基于病害控制的城市中小跨徑鋼橋面鋪裝設計

張德佳

（上海市政養護管理有限公司，上海市　201805）

基于病害控制的城市中小跨徑鋼橋面鋪裝設計

張德佳

（上海市政養護管理有限公司，上海市201805）

通過對城市中小跨徑鋼橋面鋪裝進行力學分析，明確了不同荷載條件和結構條件對鋪裝體系的受力影響，在此基礎上，提出基于病害控制的鋪裝設計力學指標和標準。此外，結合城市中小跨徑橋梁的荷載和結構特點，給出鋪裝材料和防水粘結材料的性能要求，以及鋪裝結構組合的設計原則和建議。研究成果對城市中小跨徑鋼橋面鋪裝設計具有一定的參考價值。

瀝青鋪裝層；城市中小橋；設計指標；結構組合

0　引言

近年來，隨著我國城市化進程的加快，城市中小跨徑橋梁在市政道路中應用已十分普及，尤其在高架道路跨越交叉口、立交匝道等處應用尤為普遍。但是，作為橋梁建設的配套工程，中小橋的鋪裝層研究并沒有得到應有的重視。城市中小跨徑橋梁跨徑小、轉彎多、匝道坡度大以及超載、慢載嚴重等特點，對鋪裝材料的路用性能提出了較高的要求。經調查，上海同濟路立交、北翟路立交、虹梅路立交等橋面鋪裝都出現了不同程度的病害。本文對城市中小跨徑鋼橋面鋪裝的受力特點進行分析，提出基于病害控制的鋪裝設計力學指標和標準，明確選擇鋪裝層材料和防水粘結層材料的主要考慮因素，并給出鋪裝結構組合的設計原則和建議，為城市中小跨徑鋼橋面鋪裝設計提供參考。

1　城市中小橋荷載與結構特點

1.1荷載特點

作為城市交通要道，中小跨徑橋梁所承受的超載交通量與大跨徑橋梁相比要嚴重得多，同時，慢載交通和頻繁剎車制動對鋪裝結構的受力也有顯著的影響，這與轉彎半徑小，匝道坡度大的結構特點密切相關［1］：車輛在上坡時，動能轉化為勢能，車速變慢（慢載），鋪裝層承受荷載時間將變長，運營溫度也有所提高；車輛下坡和轉彎路段，為確保安全，需采取剎車制動措施。

1.2結構特點

受匝道坡度的影響，車輛的重力將產生一個沿行車方向的分力，而車輛進入彎道時，還會由離心力產生沿徑向的水平分力［2］，離心力為車輛荷載（不計沖擊力）乘以離心系數C，離心力系數按公式（1）計算：

式中：V為設計車速，km/h；R為曲線半徑。

轉彎半徑越小，車速越大，離心力就越大，產生的水平分力也就越大。這種特殊的受力要求鋪裝結構有更高的耐磨性、高溫抗車轍性以及層間穩定性。

同時，轉彎半徑小，匝道坡度大的結構特點使得橋面鋪裝的施工難度增大。目前，鋼橋面鋪裝通常采用環氧瀝青防水粘結層，而為了保證鋪裝層材料與防水粘結層材料之間良好的粘結性能，在環氧瀝青固化前就要攤鋪和碾壓鋪裝層，而在匝道轉彎處，壓路機會在鋪裝層與鋼板間施加較大的水平剪力，容易造成防水粘結層在未固化前就發生破壞［3］，給鋪裝結構施工質量留下隱患。

2　城市中小跨徑鋼橋面鋪裝力學分析

2.1模型及參數

利用ANSYS軟件中提供的8節點實體單元Solid45，建立的有限元模型如圖1所示。其中，橫向尺寸取7個U型肋的距離，縱向取3跨且兩端為簡支約束，橫隔板底部的約束采用全固定約束。對鋼橋面瀝青混合料鋪裝結構作如下的假設［4］：鋼橋面板和瀝青混合料鋪裝為均勻、連續和各向同性彈性材料；正交異性鋼板的位移和變形微小；鋪裝層與鋼橋面板之間是完全連續的；不計鋪裝層與橋面系的自重。采用第二結構體系，即橋面板為支承在腹板肋上的由蓋板、縱梁、橫肋組成的正交異性板，承受作用在橋面上的荷載。

圖1　有限元模型

參考《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50-2006）及相關研究成果［5，6］，確定數值模型材料參數和尺寸，分別見表1和表2，U型縱肋布置見圖2所示。

表1　材料參數

表2　橋面板結構尺寸

圖2　U形縱肋布置

2.2荷載及臨界荷載位

鋼橋面瀝青鋪裝層設計以雙輪組單軸載100 kN為標準軸載，以BZZ-100表示。標準軸載的計算參數按表3確定。

表3　標準軸載參數

考慮到計算求解的便利性及與橋梁設計荷載的通用性，可將規范規定單輪矩形荷載轉化為雙輪均布正方向正方形荷載，如圖3所示。考慮30%的沖擊荷載，緊急剎車的摩擦系數取0.6。

圖3　等效雙輪均布荷載（單位：m）

為了明確臨界荷載位，以鋪裝層表面最大豎向位移、最大橫向拉應變和層間最大剪應力為指標，荷載的橫向布置考慮以下三種工況：荷載位置1——車載施加于兩加勁肋中心之間的正上方；荷載位置2——車載以加勁肋邊為中心對稱施加于正上方；荷載位置3——車載對稱施加于加勁肋正上方，如圖4所示。荷載的縱向分別布置在縱向中心線上、橫隔板與中心線的中間和橫隔板上，如圖5所示。

圖4　荷載橫向布置

圖5　荷載縱向布置

當橫向荷載以加勁肋邊為中心對稱施加于鋪裝結構正上方時，鋪裝層表面豎向位移、最大拉應變及層間剪應力達到最大值；橫向荷位沿橋面縱向移動，表面最大拉應變和層間最大剪應力隨荷載的移動具有相似的變化規律，在橫隔板上方達到峰值。因此，荷載位1-2為臨界荷載位。

2.3設計指標與標準

2.3.1設計指標提出

針對最不利荷載位，分析在不同荷載條件（超載和制動）和結構條件（轉彎和匝道）下鋪裝層的受力特點，限于篇幅，僅給出主要結論：（1）計算0.7 MPa、0.91 MPa、1.12 MPa、1.33 MPa等4種荷載情況，超載30%、60%、90%時，層間最大剪應力分別增加29.8%、60.1%、91.1%；考慮制動的情況，摩擦系數分別取0.1、0.3、0.6，層間最大剪應力分別增加11.6%、29.3%、50.4%，在超載的情況下制動對層間受力更為不利，增加了層間剪切破壞的可能。（2）當匝道坡度從0增大至7%，相同鋪裝層模量下的層間剪應力增幅超過10%；鋪裝結構的轉彎路段，在車輛制動產生的沿行車方向的水平力和離心力沿徑向的水平力共同作用下，層間最大剪應力增加141%。

城市中小橋的結構特點和荷載特點使鋪裝結構不利的受力狀態在轉彎和大坡度處鋪裝結構的層間最大剪應力明顯增加，在超載和制動的條件下，增加了鋪裝結構脫層損壞發生的可能性，因此，對于城市中小橋而言，尤其是在轉彎和大坡度等特殊橋面鋪裝段，因制動、慢載頻繁，應以層間剪應力為指標進行鋪裝層的結構設計。

2.3.2設計標準確定

以層間剪應力作為城市中小橋鋪裝結構的設計指標，保證鋪裝結構在設計使用期內不發生層間失穩破壞，對于整個鋪裝體系而言具有重要的意義。這要求鋼板與鋪裝層間最大剪應力不得超過鋪裝層層間粘結材料容許抗剪強度，如式（2）所示：

式中：τmax為橋面鋪裝層間最大剪應力計算值，可采用數值方法求出；［τr］為鋪裝層間最大剪應力的設計值，可通過對層間抗剪試驗以及抗剪疲勞的預估模型的研究確定。

3　城市中小跨徑鋼橋面鋪裝方案設計

3.1鋪裝層材料

鋪裝材料的選擇應滿足以下條件：（1）鋪裝上層必須具有良好的抗裂、抗滑、抗沖擊以及耐磨性能。（2）鋪裝下層要有良好的高溫穩定性、變形協調性，同時還應具備一定的致密性，以減少水分下滲，降低腐蝕鋼板的機率。除了滿足常規的路用性能以外，考慮城市中小跨徑鋼橋面鋪裝的特點，優良的施工性能和經濟性也是鋪裝材料選擇考慮的主要因素。

3.2防水粘結材料

防水粘結材料良好的粘結性能是橋面鋪裝與鋼橋面板協同工作的關鍵，同時也是鋪裝結構在運營期內不進行結構性大修的重要保證措施。除了基本的防水和粘結性能外，防水粘結層材料還必須具備優良的層間抗剪切性能和抗施工損傷的能力。

在匝道坡度大、交通量大、超載嚴重情況下，會在層間產生較大剪應力，當防水粘結材料無法滿足層間抗剪性能要求時，鑒于以往上海地區大量的鋼結構橋梁建設及養護經驗，可考慮設置層間抗剪鋼筋以提高鋼橋面瀝青鋪裝層間抗剪性能。

3.3鋪裝結構組合

在滿足最小攤鋪厚度和其他力學指標要求下，鋪裝層厚度不宜過厚，同時，鋪裝層的模量不宜過高，選取模量接近的雙層瀝青混合料較為合理。同時，鋪裝層類型及厚度的選擇還應考慮道路等級、設計年限、交通量及組成等因素，以滿足瀝青鋪裝層使用功能要求。推薦城市中小跨徑鋼橋面鋪裝結構組合，見表4。

表4　推薦鋪裝結構組合

三種瀝青混合料的動穩定次數由高到低依次為：環氧瀝青混合料＞瀝青瑪蹄脂混合料＞澆注式瀝青混合料，這也決定了不同的荷載情況應選用不同的結構組合形式。由于環氧瀝青混合料動穩定次數高，具有極好的抗疲勞性能，因此對于特重交通，建議采用EA-10+SMA-13的結構組合形式。澆注式瀝青混合料高溫穩定性差，易形成車轍，但是當上面層鋪裝SMA-13時，卻有較高的抵抗重行荷載的能力，因此在重交通的情況下，可以考慮采用GA10+SMA-13的結構組合形式。澆注式瀝青混合料和環氧瀝青混合料的造價較高，施工難度較大，因此在輕交通的條件下，不建議采用GA和EA，推薦采用SMA-10+SMA-13的結構組合形式。

4　結論

（1）城市中小跨徑橋梁轉彎半徑小和匝道坡度大的結構特點不僅導致制動、慢載頻繁，同時給鋪裝結構的施工質量留下隱患，要求鋪裝結構有更高的耐磨性、高溫抗車轍性以及層間穩定性。

（2）層間剪應力隨著匝道坡度的增加而增大，尤其在轉彎路段，層間最大剪應力可增加141%，在超載和制動的條件下，增加了鋪裝結構脫層損壞發生的可能性，因此，中小跨徑鋼橋面鋪裝設計時，應以層間剪應力作為控制指標。同時，提出了鋼板與鋪裝層間最大剪應力不得超過鋪裝層層間粘結材料容許抗剪強度的設計標準。

（3）結合城市中小跨徑橋梁荷載和結構特點，提出鋪裝材料和防水粘結材料的性能要求，考慮道路等級、設計年限、交通量及組成等因素，給出了適用于城市中小跨徑鋼橋面鋪裝的結構組合建議。

［1］吳剛，葉奮，黃啟帝.環氧瀝青鋼橋面鋪裝設計理論與方法.2010國產環氧瀝青材料鋪裝技術（上海）熱點論壇專輯，2010（6）：9-14.

［2］周孔.城市高架橋防水粘結層設計參數研究［D］.上海：同濟大學交通運輸工程學院，2010.

［3］潘友強，郭忠印.大縱坡小半徑鋼橋面瀝青鋪裝設計研究［J］.同濟大學學報：自然科學版，2012，40（9）：1133-1136.

［4］朱伯芳.有限單元法原理與應用［M］.北京：中國水利水電出版社，1998.

［5］JTG D50-2006，公路瀝青路面設計規范（）［S］.

［6］周基釗.梁式鋼橋防水粘結層的性能研究［D］.上海：同濟大學交通運輸工程學院，2011.

U443.33

B

1009-7716（2016）06-0150-03

2016-03-24

張德佳（1983-），男，黑龍江佳木斯人，博士，工程師，從事市政設施運營和養護工作。