uAAA10穆祥纯城市桥梁桥面水技术的创新发展

1、论基于创新理念的城市桥梁论基于创新理念的城市桥梁桥面防水技术桥面防水技术北京市市政工程设计研究总院北京市市政工程设计研究总院穆祥纯穆祥纯 副院长副院长 教授级高工教授级高工2012年8月 天津2012城市道桥与防洪第六届编辑委员会第四次会议暨全国城市道路与桥梁技术情报网成员单位会议摘要摘要 摘要摘要 本文从基于创新理念出发，论述了21世纪的前十年中，我国城市桥梁建设领域在城市桥梁桥面防水技术的科技研发、工程实践和创新发展的相关情况，并对该领域的发展前景作出了展望，以期进一步引起人们对该领域的高度关注，以推动我国向世界桥梁建设强国的目标迈进。 引言引言 20世纪80年代以来，城市建设蓬勃发展，建

2、设了一大批城市桥梁，经过一段时间的运营和维护，人们对城市桥梁桥面防水技术的研究提上议事日程。 问题城市桥梁桥面漏水对桥梁结构腐蚀十分严重，直接影响桥梁的正常使用寿命，并威胁到城市桥梁的安全，业内对城市桥梁桥面防水工程缺乏统一认识。 国内许多设计科研单位都在积极开展城市桥梁桥面防水技术的研究，但相当长时间内，缺少相关的设计规范和技术规程。引引 言言 主编单位：北京市市政工程设计研究总院 该技术规程的正式颁布执行，系我国城市桥梁防水技术的一个显著进步和创新发展，也使今后城市桥梁桥面防水工程有章可循，将促进我国城市桥梁建设的健康发展。进入21世纪以来，对此问题的研发有了突破性进展。主要内容主要内容2

3、 设计理念上的创新和技术路线3工程实践上的创新发展4提出城市桥梁桥面防水的对策 2344发展沿革展望和结语15西方国家西方国家 西方国家对桥梁防水问题历来十分重视，均有相关的规范和技术规程。明确规定城市和公路桥梁必须设置桥面防水层，并从结构类型、面层材料、防水技术、施工方法、设计年限、使用性能、维修费用等做了详尽的规定。西方国家西方国家 丹麦 美国 原始防水层50年代 桥面防水层广泛应用上世纪20年代60-80年代英国（1965年），强制在钢筋混土桥设置防水层德国，冷底子油铺沥青卷材塑性改性沥青卷材 （6070年代） （80年代）丹麦、法国等大多数欧洲国家，美国加拿大，半数省州制定相应标准规范

4、（70年代中后期）我我 国国 与国外相比，我国对混凝土桥面防水研究相对滞后，桥面防水层设置不很明确。 1961版公路桥涵设计规范：1041条“ 钢筋混凝土桥的桥面上应否设置防水层和设置哪一种防水层（防水混凝土、粉粒式或中粒式沥青混凝土铺装、沥青贴式防水层），应根据桥梁结构类型跨径大小、当地气候条件和设置的必要性等具体情况而定。” 1974版公路桥涵设计规范：1.33条“钢筋混凝土桥面与铺装之间是否应设防水层，应视当地气温、雨量、桥梁结构和桥面铺装的型式结合当地具体情况而定。简支梁桥可采用与桥面一次浇注的防水性水泥混凝土铺装层。在沥青混凝土铺装层下可不设防水层。桥面在主梁受负弯矩作用处应设置防水

5、层。” 我我 国国 上世纪80年代，我国的城市和公路桥梁相关技术规范中对桥梁桥面防水的要求，也只是提及一般采用桥面柔性铺装防水系统，其防水材料和施工工艺主要参照建筑屋面及地下工程等，尚未形成一套适合于评价和选用桥梁桥面柔性铺装防水材料的试验手段和性能指标。 譬如：1989版公路桥涵设计规范1.7.4条规定“钢筋混凝土桥面板与铺装层之间是否要设置防水层，应视当地的气温、雨量、桥梁结构和桥面铺装的型式等具体情况确定。防水性水泥混凝土和沥青混凝土铺装层下可不设防水层，但桥面在主梁受负弯矩作用处应设置防水层。”而防水层主要采用阳离子乳化沥青的三油二布涂料、沥青油毛毡等材料。 我国我国不良影响： 由于我

6、国大多数城市桥梁不做防水或防水不利造成桥梁出现桥面渗水、钢筋锈蚀、铺装层剥落、碱骨料反应、钢筋锈蚀而引起的混凝土胀裂等严重损坏问题，严重影响了桥梁的耐久性和正常使用寿命，以及行车的舒适性和安全性.建国门立交桥面防水层受损建国门立交桥面防水层受损我我 国国 近二十年， 随着我国城市桥梁的大规模发展，逐渐从单纯的屋面建筑防水材料发展到道桥运用的防水材料。防水卷材和防水涂料已经成为我国城市桥梁桥面防水层的主要材料。 北京首都机场，app改性沥青聚脂防水卷材，耐高温，抗老化，抗硌破的优良性能并经过试验研究和施工后的破损试验，发展成一种特有的“道桥专用防水卷材”。 北京三环、四环和五环等城市立交桥梁中应

7、用道桥专用防水卷材，其它省市也借鉴此做法。 相应聚合物改性沥青涂料也因其具有优良的耐热、耐腐、较好的粘贴性能，在南方地区广泛采用，如上海南浦大桥。我国我国笔者2002年在全国桥梁学术大会论文中针对桥梁防水方面存在的问题提出四点建议：亟需制定我国城市桥梁防水工程设计规范 改进我国桥梁防水结构设计重视桥梁结构耐久性研究 重视桥梁结构防水材料的研究 我国我国 在国内专家、学者的呼吁和努力下，我国桥梁设计规范 (2004版公路桥梁设计通用规范jtg d60-2004 3.6.2条) 明确规定，”桥面铺装应设防水层。” 2004年城市桥梁桥面防水工程技术规程正式立项，该技术规程将开始编制，将包括“设计、

8、施工、检测”等内容。 自此关于是否设置城市桥梁桥面防水的争论划上一个句号，标志着我国该领域的技术发展迈向一个新的高度。主要内容主要内容2 设计理念上的创新和技术路线3工程实践上的创新发展4提出城市桥梁桥面防水的对策 2344发展沿革展望和结语15设计理念和技术路线设计理念和技术路线 2008版城市桥梁设计通用规范 规定 “桥面铺装应设防水层。” 里程碑意义 2010版城市桥梁桥面防水工程技术规程 全面反映和吸收了近些年来我国城市桥梁桥面防水技术在设计理念、以及在防水技术和防水材料方面的科技研发和工程实践的创新成果。 明确了设置桥面防水层的原则；揭示了城市桥梁桥台防水的特点，以及规程适用的范围；

9、规定了防水等级的划分。 对城市桥梁防水层材料选定作出了基本规定，明确了防水层的适用范围；并诠释了桥面防水应树立城市桥梁桥面防水系一个“系统”工程的理念。设计理念和技术路线设计理念和技术路线1. 水对钢筋和混凝土的腐蚀：水渗入混凝土裂缝后，由于水中含有大城市空气中的二氧化碳、二氧化硫，此类酸性化合物加速了碳化、酸化的过程，更由于北方化冰盐氯离子作用，引起钢筋表面的腐蚀反应，钢筋体积膨胀，导致混凝土开裂，保护层剥离，影响结构安全性和适用性。2. 混凝土冻融循环破坏：水进入混凝土微孔中，正负温度交替作用，形成反复的冰胀压力，致使混凝土疲劳破坏，影响寿命。对于非冰冻地区，干湿交替水的作用，潮湿时水化物

10、进入混凝土孔隙中生成的盐类溶液，当环境变干燥后浓度不断增加，最后饱和结晶产生晶体压力使混凝土破坏。3. 混凝土碱骨料反应：混凝土“癌症”，由于水的存在，再加上混凝土中的碱含量和活性骨料。三者既是这种“癌症”的必要条件又是充分条件，生成硅钙胶凝体后，因吸收水分使混凝土异常膨胀，破坏成粉末，无法修补。 规程编制组调研发现，上世纪5070年代建造的桥梁，70的城市桥梁在使用期20-30年时就成为危桥，而且有水的部位损坏十分严重。“水”是影响桥梁耐久性的主要因素。防水层损坏案例分析防水层损坏案例分析 2002年二环路改造，对全线46座桥梁进行普查、检测，这些上世纪8090年代修建的桥梁，最长服务年限仅

11、23年。大部分出现了桥面破损、凹凸不平、排水不畅、栏杆隔离带的混凝土剥落等病害。 由于排水口和伸缩缝的破坏，水流渗透了附近的盖梁墩柱，梁端混凝土遭到破坏，主梁大多数出现水迹和石灰质冻结覆盖物北京市二环路立交桥梁国内桥梁防水层损坏案例分析防水层损坏案例分析统计表明： 43% 主梁检测混凝土开裂超过0.2-0.3mm的 20座 13% 钢筋中度锈蚀的6座 5% 钢筋严重锈蚀，主梁开裂变形建议更换的2座北京市二环路立交桥梁防水层损坏案例分析防水层损坏案例分析 1980年修建，1999年改建，不到20年使用期 经检测存在问题： 上部结构：主梁漏水出现白斑，主横梁交叉开裂严重，伸缩缝漏水牛腿酥裂 下部结

12、构：墩顶竖向裂缝，根部融雪侵蚀，横向裂缝 损坏等级：评定iii级，承载力旧桥折算系数0.85 结论：整体上不能长期使用北方城市某立交桥梁 1防水层损坏案例分析防水层损坏案例分析防水层损坏案例分析防水层损坏案例分析 1984年修建，1998年改建，14年使用期 经检测存在问题： 上部结构：钢筋锈蚀、漏水，高强螺栓及垫圈生锈，削弱连接强度 下部结构：盖梁出现病态，表面腐蚀，水流经过之处，混凝土沿钢筋纵向出现裂缝，宽度0.2-2mm，表面白色沉积外漏，碳化深度23-30mm,含碱量5.2-14.6，超过2-3倍 以上现象是由于盐水腐蚀和北方寒冷地区冻融所致 结论：拆除重建北方城市某立交桥梁 2防水层

13、损坏案例分析防水层损坏案例分析防水层损坏案例分析防水层损坏案例分析 德国总结了由于人为和自然界的7种原因造成破坏，引起桥梁的修建和翻修 设计和修复的费用达到1：10 为了提高桥梁耐久性，德国人的经验是必须堵截水源，桥面“防水”、“排水”工程是重要的技术内容国外桥梁防水层损坏案例分析防水层损坏案例分析 因此德国ztv-bel-b和din工业标准，针对不同的路面材料和桥梁基面，规定可以采用特殊专用的sbs(适合铺设温度为150-160的沥青混凝土或沥青玛筛脂碎石混合料)，或app(适合铺设温度240-250的沥青粗集料路面材料)卷材辅以环氧树脂基层处理剂(钢结构和混凝土结构的基层处理材料略有不同)

14、。德国联邦政府对桥面防水的严格控制，对生产企业的特许制等措施，保证了桥面防水质量的可靠性和耐久性。 德国采用热熔法施工沥青卷材防水层 主要内容主要内容2 设计理念上的创新和技术路线3工程实践上的创新发展4提出城市桥梁桥面防水的对策 2344发展沿革展望和结语15新问题新问题桥面防水工程出现的新问题：桥面防水工程出现的新问题： （1）防水卷材“错动”， 防水涂料桥面沥青铺装“酥裂” 2000年5月，首都国际机场的航站楼2号桥拐弯道处，桥面沥青铺装出现多道严重的垂直裂缝。 2002年8月，北京西四环，复兴路，紫竹院，丰台高架桥等处出现局部桥面铺装开裂，防水层错动，开裂位置都在重车道（外侧），或桥面

15、下坡处，时间在高温、雨季前后。 2003年5月，施工完不到一年的北京六环路，多座桥面发生裂缝，其规律、情况和北京四环路出现的问题相似。新问题新问题桥面出现裂缝桥面出现裂缝新问题新问题原因分析 外因： 水平荷载较大，超载下坡区 内因： 施工：混凝土基面平整度、粗糙度、干燥度、粘结度都很差，卷材按头铺设方法不对，抢工期、热熔施工不到位 设计：防水层局部相互连接差，桥面渗水排除措施不当新问题新问题 （2）桥面防水层病害事故）桥面防水层病害事故 如南方某城市一座城市桥梁，全长1000米，2003年9月施工完成，次年45月份，由于防水层引起桥面铺装全部损坏，造成经济损失全部费用达2000万元。 由于防水

16、层出现了问题，由此带来的后果，不仅是经济上的损失，频繁的修复返工也对交通、桥梁使用带来不良的社会影响。广泛关注广泛关注 一系列事故引起了有关方面的广泛关注，工程一致呼吁要规范好设计和施工，提高法制意识。 2004年初，北京市市政工程设计研究总院向建设部标准定额司申请编制行业标准城市桥梁桥面防水工程技术规程，并获得批准。由设计、施工研究20多个单位参加，全国范围内，除北京以外，还有广州、重庆、兰州、沈阳等城市，代表了东北、西北、西南和南方等各个地区，即我国各地区的同业专家、学者均有代表参与了该规程的编制工作。主要内容主要内容2 设计理念上的创新和技术路线3工程实践上的创新发展4提出城市桥梁桥面防

17、水的对策 2344发展沿革展望和结语15桥面防水的桥面防水的特点特点1、桥面防水特点 使用条件： 针对桥梁处于动态的工作状态，行车荷载行使时除竖直向压力外，还有水平方向的制动力、离心力及下坡时轮载的水平分力作用到桥面上，当防水层受到较大的水平剪力，要求防水层具有较大的抗剪性能。 施工条件： 桥面防水层上有沥青混凝土铺装层，其施工时要高温摊铺、筑路机碾压，要求防水层有耐高温的能力和对压路机局部承压抗硌破的能力。 震动“疲劳”作用： 桥面车辆活载反复周期性的作用，因此桥面板结构的应力、变形、裂缝都是反复周期性变化的，在混凝土的裂缝边缘，会有“应力集中”现象，会使裂缝扩大和增加，造成“裂缝累积的损伤

18、”，这就是混凝土的“疲劳”作用，这也决定了防水层的选择不同于静载为主的其他结构。 不能完全照抄“屋面工程技术规范”，只能独立制定。桥面防水的桥面防水的适用范围适用范围 2、 桥面防水的适用范围：桥面防水的适用范围： 桥面防水层其承受的车轮荷载为接触轮载； 桥面铺装下为混凝土基面防水对策防水对策3、相应的防水对策 包括设计、施工和质量验收三个部分 应关注的重要内容： 防水等级的确定 材料的使用性能 基面层的要求 设计构造措施 施工检测内容 在规程明确规定了一条强制性条文 （3.0.1条）“混凝土桥面铺装内应设防水层，桥面系应有完整的防水、排水系统。”防水对策防水对策4、规定防水等级的划分按桥梁分

19、类，道路等级，环境类别三个方面，划分为i、ii两个等级对i、ii类防水分别提出了不同的使用年限（15年和10年）和不同的使用要求5、制定桥面防水层选材的基本规定沥青混凝土铺装面层： 采用防水卷材，防水涂料柔性防水层，此类桥面铺装占90%以上水泥混凝土铺装面层： 采用渗透结晶型防水材料刚性防水层，严禁使用卷材防水6、规定防水层的适用范围柔性防水层： 应符合行业标准，主要从环境条件防水等级及其他要求（3.0.4条）刚性防水层 应符合相关行业标准（3.0.6-3.0.8条）系统工程系统工程7、将桥面防水作为一个“系统”工程 防排水功能 设计施工监测养护整体环节 关于材料通用性能，其应用性能应符合综合

20、要求 防水材料结构亦是“系统”的防水理念 和其它规程法规的关系和其它规程法规的关系8、规程和其他规程、法规的关系 与道桥用改性沥青防水卷材jc/t974，道桥用防水涂料jc/t975，承上启下的作用 与公路桥涵设计通用规范jtg/d60及城市桥梁设计通用规范（送审稿）相结合 和国家有关节能、环保、消防、安全、卫生要求法律法规一致 对新材料、新技术、新工艺，按建设工程勘察设计管理条例（国务院293号令）第二十九条执行桥面防水系统设计桥面防水系统设计9、桥面防水系统设计 主要包括：防水系统总体布置、防水材料选用原则、关于防水卷材的抗剪性能、其他防水材料、防水层的厚度和结构细部构造等。 防水系统总体

21、布置 应满足防排水功能以及设计施工监测养护整体环节 防水材料选用原则 桥梁结构型式：坡度、刚度、平面型式 环境条件及施工条件：有效温度、温度梯度、高温耐热、低温柔度、施工温度 材料选用要考虑材料性能的相容性和材料品质的优选性防水卷材的抗剪性能防水卷材的抗剪性能10、防水卷材的抗剪性能 车辆荷载作用在桥面上，除了竖向力以外，还有水平方向的力，如制定力、离心力等。 车辆荷载下，铺装和防水层的竖力情况用隔离体分析 车辆的水平力是通过车轮与桥台之间的摩擦力传递到桥面铺装及防水层上的wf桥面铺装防水卷材的抗剪性能防水卷材的抗剪性能根据摩擦定律： 水平力f作用下，其摩擦力大小和重量w与摩擦系数与f乘积成正

22、比 当水平力小于摩擦力时，物体不动为静摩擦，此时摩擦力等于水平力 t = f 当水平力大于摩擦力时，物体滑动为动摩擦，此时摩擦力小于水平力，tw*f。因此可认为不管水平力大小，都可用一个最大的摩擦力值来包络防水卷材的抗剪性能防水卷材的抗剪性能 用ansys通用有限元软件分析：33块单元模型，在10kn轮重作用于沥青面层上，着地面积 0.600.20，摩擦系数 f=0.50。 计算得出沥青铺装厚8cm时的层间剪应力，城a荷载折算值为0.12mpa，相当于防水卷材50时的抗剪强度。 防水卷材和防水涂料性能对比防水卷材和防水涂料性能对比防水卷材 or 防水涂料防水卷材和防水涂料性能对比防水卷材和防水涂料性能对比 近年来，我国一些防水材料的生产企业，秉承环保和低碳理念，研制了适合我国道桥专用聚合物改性沥青防水涂料，以及具有自主知识产权的配套施工设备。 主要材料是以多种橡胶复合