浅谈钢箱梁桥面铺装技术要求

浅谈钢箱梁桥面铺装技术要求

目前，中国已完成并投资了10多条大型交叉钢箱桥，最大投资运营时间约6年。除少数桥梁桥面铺设良好外，大部分在竣工后不久出现了车辆驾驶执照、倾斜、开裂等疾病。一些桥梁的桥面已经进行了第二次和第三次修复或修复。因此,很有必要总结和研究钢箱梁桥桥面铺装设计和施工的成果和必须加以解决的问题。1沥青混凝土地面铺装特点桥面铺装是桥梁行车系的重要组成部分,质量与效果如何直接影响到车辆行驶的安全性和舒适性、投资效益及社会效益。对于钢箱梁桥面铺装,由于其直接承受着交通荷载的反复荷载作用,而且桥面铺装处于极不利的工作环境之中,因此具有一般沥青混凝土路面或水泥混凝土桥面铺装所没有的特点:①不具备水泥混凝土桥面包括钢箱梁水泥混凝土组合式桥面那样的刚性底板支撑,不具备道路那样坚固的路基与基层结构的支撑。钢桥面铺装处于随时都在变形的基础之上;②大跨度钢桥本身的变形、位移、振动都将直接影响沥青铺装层的工作状态;③沥青铺装层在全年极端高温与低温环境下将受到同一地区沥青路面所不可能的强烈的不利影响,更易受大气温度的影响。钢箱梁桥跨结构的季节性温度变化会严重影响沥青铺装层的变形;④强风、台风等各种原因产生的震动作用;⑤在某些荷载作用下,钢箱梁将产生负弯矩,使沥青铺装层表面承受拉伸荷载,出现倒置的受力模式;⑥桥面铺装一旦发生破损,对交通的影响和危害大,维修更困难;⑦钢箱梁会生锈。2桥面铺装技术根据钢箱梁桥面铺装的特点,由于我国特殊的气候条件和交通情况,钢桥面沥青混凝土桥面铺装的使用条件通常比一般沥青路面或水泥混凝土桥面铺装更为严酷。因此,钢桥面铺装层对材料、结构的要求要比通常的路用材料要求更高。一般认为必须具有与钢板随从变形性能好,与钢板粘结性好,高温稳定,低温抗裂,耐疲劳,不透水,耐久,表面抗滑,便于施工,易于维修等基本的技术要求。通常,钢桥面铺装的设计与施工必须达到下述要求:(1)板板结合成整体的基础结构大跨径钢箱梁桥的主梁变形较大,且变形复杂,若钢板的变形随从性不好,将可能产生两种类型的破坏:①铺装层与钢板之间相互错动的剪切破坏,主要发生在粘结层中;②铺装层的弯曲破坏。因此,桥面铺装必须与桥面板紧密结合成为整体,使桥面铺装能与桥面板的任何变形协调一致,即具有钢板变形的随从性。此外,若铺装层的强度与刚度较差,则会使轮迹带的混合料产生挤压损坏的可能性增加。钢板与防水层之间、防水胶层与沥青铺装主层之间都必须具有良好的粘结力,使各层能够形成牢固的整体,保证在荷载作用或温度变化时共同作用,也是保证铺装层变形随从性的必备条件。为提高铺装层与钢板之间的粘结力,应尽可能选用与钢板及防腐涂料粘结力强且高温稳定性、抗剪性能好的粘结材料,同时尽可能提高铺装下层的密实程度。(2)铺装层的强度与刚度在考虑适当的铺装层厚度时,应注意:①为了使铺装层具有足够的强度与刚度,以提高铺装层的荷载分布能力与抗疲劳性能,铺装层的厚度不宜太薄;②为了减轻桥梁的恒载及保证铺装层的变形随从性,铺装层的厚度不宜太厚;③必须考虑到施工摊铺与压实的可能性。(3)铺装结构的设计作为铺装层主要结构材料的沥青混凝土应具有高度的密水性和抗水损能力,而铺装结构应具有完善的防、排水体系,以严密保护桥面板,防止钢桥面生锈。(4)钢板和钢桥面铺装材料的力学性能在车辆荷载作用下,与荷载作用区域相邻的U形加劲肋顶的桥面铺装表面将出现最大横向拉应力,临近的横隔板顶部的铺装表面出现最大纵向拉应力;而钢板的温度收缩系数与沥青混凝土的收缩系数相差较大,二者的导热性能也存在较大差异。因此,钢桥面铺装使用的沥青材料必须有较小的温度敏感性和温度收缩系数,即夏天能耐高温,有较好的高温稳定性和抗流动变形能力,不致产生车辙、推拥、流动变形;冬天能耐低温,具有良好的应力松弛性能和低温抗裂性能。(5)钢板与铺装层间模量不高,色彩比较严重,存在因果关系从我国钢桥桥面铺装的破坏情况分析,因热稳定性及高温抗剪能力较差而导致铺装层产生车辙、推挤、拥抱等现象较为普遍。这是因为在同样气候条件下,钢桥桥面铺装的实际温度高于普通沥青路面;同时,钢板与铺装之间的模量存在较大差距,在载重车辆以及车辆荷载的不利因素作用下,使铺装层与钢板之间以铺装层的剪切作用更为显著。也说明钢桥桥面铺装设计过程中,必须高度重视铺装层的高温稳定性与抗剪性能的研究。(6)桥面铺装层变形控制在车辆荷载作用下,正交异性板上的钢桥桥面铺装位于网格状的肋条部位,将形成较大拉应力的反复作用,容易导致铺装层的疲劳开裂。同时,大跨径悬索桥桥面大变形的特性,要求桥面铺装具有良好的柔韧性和适应变形的能力,以避免铺装层早期疲劳开裂和在较低温度时的收缩开裂。此外,桥面铺装层养护维修困难,设计使用年限的要求应比普通沥青路面更长。因此,要求钢桥桥面铺装层应具有良好的抗疲劳性能。(7)国内外钢桥面铺装技术的现状铺装层表面应具有良好的平整性和粗糙性,以减少车辆冲击和提高铺装层抗滑能力,确保行车安全。钢桥面铺装层的强度和稳定性一直是国内外工程界关注的问题。欧美各国和日本经过数十年的研究与实践,逐步形成了适合本国实际的一整套方法。然而,可以说,目前国内外都还没有在钢桥面铺装上使用沥青玛蹄脂碎石混合料SMA(StoneMastricAsphalt)成功的经验。我国的公路钢桥建设缺乏中、小跨径桥梁建设的锻炼和实践,几乎是一步跨到了世界上大跨度钢桥建设的最前列。这种发展模式既提供了机遇,又形成困难。桥梁的结构和力学计算可以采用拿来主义,并给以相对安全的系数。但是,桥面铺装可以照搬外国的材料和结构,却不能搬来外国的气候条件和交通条件。这就是说,适合于我国自身条件的钢桥面铺装必须由我们自己来创造。3沥青混凝土铺装结构材料目前,国内的钢桥面沥青混凝土铺装主要有沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)、环氧沥青混凝土、浇注式沥青混凝土和多碎石型沥青混凝土(SAC)等4种铺装结构材料。广东省的钢桥面沥青混凝土铺装主要采用SMA结构和SAC结构的铺装材料。3.1铺装层结构广东省虎门大桥正交异性桥面板铺装全长888m,宽度为14.25m×2,铺装层设计厚度为6cm,采用SMA结构。该桥面铺装工程于1997年5月1日竣工通车,于1998年11月进行第1次处治,2003年11月进行第2次处治。(1)装抗水层和水层虎门大桥钢桥面主铺装结构采用一层铺筑方案,如图1所示,由钢板、富新底漆、反应性树脂底层、反应性树脂粘层、缓冲层和铺装面层组成。铺装面层采用SMA13.2,其混合料设计空隙率控制在1%~3%范围内,碾压后空隙率小于4%,以满足防水体系的要求。防水层由富新底漆、反应性树脂底层、反应性树脂粘层和缓冲层构成。缓冲层实际上是铺装层与防水胶上层之间的粘层,采用软化点为85℃的聚合物改性沥青洒预拌碎石而成,以利于形成摊铺机行走的工作平台。由防水隔离系统与接缝处理系统组成钢桥面铺装防水体系,如图2所示,以确保钢桥面不被腐蚀。(2)成因分析和讨论虎门大桥经过1年多的行车荷载作用和2个夏季的高温作用后,桥面出现的病害主要有2方面:①因沥青混凝土铺装的热稳性不足产生了车辙和横向推移;②因富锌漆界面损坏而产生防水胶脱层及鼓包后铺装层推移、开裂。通过现场的调查、试验和分析可知,产生上述病害的原因主要有:①粘结层过分强调材料的韧性,忽略了粘结层的硬度及初始抗剪强度,厚度偏厚且预拌碎石偏少;②改性沥青的高温稳定性考虑不足,偏重于防水性和抗裂性,混合料的沥青含量偏大;③铺装层厚度偏薄(只有6cm),1998年夏季经现场实测,铺装层表面温度达70℃,钢板温度62℃;④在施工过程中,由于SMA混合料施工经验不足,导致级配控制不够准确;⑤钢板的防水设计在于钢板上设置防水胶,由于防水胶与钢板的胀缩量的不同,从而导致防水胶鼓包;⑥因富锌底漆强度不足,富锌底漆干膜厚度偏厚,钢板喷砂、除锈后的光洁度、粗糙度控制不严。(3)sma桥面铺装由于该桥桥面铺装层存在上述病害,为了提高桥面的使用性能,于1998年11月初实施第1次处治。处治过程为:用铣刨机铣削一层,在桥面推移凸出部分的铣削最大厚度为40±5mm;铣刨完成后,对防水层与钢板间的结合层进行拉网式检查,实施完全性修补;然后洒布一层改性乳化沥青粘层,采用热稳性较好的改性沥青实施SMA桥面结构,施工控制空隙率为3.5%~4.5%,总厚度控制在70±5mm。桥面铺装层经过第1次处理后,经历1个夏季和2个冬天以及每昼夜1.5万车次的荷载作用下,出现较严重的纵向开裂和轻微推移以及防水胶鼓包的桥面病害。究其原因在于:虽然沥青玛蹄脂碎石混合料的热稳性比原设计结构层好,但是对原热稳性较差的结构层未进行彻底的处理,车辆荷载作用后的铺装层产生裂缝将是不可避免;防水胶鼓包原因也是如此,导致第1次处理桥面铺装层处于治标不治本的状态。(4)喷砂、固化及固化根据桥面铺装层的第1次处治分析,虎门大桥钢桥面第2次处治的主铺装结构按双层SMA设计,即上下层铺装厚度各为35mm,均采用SMA10;防水隔离层由环氧粘结层和防水层组成,厚度为5mm。防水隔离层的施工过程为:①全部铲除全桥原来的铺装层,行车道钢桥面板喷砂除锈光洁度达到Sa2.5级、粗糙度达到50~100μm;②涂布厚度为0.2~0.3mm的环氧树脂粘结剂,然后在其上撒布0.3~0.6mm的碎石(撒布量为300~400kg/m2);③待其固化后再涂厚度为0.4~0.6mm的环氧树脂粘结剂,然后在其上撒布1.18~2.36mm的碎石(撒布量为500~800kg/m2);④待环氧树脂粘结剂固化后,涂布2层厚度为0.1~0.2mm的溶剂型粘结剂,在其上构成厚度为3~6mm的橡胶沥青砂胶防水层。在主铺装结构施工过程中,为了保证铺装上下层的整体性,在铺装上下层之间采用改性乳化沥青粘层,撒布量为0.3~0.5L/m2。3.2铺装层病害原因分析宕石大桥位于广东省汕头市西南部,主桥为双塔双面斜拉桥,主跨为518m,主桥长906m;桥面由钢箱梁与混凝土箱梁组合而成,钢箱梁节段之间的连接方式为螺栓连接,其中钢箱梁段长718m,混凝土箱梁段188m;桥面宽30.35m,双向6车道,最大纵坡3.5%;该大桥桥面铺装于1998年12月中旬施工,1999年1月完成。(1)桥面铺装结构为了确定宕石大桥桥面铺装结构层及各层施工工艺,同时确认施工机具是否对防水粘结层和自粘性玻纤格栅等造成损害,于1998年11月25日至12月3日在宕石大桥南引桥混凝土桥面上进行了5000m2的试验铺筑。经过试验铺筑确定下述桥面铺装结构:采用双层改性沥青SMA方案,如图3所示,即面层为SMA13B厚3cm,下层为SMA13A厚5cm;防水层采用改性沥青,既作为防水又作为钢板与沥青混合料的粘结层。人行道铺装分层施工,厚度6cm;预拌碎石用2.36~4.75mm粒料,混合料拌和温度控制在180~200℃之间,混合料松铺系数为1.18;玻纤格栅的铺筑长度在搭接板(铆接)前后2m处满铺;施工过程中,对粘结层和玻纤格栅不造成任何损害。铺装层病害和产生病害的原因宕石大桥桥面铺装的试验与实施,是在认真分析和总结虎门大桥桥面铺筑的经验教训的基础上,结合汕头宕石大桥的实际情况,从原材料性能、施工质量控制以及结构层设计等方面都做了较大的改进和完善。目前,经过近5年半的高温和行车荷载的作用下,宕石大桥在钢板之间的搭接处出现横向开裂现象。通过现场的调查和分析可知,产生上述病害的原因主要有:①与虎门大桥比较,宕石大桥的桥型和钢板之间的连接均不同;②宕石大桥行车荷载大部分为小型车辆,昼夜的通行能力大约2万车次;③虽然铺装结构层中采用改性沥青作为防水层和粘结层,但是该桥面纵向坡度较大,钢箱截面联结采用搭接(螺栓连接),结果钢板之间搭接的桥面铺装处在长期的车辆作用下产生跳车、冲击后,必然会产生横向开裂。3.3桥面铺装设计马房大桥位于广东省四会市,于1984年修建,是横跨北江的公路铁路两用桥。公路桥和铁路桥平行支撑在同一个桥墩。公路桥为14孔64m简支钢箱梁,正交异性板钢桥面,桥长919.6m,行车道宽9m+人行道2×1.5m,设计荷载汽?20、挂?100。1984年建桥时,铁道部有关部门进行了桥面铺装设计和施工,结构层为:环氧铝粉漆+环氧煤焦油+阿油氯丁胶乳改性沥青混凝土。然而,竣工营运3个月后出现横向、斜向的裂缝,并可见到钢板。为此,1989年重新进行桥面铺装设计,首先铺设试验段,采用的铺装方案是环氧沥青漆+阿油改性沥青(阿油+PE+20%30目左右的橡胶粉)的粘结层+7cm沥青混凝土(2层),接头处沥青混凝土掺加钢钎维;试验段经过18个月的车辆运行,然后进行整个桥面铺装;但是,全桥铺装后很快产生裂缝、推移、坑槽等病害。因此,很有必要研究马房大桥病害的处治问题,于2001年再次钢桥面铺装处治。(1)铺装层结构处治方案根据马房大桥钢箱梁正交异性板与原有沥青混凝土铺装病害,并结合国内外钢桥桥面铺装的经验和教训,确定该桥的铺装层结构处治方案,如图4所示。(2)不同铺装结构的模马房大桥于2001年经过钢桥面铺装处治,通车2年来经过6次大规模的调查分析。为了方便统计,根据不同的铺装结构分为3种情况:第1段,从广州岸起,第1跨和第2跨;第2段,第3至5跨;第3段,第6至14跨。马房大桥钢桥面铺装处治后的桥面使用性能如下所述。构造深度与时间模型竣工通车营运2年多来,3种表面不同铺装材料的构造深度变化,如图5所示。图中构造深度与时间呈良好的指数变化规律为:TD=AeBR式中,A和B为方程的回归系数;R为直线回归的相关系数,如表1所示。铺装层车辙的使用尽管马房大桥交通量很大,气候条件比较不利,但全桥的铺装层车辙都比较小。使用2年后的极端最大车辙深度为5mm,平均车辙深度为2.9mm。由此可以证明本铺装的结构层的高温稳定性比较好。行车道纵向裂缝马房大桥通车后于2002年7月中旬发现裂缝。最初仅发生在广州岸的第1跨和第2跨上,裂缝形式为行车道轮迹带底下的纵向裂缝。特别是靠近内侧的轮迹带十分明显,基本上是整跨贯通。另外,在第11跨的行车道内侧轮迹带上有1条10m长的纵缝,第13跨的行车道内