（道路与铁道工程专业论文）润扬大桥钢桥面铺装结构试验研究.pdf

摘要 本文采用理论分析、现场调查与试验研究相结合的方法，开展润扬大桥钢桥面浇 注式铺装结构设计与沥青混合料试验研究。论文的第一部分调查整理了浇注式沥青混 合料作为钢桥面铺装的研究成果。论文的第二部分实地调查了我国部分大跨径钢箱梁 桥桥面铺装的状况，并分析整理了我国大跨径钢箱梁桥面铺装早期破坏的原因，认为 材料及结构选用不当、使用条件苛刻、车辆超载及大交通等是导致铺装早期破坏的主 要原因。论文的第三部分运用三维有限元方法分析了润扬大挢南汉桥正交异性钢桥面 铺装体系的受力状况与不利荷位，并以铺装上下层材料的模量及各层厚度为设计变量 进行了优化设计，找出了最佳结构组合。论文的第四部分介绍了浇注式沥青混合料配 合比设计结果，并采用对比分析的方法，对浇注式沥青混合料的施工和易性、高低温 性能、抗变形能力及疲劳特性等进行了研究，提出了适合于室内试验研究的浇注式沥 青混合料配合比设计方案。论文的第五部分，参考国内外已有的钢桥面铺装结构组合 及第三部分的优化设计结果，对五种复合结构进行比较研究，提出了适合于润扬大桥 钢桥面的铺装材料与结构组合。 关键词：润扬大桥 正交异性钢桥面板 桥面铺装 浇注式沥青混凝土 铺装结构 a b s t r a c t b a s e do nm e c h a n i c a la n a l y s i s ，f i e l di n v e s t i g a t i o na n dl a b o r a t o r ye x p e r i m e n ta n d r e s e a r c h , d e c kp l a t ep a v e m e n ts t r u c t u r ed e s i g nw i t hg u s sa s p h a l tm i x t u r ea n dt e s tr e s e a r c h f o ro r t h o t r o p i cs t e e ld e c ko fr u n y a n gy a n g t z ir i v e rb r i d g eh a v eb e e ni m p l e m e n t e d f i r s t ， t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fg n s sa s p h a l ta r er e v i e w e d t h e n , t h es u r f a c i n gc o n d i t i o n s o fs o m el o n g s p a n n e ds t e e lb o xg i r d e rb r i d g e s d e c ka r es u r v e y e da n da n a l y z e d i m p r o p e r m a t e r i a l sa n dp a v e m e n ts t r u c t u r e s ，s e v e r ec o n d i t i o n s ，o v e r l o a da n dh e a v yt r a f f i ca r e d e e m e dt ob et h em a i nf a c t o r sw h i c hr e s u l tt oe a r l yd e t e r i o r a t i o no ft h eo v e r l a y i nt h e t l l i r dp a r to ft h ep a p e r , 3 - df i n i t ee l e m e n tm e t h o di sa p p l i e dt oa n a l y z et h em e c h a n i c a l c h a r a c t e ra n dc r i t i c a l1 0 a dl o c a t i o n so fo r t h o t r o p i cs t e e ld e c ka n di t sa s p h a l to v e r l a y o p t i m u md e s i g n , i n c l u d i n gf o u rd e s i g np a r a m e t e r s m o d u l u sa n dl a y e rh e i g h to fb o m u p p e ra n dl o w e ro v e r l a y , i sa c c o m p l i s h e dw i t hf a s tg r a d i e n tm e t h o d s t h en e x tp a r t d i s c u s s e sm i x t u r ed e s i g no fg u s sa s p h a l ta n di t sp r o p e r t i e sa b o u tw o r ka b i l i t y , h i g h t e m p e r a t u r ea n dl o wt e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e ，a n df a t i g u ep e r f o r m a n c e p r o g r a m m eo f g u s sa s p h a l tm i x t u r ed e s i g nh a sb e e np r o p o s e d i nt h el a s tp a r to f t h i sp a p e r , f i v ep a v e m e n t s t r u c t u r e sf o rs t e e ld e c kp l a t es u r f a c i n gh a v eb e e nt e s t e d t h em o s ts u i t a b l ea s p h a l t s u r f a c i n gm a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e sh a v eb e e np r o p o s e df o rr u n y a n gy a n g t z ir i v e rb r i d g e s o r t h o t r o p i cs t e e ld e c k k e y w o r d ：r u n y a n gy a n g t z ir i v e rb r i d g e o r t h o t r o p i cs t e e ld e c k o v e r l a yf o rb r i d g ed e c k g u s sa s p h a l t p a v e m e n ts t r u c t u r e 东南大学硕士学位论文 图目录 图目录 图1 1典型的正交异性钢桥面板l 图1 2 长浦地试验桥铺装结构示意图4 图2 1 铺装表面单根横向裂缝- 9 图2 2 铺装表面单根纵向裂缝。l o 图2 ，3 铺装表面纵向裂缝与横向裂缝同时出现1 0 图2 4 铺装表面纵向裂缝与横向裂缝成对出现- 1 0 幽2 5 厦门海沧桥铺装表面开缝的情形1 0 图2 - 6 补后再次开裂( 横向开裂) 一1 1 图2 7 补后再次开裂( 纵向开裂) 。l l 图2 8 钢桥面s m a 铺装车辙病害1 2 图2 - 9 钢桥面浇注式铺装车辙病害1 2 图2 1 0 钢桥面铺装的推移破坏1 3 幽2 1 l铣刨后显示铺装脱层的病害- 1 3 图2 1 2 车道标志线扭曲1 3 图2 1 3 双轮荷载作用下铺装表面横向拉应力分布图( 荷载中心) - 1 6 图2 1 4 双轮荷载作用下铺装表面拉应力分布图( 横隔板顶) 1 6 图2 15 分车型胎压统计表一l7 图2 1 6 江阴大桥下行方向慢车道车速调查结果1 8 图2 1 7l o 吨以f 汽车的累计月交通量1 8 图2 - 1 81 0 吨上以汽车的累计月交通量1 8 图3 1 润扬大桥正交异性钢桥面铺装计算模型”2 1 图3 - 2 网格化后的正交异性钢桥面铺装模型- 2 2 图3 3p c a 用于刚性路面设计的荷载接触面积- 2 2 图3 4 胎印2 3 图3 5 三种荷载形式布置的前视图- 2 4 图3 - 6三种荷载形式布置的侧视图- r2 5 图3 - 7 双轮荷载作片j 下不同截面的铺装表面横向拉应力分布图2 6 图3 - 8 双轮荷载作用下不同截面的铺装表面纵向拉应力分布图- 2 6 图3 - 9 纵向数据采集点在横断面上和分布示意图一2 7 图3 1 0 横向数据采集点在纵断面上和分布示意图- - ，- 2 8 图3 1 l双轮组作用f 铺装表面挠度沿x 方向的分布图2 8 图3 1 2 双轮组荷载的轮组中心与轮隙中心处铺装表面的挠度图2 8 图3 1 35 1 2 跨铺装表面三向应变分布图2 9 图3 1 42 1 2 跨处铺装表面三向应变分布图- - 2 9 图3 1 5 轮隙中心处铺装三向应变沿纵向的分布图2 9 图3 - 1 6 轮组中心处铺装三向应变沿纵向的分布图- 3 0 阔3 1 7 横向荷位布置图3 1 图3 1 8 纵向荷位布置图3 l 图3 1 9 不同荷位时铺装表面的最大竖向挠度3 l 图3 - 2 0 不同荷位铺装表面最大横向拉应力与纵向拉应力- 3 2 图3 2 1 不同荷位时铺装表面最大横向拉应变3 2 图3 2 2 不同荷位时铺装表面最大纵向拉应变- 3 3 f v 东南大学硕士学位论文 图目录 图3 2 3 图4 1 图4 - 2 图4 - 3 图“ 图4 5 图4 - 6 图4 7 图4 8 图4 - 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 圈4 1 6 图5 1 图5 2 图5 - 3 图5 4 图5 5 i 兰| 5 - 6 图5 7 图5 8 图5 母 图5 1 0 圈5 1 l 不同荷位时铺装与钢板之间x z 向最大剪应变一 浇注式沥青混合料配合比设计工作流程 不同t l a 掺量的混合沥青针入度与软化点曲线” 刘埃尔流动度仪器构造示意图 刘埃尔流动度试验 不同温度与沥青用量时混合料的流动度” 不同沥青用量二种温度下的贯入量 不同温度下浇注式沥青混合料劈裂试验曲线一 实测浇注式沥青混合料与s m a 车辙试验曲线 浇注式沥青混合料的动稳定度试验曲线一 浇注式沥青混合料与s m a 低温极限弯曲试验曲线 3 3 4 0 4 7 4 7 4 8 ”5 l 浇注式沥青混合料线收缩试验示意图5 2 劈裂疲劳试验荷载变形曲线5 4 浇注式沥青混合料疲劳试验实测滞回曲线 部分试件的实测竖向变形与荷载作用次数关系图5 4 相位角与荷载作用次数的关系 g u s s 与s m a 疲劳试验曲线 - - - 5 5 一5 5 德国复合粱平面尺寸与加载方式6 l 丹麦复合梁疲劳测试系统示意图 德国及丹麦复合梁试验模型的力学比较 6 l 6 2 新版德国钢桥面铺装技术规范的修正复合粱试验模型 美国复合梁试验模型” 南京长江第二大桥复合梁试验模型一 部分复合梁静载试验实测荷载与拉应变关系图 单层铺装结构厚度与模量对单层铺装复合梁底部拉应变的影响曲线一 铺装上层弹性模型的变化对复合梁底面拉应变的影响曲线 拉拔试验示意图6 6 不同温度时部分复合梁动挠度随疲劳作用次数的变化关系 v 配配甜甜 东南大学硕士学位论文 表目录 表1 1 表i 2 表l - 3 表1 4 表1 - 5 表2 1 表2 2 表2 - 3 表3 一l 表3 - 2 表3 - 3 表3 - 4 表3 5 表3 - 6 表3 7 表3 - 8 表3 9 表3 - 1 0 表3 1 l 表3 1 2 表4 一l 表4 2 表4 3 表4 - 4 表4 - 5 表4 - 6 表4 7 表4 - 8 表4 - 9 表4 - 1 0 表4 - l i 表4 1 2 表4 1 3 表4 - 1 4 表4 15 袭4 1 6 表4 1 7 表4 - 1 8 表5 一l 表5 - 2 表5 3 袭5 - 4 表目录 p h i l i p s 于1 9 7 3 年所调查得的欧美地区主要钢桥面铺装材料与结构 典型浇注式沥青混凝土级配表 e t 本国内钢桥面铺装的设计型式调查结果 前苏联的浇注式沥青混合级配 润扬大桥铺装使用条件一览表- 国内几座大桥铺装设计上作温度一览表 江阴长江公路大桥2 0 0 1 年4 月2 4 小时交通量统计结果 江阴桥过桥车辆轴重与轮压调查结果 三维有限元模型尺寸与物理参数 国产某轮胎不同气压时的接地面积 三种轮胎在两种负荷不同气压下的接地因数 荷载形式对照表 不同荷载形式时铺装表面最大应力应变响应 局部极值点的横向应力值与回归结果 最不利荷位全因素力学分析一 不利荷位的铺装中的最大应力应变 接触压力的变化 不同荷载状况铺装表面的最大应力 不同荷载状况铺装表面的最大应变- 润扬大桥钢桥面铺装优化设计结果 浇注式沥青混合料与其它材料对比表 日本浇注式沥青混凝土铺装沥青技术标准 浇注式沥青混凝土用结合料技术标准一 集料性能要求 矿粉的技术要求 浇注式沥青混凝土设计指标及其技术要求 s b s 改性沥青湖沥青及混合沥青的性能 备料场集料性能比较 方山玄武岩集料筛分试验结果- 矿粉性能结果 试验混合料的材料组成 三种混台料的技术性能 浇注式沥青混合料劈裂试验结果” 两种混合料6 0 车辙试验结果 不同温度时混合料的极限弯曲试验结果 浇注式沥青混合料在各降温区间的线收缩系数试验结果 部分试件相位角与荷载作用次数的回归结果 浇注式沥青混合料疲劳试验结果 铺装结构试验方案“ 钢桥面铺装结构技术标准 各铺装方案的车辙试验结果 各方案1 5 低温极限弯曲试验结果 v 1 2 l d 1 5 - 1 5 1 7 2 i - 2 3 2 3 - 2 4 t 2 5 一2 7 3 0 - t t 一r - 3 4 - - 3 4 - 3 5 3 5 - 3 7 - 3 9 4 l 4 l 4 2 - 4 2 - - - - 4 3 - 4 3 - - - 4 4 t - 4 5 - - r t - - 4 5 - - 4 5 - - - 4 6 - - ，4 9 5 0 5 l 5 2 5 5 5 6 t5 8 5 8 一5 9 5 9 东南大学硕士学位论文表甘录 表5 5 表5 6 表5 - 7 表5 - 8 表5 9 表5 1 0 各材料抗弯拉模量反算结果 国内几座大桥粘结材料的枯结性能比较” 环氧沥青粘结剂2 3 拉拔试验结果- 其他粘结材料2 3 拉拔试验结果 6 4 复合粱疲劳试验结果汇总“6 s 各方案高、低温性能与疲劳寿命综合分析“ v i i 东南大学学位论文 学位论文独创性声明及使用授权的说明 一、学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名悼日期：则i o 二、关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名： 查妻查兰堡主兰竺笙兰 塑塑查堡塑堡里篁苎竺塑堕壁堕塞 第一章概述 钢桥面铺装是直接铺设在钢桥面板上，保护钢板并提供保证汽车行驶要求的路面表面特性功 能，厚度约3 5 $ o m m 的单层或般层的承重构造物，一般由防锈层、防水粘结层、沥青混凝土铺 装层等构成。髓着国内外许多大跨径钢箱粱挢的建设与投入使用，钢桥面铺装技术已作为大跨径 钢桥的关键技术之一，受到了国内外学术界和【j 程界的高度重视。但是正交异性钢桥面铺装技术 在国内外尚未得到很好的解决，我国许多已建成的大跨径钢箱梁桥投入使用后不久，其钢桥面铺 装就发生了不同程度的破坏，有的铺装甚至在其设计使用寿命的初期就面临_ 二次大修的局面。目 前我国长江上正在建设的大跨径钢箱梁桥共有四座，均位于江苏省境内的长江流域，其中分别包 括了土跨中国第一、世界第三的悬索桥与主跨世界第一的斜拉桥，其技术难度与复杂性远超出国 内以往建设的任何同类型桥梁。因此，如何合理吸收已有的研究成果，深入分析总结钢桥面铺装 破坏的原因紧紧围绕润扬大桥的实际情况，深入研究浇注式沥青混合科的组成和性能，寻求适 合我国大跨径钢箱梁桥的桥面铺装材料与结构组合，具有重要的理论意义和很强的实用价值。 1 - 1 钢桥面铺装的特点与技术难点 现代意义的钢桥面是指在桥面板的底面用纵肋和横肋作补强的钢桥面板，主梁、横肋、纵肋 在垂直方向互相交织，形成网络状承重结构物因此与上部的钢板共同称为i e 交异性钢箱粱桥面 板。止交异性钢桥面板是一种效率很高的结构，其典型的构造如圈l - 1 所示。 图l l 典型的正交异性钢桥面板 钢桥面铺装技术研究是一项技术含量高、难度复杂的工作，主要表现为钢桥面铺装的工作环 境与使h j 条什比其他铺面更为不利。钢桥面铺装不具备类似水泥混凝土桥面及钢桁架水泥混凝土 桥面板组合式桥面的刚性底板支撑。因横向与纵向加劲肋的存在，在荷载作用下，钢桥面板局部 区域将产生负弯矩- 局部铺装层表面受弯拉出现倒置的受力模式。大跨度钢箱梁桥本身的变形、 侥移、振动都较大，在行车荷载作_ j 下，正交异性钢桥面板的局部变形非常复杂。除止常铺装层 自身温度变化的影响外，钢箱梁桥跨结构的季节性温度变化严重影响铺装层的变形而钢材的导 热系数要比其他土术材科犬得多。沥青铺筑层在极端高温与低温的不利环境f ，对大气温度的影 响更敏感。而考虑到减轻桥梁恒载与钢板防腐及防锈等问题，钢桥面铺装必须使用具有良好防水 性能的薄层结构。 由于桥梁所在地的自然环境、交通条件及桥梁构造等差别较大，铺装的l ：作条件变化也很人， 查塑查兰塑主兰焦堡奎 塑堑查堡塑堡亘塑鲞笙塑堕堕堡塞 目前尚不存在统一的铺装设计模式。但从实际工程看，不管采用何种材料与铺装方案，作为直接 影响桥面板寿命及行车安全与行车舒适性的最重要技术因素，钢桥面铺装体系都必须处理好以f 几个问题： 1 合理把握钢桥面铺装的使用条件，包括铺装的受力状态、交通量和交通组成、环境气候 条件，这是桥面铺装研究的基础和关键。由于钢桥本身在荷载、温度变化和风载作用下 变形的复杂性和正交异性桥面钢板结构的特殊性，使铺装层受力变得十分复杂。而对交 通量和交通组成及轴载的合理估计是确定铺装材料性能指标、评估铺装使用寿命的重要 依据。 2 针对钢桥面铺装的使用性能，采用合适的试验方法，选择合适的铺装材料与铺装结构， 在钢桥面铺装的高温稳定性与低温抗裂性、抗疲劳能力、耐久性与抗滑性等性能之间取 得平衡。 3 铺装层与钢板及铺装层之间的粘结性能。铺装层能否适应钢板复杂的应力应变状态，一 方面取决于铺装材料自身的强度与韧性，另一方面还取决于铺装层与钢板以及铺装上下 层间的粘结作用。 4 铺装体系的防水、排水与防腐措施。钢桥面铺装除承受行车荷载的直接作用外，还要充 当钢桥面板的保护层。水与潮湿的空气始终是危害钢桥面板的主要因素。因此必须十分 重视铺装体系的防水、排水与防腐的技术处理。 5 如何保证铺装设计被正确施工。一些铺装材料在室内试验中表现出良好的性能，但在钢 桥面板上应用时，却因施工技术不完善及施工质量控制不严等原因使桥面铺装来达到设 计指标和预定使用性能，从而导致铺装失败。因此，结合室内试验与试验段的分析结果， 正确设计施工方案和完善质量控制体系也是保证铺装成功不可缺少的一个重要环节。 1 2 国内外浇注式沥青混合料研究成果综述 润扬大桥钢桥面铺装材料试验研究于2 0 0 2 年5 月通过了由大桥指挥部组织的专家评审，初步 确定采用浇注式沥青混合料与环氧沥青混合料作为钢桥面铺装材料。作为润扬大桥钢桥面铺装技 术研究的一部分。本课题首先对国内外钢桥面浇注式沥青混合料的研究成果与应用状况进行调查。 1 2 1 英国t r r l 的研究成果 英国自2 0 世纪5 0 年代初期开始对钢桥面沥青混凝土铺装进行系统研究。1 9 5 2 年英国道路研 究试验室进行了大规模试验后得出结论认为，为减轻自重，桥面浇注式沥青混凝土铺装厚度3 8 m m 为最佳厚度。福斯桥( 1 9 6 4 年竣工) 首次采用厚3 8 r a m 的单层浇注式沥青混凝土铺装，在随后修 建的大跨径钢桥如塞文桥、h u m b e r 桥等均采用了这种结构，但结合料中湖沥青的比例有所增加。 1 9 6 3 年，英国t r r l 利用建造s e v e m 桥( r i v e rs e v e mb r i d g e ) 的机会，在重交通干道上利用原计划 用在该桥上的两段钢箱梁建造了相应的试验桥，并进行了跟踪观测与研究。在经过了为期1 0 年的 观测与研究后，t r r l 认为对英国的环境而言，钢桥面铺装材料以符合b s l 4 4 7 ：1 9 6 2 规范的浇 注式沥青混合料( m a s t i c a s p h a l t ) 为好”。1 9 8 8 年英国对b s l 4 4 7 ：1 9 6 2 进行了修订，颁布了t l a 改性沥青混合料铺装技术规范b s l 4 4 7 ：1 9 8 8 ，对m a s t i ca s p h a l t 的材料组成与相应技术指标进行 了较为详细的规定，b s l 4 4 7 ：1 9 8 8 中强调指出浇注式沥青混合料属“h ”级，适用于繁重荷载区 域。应注意的是，无论是气候条件还是交通条件，英国与我国长江中下游流域的差异均较大，因 此英国的铺装技术规范并不能为我国直接采用。 ，2 垄堕查兰堕主兰丝堡奎 塑堑查堡塑堡亘塑篓堕塑堕堕堕茎 1 2 2 欧美地区主要钢桥调查 澳大利亚的道路工程师p h i l l i p s 曾于二十世纪八十年代初期。对欧美地区的主要钢桥面铺装 编 桥名 钢板厚钢桥血铺装结构与铺装厚度m m ) 号度t r a m ) 铺装结构 铺装厚度 la u c k l a n dh a r b o r ( 新西兰l 1 i 富锌漆+ 油溶洳青粘层+ 橡胶沥青面层 3 2 2 q u e e n sw a y ( 美) 1 2 富锌漆+ 环氧沥青粘层+ 环氧沏青面层 5 0 3s a nm a t e o - h a y w a r d ( 美l 1 6同上 红铅环氧漆+ 煤沥青环氧树脂加石屑+ 乳化沥青粘 4p o r tm a r t n ( 加i “5 0 层+ 1 5 r a m 沥青砂+ 3 8 m m 沥青面层 5 m i s s i o n ( j j l ) 8同 上 富锌漆+ 煤沥青环氧树脂加石屑+ 橡胶乳化沥青粘 6 p o p l a rs t r e e t ( 美l 1 46 4 层+ 橡胶改性沥青面层 富锌漆+ b o s t i k l 2 2 5 粘层+ 3 m m 橡胶沥青+ 3 5 r a m 7s e v e r n ( 英l i l3 8 m a s t i ca s p h a l t 面层 8 w y e ( 英 l l 同上 9 f i r t ho f f o r t h ( 英l 1 2同上 铬酸锌+ s o t e x 透层+ m a s t i x 隔离层 1 0o b e r k a s s e l e r ( 德)5 4 + 6 0 m m g u s s a s p h a l t 面层 “ d u s s e l d o r f n o r t h ( 法l 1 4 o k t a 复合粘层+ 3 8 m mm a s t i ca s p h a l t 面层 3 8 i 2 m m 沥青+ g r a m 洳青玛蹄脂+ 1 9 r a mg u s s a s p h a l t + 1 2 m u l h e i m ( 德) 1 25 0 i 肋青油毡+ 2 2 m mg u s s a s p h a l t 表血压入碎石 普通沥青轴层+ 8 1 0 m m 沥青玛蹄脂+ 3 0 m m 沥青 1 3 z o o ( 德1 1 2 5 4 砼+ 3 0 r a mg u s s a s p h a l t 表面雎入碎石 6 m m 普通沥青枯层+ o 2 r a m 铝箔+ 1 9 m m 沥青玛蹄 1 4 s e v e r i n ( 德) 9 6 4 , q * + 2 8 m mg u s s a s p h a l t 表面胜入碎石 1 5c a r o n t c ( 法)1 63 m mm o b i lp l a s t 粘层+ 5 0 m mm o b i lp l a s t ，面层5 0 在p h i l i p s 所调查的各桥中，编号l 的a u c k l a n dh a r b o r ( 纽西兰桥) 因粘结材料使用不当而出 现铺装滑脱的病害、使用年限较短外大部分桥梁的铺装使用状况都较好；编号i 、6 ，8 、9 的桥 梁桥面铺装中有纵向裂缝产生，且大部分裂缝均出现在u 型肋肋顶上方的铺装中。编号3 的s a n m a t e oh a y w a r d 人桥在投入使_ 【f j 后不久也产生了脱层等病害。 1 2 3 日本的研究情况 日本对正交异性钢桥面铺装的研究始了：二十世纪5 0 年代初，而其对浇注式沥青混凝七铺装的 研究则始丁5 0 年代中期，1 9 5 6 年日本自德国引进g u s s a s p h a l t ，开始研究将其应用r 钢桥面铺装 工程中。1 9 6 1 年沥青铺装要览将浇注式沥青混合料纳入其中并公布与钢桥面铺装有关的技术 规范及准则。该规范指出，正交异性钢桥面板因横向与纵向加劲粱存在，各部分的刚度不同，因 而容易产生局部的挠曲变形；钢桥面铺装中所存在的水损害对钢板的腐蚀较人：钢挢面铺装的旌 = 范围较小，难以保证正常施r ：。因此，1 9 6 1 年舨的j _ i l 青铺装要览规定钢桥面铺装住浇注式 沥青混凝土、改性乳化橡胶泐青薄层，橡胶沥青混凝士之中比选。为减轻人跨径钢桥的恒载，公 3 查壹盔兰堡主兰焦笙窒 塑堑查竖塑堕重塑茎堕塑堕堕堕塞 元1 9 6 7 年版的沥青铺装要览中增加了环氧沥青混凝土铺装与沥青混凝土联锁块铺装( a s p h a l t b i o c kp a v e m e n t ，仅限于人行道) 等形式，同时增加了桥面铺装与钢桥面板之间的附着性、变形追 从性、抗疲劳性能等方面的技术要求，共且规定钢桥面铺装接缝处应采用特殊的处理措施。公元 1 9 7 8 年版的沥青铺装要览则考虑到大交通与重载交通的问题，增加了铺装抗变形能力的要求。 1 9 7 6 年，日本在国道1 6 号千叶县往长浦地( 木更津) 方向的公路上铺设了钢桥面铺装试验 桥长浦地试验桥”】，试验桥的铺装材料如图4 - 2 所示铺装结构均为双层式设计。长浦地试 验桥的观测期自1 9 7 7 年起，至1 9 8 3 年结束，为期6 年。观测期内试验桥的累计通过大型车辆数 高达1 2 1 0 r 辆，其中第3 工区和第4 工区的铺装在通车第二年因严重龟裂而刨除重铺，重铺后 依然再度产生严重龟裂，而第1 工区的铺装发生龟裂最小，使用效果最好【l ”。因此日本的铺装专 家认为“下层浇注式沥青混凝土、上层改性密级配沥青混凝土”的铺装结构最好，并且在随后建 设的各大桥中基本上都采用了这结构。 木更津方向 q = = = = = = = = 3 千叶方向 亡= = = = ：= = = = = i l第l 工区 第2 工区第3 工区第4 工区 i 丰一6 0 0 0 m - - - - 4 6 - - - - 6 0 0 0 m 1 卜一5 6 3 0 m 十一6 0 0 0 m 斗 i 热拌改性沥青混凝热拌改性沥青混凝热固性沥青混 热固性沥青混凝 i 土 土凝土土 l 浇注式沥青混凝土热拌改性沥青混凝热拌改性沥青 热固性沥青混凝 +j 昂) 锌q -十 m 水e 图1 2 长浦地试验桥铺装结构示意图 4 6 0 m 从1 9 7 3 年起本州四国系列联络桥公团( 简称本四公团) 开始着手正交异性钢桥面铺装的 研究。本四公团于1 9 7 7 年制订了本州四国系列联络桥桥面铺装基准( 案) ( 简称本四铺装基准) ， 并于1 9 8 2 年进行了修订，修订后的本四镝装基准即直接应用于本一四桥的钢桥面铺装中。表i - 2 即是本四桥浇注式沥青混合料的级配范围。 表1 - 2 典型浇注式沥青混凝土级配表 各筛孔( m i l l ) 的通过百分率( ) 沥青含量 级配类型 1 91 3 24 7 5 2 3 6 0 ，60 3 o 1 50 0 7 5( ) 本四联络桥 1 0 01 0 0 - 9 58 5 - 6 5 6 2 _ 4 55 0 3 54 2 - 2 8 3 4 - 2 52 7 2 07 1 0 明石海峡桥 1 0 09 8 5 l7 4 14 9 73 8 63 3 82 9 12 3 9& 3 表1 3日本国内钢桥面铺装的设计型式调查结果【”1 型式铺装下层材料( 厚度)铺装上层材料( 厚度)桥粱数( ) i 热拌沥青砼( 4 0 5 0 m m ) 热拌沥青砼( 4 0 5 0 r a m ) 8 3 ( 2 7 ) i 【 g u s s a s p h a l t ( 3 0 4 0 m m )g u s s a s p h a l t ( 3 0 4 0 r a m )7 1 ( 2 3 ) i i i g u s s a s p h a l t ( 4 0 5 0 m m ) 改性密级配沥青砼( 3 0 - - 4 0 m m ) 1 2 3 ( 4 i l 【v 单层热拌沥青混凝土( 5 0 7 0 m m ) 2 3 ( 8 ) v 单层g u s s a s p h a l t ( 5 0 7 0 r a m )3 ( 1 1 矛l&l士 东南大学硕士学位论文 润扬大桥钢桥面铺装结构试验研究 8 0 年代末期，日本对其国内3 0 0 多座钢桥桥面铺装的使用状况进行了调查。根据其调查结果， 日本的钢桥面铺装可分为五种结构型式，如表1 3 所示，其中采用般层式设计的铺装结构占全部 钢桥面铺装的9 0 ，而双层铺装结构形式中义以“下层浇注式沥青混凝土，上层改性密级配沥青 混凝土”的结构占大多数。表l 一3 中的桥梁大部为1 9 7 0 年以前建成的。二十世纪九十年代中，随 着日本首都机场高速公路上的桥梁及本四系列联络桥如名港西大桥、贺氏大桥、横滨湾大桥、多 多罗桥、明石海峡大桥等的建成，下层采用浇注式沥青混凝士，上层采用改性密级配沥青混凝土 结构的钢桥数量也更多，并且铺装总厚度逐渐降低至6 0 m m - 7 0 m m 。 1 2 4 前苏联的研究成果 前苏联由于所处的地区较为寒冷对浇注式沥青混合料也进行了大量的试验研究并应用于实 际工程中。前苏联对浇注式沥青混合料的技术要求基本与日本相同。其用针入度为2 5 - 5 5 ( 0 1 m m ， 2 5 c ) 的沥青，并且要求其0 1 2 的针入度( 2 0 0 9 ，6 0 s ) 的针入度不低于l o ( 0 i m m ) ，沥青的软 化点在5 5 , - 6 5 c 之问，在添加天然沥青方面也使用了t l a 天然湖沥青，掺配比例在2 0 - - 5 0 之间 “】。在集科的级配上，前苏联提出了两种不同的浇注式沥青混合料级配，见表1 4 t “1 。 表l 一4 前苏联的浇注式沥青混合级配 级配 通过下列各级筛孔( 方扎缔，m m 】的累计通过百分率( )沥青用量 类型1 5 l 1 0 l 5 l 3 l 1 2 5 l 0 6 3 1 0 3 1 5l0 1 410 0 7 1【) 砂粒式 il i 9 51 9 0 7 0 | 6 7 5 01 5 0 3 2b 5 2 51 2 7 2 0 1 2 3 1 8 i i 一8 0 细粒式 1 0 0 - - 9 5 阻8 51 8 0 5 51 7 0 - - 4 71 5 3 3 2 | 4 0 一2 3b 2 2 21 2 7 2 0 | 2 3 1 8 9 0 6 ，5 在混合料配合比设计方面，前苏联采用贯入量试验与马歇尔试验进行混合料的配合比设计， 试验中测试的指标包括贯入量、沥青饱和度、空隙率、马歇尔稳定度等，但并未形成浇注式沥青 混合料的设计规范。 1 2 5 浇注式沥青混合料在我国的应用情况 浇注式沥青混合料在德、日、英等国家的成功庇用引起了我国道路工作者的关注，我国台湾 地区的新东大桥与高屏溪大桥l l 等于1 9 9 7 年引进日本的“f 层浇注式沥青混凝土、上层改性密 级配渤青混合料”的材料与结构，目前使用状况良好。 人陆地区对浇注式沥青混合料的研究起步较晚但自江阴长江公路大桥开始对浇注式沥青混 合料子以关注。江阴长江公路大桥自英国引进薄层浇注式沥青混凝土铺装m a s t i c a s p h a l t ，铺装由 英国s c o t t 国际咨询公司设计，香港安达臣沥青公司负责施工。混合料中沥青结合料由7 0 的 t l a 与3 0 s h e l l - 7 0 号普通石油沥青组成，其用量( 可溶沥青用量) 为8 2 5 。粗、细集料分 别采用玄武岩集料与石灰岩集料，其比例为4 6 7 5 ：4 5 0 0 f 1 6 j 。 江阴长江公路火桥自建成通车后，就一直经历着人交通与重载交通双重考验，铺装层先后出 现了开裂及车辙等病害。至2 0 0 2 年1 1 月，全桥铺装层的最人车辙深度已经超出2 c m 最长的裂 缝( 纵向) 已达到2 0 米。但所有裂缝的宽度均较小，裂缝的发展速度也比较缓慢。究其原因沥 青结合科愈合性能较好，混合料的整体变形能力及其与钢桥面板的变形追从性较好是其中的戈键。 从江阴长江公路大桥桥面铺装的使用状况看，如何合理借鉴、吸收国外的技术与经验，设计 出适合我国南方夏季持续高温的丈陆季, f i 性气候与超载交通状况的浇注式沏青混合料需要系统 的室内试验研究与室外试验段验证【l ”。另外，传统的浇注式沥青混凝 十施j - l 二艺比较特殊在我 国现有设备与施工管理水平f 能否取得较好的j ：程效果同样需要系统的研究【”i 。 应该看到的是，大跨径钢桥面铺装的成功实施不仅取决丁- 钢桥面铺装材料的设计与研究水 平t 同样取决于当时的设备，i ：艺条件与施上技术水平及施j 二控制水平，也与桥梁所处的外界环 - 5 - 东南大学硕士学位论文 润扬大桥钢桥面铺装结构试验研究 境、桥梁桥型的差异、主梁及梁体内部构造、实际的轴载与交通条件以及相关运营管理部门的养 护管理水平等密切相关。但从国内外的大跨径钢箱梁悬索桥及斜拉桥桥面铺装的运营情况看，至 少可以得出以下几点结论： 1 与环氧沥青及s m a 材料相比，浇注式沥青混合料在钢桥面铺装的应用更为广泛。浇注 式沥青混合料在欧洲国家及日本大跨径钢桥上的成功，体现了该材料良好的低温柔韧性 与变形追从能力，是大跨径钢箱梁桥桥面铺装的理想材料之一。 2 在终年温差不大、重载交通比例较小与超载车辆管理严格的地区，应用单层或双层浇注 式沥青混合料或下层浇注式沥青混合料上层密级配沥青混合料的铺装结构是合适的。 3 我国长江中下游地区及沿江沿海地区的大陆性气候十分明显，并且我国的重载交通比例 大，因历史及体制原因。超载车辆得不到有效的控制，因此直接引用在国外成功应用的 浇注式沥青混合料是不可能取得成功的。 4 我国尚没有浇注式沥青混合料的独立设计与施工经验，同时国内也缺少浇注式沥青混合 料的试验设备与施工设备，因此在我国现有施工设备与旌工管理水平下，应用浇注式沥 青混合料能否取得较好的工程效果同样需要系统的研究。 5 双层铺装体系是正交异性钢桥面铺装的首选结构，采用双层结构可以对铺装层材料分别 设计，充分发挥材料潜力，最大限度地避免对同种材料的双向性能( 高温与低温) 要求。 6 下层浇注式沥青混合料上层s m a 、下层浇注式沥青混合料上层环氧沥青混合料及环氧沥 青混合料与s m a 的铺装结构为新型的铺装结构，特别是国内外均没有相应的研究。 1 2 6 钢桥面铺装技术研究所存在的主要问题 目前我国已建成并投入使用的大跨径正交异性钢箱梁桥有l o 多座，投入运营时间最长也只有 5 年，除少数几座桥梁桥面铺装的运营状况较为良好外，大部分桥梁桥面铺装在建成通车后不久 即出现高温车辙、横向推挤、开裂等病害，个别桥梁的桥面铺装甚至已经面临第二次大修的局面。 钢桥面铺装过早出现的高温车辙、横向推挤、开裂等病害的出现与钢桥面铺装不利的使用条件及 我国的超载现实有直接关系，但从铺装的设计与研究情况看，钢桥面铺装的设计与研究思路不尽 合理也是其主要因素。目前，我国钢桥面铺装技术的研究重点还是对沥青混合料的研究，即如何 从原材料与级配上提高铺装高低温性能与抗疲劳性能，其所依赖的试验对象多为沥青混合料单体 材料，试验方法也大多沿袭沥青路面设计研究过程中所采用的方法。对沥青混凝土单体材料的研 究是钢桥面铺装成功的基础，因为原材料与集料级配是改善沥青混合料铺装性能的关键因素之一。 但钢桥面铺装是包括了正交异性钢桥面板及其防腐涂装体系、防水粘结层、沥青混凝土铺装层的 综合体系，采用沥青路面的设计与研究方法进行钢桥面铺装的设计研究思路，往往难以考察钢桥 面板的正交异性对铺装的影响，因而，大跨