1、大跨徑鋼箱梁橋面鋪裝病害成因分析及防治措施（廣東汕揭高速公路發展有限公司 廣東 揭陽 515556） 【摘 要】本文針對國內外幾種典型的鋼箱梁橋面鋪裝中出現的大量問題，通過調研、理論分析、數值模擬等手段對各種鋪裝結構的破壞類型及破壞成因進行了分析；同時，從橋面鋪裝設計、施工、運營等方面考慮得出減少鋼橋面鋪裝產生病害的防治措施。 【關鍵詞】橋面鋪裝；理論分析；數值模擬；破壞類型；鋪裝病害 The analysis of disease causes and prevention oflarge span steel box girder bridge deck Yao Wen-bin (Guan

2、gdong shan-jie highway Co，Ltd Guangdong Guangzhou 515556) 【Abstract】 In this paper, aim some problems which happened on several typical domestic and foreign steel box girder bridge deck， by research, theoretical analysis, numerical simulation and several means，analysis various pavement types and dam

3、age causes; at the same time, know prevention measure how to reduce the steel bridge deck disease from design, construction,operation aspects. 【Key words】Bridge deck pavement;Theoretical analysis;Numerical simulation;Damage type pavement disease 1. 引言 正交異性鋼箱梁橋面板具有構件質量輕、運輸和架設方便、施工周期短等特點，因此，大跨徑的懸索橋、斜拉

4、橋幾乎都采用正交異性鋼箱梁板面板和瀝青混合料鋪裝體系作為橋面系。隨著我國國民經濟的快速發展，已經建設了一些大跨徑的鋼箱梁懸索橋或斜拉橋，以虎門大橋、江陰長江大橋為代表的大跨徑鋼箱梁橋越來越受到青睬。橋面鋪裝作為直接的承重層也受到相當高的重視，橋面鋪裝直接鋪設在正交異性鋼板上, 在行車荷載、風載、溫度變化及鋼橋面局部變形等因素影響下, 其受力和變形遠較公路路面或機場道面復雜. 橋面鋪裝層直接承受荷載、 梁體變形和環境因素的作用, 其變形和應力特征與主梁及橋面結構形式密切相關,一方面可分散荷載,參與橋面板的受力;另一方面起聯合各主梁共同受力的作用,它既是橋面保護層又是橋面結構的共同受力層, 所以要

5、求其具有足夠的強度和良好的整體性,并且具有足夠的抗裂性能、 抗疲勞性能、 抗車轍性能、 抗剪切性能以及變形協調性能。我國已投入使用的大跨徑鋼橋中除少數橋梁橋面鋪裝的運營狀況良好以外,大部分橋梁的橋面鋪裝都出現了車轍、 開裂等病害,個別橋梁甚至進行了多次大修。橋梁的使用性能和使用壽命與橋面鋪裝的好壞關系密切, 做好橋面鋪裝并保證其良好的使用性能,就必須總結已有鋪裝結構出現的問題,分析其破壞的原因并找到解決辦法，在以后的工程中加以改進.鋼橋面鋪裝就成為國內外研究的一個熱點問題。 圖1 施加0.35MPa水平力、 豎直壓力0.7MPa鋪裝變形圖（放大600倍）2. 我國鋼橋面鋪裝的主要結構形式 目前

6、， 國內外大跨徑鋼箱梁橋橋面鋪裝形成了四大鋪裝材料。它們分別是以德國、日本為代表的高溫拌和澆注式瀝青混合料（Gussasphalt） ，以英國為代表的瀝青瑪蹄脂混合料（Mastic Asphalt） ，德國和日本等國近期采用的改性瀝青 SMA （Stone Mastic Asphalt） ，和以美國為代表的環氧樹脂瀝青（Epoxy Asphalt）混合料。 這幾種鋪裝材料在國內外各大鋼橋面上都的到了較廣泛的應用。然而，在車輛荷載及溫度、降水等環境因素的反復綜合作用下， 這些鋪裝都會出現老化和破壞，導致橋面鋪裝路用性能下降，影響行車的舒適和安全性，并且，由于平整度降低，增加了車輛沖擊、振動，使主

7、梁直接受到外界環境不良因素的影響而易產生較嚴重的破壞。鋼橋面瀝青混合料鋪裝使用過程中出現的主要破壞類型可概括為兩大類：一是結構性破壞，如疲勞開裂、低溫開裂、粘結層失效或脫層等；二是功能性破壞，如車轍、推移、隆脹等。 3. 鋼橋面鋪裝受力條件分析 本文以湛江海灣大橋為例，進行鋼橋面板控制指標的分析，正交異性橋面系的橋面鋼板厚度為14mm；梯形加勁肋高度為280mm，肋開口寬度300mm，肋閉口寬度184mm，厚度6mm，兩相鄰加勁肋中心間距600mm；橫隔板間距為3200mm，厚度為12mm。車輛行駛中的驅動、制動過程對鋪裝層有水平力作用，對上、下面層分別為25mm厚，模量為2000MPa、50

8、00MPa的鋪裝層結構進行了水平作用影響分析，豎向作用力為0.7MPa，水平作用力系數分別取0、0.5，即水平力分別為0MPa、0.35MPa。（見圖1） 水平力對粘結層的剪應力見表1，表中數據反映出xy橫斷面內剪應力高于yz縱斷面內剪應力，施加0.35MPa水平力后，2000MPa、5000MPa的粘結層剪應力分別增加37%、27%。水平作用力對鋪裝層表面應變的影響數據見表2，表中數據表明水平作用力對橫向應變影響較小，只是增加了縱向的拉應變。因此橫向力作用對鋼橋面鋪裝影響最大，鋪裝層材料設計可以橫向作用力作為控制指標。 4. 我國各種典型鋼橋面鋪裝結構的破壞類型。 4.1 改性瀝青SMA混合

9、料。SMA混合料為間斷級配，粗集料多。細集料少，礦粉用量多，瀝青用量也多。我國使用改性瀝青 SMA 作為橋面鋪裝結構，是我國自行研發的解決大跨徑鋼橋面鋪裝的成套技術，在國內大跨徑鋼橋面鋪裝得到了較多的應用，1997年在虎門大橋的應用使我國對鋼橋面鋪裝研究迅速成為熱點，之后又先后在汕頭覺石大橋、廈門海滄大橋、重慶鵝公巖長江大橋、宜昌長江公路大橋、武漢軍山大橋及上海盧浦大橋得到應用。 從改性瀝青 SMA 橋面鋪裝層的使用情況來看，主要病害表現為開裂、推移和脫層等病害。 4.2 澆注式瀝青混凝土。 澆注式瀝青混凝土起源于德國，其特點是在較高施 工溫度 ( 2 2 0 2 5 0) 下具有較好的流動性

10、和施工和易性， 由于瀝青混合料有一定的流動性 ，只需要 用攤鋪整平機 即可完成施工 ( 不需碾壓) ，并能達到規定 的密實度和 平整度 ；同時，澆注式瀝青混凝土變 形能力強， 整體性優良，具有優良的抗低溫開裂與抗疲 勞開裂性能。由于澆注式瀝青混凝 土這種特 殊的性能 ，近年來在大中型橋梁、 特別是在鋼橋橋面鋪裝 中的得到較多的 應用，如江陰長江大橋、山東勝利黃河大橋、安慶長江大 橋，重慶菜園壩長江大橋，重慶朝天門長江大橋，貴州北盤江大橋等。澆注式鋼橋面鋪裝病害主要包括裂縫、車轍、層間滑移和推擠, 其中裂縫主要是疲勞裂縫，裂縫包括橫向開裂、 縱向開裂以及這兩種裂縫的組合,裂縫位于行車道兩側輪跡帶

11、的 U 型肋肋頂與橫隔板上方的鋪裝中。 圖2 雙層SMA 結構示意圖 圖3 澆注式瀝青混凝土產生的破壞 4.3 環氧瀝青混凝土。環氧瀝青混合料是一種熱固性混合料，與普通瀝青混合料不同,環氧瀝青混合料的性能受成型時溫度、 時間等因素變化的影響很大, 對施工質量控制體系的要求相當高,并且在攤鋪后必須保證有足夠長的養護期以確保環氧瀝青混合料能夠基本完成固化。環氧瀝青混合料, 其路用性能比普通瀝青混合料優異得多,是一種超使用效果較好的鋪裝材料。我國已在南京二橋、潤揚大橋等特大型鋼橋面鋪裝采用了環氧瀝青混凝土鋪裝，從使用的效果來看出現了一定程度的損壞,損壞類型以縱向裂縫為主, 也有脫層、推移等病害。環氧

12、瀝青混合料一些病害并非出現在受力不利的位置,其早期損壞絕大部分是由施工的因素的影響。 圖4 環氧瀝青混凝土產生的破壞 5. 病害原因的分析。 5.1 裂縫。 5.1.1 因鋪裝材料耐疲勞性能不足產生疲勞開裂。疲勞開裂是鋼橋面瀝青混合料鋪裝的主要破壞類型，是鋪裝層在正常使用情況下， 由行車荷載和溫度變化的多次反復作用引起的鋪裝層的開裂破壞。 由于工作環境和受力模式的不同， 鋼橋面鋪裝層疲勞開裂的破壞形式、破壞位置與瀝青路面結構層完全不同，鋼橋面瀝青混合料鋪裝層由正交異性鋼橋面板支撐， 在車輛荷載作用下， 正交異性鋼橋面板的變形導致縱向加勁肋、橫隔板（或橫向加勁肋） 、縱隔板、主梁腹板等加勁部件與

13、鋼橋面板焊接處成為高應力區， 這些位置處的鋪裝層表面是拉應力或負彎矩區。因此，疲勞開裂首先出現在鋪裝層表面，然后逐漸向底面發展。在縱向加勁肋、縱隔板、主梁腹板頂部的橋面鋪裝層表面會出現縱向裂縫， 在橫隔板 （或橫向加勁肋）頂部的橋面鋪裝層表面會出現橫向裂縫， 在橫隔板與加勁肋交匯處，鋪裝層表面易出現網裂。 5.1.2 因橋梁結構特別是橋面系結構剛度不足（例如橋面板太薄、縱橫向加勁間距過大等） 引起鋪裝表面拉應變過大，使其產生拉應力，同疲勞開裂一樣，開裂首先出現在鋪裝層表面，然后逐漸向底面發展。 5.1.3 汽車荷載過重（例如嚴重超載）等引起鋪裝表面拉應變過大，從而造成縱向裂縫的產生。 5.2

14、車轍。主要是由于鋼橋面鋪裝層在高溫季節或長時間承受車輛荷載作用下，鋪裝層瀝青混合料的抗永久變形能力不足引起的。 5.2.1 在高溫季節，在汽車反復荷載作用下， 因混合料蠕變形成永久變形積累。 5.2.2 地區溫度過高，長年高溫季節過長及封閉式箱梁內部溫度較高等引起粘結層和鋪裝層溫度過高。特別是粘結層的溫度升高會使其強度大幅度下降， 抗剪切能力不足，在重載作用下，輪跡下面的鋪裝層會出現沉陷及其側向隆起現象，長期累積形成車轍。 5.2.3 汽車荷載過重（超載），使混合料的抗剪切性能無法滿足車輛所施加荷載壓力，從而使混合料內部發生剪切破壞，造成車轍現象。 5.3 脫層及推移。由于鋼橋面板與鋪裝層之間

15、要加鋪粘結防水層層，所以，脫層是鋼橋面鋪裝特有的一種破壞類型， 也是鋼橋面瀝青混合料鋪裝的又一類主要破壞類型。 脫層形成之后鋼板與鋪裝層共同作用的效果基本喪失， 在行車荷載作用下脫層會慢慢擴展或形成推移。 推移是瀝青混凝土的塑性流動變形產生的， 鋼橋面鋪裝層與鋼板間存在較大的剪應力，當鋪裝層與鋼板之間結合界面的粘結力差、 抗水平剪切能力較弱時， 在水平方向便產生相對位移直至粘結層失效或脫層。 另外鋼板表面不平整及橋面系結構剛度較低（同時鋪裝與鋼板間結合強度不足） ，在行車振動荷載下引起脫層，進而產生推移及斜向開裂。 5.4 坑槽。（1）瀝青混凝土抗水損害能力不足。 （2）材料抗水損害能力不足。

16、 （3）瀝青混凝土空隙率較大。 6. 病害防治措施 針對我國鋼橋面鋪裝層主要破壞現象和原因,為了減少鋼橋面鋪裝病害,延長鋼橋面使用壽命,降低維修成本,我們需要從設計、 施工和使用過程這幾個方面做出努力。 6.1 設計過程中。目前,國內國際上鋼橋面鋪裝尚沒有完善的設計方法，鋼橋面鋪裝受力條件較一般路面遠為復雜和惡劣, 特別是對正交異性板來說, 由于 U型加勁肋、 縱橫隔板和頂板的厚度變化等原因,使得鋼橋面鋪裝層的受力分析計算變得異常復雜。不同使用條件下、 不同橋型的鋼箱梁橋面使用的橋面鋪裝類型也不同, 需要經過調研同等條件的橋梁各種鋪裝類型的使用情況, 然后經過理論計算和室內試驗找出適合的鋪裝類

17、型。 6.2 施工過程中。橋面鋪裝施工工藝包括橋面處理、 防水粘結層施工、 鋪裝層混合料備料、 拌和、 攤鋪、 運輸、 碾壓等各環節。施工質量控制的好壞對鋼橋面鋪裝特別是環氧瀝青鋪裝層的使用性能有很大影響。如何確保鋪裝層在投入使用后的優異性能,除正確的設計與選材之外, 其中最重要的一點就是如何保證鋪裝層施工中不出現由于質量隱患而引起的鋪裝層早期損壞。橋面鋪裝設計單位在鋪裝方案確定以后,需要建立標準的施工操作工藝,細化施工各環節的注意事項。 6.3 使用過程中。通過以上的分析可知,重載影響是鋼橋面鋪裝病害產生的一個重要方面。鋼橋面使用過程中預防病害的主要方面是控制重載超載車輛的通行。 7. 結束語 當前，我國眾多大跨徑橋梁均采用鋼箱梁結構，橋梁的使用性能和使用壽命與橋面鋪裝的好壞關系密切。本文總結了當今國內外鋼橋面鋪裝的病害情況， 并分析了產生的原因，通過歸納和總結, 認為我國鋼橋面鋪裝的主要病害類型有粘結層破壞、 開裂、 脫層或者剝落、 車轍。產生這些病害的原因主要是粘結層抗剪切能力不足,鋪筑在正交異性鋼橋面板上的瀝青混合料抗疲勞性能不足, 施工過程中細節問題及重載超載的影響等