（道路与铁道工程专业论文）江阴大桥钢桥面铺装病害研究.pdf

摘要 摘要 桥面铺装是大跨径钢桥建设中的一个技术难点，其使用条件和使用要求都远 高于道路路面。目前国内大跨径正交异性钢桥正在不断的建设，但除少数外，大 部分桥梁的钢桥面铺装都出现了不同程度的破坏，因此全面系统的研究大跨径桥 梁钢桥面铺装的病害，对桥面铺装的设计和维修具有重要意义，也为桥面铺装养 护修复技术的研究提供了依据。 本文结合江阴大桥钢桥面铺装局部修复方案研究课题，首先广泛调研了国内 外钢桥面铺装材料、技术以及各类铺装发生病害的情况，对桥面铺装的病害类型 进行了划分。按照桥面铺装病害类型划分，对江阴大桥的钢桥面铺装进行了跟踪 调查，并且收集整理了与江阴大桥浇注式沥青混凝土铺装相关的设计研究与技术 资料，以及交通、轴载等检测资料，作为进一步分析研究的依据。 根据对江阴大桥钢桥面铺装的跟踪调查和检测结果，江阴大桥钢桥面铺装病 害主要包括裂缝、车辙、层间滑移和推挤，其中裂缝主要是疲劳裂缝。 其次，从钢桥面铺装使用条件出发，研究了江阴大桥裂缝产生的原因，并分 析了超载车辆对钢桥面铺装开裂的影响。然后结合有限元分析方法进一步论述裂 缝产生后，桥面铺装受力特性的变化。研究表明过桥车辆交通量大、超载严重是 导致江阴大桥钢桥面铺装疲劳开裂的主要原因。并且裂缝产生后桥面铺装的受力 状况更为不利，裂缝也有进一步扩展的趋势。 高温车辙是江阴大桥钢桥面铺装的另一类重要病害。本文通过对车辙试验数 据和现场车辙深度的对比研究，分析了江阴大桥车辙发展的阶段，并且结合了旅 工条件、使用条件对车辙的成因作了深入的讨论。 最后在研究江阴大桥钢桥面铺装的病害的基础上，提出了四种局部修复方 案。对这四种方案的室内试验和结构分析表明，6 0 r a m 双层环氧沥青混合料的铺 装方案综合性能最优，本研究初步推荐其为江阴大桥钢桥面铺装局部修复方案。 【关键词】江阴大桥病害浇注式沥青混凝土桥面铺装正交异性钢桥面板 钢箱梁有限元分析裂缝车辙 蔓堕查兰堡主兰些堡兰 a b s t r a c t d e c k p a v i n gi sat e c h n i c a lp r o b l e mi 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 t h ec o n d i t i o n s a n dr e q u i r e m e n t so f t h ea p p l i c a t i o no f s u r f a c i n ga r ef a rm o r es t r i n g e n tt h a nt h e s eo f o r d i n a r yr o a d p a v e m e n t s n o w m o r ea n dm o r el o n gs p a n b r i d g e s a r ec o n s t r u c t e di no u r c o w l t r y t h eo r t h o t r o p i c s t e e ld e c ki sg e n e r a l l ya p p l i e df o rt h el o n gs p a ns t e e lb r i d g e b u ta m o n gt h e s eo r t h o t r o p i cs t e e l b o xb r i d g e s ，m o s th a v ev a r i o u sd e c kp a v e m e n td e t e r i o r a t i o n s s o s y s t e m i c r e s e a r c ho fd e c k p a v e m e n t d e t e r i o r a t i o nw i l lb e n e f i t p a v i n gd e s i g na n dm a i n t e n a n c e ，a n d a l s op r o v i d e c u r i n gi n d e x f i r s t l y , b a s e do nr e p a i r i n gr e s e a r c h o fd c c kp a v e m e n to nj i a n gy i nb r i d g e t h i sd i s s e r t a t i o n i n v e s t i g a t e sd e c kp a v i n gi no u rc o u n t r ya n da b r o a d ，e s p e c i a l l yl o n gs p a ns t e e lb r i d g ep a v e m e n t t y p e sa n dd e t e r i o r a t i o n s ，t h e nc l a s s i f i e sp a v e m e n td e t e r i o r a t i o n s a c c o r d i n gt ot h i sc l a s s i f i c a t i o n ， i n v e s t i g a t i o n so f j i a n g y i n b r i d g ed e c kp a v e m e n t ，i n c l u d i n gp r e p a r a t i o nr e p o r t so n c o n s t r u c t i o no f g u s s a s p h a l ta n d t r a f f i ca x l el o a d sd a t a , a r em a d ef o r a n a l y s i s a c c o r d i n gt of o l l o w i n gi n v e s t i g a t i o n so fj i a n gy i nb r i d g ed e c kp a v e m e n t ，m a i nd e t e r i o r a t i o n s i n c l u d ec r a c k i n g ，r u t t i n g ，s h e a r i n g , a n dc r a c k i n g ，a r em o s t l yc a u s e db y f a t i g u e s e c o n d l y , a n a l y z e sc r a c k i n g c a u s e so ft h i s b r i d g e d e c k p a v e m e n ta n d o v e rl o a d i n gt t u c k s i n f l u e n c eo nc r a c k i n g f u r t h e r m o r e ，w i t ht h ef e a ( f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ) m e t h o d ，a n a l y z e st h e m e c h a n i c a lc h a n g e sb e t w e e nc r a c k i n gs t a t u sa n du n c r a c k i n gs t a t u s t h em s e a r c hs h o w st h a td e c k p a v e m e n t d e t e r i o r a t i o n so f j i a n gy mb r i d g ea r em a i n l yc a u s e db yh e a v yt r a f f i c ，o v e r l o a da n d l o w s p e e d t h er e s e a r c ha l s oi n d i c a t e st h a tp a v e m e n t m e c h a n i cs t a t ew i l lb ew o r s ew h e n c r a c k i n g ，a n d t h a tc r a c k sw i l le x t e n d t h i r d l y , a n a l y z e sr u t t i n gc a u s e sa n d t h es t a t e so f r u t t i n gd e v e l o p m e n t , u s i n gr u t t i n gt e s td a t aa n d d e c k p a v e m e n tr u t t i n gd e p t h b a s e do nt h er e s e a r c ha b o v e ，t h i sd i s s e r t a t i o np r o v i d e sf o u rr e p a i rs c h e m e sf o rj i a n gy i nb r i d g e i n c l u d i n gp a v i n gm a t e r i a la n dp a v i n gs t r u c t u r e w i t hl a b o r a t o r yt e s t s ，6 0 m m t h i c k ，t w o l a y e r s c h e m e o f e p o x ya s p h a l t c o n c r e t ei sb e s t ，s or e c o m m e n dt h i sf o rp a v e m e n tr e p a i r i n g k e y w o r d s j i a n gy i nb r i d g e d e t e r i o r a t i o n o r t h o t r u p i cs t e e l p l a t es t e e lb o xd e c k p a v i n gg u s s a s p h a l t f e a c r a c k i n gr u t t i n g 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已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签名：日期：型昕 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( 包括干0 登) 授权东南大学研 究生院办理。 签名导师签名：益；日 期：丛碰型：丝y 第一章概述 1 1 钢桥面铺装发展背景 第一章概述 随着我国经济的快速增长，作为基础工业之一的交通运输业也有了较大发展。近十几年 来，我国建设了许多大跨径桥梁。其中，正交异性钢桥面板体系由于其轻量化及经济性而得 到越来越多的应用。国内外的研究表明，加劲的钢箱梁是有效的主梁结构形式之一，就其强 度和重量而言，是一种较为理想的结构体系。钢箱梁抗扭刚度大，弯曲应力图合理，剪应力 小，因而特别适用于大跨径桥梁、平面弯桥和窄墩柱桥。目前国内已建的虎门大桥、海 沧大桥、江阴大桥、海沧大桥、宜昌长江大桥、南京长江二桥、军山太桥等都采用了钢箱梁 正交异性面板形式、在建的润扬长江公路大桥、苏通大桥、杭州湾大桥都将采用钢箱梁正交 异性面板形式。但是，正交异性钢桥面的铺装问题，不仅在国内没有很好的解决，在国际上 也一直是一个热点和难点。 钢桥面铺装直接铺设在正交异性钢板上，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面复杂，因而对其强度、稳定性、疲劳耐久性等 均有更高要求。同时，又由于铺装所处的特殊位置，在使用性能上又提出重量轻、高粘结性、 不透水性等特殊要求。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、桥梁耐久性以及投资效益和社会效益。因此，桥面铺装是大跨径钢桥建设 中的一项关键技术。 随着国内大跨径钢桥的不断建成，许多大桥桥面铺装出现了早期病害，这不仅给过往车 辆造成不便，影响桥梁的正常运营，同时也大大增加了维修的困难，因为一方面大跨径桥梁 往往是路网的枢纽，交通量大，难以疏导；另一方面沥青混凝土材料的摊铺又必须合适的气 候条件。目前我国已建成并投入使用的大跨径正交异性钢箱梁桥约有l o 座，投入运营时间 最长只有5 6 年，除少数几座桥梁桥面铺装的运营状况良好外，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面临第二次 大修的局面。钢桥面铺装的高温车辙、横向推挤、开裂等病害的出现不仅危及到高速行车的 安全，进而影响钢桥面板的使用寿命，同时也造成一定的社会影响。因此对大跨径钢桥面铺 装的病害分析以及寿命预测对桥面铺装的设计和维修具有十分重要的意义和使用价值，并为 桥面铺装养护修复技术的研究提供依据。 1 1 1 钢桥面铺装的主要类型与技术 在国外，大跨径钢粱斜拉桥、悬索桥的建设已有较长的历史，对桥面铺装技术的研究工 作开展得较早，许多国家都投入了大量的人力和物力，取得了许多丰富的经验。最早开展钢 桥面铺装研究和实践的国家是德国，随后法国、日本、美国等国家也相继开展了这方面的工 作，少数国家( 如德国、日本等) 还制定了相应的技术规范。 世界各国的钢桥面铺装基本上均采用沥青混凝土体系。它具有良好的行驶性能，重量轻， 适合于发展大跨径桥梁。从选用的材料和施工方法角度出发，目前国外桥面铺装方案主要有 以下四大类：以德国、日本为代表的高温拌合浇注式沥青混凝土( g u s s a s p h a l t ) 方案； 以英国为代表的碾压式沥青玛蹄脂混凝土( m a s t i c p h a l t ) 方案( 实际上也是浇注式沥青混 凝土，只是铺装厚度和工艺与日本有所不同) ；德国和日本等国近期采用的改性沥青s m a 方案( s t o n em a s t i ca s p h a l t ) ； 以美国为代表的环氧树脂沥青( e p o x y p h a l t ) 混凝土方 案1 3 1 东南大学硕士学位论文 高温拌合浇注式沥青混凝土铺装层和碾压式沥青玛蹄脂混凝土铺装层的主要优点是：空 隙率接近零，具有优良的防水、抗老化性能，无需防水层；抗裂性能强，对钢板的追从性、 与钢板间的粘结性能优于一般沥青混凝土。其主要缺点是：高温稳定性差，易形成车辙。对 气候和钢桥面清洁度要求苛刻，施工期长。一般只适用于夏季温度不太高的国家和地区如 德国、英国等一些欧洲国家和日本。而在热带和亚热带夏季气温高且持续时间长的地区，它 们的适用性有待进一步验证。 沥青玛蹄脂混凝土和浇注式沥青混凝土都采用了特立尼达湖沥青( t r i n i d a dl a k e a s p h a l t ) 。沥青玛蹄脂中的湖沥青含量一般为7 0 ，而浇注式沥青中的湖沥青含量一般为 3 0 。两种铺装体系相比，碾压式沥青玛蹄脂混凝土铺装层的厚度薄，重量轻；沥青玛蹄脂 不但可以现场生产，而且可以加工成固体块状以便储存和运输。到现场后再加热使用。 改性沥青s m a 混凝土铺装层的主要优点是：柔韧性、抗松散、抗裂能力强：具有良好 的耐久性和防水性能；抗塑流和永久变形的能力强，不易产生车辙：具有粗糙的表面构造， 防滑性能好；施工要求低，施工期短，费用较低；其主要缺点是：锚装层较厚( 大于6 0 毫 米) ，保质年限短。 环氧树脂沥青混凝土铺装层主要优点是：强度高；高温时抗塑流和永久变形能力很强， 低温抗裂性能很好；具有极好的抗疲劳性能；具有高度的抵抗化学物质侵蚀的能力，包括溶 剂、燃料和油。主要缺点是：环氧沥青混凝土的配制工艺比较复杂，施工中对时间和温度要 求十分严格，施工难度大；材料费用较高；相关技术资料在国外多属专利产品。 1 1 1 1 浇注式沥青混凝土 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 。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 m m 之间，表1 - 1 中 列出了日本修建的部分钢桥的桥面铺装厚度。 表1 - 1 日本几座钢桥的桥面铺装厚度 铺装厚度( ) 桥名 建成年份 上面层下面层 总厚度 尾道大桥1 9 6 73 03 56 5 广岛大桥 1 9 7 33 54 0 7 5 幌向川桥1 9 8 3 4 0 4 08 0 名港西大桥 1 9 8 43 54 07 5 第2 寝屋川桥 1 9 8 64 04 08 0 利根川桥 1 9 8 74 04 08 0 横滨湾大桥 1 9 8 94 04 08 0 2 第一章概述 明石海峡大桥 1 9 9 8 4 0 3 57 5 多多罗大桥1 9 9 93 5 3 06 5 来岛大桥1 9 9 93 5 3 06 5 日本采用的浇注式沥青混凝土桥面铺装的典型结构如图1 1 所示。 改性沥青密级配混凝土( 3 0 4 0 m 0 日莎口飞叼r r 既飓 浇注武沥青混凝土( 3 0 4 0 咖) 预拌沥青碎石 _ _ 。_ 卜 _ _ ：j - _ 薯= = = - _ j 匾拉j 0 l 0 磐i 上一 橡胶沥青粘层( 1 5 4 0 m ) 防锈层( 6 0 8 0um ) 图】- 】浇注式沥青混凝土桥面铺装的典型结构 粘结层一般采用溶剂型橡胶沥青乳剂。浇注式沥青混凝土中的结合料由直馏沥青( s t a s ) 和特立尼达湖沥青( t l a ) 掺配而成。直馏沥青的针入度过去采用4 0 6 0 或6 0 1 8 0 ，现在一 般采用2 0 4 0 。t l a 的掺配含量一般为2 5 - , 3 0 。 浇注式沥青混凝土典型的集料级配如表1 - 2 所示。 表1 2 浇注式沥青混凝土集料级配范围 筛孔尺寸( r a m )透过质量百分率( ) 1 91 0 0 1 329 5 - 1 0 0 47 56 5 - 8 5 23 64 5 , 6 2 o 63 5 5 0 0 3 2 8 4 2 0 1 52 5 旬4 0 0 7 5 2 0 2 7 1 3 。 结合料的含量通过流动性试验、贯入量试验、车辙试验和低温弯曲试验来确定如表 东南大学硕士学位论文 指标 标准值 流动性试验，刘埃尔流动性( 2 4 0 ) ( s ) 3 0 0 ( 次，毫米) 弯曲试验，破坏应变( - 1 0 ，5 0 m 枷n ) o 0 0 8 其配台比设计流程类似于马歇尔试验，即制备不同沥青用量的试件( 沥青用量在 7 0 o - 1 0 间变化) ，分别进行表1 3 中的各项试验，画出沥青用量与各指标值之间的曲线图， 找出满足各项指标标准的沥青用量范围，取其中值o 5 为设计沥青用量。 为增强铺装层耐流动性和上下层间的结合，在下层浇注式沥青混凝土之上经常撒布一层 预拌沥青的碎石，一般采用5 号碎石( 2 0 1 3 r a m ) 。 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，桥面上减留的 水分和油分接触施工时高温后气化并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。参考文献表明，出现直径2 0 c m ，高2 c m 的半球面状气泡，所需水 量仅为0 0 5 9 。所以在艚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。 1 1 1 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，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 m m 5 0 m m 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 防水和磨耗性能，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1 - 4 列出了世界上采用该方案的部分钢桥的铺装厚度。 表1 - 4 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 13 8 香港青马大桥1 9 9 7 4 0 江阴长江公路大桥 1 9 9 95 0 碾压式沥青玛蹄脂混凝土桥面铺装典型结构如图1 - 2 所示。 4 第一章概述 研口司。乇h k 拳， 沥青玛蹄脂混凝二l 3 0 4 0 m m ) 预拌沥青碎石 三兰三三三耄嚣簇喜嘎黜 铟拉【1z = 1 衄) 防锈层6 0 。8 0 量o m m ) 0 m ) “m j 图1 - 2 碾压式沥青马蹄腊混凝土桥面铺装典型结构 橡胶沥青底层混合物由2 5 2 9 的纯沥青、7 0 7 4 石灰石矿粉和1 2 的橡胶 粉组成。可以在工厂中预制好后以块状形式运抵工地，再重新熔化后使用。橡胶沥青底层的 铺设温度控制在1 7 0 2 1 0 c 。在铺设橡胶沥青底层之前，还须涂敷一层粘结底层，一般 为可溶性橡胶沥青。涂敷率为0 2 2 l m 2 。 沥青玛蹄脂由沥青、特立尼达湖沥青和优质石灰石细集料混合而成，它既可现场生产， 也可在工厂预制。在摊铺之前，沥青玛蹄脂在搅拌机中的温度保持在2 0 0 2 3 0 c 范围内。 同时向搅拌机中加入占混合料总重4 5 的优质砂砾( 公称粒径为1 0 r a m ) 。砂砾应洁净呈立 方体状，且有6 0 7 0 集料的粒径大于6 3 m m 。所得到的沥青马蹄脂混合料在2 0 0 2 3 0 下具有流动性，因此在摊铺机将其倾倒在钢桥面上时，只需用整平板将混合料刮平，而不 必用压路机碾压。 由于沥青马蹄腊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其表面压实使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。 1 1 _ 1 3 改性沥青s m a 混凝土 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 o ) 。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。s m a 集料典型级配如表1 - 5 所示。 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 生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。丑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) 。 5 东南大学硕士学位论文 表1 - 5s m a 集料典型级配范围 筛孔尺寸( m m )通过质量百分率( ) 1 91 0 0 1 329 5 1 0 0 9 5 7 5 - 8 5 47 53 0 - 5 0 2 _ 3 6 2 0 3 5 0 61 5 2 5 0 3 1 1 ，2 2 01 58 1 8 0 0 7 5 7 1 5 改性沥青s m a 混凝土桥面铺装的典型结构如图l _ 3 所示。 改性沥青s m a l ( 3 0 4 0 m ) 三；一乳化橡肢沥青粘层( 0 5 2 o m m ) 乳化橡胶沥青粘层0 5 2 0 m m ) 防锈层( 6 0 8 0 神 图1 3 改性沥青s m - * 。混凝土桥面铺装的典型结构 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 2 应采用较小的级配，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，s m a 2 的模量应大于s m a l 。 1 1 1 4 环氧树脂沥青混凝土 环氧树脂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。美国和日本还编写了相应的环氧沥青桥面铺装规范。表1 - 6 列出了 世界上部分采用环氧沥青混凝土铺装的正交异性钢板桥。 6 第一章概述 表1 - 6 采用环氧沥青混凝土铺装的正交异性钢板桥 桥名 摊铺年份 铺装厚度( m m ) 美国s a n m a t e o 桥1 9 6 75 0 美国s a n d i e g o 桥 1 9 6 95 0 美国l o n g b e a c h 桥 1 9 7 0 5 0 美国f r e m o n ts t 桥1 9 7 35 0 巴西r i od ej a n v t i o 桥1 9 7 45 0 澳太利亚w e s t g a t e 桥 1 9 7 65 0 美国l u l i n g 桥 1 9 8 45 7 中国台北k u a n d u 桥 1 9 8 35 0 美国g o l d e n g a t e 桥 1 9 8 65 0 加拿大l i o n g a t e 桥 1 9 7 53 5 荷兰b a g e s t e i n 桥 1 9 8 0 不详 环氧沥青混凝土桥面铺装的典型结构如图1 - 4 所示。 环氧沥青渑凝土( 2 5 m 9 三三一环氧沥青粘结层( 0 3 0 6 l m ) 环氯沥青牯结层0 5 一o 7 l m 2 ) 防锖层( 6 0 8 0 p m ) 图1 4 环氧沥青混凝土桥面铺装的典型结构 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o 5 。另外也有人将混合料拌和的和易性作为环氧沥青混凝士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。铺装产生病害的桥包括： 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； 巴西的一座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； 台北的k u a nd u 桥。严重的超载现象是导致铺装产生病害的主要原因之一； 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“1 ； 澳大利亚西门桥。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。 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。 7 东南大学硕士学位论文 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，而曾经摊铺过的环氧沥青桥面铺装又都未成功， 日本并不十分支持使用该种材料进行桥面铺装1 3 1 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。 以上主要从材料角度谈了四种不同的钢桥面铺装类型。事实上高温拌和浇注式沥青混凝 土和碾压式沥青玛蹄脂混凝土是一类，只是铺装厚度和工艺与日本有所不同，因此下文统一 称为浇注式沥青混凝土。 1 2 国内外桥面铺装病害 目前国内外桥面铺装技术尚不成熟，主要借鉴路面设计方法，没有一套完整的理论和设 计方法。因此，各种病害均有发生。国外的桥面铺装状况病害相对较少，而且主要是设计或 施工不当而产生的。而国内由于桥面铺装技术起步较晚，病害相对较多。主要原因除了设计 施工不当外，还有严重的超载车辆以及严酷的气候条件等因素，特别是特大跨径钢箱梁桥， 多数桥梁桥面铺装产生了病害，图1 5 所示的是国内两座大跨径悬索桥桥面铺装的病害状 况。随着研究的不断深入，国内部分学者认为，桥面铺装的病害除了使用条件、设计水平等 因素外，于桥梁结构和主梁形式密切相关。表1 7 列出了世界上部分桥梁钢箱梁悬索桥主梁 结构形式，表1 8 是部分桥梁桥面铺装病害情况。 图1 - 5 国内两座钢箱梁悬索桥破坏情况。 8 一一 蔓二兰塑垄 桥絮加劲粱参数 竣工 桥粱名称主跨 高度宽度 纵肋间楫隔板间 年代 纵肋m m m，m ，m距m m 距i n 恒文伯桥( 英)1 9 8 l1 4 1 0452 20u6 0 842 2 5 u 2 8 0 6 缸阴长江大桥( 中) 1 9 9 91 3 8 53 03 6 93 0 0 32 0 3 0 0 翟加库斯藤桥( 瑞地)1 9 9 81 2 1 0 u 6 40 0 博普斯i i 桥( 土)1 9 8 81 0 9 03o3 38 u 6 1 044 8 u 2 5 5 6 博普斯i 桥( 土) 1 9 7 31 0 7 4302 8o6 1 844 7 5 3 1 8 u 2 2 9 6 0 赛文桥( 英) 】9 6 69 8 7630 52 28 56 1 0 45 7 5 3 0 5 宜昌长江大桥( 中j 2 0 0 l 9 6 0 3o3 00 u 6 5 2 040 2 u 2 6 0 x 8 虎门大桥( 中) 1 9 9 78 8 83 o3 366 2 040 0 3 2 0 u 2 8 0 6 厦门海沧大桥( 中)2 0 0 06 4 8 302 88 3 鹅公岩大桥( 中)i 9 9 96 0 030 u 6 33 0 u 2 5 0 6 小贝尔特桥( 丹) 1 9 7 06 0 030 52 8 l6 0 030 0 3 2 0 u 2 6 0 6 大岛大桥( 日)1 9 8 75 6 0 2 2 2 3 ，76 2 04 0 0 3 2 0 南海大桥( 韩) 1 9 7 34 0 4161 2 0 u 6 0 0 4 1 6 表1 - 8 部分桥梁桥面铺装破坏情况 建成 桥辩名称桥型主粱类型铺装类型破损现象 年代 江阴长扛大桥悬索桥铜箱粱1 9 9 95 0 m m 浇注式沥青棍凝土裂缝、车辙 广东虎门人桥 悬素桥钢箱粱1 9 9 ?6 0 m m 厚单层改性8 m a层问开裂、车辙 厦门海沧太桥悬索桥钢箱粱2 0 ) 06 5 m m 厚双层改性s m a局部车辙、裂缝 ( 加) 狮门桥悬索桥翎箱翼1 9 7 85 0 r a m 环氧沥青混台抖层间滑移 澳) 西门桥桁架桥钢箱粱 1 9 7 8 5 0 m m 环氧沥青混合料粘结层脱层 ( 美) h a l e b o g g s 桥 斜拉桥钢箱集 1 9 8 3 5 0 m m 环氧沥青混合料车辙、层问滑移、裂缝 r 香港) 青马大桥悬索桥钢桁架粱 1 9 9 7 5 0 r a m 浇注式沥青混凝士局部粘结层脱层 由袁1 8 可见，悬索桥桥面铺装破坏所占比例较大而且主要是钢箱梁桥。 9 东南大学硕士学位论文 1 3 钢桥面铺装病害分类 目前钢桥面铺装病害分类主要参照沥青路面。美国联邦公路管理局沥青路面的病害分类 如下“： ( 1 ) 荷载引起的裂缝胀起 疲劳裂缝沉陷 铺装端部裂缝隆起 坑洞路肩塌陷 ( 2 ) 非荷载引起的裂缝：( 4 ) 有关材料的表面缺欠 纵缝泛油 横缝磨光 网状裂缝剥落 行车道与路肩接缝的开裂老化 伸缩缝、反射缝( 5 ) 维护 ( 3 ) 变形薄层修补 车辙局部补坑 磨损 裂缝处理 美国s i - i r p 研究计划沥青路面破坏类型如下“1 ( 1 ) 裂缝 疲劳裂缝 网状裂缝 路面端部裂缝 纵缝 反射裂缝 横缝 ( 2 ) 路面坑槽与修补 坑槽 修补 ( 3 ) 表面变形 车辙 胀起 ( 4 ) 表面缺陷 泛油 磨光 剥落和老化 ( 5 ) 其它破坏 路肩的破坏 与路肩接缝处开裂 渗水与翻浆 1 0 第一章概述 日本对桥面铺装的研究开展较早，对其病害分类如下“1 车辙 裂缝 纵向凹凸 错台 坑洞 抗滑性 滑移 气泡 接缝开裂 国内有学者研究的结果认为桥面铺装主要病害有以下几个2 疗i i i 1 6 1 ( 1 ) 纵、横向开裂 汽车荷载过重( 例如严重超载) 引起铺装表面拉应变过大。 因桥梁结构特别是桥面系结构刚度不足( 例如桥面板太薄、纵横向加劲间距过大等) ， 引起铺装表面拉应变过大。 因铺装材料耐疲劳性能不足。 ( 2 ) 车辙 铺装热稳定性不足，在汽车反复荷载作用下，因混合料蠕变形成永久变形积累。 地区温度过高，长年高温季节过长及封闭式箱梁内部温度较高等引起铺装温度过高- 汽车荷载过重( 超载) 。 ( 3 ) 脱层及推移 铺装与钢板间结合强度不足，在高温下抗剪切推移变形能力不足。 钢板表面不平整及桥面系结构刚度较低( 同时铺装与钢板间结合强度不足) ，在行车 振动荷载下引起脱层，进而产生推移及斜向开裂。 铺装整体抗拉强度不足，在产生推移时形成斜向开裂。 ( 4 ) 坑槽 沥青砼抗水损害能力不足。 铺装与桥面板间结合力不足及结合界面结合材料抗水损害能力不足。 沥青砼空隙率较大。 ( 5 ) 其他破坏 在伸缩缝与铺装结合部，在长期行车荷载作用下形成段差。 因行车磨耗作用及使用集料抗磨光功能不足而引起铺装抗滑性能不足。 浇注式沥青砼铺装施工中产生的气泡( 鼓包) 等破坏。 在加劲肋之上出现平行裂缝和铺装层位移a 本章根据上述标准结合江阴大桥实际破坏情况，将桥面铺装的主要病害划分如下： 裂缝 车辙 拥包 坑槽 层间滑移和推挤( 包括粘结层) 鼓包 局部补坑引起的破坏 老化 其他 东南大学硕士学位论文 第二章江阴大桥钢桥面铺装现状调查 东南大学钢桥面铺装课题组自2 0 0 2 年1 0 月开始实施江阴大桥钢桥面铺装局部修复方 案的室内试验研究与力学分析验证工作，并且在2 0 0 2 年1 1 月至2 0 0 3 年4 月对大桥钢桥面 铺装的使用状况进行了四次跟踪调查。与此同时课题组收集并整理了与江阴大桥浇注式沥青 混凝土铺装相关的设计研究与施工技术资料，以及自大桥运营以来的交通、轴载与铺装温度 等测试资料。2 0 0 3 年4 月，课题组从江阴大桥铺装维修现场取回了部分试样，在室内测试 了该试样与钢板的粘结性能与抗疲劳能力。基于现场调查与试验检测数据的钢桥面铺装现状 评估工作于2 0 0 3 年5 月初完成。江阴大桥钢桥面铺装的病害主要包括裂缝、车辙、层问滑 移和推挤，其中裂缝主要是疲劳裂缝。并且这些病害随着使用期而进一步发展。通过江阴大 桥钢桥面铺装的现场调查包括建设期的设计参数和施工记录，可以对江阴大桥桥面铺装的使 用情况进行分析和评价，并为进一步研究病害原因及影响大小提供基础资料。 2 1 江阴大桥钢桥面铺装概述 江阴大桥全长1 3 8 5 米，在目前已建成的大跨径钢悬索桥中，居国内第一、世界第四， 它也是连接京沪、同三国道主干线的重要过江通道。江阴大桥钢桥面采用浇注式沥青混凝土 铺装，行车道部分的铺装设计厚度为4 7 m m ，表面压入最大粒径不超过1 4 m m 的红砂岩。铺 装与钢桥面板之间设置3 r a m 的橡胶沥青防水层，其下为薄层溶剂型粘结剂。江阴大桥钢桥 面铺装结构如见图2 1 所示。江阴大桥浇注式沥青混凝土铺装技术从英国引进，由英国k c b 公司总承包施工。铺装施工自1 9 9 9 年5 月8 日起开始实施，至当年8 月3 1 日结束，施工验 收质量优良。江阴大桥建设工程获得了2 0 0 2 年度中国建筑工程鲁班奖和世界桥梁最高奖一 尤金菲格尔奖。 图2 - 1 江阴大桥钢桥面铺装结构示意图 江阴大桥于1 9 9 9 年9 月2 8 日通车。通车后不久，于2 0 0 0 年入夏后高温季节，在大桥 西侧( 靖江江阴方向) 由北向南重车道上坡路段，沥青面层出现明显塑性变形，深度5 m m 至8 m m ，长度2 0 0 m 左右，有形成车辙的趋势。于2 0 0 0 年年底春运期间及开春之后，又发 现在同一路段，即大桥西侧由北向南的重车道上坡路段，沥青面层出现纵向裂缝和少量横向 裂缝。纵缝长度0 , 5 l m 、1 - 2 m 不等，位置一般在辙槽中间，裂缝宽度1 - 3 r a m 。横缝长度 咖 加! 第二章江阴大桥铜桥面铺装现状调查 2 0 3 0 c m ，位于两条纵缝之间，横隔粱顶部。主粱跨中慢车道轮迹带上方部分横隔板顶铺 装层即出现少量裂缝。至2 0 0 1 年夏季，裂缝发展已较为严重，但裂缝宽度较小，铺装层仍 能维持正常的使用。2 0 0 2 年年底，主梁部分梁段的钢桥面铺装开始出现加速破坏的迹象， 裂缝长度与宽度均增长较快，部分横向裂缝已贯穿慢车道并向行车道与超车道延伸，纵向裂 缝已由两条平行的裂缝发展成为鱼骨形状，并且局部新维修的铺装层也在短时间内迅速破 坏。至2 0 0 3 年3 月，江阴大桥共经历了太大小小的日常维修养护计1 2 次，铺装维修面积接 近3 0 0 0 m 2 。 自2 0 0 3 年开春以来，江阴大桥靖江一江阴段外侧两幅行车道迅速出现大面积结构性破 坏，铺装的开裂、碎块、推挤、脱胶等现象十分严重，水分已直接进入铺装层底部。在行车 荷载的冲击下，已脱胶的沥青混凝土碎块不断拍打钢桥面板，导致部分碎块下面的钢桥面板 防腐涂装遭到损坏，钢板表面出现明显的暗红色锈斑。江阴大桥江阴靖江段的钢桥面铺装 使用状况比对向行车道的状况要好，但也存在比较严重的开裂、车辙等问题，并且局部梁段 的铺装层也出现了面积较大的结构性破坏。江阴大桥钢桥面铺装这种大面积结构性破坏的严 重程度与发展速度远超出了课题组的预计，给大桥的管理与钢桥面铺装局部修复方案带来了 新的问题。 为防止已脱胶的沥青碎块对钢桥面板防腐涂装造成进一步的破坏，同时保护未破坏的铺 装层，扬子大桥股份公司于2 0 0 3 年4 月再次组织有关工程单位对钢桥面铺装进行维修。本 次维修所采取的措施为：先清除已发生结构性破坏的铺装层，然后按“涂布b o s t i c 防水 层涂布橡胶沥青粘结层一铺筑浇注式沥青混合料”的顺序进行修复，其中浇注式沥青混合 料铺装与原有铺装层的材料组成基本相同。与此同时，扬子公司报请省政府批准在大桥两端 的入口处设置相应的超载控制措施，这些措施对延缓钢桥面铺装的迸一步破坏具有积极作 用。但由于本次维修仍采用挖补修复的方式，修复面积有限，并且修复材料组成与原有铺装 材料基本相同，对铺装层中已有的病害根治不彻底，因此钢桥面铺装的病害仍继续发展，扬 子公司于2 0 0 3 年7 月开始对江阴大桥钢桥面铺装进行全面修复。 2 2 钢桥面铺装使用状况调查 江阴大桥通车不久，东南大学就会同江阴大桥桥面施工承包商香港安达臣沥青有限公 司，对桥面铺装状况进行调查分析和取样。 自江阴大桥桥面铺装维修方案研究课题启动以来，课题组先后于2 0 0 2 年1 1 月、2 0 0 3 年1 月、2 0 0 3 年3 月、