（道路与铁道工程专业论文）舟山连岛工程—金塘大桥钢桥面铺装设计研究.pdf

摘要 金塘大桥为浙江舟山连岛工程中的第五座大桥，起于金塘岛上雄鹅嘴，连接在建的西 堠门大桥，与规划中的宁波沿海北线高速公路相交，止于宁波市绕城高速公路，全长2 6 5 4 公里。 桥面铺装是大跨径钢箱梁桥建设中的关键技术之一，也是一项与环境气候、交通状况、 桥梁结构与桥面板构造等密切相关的系统工程。桥面铺装不仅应为高速行驶的汽车提供安 全性与舒适性保障，同时也应为钢桥面板提供有效的保护。 本论文结合金塘大桥钢桥面铺装设计研究项目，首先分析研究了国内外已有的钢桥面 铺装材料和技术、环氧沥青混凝土在国内外的研究与应用，针对金塘大桥的实际情况和基 本铺装方案，指出了采用环氧沥青混凝土铺装钢桥面的优越性。 其次分析了金塘大桥钢桥面铺装的使用条件( 包括环境条件、交通条件和结构支撑条 件) ，作为确定试验方法和标准的依据。 在现有钢桥面铺装理论与试验研究及多项工程实践资料的基础上，针对金塘大桥的工 程特点，提出了钢桥面铺装结构方案，进行了力学分析，最终确定了钢桥面铺装结构的技 术标准。首次对钢箱梁结构进行了局部优化，并得到原设计单位的采纳。 分析说明了室内试验( 包括原材料试验，混合料试验和复合结构试验) 的内容和结果， 对部分原材料进行了比选，得出了较优越的材料组合。 最后对横向施工缝的设置进行了力学分析和评估，提出了施工建议，并简单阐述了试 铺段的设计内容与试验研究。 关键词：钢桥面铺装；环氧沥青；力学分析；室内试验；施工缝；试铺段 i i i z h o u s h a nm a i n l a n d i s l a n d sl i n kp r o je c t _ d e s i g na n di n v e s t i g a t i o no ft h es t e e ld e c ks u r f a c eo fj i n t a n gb r i d g e a bs t r a c t j i n t a n gb r i d g ei st h ef i f t hb r i d g eo fz h o u s h a nm a i n l a n d i s l a n d sl i n kp r o j e c t ，w h i c hs t a r t f r o mx i o n g e z u ii nj i n t a n gi s l a n da n de n da tn i n g b ol o o pe x p r e s s w a y j i n t a n g b r i d g ei s2 6 5 4 k i l o m e t e r sl o n g ，w h i c hc o n n e c tw i t hx i h o u m e n g b r i d g ea n dl i n kt ot h ep r o g r a m m i n gn i n g b o o c e a nh i g h w a y d e c ks u r f a c i n gi sat e c h n i c a ln o d u si nt h ec o n s t r u c t i o no fl o n gs p a ns t e e lb r i d g e s i ti sa l s oa s y s t e m se n g i n e e r i n gw h i c hc l o s e l yr e l a t e dt oc l i m a t e ，t r a f f i ca n ds t r u c t u r e t h es u r f a c i n gs h o u l d n o to n l yp r o v i d eh i g h - s p e e dv e h i c l e sw i t has e c u r ea n dc o m f o r t a b l es e r v i c e ，b u ta l s op r o t e c tt h e s t e e ld e c ke f f e c t i v e l y t h i st h e s i s ，b a s e do nt h er e s e a r c ho nt h es t e e ld e c ks u r f a c i n go f j i n t a n gb r i d g e , m a d ea l l e x t e n s i v ea n a l y s i so ft h es t e e ld e c k p a v i n gm a t e r i a l sa n dt e c h n i q u e s ，t h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fe p o x ya s p h a l ta th o m ea n da b r o a d a i m i n ga tt h ep r a c t i c a lc o n d i t i o na n db a s i c p a v i n gs c h e m e ，t h et h e s i sp o i n t e d6 u tt 1 1 es u p e r i o r i t yo ft h ee p o x ya s p h a l ta st h es t e e ld e c k s u r f a c i n g t h es e r v i c ec o n d i t i o n s ( i n c l u d et h ec l i m a t e ，t r a f f i ca n ds t r u c t u r e ) o ft h es u r f a c i n go fj i n t a n g b r i d g ew e r et h e na n a l y z e dt op r o v i d ef o u n d a t i o nf o r t h et e s t s o nt h eb a s i so fe x i s t i n gr e s e a r c ha n dt h e o r yf o rs t e e ld e c kp a v i n ga n ds o m ep r o j e c td a t a , a s s o c i a t i n gw i t ht h ef e a t u r eo ft h ep r o j e c t ，i tg a v eas c h e m ef o rt h es t r u c t u r eo fs u r f a c i n gw i t h m e c h a n i c sa n a l y s i s t h et e c h n i q u es t a n d a r dw a sc o n f o r m e dt h e n t h es t r u c t u r eo fs t e e lb o x b e a mw a sp a r t l yo p t i m i z e df o rt h ef i r s tt i m e ，w h i c hh a sb e e na c c e p t e db yt h eo r i g i n a ld e s i g n e r t h ec o n t e n ta n dr e s u l t so fi n d o o re x p e r i m e n tw e r ee x p l a i n e da n da n a l y z e d ，w h i c hi n c l u d er a w m a t e r i a l s e x p e r i m e n t ， m i x t u r e e x p e r i m e n t a n d c o m p l e x s t r u c t u r e e x p e r i m e n t b e t t e r c o m b i n a t i o nw a se d u c e dt h r o u g hc o m p a r e dr a wm a t e r i a l s t h es e t t i n go ft r a n s v e r s ec o n s t r u c t i o nj o i n tw a sa n a l y z e da n de v a l u a t e d t h e ni tg a v es o m e c o n s t r u c t i o na d v i c e t h ec o n t e n ta n de x p e r i m e n to ft r i a l p a v e m e n ts e c t i o nw e r eb r i e f l y e x p l a i n e d k e yw o r d s ：s t e e ld e c ks u r f a c i n g ；e p o x y c o n s t r u c t i o nj o i n t ；t r i a lp a v e m e n ts e c t i o n a s p h a l t ；m e c h a n i c sa n a l y s i s ；i n d o o re x p e r i m e n t ； i v c h e n gc h e n g ( r o a da n dr a i l w a ye n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yl ig u o f e n 然南京愀擎 专业学位研究生学位论文原创性声明和使用授权说明 ( 一) 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本声明的法律结果由本人承担。 蝴：茸z 蕞 导师签名汐 日期：20 c ( 二) 学位论文使用授权说明 本人完全了解南京林业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： ( 1 ) 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； ( 2 ) 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； ( 3 ) 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 粼柏嗍批7 年冒相习砻 致谢 本文是在我的导师李国芬老师悉心指导下完成的，首先感谢李老师让我们在学习阶段 有机会接触并参与道路与铁道工程学科的大型工程项目。李老师不断关心研究进程，并为 我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。老师一丝不苟的作风，严谨求 实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却给以终生受 益无穷之道，对此的感激之情是无法用言语表达的。 感谢王晓老师、王元纲老师、程刚老师对我的教育培养。他们为我提供了良好的研究 条件并细心指导我的学习与研究，在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬。 感谢舟山连岛工程指挥部的领导及专家，你们对事业的热爱、对难题的专注、对工程 的认真负责，彻底感染了我，在此表示深深的敬意。 感谢我的同学朱华平、端茂军、赵海洋、余秋兰等三年来对我学习、生活的关心和帮 助。 感谢我的家人，感谢他们对我的理解、关心与支持。 最后，作为千万莘莘学子中的一员，请允许我对献身于教育、科研事业中的人们献上 最诚挚的敬意。 i i 程成 二o o 九年春于南京林业大学 1 绪论 1 1 课题背景及意义 金塘大桥为浙江舟山连岛工程中的第五座大桥，起于金塘岛上雄鹅嘴，连接在建的西 堠门大桥，与规划中的宁波沿海北线高速公路相交，止于宁波市绕城高速公路，全长2 6 5 4 公里。舟山连岛工程的建设，使舟山从孤悬海中的岛屿变成同大陆相连的半岛，可以进一 步开发舟山海洋资源，为我国沿海建立国际集装箱枢纽港与国家能源战略储备基地提供了 必要条件。 桥面铺装是大跨径钢箱梁桥建设中的关键技术之一，也是一项与环境气候、交通状况、 桥梁结构与桥面板构造等密切相关的系统工程。桥面铺装不仅应为高速行驶的汽车提供安 全性与舒适性保障，同时也应为钢桥面板提供有效的保护。桥面铺装直接铺设在正交异性 板上，在行车荷载、风载、温度变化及地震等因素影响下，其受力和变形远较公路路面或 机场道路复杂，因而对其强度、变形稳定性、疲劳耐久性等均有更高要求。同时，又由于 铺设所处的特殊位置，在使用性能上又提出重量轻、粘结性强、不透水等特殊要求。桥面 铺装是桥梁行车系的重要组成部分，它的好坏直接影响到行车的安全性、舒适性、桥梁耐 久性及投资效益和社会效益。因此，为保证桥面铺装的使用功能，在施工前需对桥面铺装 的使用条件、铺装用原材料与混合料、铺装结构体系、施工工艺等进行系统研究，制定合 适的桥面铺装技术标准，并设计出合理的铺装结构方案及可行的工艺与质量控制方案，以 切实解决不同气候、不同桥型及不同使用条件下钢桥面铺装的设计施工成套技术问题。 我国近年来已有多座正交异性大跨径钢桥实现了通车，但在使用中也出现了不少铺装 结构损坏的问题。这些桥梁的铺装设计过程往往是借鉴国外大桥的设计经验并不断探索， 在我国还没有形成独特完整的的设计规范，这其中不免会凸显出一些缺陷，例如国内外的 环境条件及车辆组成等差异较大，再则是桥面结构设计与铺装层设计不同步，后者需迁就 前者等。因此，在我国当前大跨径桥梁建设事业迅速发展的背景下，结合大型工程深入研 究钢桥面铺装设计具有重要的理论意义和应用价值。 1 2 大跨径钢桥面铺装技术概述 1 2 1 正交异性钢桥面板 正交异性板钢桥起源于欧洲。二战结束后，为了应付战后的物资短缺，德国工程师创 造性地发明了正交异性板钢桥。目前所知的最早的正交异性板钢桥是德国曼海姆内卡河上 的库普法兹桥( k u r p f a l zb r i d g e ) ，通车于1 9 5 0 年；而第一个使用正交异性板的悬索桥是 莱茵河上的科隆一曼海姆桥( c o l o g n e m u e l h e i mb r i d g e ) ，建成于1 9 5 1 年。由于正交异性 板钢桥具有重量轻、运输与架设方便、施工周期短、造价低、结构性能优良等优点，适合 于建造大跨径桥梁、开启桥以及旧桥面板的更新。现在欧洲的正交异性板钢桥已经超过 1 0 0 0 座，北美和中国、日本也有为数众多的正交异性钢桥面桥梁。 正交异性钢桥面由钢板及其下纵、横向支撑的加劲肋和横隔板组成。横隔板焊接在钢 板上，间隔为2 6 m 。荷载由横隔板传递到纵梁，纵梁形成了桥梁的主要支撑结构。因此， 钢桥结构在两个正交方向上的弹性属性是不同的。换句话说，钢桥是结构纵、横向正交且 构造上各向异性的板，简称正交异性板。正交异性板构成了主梁的上翼缘。纵向加劲肋可 以分成开口加劲肋和闭口加劲肋两种类型，其基本构造如图1 1 【1 1 所示。 “) 开口加劲肋 图1 - 1 c b ) 闭口加劲肋 正交异性钢桥面板 1 2 2 大跨径钢桥面铺装技术 从对钢桥面进行有效保护，提高桥梁使用寿命、行车舒适性与安全性、减少振动与噪 声以及提高经济效益与社会效益等方面考虑，要求在钢桥面板上铺筑多功能的薄层结构， 即铺装层。由于沥青混凝土具有重量轻、易于施工、变形协调性好、与桥面板粘着性能优 越、易于维修以及行车舒适等优点，正交异性钢桥面板均采用沥青混凝土铺装，铺装结构 一般由防锈层、防水粘结层、沥青混凝土铺装层等构成，厚度一般为3 5 8 0 l i i l 【2 1 。 ( 一) 钢桥面铺装的特点 钢桥面铺装结构直接铺设在正交异性钢桥面板上，其受力特性主要取决于桥面支撑结 构，并与钢桥面系协同工作。由于正交异性钢桥面板柔度大，受行车荷载、温度变化、风 载、振动等自然因素共同影响，特别是桥梁结构局部变形的影响，其受力和变形较公路路 面或机场道面复杂得多，尤其在重型车辆荷载作用下局部力学相应更加明显，各纵、横向 加劲肋与桥面板焊接处出现明显的应力集中，这些位置处的铺装表面会产生较大的拉应力 和拉应变，应变水平远大于普通公路沥青混凝土路面；铺装层与钢桥面板接触面也会产生 较大的剪应力和剪应变。同时钢桥面板的夏季温度高、防水防锈及层间结合等问题都使钢 桥面铺装具有以下一般公路沥青混凝土路面所没有的特尉2 】： ( 1 ) 钢桥面沥青混合料铺装没有公路沥青混凝土路面具有的路基与基层结构，它直接 铺筑在正交异性钢桥面板上。因此，桥面铺装处于变形大而复杂的钢板之上，正交异性钢 桥面板本身的变形、位移、振动等都直接影响铺装层的工作状态。 ( 2 ) 除铺装层自身正常的温度变化之外，钢桥结构的每日和季节性温度变化都显著影 响铺装层的变形。钢桥面板的导热系数要比其它工程材料大得多，所以钢桥面铺装在全年 极端高温与低温环境下较一般沥青路面更易受大气温度的影响。而且，铺装层的极端高温 值和低温值要比一般沥青混凝土路面大得多。 ( 3 ) 大跨径钢桥一般都建在大江、大河或横跨海峡之上，强风、台风及其它各种因素 2 对其产生的振动作用，在一般沥青混凝土路面上是遭遇不到的。 ( 4 ) 正交异性钢桥面铺装层的受力模式与般沥青路面不同。由于加劲肋的加劲支撑 作用，在车辆荷载作用下，加劲肋、横肋( 或横隔板) 、纵隔板顶部的铺装层表面均产生 负弯矩，铺装层最大拉应力或拉应变均出现在铺装层表面。因此，对于此类钢桥面沥青混 合料铺装，疲劳裂缝从铺装层表面向底部扩展且结构基本处于无约束状态，而对于一般的 沥青混凝土路面，面层的最大拉应力或拉应变均出现在铺装层底面，疲劳裂缝是从铺装层 的底面向项面扩展且结构处于多向约束状态。 ( 5 ) 钢桥易受水的侵蚀，钢桥面沥青混合料铺装的一个重要特点是要求致密性好，杜 绝雨水、大气腐蚀钢桥面板，这在海洋气候地区尤为重要。 ( 6 ) 大跨径钢桥一般都是重要交通网络的枢纽，或者是某一地区过江跨海的主要通道， 它的畅通与否直接影响到整个路网交通的正常运行。桥面铺装一旦发生破坏，对交通的影 响要远大于公路路面损坏所产生的影响和危害，而且维修更加困难，并将产生较大的经济 和社会影响。 ( - - ) 钢桥面铺装的要求 钢桥面铺装研究是一项综合技术含量较高的工作，主要表现为钢桥面铺装的工作环境 与使用条件比其他铺面更为复杂和不利。因此，钢桥面沥青混合料铺装类型的选用，除了 要满足抗变形和其他路用性能的一般要求外，还必须具有与钢桥面板良好的粘结性、对钢 桥面板的防水侵蚀作用以及适应行车荷载作用下加劲梁桥面板局部弯曲变形的抗疲劳特 性等【3 】，具体要求表现在： ( 1 ) 较高的铺装材料与结构强度及合理的厚度； ( 2 ) 优良的高温稳定性、低温抗裂性； ( 3 ) 较好的耐久性，即较好的抗老化性、水稳定性和抗疲劳特性等； ( 4 ) 优良的层间粘结性能； ( 5 ) 优良的变形协调性； ( 6 ) 优良的平整性、抗滑性及耐磨性； ( 7 ) 良好的防水防渗透性能； ( 8 ) 可靠的施工工艺与质量控制、良好的工程使用效果。 国内外对钢桥面沥青混合料铺装的研究已投入大量的人力和物力，取得了丰富的经 验。常用的铺装材料主要包括：浇注式沥青混凝土、改性沥青s m a 、环氧沥青混凝土与 改性密级配沥青混凝土等。 目前钢桥面铺装从结构组合来分主要有单层铺装体系与双层铺装体系两种类型。由于 双层铺装体系能够对铺装上下层材料分别进行设计，充分利用和发挥材料与结构特性，最 大限度地避免对同种材料矛盾的双向性能( 高温稳定性和低温抗裂性) 要求，越来越多的 大跨径钢桥面铺装趋向于使用双层铺装体系，最新研究也出现多层体系结构。 国内钢桥面铺装的使用条件较之于国外更为不利，表现在三个方面：( 1 ) 国内的气候 条件较为苛刻。目前国内的大跨径钢桥主要分布在长江中下游地区和华南地区，长江中下 游地区气候特征是夏季炎热、冬季寒冷，该地区钢桥的铺装工作温度多为一1 5 。c - 。+ 7 0 。c ， 3 工作温度变化范围达8 5 c ；华南地区气候特征则是高温持续时间长，该地区钢桥面铺装常 年在高温( 6 0 ) 条件下工作【2 】。这对铺装材料和结构的高温和低温性能均提出了较高 的要求。( 2 ) 随着国民经济的高速增长，国内公路运输呈现出重载大交通的特点。桥梁实 际运营时的交通量普遍大于设计预期，交通组成中重载货车比例较大，并且轴重和胎压均 偏大。不利的交通荷载状况将加速钢桥面铺装的疲劳损伤，给铺装的使用寿命带来较大的 影响。( 3 ) 我国大跨径钢桥建设历史短、数量多、工期紧促，现有技术储备与水平难以满 足建设需求与管理。 上述四种铺装材料和两种结构在国内均有应用，但大量的工程实践表明，双层环氧沥 青混凝土铺装结构使用效果较好，相比其他铺装方案具有更长的使用寿命，更适合我国的 钢桥面铺装工程。 1 2 3国内外的研究概况与典型铺装结构 ( 一) 国外的研究 作为大跨径钢桥建设的一项关键技术，国外对大跨径钢桥面铺装技术的研究已有4 0 多年的历史，积累了不少经验，但已建的许多钢桥面铺装层在服务期内均出现了不同类型 的破坏，直接影响了钢桥的使用性能，钢桥面铺装问题仍未得到很好地解决，许多国家 都投入了大量的人力和物力，取得了丰富的成果。德国最早开展钢桥面铺装研究和实践， 现有的钢桥面铺装材料中有两种材料由德国最先研制。继德国之后，英、美、法、日等国 家也相继开展这方面的工作，丰富了钢桥面铺装的内容，形成了以浇注式沥青混合料、环 氧沥青混合料等为主的铺装材料与结构。下面介绍几种大跨径钢桥面常见的铺装技术： 1 、浇注式沥青混凝土铺装 浇注式沥青混凝土指在高温状态下( 约2 4 0 - - 2 6 0 ) 进行拌和及摊铺的一种特殊沥 青混合料。该混合料中沥青、矿粉含量较大，在高温状态下流动性很大，摊铺时依靠自身 流动性而成型，无须碾压。成型后混凝土中的空隙率很小，理论上为零，工程实践中一般 小于1 h j 。目前世界范围内钢桥面铺装应用浇注式沥青混凝土的工程以日本最多。 由于浇注式沥青混凝土中沥青含量较多而使其高温稳定性差，故在桥面铺装中一般将 其用作结构下层。上层则一般采用抗高温性能更好的改性沥青密级配混凝土，一般采用细 粒式沥青混合料，有时也采用粗粒式沥青混合料。总铺装厚度一般在6 0 - - 8 0 r a m 之间， 表1 1 【5 j 中列出了日本修建的部分钢桥的桥面铺装厚度。 采用浇注式沥青混凝土作为桥面铺装时，由于这种混合料的防水性能好，桥面上残留 的水分和油分接触施工时高温后气化，被封闭在桥面钢板和粘结层或铺装下层之间，会使 铺装层表面隆起而产生气泡。以往工程中的检测表明，出现直径2 0 a m ，高2 c m 的半球面 状气泡，所需水量仅为0 0 5 9 。所以在施工时必须十分小心注意，不能在钢板表面带入微 量的水分、油分、污物和土等。 4 表i - 1 日本几座钢桥的桥面铺装厚度 铺装厚度( 咖) 桥名建成年份 上面层下面层总厚度 尾道大桥1 9 6 7 3 03 56 5 广岛大桥 1 9 7 33 54 07 5 幌向川桥 1 9 8 3 4 04 0 8 0 名港西大桥 1 9 8 4 3 54 07 5 第二寝屋川 1 9 8 64 04 08 0 利根川桥 1 9 8 74 0 4 08 0 横滨湾大桥 1 9 8 94 0 4 0 8 0 明石海峡大 1 9 9 84 03 57 5 多多罗大桥 1 9 9 93 53 06 5 来岛大桥 1 9 9 93 53 06 5 2 、碾压式沥青玛蹄脂混凝土 碾压式沥青玛蹄脂混凝土也是在高温状态下( 约2 0 0 2 4 0 ) 进行拌和及摊铺的一 种特殊沥青混合料，与浇注式沥青混凝土类似。最大的不同是采用该材料进行桥面铺装时， 一般不设上下层，而是直接一次摊铺全厚碾压成型，并在表面撒上预拌沥青碎石。所以碾 压式沥青玛蹄脂混凝土桥面铺装的厚度较薄，一般在3 0 砌5 0 舯之间。这种材料在欧洲 桥面铺装中使用较广，使用效果也不错。但由于欧洲国家的环境条件并不恶劣，其铺装材 料更注重的是防水和耐磨，而其高温稳定性主要由高比例的特立尼达湖沥青( 占结合料总 重的6 0 7 0 ) 来保证。对于环境气温高的热带和亚热带地区，这种铺装类型的高温稳 定性问题将显得十分突出。表i - 2 5 j 列出了世界上采用该方案的部分钢桥的铺装厚度。 表i - 2 碾压式沥青玛蹄脂混凝土铺装钢桥的厚度 桥名建成年份铺装厚度 英国塞文河一桥 1 9 6 63 8 英国亨伯尔大桥 1 9 8 l3 8 由于沥青马蹄脂混凝土中沥青含量多，集料粒径小，其表面的抗滑性能较差，为保证 行车道面具有足够的摩擦系数，必须在整平后的沥青马蹄脂混凝土层上撒布一层预拌沥青 碎石。在沥青马蹄脂混凝土温度仍然很高时用压路机将撒在表面的预拌碎石嵌入沥青马蹄 脂混凝土中。压路机压实功和压实次数的确定很重要，既要保证预拌碎石牢固嵌入沥青马 蹄脂混凝土层中不致以后被车轮带走，又要保证铺装层表面有足够的构造深度。 由于沥青玛蹄脂混凝土和浇注式沥青混凝土很多方面相同，因此国内学者一般统称为 浇注式混凝土，本文也采用这种称法，即不细分沥青沥青玛蹄脂混凝土和浇注式沥青混凝 土，而统称为浇注式沥青混凝土。 3 、改性沥青s m a 混凝土铺装 s m a 是一种开级配沥青混合料。它的特征是含有较多的粗集料( 7 0 8 0 ) 和结合料 ( 5 5 - 7 0 ) 【6 】。在这种混合料中，粗集料形成紧密嵌挤的骨架结构，而沥青砂胶充分 充填于集料骨架的空隙中。 改性沥青s m a 混凝土用作桥面铺装主要有两种情况，一种是用作桥面铺装的上面层， 一种是同时用作桥面铺装的上面层和下面层。由于s m a 的抗高温车辙变形性能、低温抗裂 性能、抗疲劳性能和表面性能都比普通密级配沥青混凝土好得多，空隙率也小，对表面层 采用改性沥青s m a 结构，应该是没有问题的。将s m a 用作桥面铺装的下面层在国外已有成 功的经验。如德国钢桥面铺装规范中明确规定可以采用该方案。日本近年来为改善铺装的 热稳性，也开始研究采用s m a 来代替浇注式沥青混凝土作为铺装下面层( 最长无损使用年 限已有七年) 。 为保证铺装与桥面钢板之间有较强的粘结能力并具有良好的防水性能，作为下层的 s m a 应采用较细的级配，增加细料和矿粉含量并采用纤维和复合改性沥青。同时为满足铺 装的疲劳寿命要求，下层的模量应大于上层。 4 、环氧沥青混凝土铺装 环氧沥青混凝土由壳牌石油公司最初开发用于机场道面以抵抗飞机燃油和喷气的侵 害，1 9 6 7 年首次用作美国s a nm a t e o - h a y w a r d 大桥正交异性钢板桥面的铺装层。它是通 过在沥青中添加热固性环氧树脂和固化剂，经固化反应而形成的一种强度高、韧性好的沥 青混凝土。将这种材料用作钢桥面铺装的国家主要有美国、日本、加拿大、荷兰和澳大利 亚，其中美国应用最为广泛【7 j 。 环氧沥青混凝土的组成设计也以马歇尔试验为主。根据马歇尔试验得出最佳沥青用 量，然后再根据环氧沥青混凝土和钢板的复合试件的疲劳性能对该用量进行必要调整。根 据美国的研究发现，对应于最佳耐疲劳性能的最佳沥青用量要比从马歇尔试验中得到的最 佳沥青用量多0 5 。另外也有人将混合料拌和的和易性作为环氧沥青混凝土组成设计的 一个依据。 从世界上已建环氧沥青混凝土钢桥面铺装使用情况来看，成功的例子和失败的例子都 有。铺装产生病害的桥1 7 j 包括： ( 1 ) 美国俄勒冈州的f r e m o n ts t 桥。该桥桥面铺装受到缚于车轮上防滑用的铁链的 过度磨损而破坏，后来采用普通沥青混凝土重新铺装： ( 2 ) 巴西的r i od ej a n e r i o 桥，铺筑的环氧沥青混凝土桥面使用性能很差。这可能 与该桥所处的热带地理环境位置及较大的铺装厚度( 远大于5 0 r a m ) 有关； ( 3 ) 台北的官渡桥。严重的超载现象是导致铺装产生病害的主要原因之一； ( 4 ) 美国路易斯安那州的h a l eb o g g s 斜拉桥。采用5 0 m m 一层摊铺，由于部分区域 的环氧沥青粘结料破坏而使桥面铺装在完工后不久即出现脱层和严重的推挤和永久变形； ( 5 ) 澳大利亚w e s t g a t e 桥。总体情况较好，主要问题是出现铺装层和钢板之间粘结 力丧失现象。在粘结力丧失区的铺装层仍十分完好，但由于脱空的铺装层在行车荷载作用 下不断拍打钢板而使钢板发生磨损并使铺装层底面发生破坏。1 9 9 2 年对大约1 2 0 0 m 2 的铺 装区采用原方案重新进行了摊铺。 6 尽管有如上这些环氧沥青混凝土钢桥面铺装病害的实例，但美国环氧沥青钢桥面铺装 专家认为出现这些病害的原因主要出自设计时对桥梁所在地的气候环境( 温度) 、交通荷 载等因素考虑不足而导致的设计失误或是施工控制不严。他们认为在正确设计和施工的前 提下，环氧沥青混凝土桥面铺装不会出现任何破坏。日本铺装专家则认为，单从环氧沥青 混凝土材料本身性能来看，这是一种非常好的材料，但由于这种材料的性能受其成型时温 度、时间等因素变化的影响很大，施工条件苛刻，施工中对其质量很难控制，加上材料费 用昂贵，而该类铺装工程在日本未获成功，故日本专家并不十分支持使用该种材料进行桥 面铺装。从美日两国专家的观点来看，如果在设计中能够充分考虑桥面铺装的环境和交通 条件，严格按照设计要求而控制施工，使环氧沥青混凝土的优越性能得以充分体现，则采 用环氧沥青混凝土进行桥面铺装将是一种很好的方案。 ( 二) 国内的研究 我国从八十年代开始修建正交异性钢桥面桥梁，对钢桥面铺装技术的研究也始于这一 时期。最早的研究始于广东省肇庆市四会县马房镇的北江大桥，而较系统的研究工作则始 于广东虎门大桥。在虎门大桥桥面铺装课题中，交通部重庆公路科研所采用s m a 材料对广 东虎门大桥进行了铺装。广东虎门大桥通车后不久，桥面铺装层即出现了病害，主要是产 生横向推移的热稳定性问题、轮迹带上形成光面的泛油和车辙问题以及防水胶底部的局部 脱层和鼓包问题。海沧大桥与白沙洲大桥等桥也采用了双层s m a 铺装方案。海沧大桥1 9 9 9 年竣工通车，钢桥面s m a 铺装于2 0 0 1 年曾在靠近桥头出现裂缝，另几座桥梁s m a 铺装则 存在不同程度的开裂、泛油与油斑等现象【5 】。 近十几年来，借鉴国际上大跨径桥梁的建造经验，我国修建了数十座大跨径钢桥，其 中绝大多数均采用正交异性桥面板。但是，作为大跨径钢桥建设关键技术之一的正交异性 钢桥面的铺装问题在国内外尚未得到很好的解决，一直是国际学术界和工程界关注的热点 和难点。 江阴长江公路大桥引进英国式浇注式沥青混凝土铺装，沥青结合料由7 0 的特立尼达 湖沥青与3 0 s h e l l 一7 0 号普通石油沥青相互混合而成，粘结层为改性橡胶沥青玛蹄脂。江 阴长江公路大桥浇注式桥面铺装的厚度5 0 m m ，采用人工一次摊铺成型，表面压入预拌沥 青石屑。该桥投入运营数月后，铺装表面即产生较多的纵、纵向裂缝和较为严重的车辙。 后来裂缝与车辙不断发展，全桥铺装于2 0 0 3 年进行了重修。 南京长江第二大桥桥面铺装采用环氧沥青混凝土铺装技术，环氧沥青由美国进口，混 合料设计及铺装技术、铺装工艺研究由东南大学桥面铺装课题组承担，目前该桥铺装在通 车多年后使用状况良好。 我国许多已建成的大跨径桥梁钢桥面铺装都未能获得成功，有些桥梁建成后不久，其 桥面铺装就发生了大面积推挤、车辙等破坏，后进行了全面重修，部分钢箱梁桥的桥面铺 装已经历多次大修。对于大跨径钢箱梁桥的桥面铺装问题，究竟哪种材料最为合适，目 前尚无定论，不能简单照搬，必须针对不同的气候条件、荷载条件与支撑结构构造条件进 行分析与选择。 7 13 环氧沥青混凝土铺装 1 3 1 环氧沥青混凝土 环氧沥青混凝土( e p o x y a s p h a l t c o n c r e t e ) 是由环氧沥青( e p o x y a s p h a l t ) 与专用级 配石料在特定的温度和时间条件下拌和后所得的热固性高性能铺装材料，因其结合料为环 氧沥青而得名。 环氧沥青为环氧树脂、固化剂与基质沥青在一定条件下经复杂的化学反应所得的合成 物，其半成品一般分为组分a 和组分b 。组分a 是由双酚a 和表氯醇经反应得到的液态双环 氧树腊，不含稀释剂、软化剂或增塑剂也不含无机填料、色素或其他污染物或不溶物质。 组分b 是一种由石油沥青和固化剂组成的匀质混合物，它不含不可溶物质( 比如无机填料 或色素等) 和污染物。组分a 和组分b 如图1 2 1 8 1 所示。 童蠢 随雾、零霎 a 1 组丹a( b ) 组分b 圈1 - 2 环氧沥青组分 和组分b 固化后的环氧沥青混凝土是一种力学性能优良的高级铺装材料，并且高温时抗塑流和 永久变形能力很强，即使在7 0 的温度条件下也不易产生车辙。此外，环氧沥青混凝土还 具有优良的低温抗裂性能、抗疲劳性能和与钢板的粘结性能；具有很高的抵抗化学物质侵 蚀的能力，包括化学溶剂和燃油等。环氧沥青混合料的性能受成型时温度、时间等因素的 影响很大，对施工质量控制的要求较高，并且在摊铺后必须保证有适当的养护期以确保环 氧沥青混合料能够基本完成固化。 1 3 2 环氧沥青混凝土在钢桥面铺装中的应用 自1 9 6 7 年美国圣马刁海湾大桥( s a n m a t e o - h a y w a r d ) 首次采用环氧沥青混凝土用作 钢桥面铺装材料以来，环氧沥青混凝土在美国、加拿大和巴西等国家的钢桥面铺装工程中 得到了广泛应用。 1 9 9 7 年我国自南京长江二桥起开始研究钢桥面环氧沥青混凝土铺装技术。经过近三 年的努力，采用进口环氧沥青半成品，开发了钢桥面环氧沥青混凝土铺装设计与施工成套 技术，并在南京二桥铺装工程申成功应用。该项技术相继在润扬长江大桥试验桥、江阴大 桥铺装修复试验段、舟山桃天门大桥、润扬长江大桥、天津大沽桥、南京长江三桥、湛江 海湾大桥、天津奉化桥、苏通长江大桥、杭州湾跨海大桥、武汉阳逻大桥等2 0 多座钢桥中 得到应用并不断完善，目前已具有较好的推广应用前景。 ( 1 ) 环氧沥青混凝土在斜拉桥中的应用 斜拉桥是现代大跨径桥梁的主要结构形式之一，金塘大桥主通航孔桥为跨度1 2 0 8 4 m 的双塔双索面五跨连续钢箱梁斜拉桥，主梁为流线形扁平钢箱梁。表1 3 【9 1 是世界上部分 采用环氧沥青混凝土铺装的钢斜拉桥。 表1 _ 3 国内外部分采用环氧沥青混凝土铺装的斜拉桥 桥名地点建成年份主梁及桥面板类型铺装厚度( 咖) 卢林桥( l u li n gb r i d g e )美国新奥尔良1 9 8 3钢箱梁正交异性 5 0 南京长江二桥中国南京2 0 0 0钢箱梁正交异性 5 0 舟山桃天门大桥中国舟山 2 0 0 3钢箱梁正交异性 5 0 润扬长江大桥北汉桥 中国镇江2 0 0 4 钢箱梁正交异性 5 5 南京长江三桥中国南京 2 0 0 5 钢箱梁正交异性 5 0 湛江海湾大桥中国湛江 2 0 0 6 钢箱梁正交异性 5 0 苏通长江公路大桥中国南通 2 0 0 7 钢箱梁正交异性 5 5 杭州湾跨海大桥南、北航道桥中国宁波 2 0 0 7 钢箱梁正交异性 5 0 南京长江二桥是我国第一座采用环氧沥青混凝土铺装的大跨径钢箱梁斜拉桥，目前通 车时间已超过8 年，日均交通量超过5 万辆，长期跟踪观测结果表明，环氧沥青混凝土铺装 一直处于良好的使用状态，显示出优良的抗滑性、防水性和疲劳耐久性。后续建设的舟山 桃天门大桥、润扬长江公路大桥北汊桥、南京长江三桥、湛江海湾大桥、苏通长江公路大 桥、杭州湾跨海大桥等大跨径钢箱梁斜拉桥也采用了环氧沥青混凝土作为铺装材料，目前 大部分桥梁使用数年后铺装状况优良，个别桥梁的铺装也出现了局部裂缝、鼓包等病害， 但经过养护处理后使用状况良好，工程实践表明这种铺装材料具有优良的使用性能。国内 外部分斜拉桥环氧沥青混凝土铺装的使用情况见表1 4 。 从国内外多座大跨径钢桥桥面铺装的工程实践来看，环氧沥青混凝土铺装在斜拉桥中 的应用是成功的。因此，大跨径钢斜拉桥适宜采用双层环氧沥青混凝土铺装结构。 9 表1 - 4 斜拉桥环氧沥青混凝土铺装使用时间 桥名铺装厚度( m i l l )使用时间( 年) 卢林桥( l u l i n g ) 5 02 0 南京长江二桥 5 08 舟山桃天门大桥 5 06 润扬长江大桥北汊桥 5 54 南京长江三桥 5 04 湛江海湾大桥 5 02 苏通长江公路大桥 5 51 杭州湾跨海大桥南、北航道桥 5 01 ( 2 ) 环氧沥青混凝土在悬索桥中的应用 悬索桥是目前跨越能力最强的桥梁结构形式，与金塘大桥连接的西堠门大桥为主跨 1 6 5 0 r n 的两跨连续钢箱梁悬索桥，跨径居中国第一，世界第二，主梁为分离式双箱钢箱梁。 表1 5 【9 1 列出了世界上部分采用环氧沥青混凝土铺装的悬索桥。 表1 - 5 国内外部分采用环氧沥青混凝土铺装的悬索桥 桥名地点建成年份主梁及桥面板类型铺装厚度( m m ) 麦凯桥( m c k a y )加拿大哈利法克斯 1 9 7 0 钢桁梁正交异性 5 0 狮门桥( l i o n sg a t e )加拿大温哥华 1 9 7 5 钢桁梁正交异性 3 8 本弗兰克林桥( b e nf r a n k li n )美国费城 1 9 8 6 钢桁梁正交异性 3 2 金门大桥( g o l d e ng a t e )美国旧金山 1 9 8 6 钢桁梁正交异性 5 0 江阴大桥修复试验段中国江阴 2 0 0 3 钢箱梁正交异性 5 0 6 0 润扬长江大桥南汊桥中国镇江 2 0 0 4 钢箱梁正交异性 5 5 佛山平胜大桥中国佛山 2 0 0 6 钢箱梁正交异性 5 0 北京南环大桥中国北京 2 0 0 6 钢箱梁正交异性 5 0 武汉阳逻大桥中国武汉 2 0 0 7 钢箱梁正交异性 6 0 国内外部分悬索桥环氧沥青混凝土铺装的使用情况见表1 6 。可见，国外环氧沥青混 凝土铺装使用较早，使用情况也较好。m a k a y 桥、b e nf r a n k l i n 桥和g o l d e ng a t e 桥铺 装使用时间均超过2 0 年，表明了环氧沥青混凝土在悬索桥上应用的良好性能。国内在悬 索桥上应用环氧沥青混凝土铺装较晚，最早的江阴大桥修复试验段也仅有四年时间，但与 其他铺装方案相比，这种铺装材料和结构表现出较好的使用性能。 从国内外悬索桥钢桥面环氧沥青混凝土铺装的使用情况来看，其应用基本是成功的， 尤其国外的工程实例说明了这一点，国内有个别桥梁出现了一些病害，产生的原因除铺装 材料外，还与施工质量控制等因素有关。环氧沥青混凝土铺装也是大跨径悬索桥较为理想 的选择。 1 0 表1 - 6 悬索桥环氧沥青混凝土铺装使用时间 桥名铺装厚度( m m )使用时间( 年) 麦凯桥( m a k a y ) 5 0 2 0 狮门桥( l i o n sg a t e )3 82 5 本弗兰克林桥( b e nf r a n k li n ) 3 2 2 1 金门大桥( g o l d e ng a t e ) 5 0 2 1 江阴大桥修复试验段 5 0 - 6 05 润扬长江大桥南汉桥 5 54 佛山平胜大桥 5 02 北京南环大桥 5 02 武汉阳逻大桥 6 01 ( 3 ) 环氧沥青混凝土病害分析 环氧沥青混凝土铺装在使用过程中也会因种种原因出现一些局部的病害，主要有裂 缝、鼓包、坑洞、滑移、外伤等，表1 7 与图1 3 【1 1 1 列出了钢桥面环氧沥青混凝土铺装的 常见病害及成因。这些病害在国内其他钢桥面铺装工程中同样存在，在国外钢桥面铺装工 程中也不少见，仅因交通状况或环境条件差异而严重程度有别而已。 表1 - 7 钢桥面环氧沥青混凝土铺装常见病害及成因 病害类型 主要症状成因 铺装层开裂( 结构性裂缝或 重载大交通，设计不当，施工质量 裂缝控制不严，施工工艺不完善，原材 构造性裂缝) 料、混合料质量不满足要求等 铺装层局部范围的“隆起” 铺装中残留的水分在高温下汽化而 鼓包 现象，还伴有隆起铺装表面 将铺装层顶起 的开裂 铺装层内残留的杂物、死料等未清 坑洞铺装层局部破碎或脱落 除，在行车荷载反复作用下引起铺 装破裂和脱落 粘结层质量问题、施工质量控制不 滑移铺装产生层间滑动 严、高温以及坡度较大 行车安全问题引起的硬物冲击铺装 外伤 铺装层表面凹坑、划痕等 层表面而导致铺装层外伤 囊豢簿 鎏麟；| 1 参” 1 1 一 1 麟毫。娄j ( d ) 滑移病害 。一 1 j - j 量热 。 卜l ( e ) 外伤 图卜3 环氧沥青混凝土病害 环氧沥青混凝土铺装主要的病害形式是裂缝和鼓包，导致病害的原因主要是较为不利 的交通荷载条件、设计不当、原材料与混合料不满足要求以及施工质量控制不严、施工工 艺不完善等。随着施工技术与工艺水平的提高，在合理设计、精心施工并采取适当养护措 施的条件下，环氧沥青棍凝土铺装的病害可以得到有效地控制，从而提高铺装的使用性能。 1 4 钢桥面铺装质量要素 通过大量工程分析可以认为，钢桥面铺装研究是一项综合技术含量较高的工作，每一 个铺装工程的成功都必须做好基本条件分析、铺装材料和结构设计与试验、施工组织与工 艺以及工程质量控制等各方面的工作。东南大学桥面铺装课题组经过多年的研究和实践， 总结出1 3 条钢桥面铺装工程质量要素【1 2 】在此引用。 ( 1 ) 交通条件：( 2 ) 环境条件；( 3 ) 工程实施条件；( 4 ) 原材料及性能；( 5 ) 混合料 设计性能；( 6 ) 结构设计性能；( 7 ) 试验验证；( 8 ) 工艺水平；( 9 ) 设备条件；( 1 0 ) 施 工技术；( 1 1 ) 施工组织管理水平；( 1 2 ) 工程质量控制；( 1 3 ) 结构支撑条件。 以上质量要素既各自独立，又相互关联，缺一不可，已逐步引起各大型桥梁铺装工程 的高度关注。 1 5 本论文的研究内容、方法及技术路线 本文研究内容以金塘大桥钢桥面铺装设计研究项目为背景，考虑到目前国内使用的一 些桥面铺装技术( 密级配改性沥青、改性沥青s m a 、浇注式混凝土等) 或者在工程实践中 失败或者还未经历时间的考验，而环氧沥青混凝土先后在美国、加拿大和中国等国家使用