋼板

3.2 試件保溫

試件在橋面與鋪裝層之間的預應力釋放溫度一般為0，其主要原因是材料內(nèi)部存在大量氣泡，這些氣泡對鋼橋結構會產(chǎn)生較大影響，同時也會使混凝土開裂，因此橋梁施工中要充分考慮到外部環(huán)境因素[5]。將帶鋼板復合件置于試驗溫度保溫箱中至少6h(空氣浴)，以保證試件內(nèi)外部的溫度一致。

3.3 加載試驗

試驗采用恒安計算機程序控制，利用軟件計算，試驗結果與實際橋面鋪裝過程一致。橋梁結構試件在現(xiàn)場通過加載后進行應力、應變測量及相應處理。試驗的接觸壓力取最大荷載的1/10。

3.4 數(shù)據(jù)采集

在試驗開始時，試驗設備應記錄試驗的作用次數(shù)、試件的豎向撓曲變形以及荷載作用過程中試件的動撓度曲線。表6 為環(huán)氧瀝青鋪裝組合結構疲勞試驗結果。

表6 環(huán)氧瀝青鋪裝組合結構疲勞試驗結果

從表6 的試驗結果可以看出，大橋鋪裝橋面出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象主要是由于結構的承載能力不足，在施工過程中，需要對預應力T 梁進行合理抗剪，以保證橋梁的整體質量。

4 結語

本文圍繞跨海大橋鋼橋面鋪裝的耐久性能展開了深入研究。通過力學分析方法以及疲勞性能試驗，對鋼橋面鋪裝受力機理和關鍵使用參數(shù)的影響進行詳細探討，并得出一系列相關結論。首先，在鋼橋面鋪裝力學分析方法方面，提出整體、局部和細部的力學分析方法，為研究橋面鋪裝提供具體的分析框架。其次，對關鍵使用參數(shù)的影響進行分析。研究發(fā)現(xiàn)，鋼箱梁頂板厚度、重載和鋪裝層模量都對鋪裝受力產(chǎn)生顯著影響。最后，在鋼橋面鋪裝疲勞耐久性研究方面，進行了組合結構疲勞性能試驗，并進行了數(shù)據(jù)采集和分析。通過這些試驗，更深入地了解鋪裝在長期疲勞荷載下的行為，并為實際工程提供了重要的參考和指導。

未來，進一步的研究可以著重在以下幾個方面展開。首先，可以深入探索其他關鍵使用參數(shù)對鋪裝耐久性能的影響，擴大樣本范圍和研究方法，以更全面地理解鋪裝行為。其次，可以探索新的鋪裝材料和工藝，提高鋪裝的抗疲勞性能和耐久性。此外，還可以進一步優(yōu)化鋪裝方案，并開展長期實際工程跟蹤觀測，驗證研究成果的實用性和可行性?？傊?，通過本文的研究，對跨海大橋鋼橋面鋪裝的耐久性能有了更深入的認識。未來的研究將進一步推動和完善橋面鋪裝技術，為跨海大橋的建設和維護提供更加可靠和可持續(xù)的解決方案。