鋼橋面鋪裝病害力學背景綜述

王 云

(重慶交通大學 土木工程學院 400074)

鋼橋面鋪裝病害力學背景綜述

王 云

(重慶交通大學 土木工程學院 400074)

作為橋梁行車體系的重要組成部分，鋼橋面鋪裝技術一直是大跨徑鋼橋建設的關鍵技術之一。本文就鋼橋面力學特性研究、材料研究和整個鋪裝體系研究近20年來的發展、以及目前對于該領域的研究方向進行歸納綜述。

鋼橋面；鋪裝體系；結構特性

鋼橋中應用最多的鋼箱梁起源于1966年英國的賽文橋，正交異性鋼面板的鋼箱梁結構增大了橋梁的抗風性能和抗扭剛度的同時，用鋼量少、維護方便、對于減輕自重、增大跨徑以及增強穩定性方面更加顯著，歐洲現有1000多座正交異性鋼橋面板的橋梁，北美有100余座，日本有將近250座，我國有正交異性鋼面板的橋梁30余座，即將竣工的全長55KM的港珠澳大橋，其中也有近15Km的梁段采用鋼箱梁。

一、國內外研究現狀

國外對鋼橋面鋪裝的研究要早于國內，如 P.E法，其將鋼橋面鋪裝體系分為三個子系統，通過分部計算然后將結果疊加并修正，得到柔性支承上正交異性板面板的靜力解。然后又對正交異性鋼橋面板進行一系列簡化，給出了不計偏心的正交異性加勁板的位移方程；Sheikh和Mukhopadhyay用有限條方法對加勁梁的幾何非線性進行了分析，成功的將非線性板理論應用于正交異性加勁板的計算；Shanmugam利用能量方法研究了各向異性橋面板單向面內荷載作用下的應力應變和位移；小西一郎將正交異性鋼橋面板看成是支承在剛度無窮大的主梁上的按等間距排列的彈性橫肋上的正交異性連續板，得出了荷載作用下正交異性加勁板位移的理論解。

鋼橋面鋪裝同樣作為國內工程領域研究的熱點之一，東南大學橋面鋪裝課題組、長沙交通學院的肖秋明、王輝、同濟大學的童樂為、解放軍理工大學的帥長斌、重慶公路科研所的科研人員等，均作了研究且具有各自的研究特色。

二、鋼橋面鋪裝板受力特性

概念：縱橫向互相垂直的加勁肋連同橋面蓋板所組成的共同承受車輪荷載的結構，由于其剛度在互相垂直的二個方向上有所不同，造成構造上的各向異性。

1鋪裝受力分析綜述

鋼橋面瀝青混合料鋪裝層由正交異性鋼橋面板支撐，在車輛荷載作用下，正交異性鋼橋面板的變形導致縱向加勁肋、橫向加勁肋、縱隔板、主梁腹板等加勁部件與鋼橋面板焊接處成為高應力區，并在這些位置處的鋪裝層產生較大的負彎矩，即這些位置處的鋪裝層表面出現拉應力/變集中區，首先出現在鋪裝層表面，然后逐漸向底部發展。在縱向加勁肋、縱隔板、主梁腹板頂部的橋面鋪裝層表面會出現縱向裂縫，在橫向加勁肋頂部的橋面鋪裝層表面會出現橫向裂縫，在橫隔板與加勁肋交匯處，鋪裝層表面易出現網裂。對于鋼橋橋面鋪裝，疲勞裂縫從鋪裝層表面向底面擴展，而對于一般的瀝青混凝土路面，瀝青混凝土面層的最大拉應力/變均出現在面層底面，故疲勞裂縫是從面層的底面向頂面擴展。

2鋼橋橋面鋪裝材料

目前國內鋼橋面鋪裝材料一般有三種，分別為澆筑式瀝青混合料、改性瀝青混合料、環氧瀝青混合料三種。鋪裝體系可分單質單層、單質多層、多質多層三類。

1)澆筑式瀝青混凝土GA

采用高含量聚合物改性瀝青或特里尼達天然湖瀝青，高含量礦粉，低空隙率（小于1%），無需防水層，抗老化，抗裂性強；但是GA的高溫穩定性差，容易形成車轍，施工條件苛刻，且需要專用的施工設備，一般使用于夏季溫度不大高的地區。

2）改性瀝青混凝土SMA

在瀝青瑪蹄脂混合料的基礎上進一步增大碎石用量，從而形成粗集料間良好嵌擠的骨架密實型結構，SMA混合料中添加了纖維，使其瀝青含量、礦粉含量高，孔隙率降低至2.5%～3.5%，SMA在歐美國家中受到重視，日本多用于下層。其柔韌性、抗松散、抗裂能力強，具有良好的耐久性和防水性能，抗流塑和永久變形的能力強，不易產生車轍，具有粗糙的表面構造，防滑性能好，施工要求低，施工期短，費用較低，但是鋪裝層較厚，對集料要求高，保質年限短。

3）環氧瀝青混凝土

環氧瀝青混凝土是通過在瀝青中添加熱固性環氧樹脂和固化劑，經固化反應而形成的一種強度高、韌性好的瀝青混凝土。其強度高，高溫時抗流塑和永久變形能力很強，低溫抗裂性能很好，具有極好的抗疲勞性能，且有高度的抵抗化學物質侵蝕的能力，但是環氧瀝青混凝土的配制工藝比較復雜，施工中對時間和溫度要求十分嚴格，施工難度大，材料費用較高，相關技術資料在國外多屬專利產品。

3 鋼橋面鋪裝病害力學背景

1)局部應力集中與疲勞

由于鋼箱梁的正交異性，在車載作用下，橋面板局部剛度變異部位將產生應力或彎矩奇變，造成局部應力集中，在循環往復的車載作用時，形成疲勞裂縫。

2)剪切破壞

由于鋪裝層和鋼箱梁模量存在很大差異，在共同受力的情況下，接觸面間存在較大剪應力，當鋪裝層與橋面板層間的粘結力差、抗水平剪切能力較弱時，將產生破壞。

3)撓曲破壞

因車載作用或溫度變化，橋面鋪裝層表面出現負彎矩，進而引起鋪裝層面層的拉應力/應變，當拉應力/應變超出材料的抗拉極限便產生開裂，車輛輪載和水的滲入等因素的影響還會使裂縫進一步擴展。

4)局部沖壓破壞

由于重載和特大交通量的作用，車輪對橋面鋪裝層的局部沖擊作用導致在橋面鋪裝層薄弱區域，如縱縫附近或粘結層薄弱處，出現局部碎裂或網狀裂縫。

5)粘塑性永久變形

因車載反復作用以及鋪裝材料在一定環境下，如車輛超載、高溫等因素，鋪裝層在行車道形成永久變形的破壞。

5 結論

鋼橋面鋪裝在國內經歷了30年的研究，研究人員主要從鋼箱梁構造、鋪裝層組合體系、鋪裝層材料方面對其進行了大量的工作，目前仍在對諸如結構疲勞、重載、超載等方面研究。

筆者鑒于鋼橋面鋪裝中防水粘結層的重要性，認為對溫度工況下鋪裝體系層間效應的分析，尤其是在高溫攤鋪下，瞬時攤鋪高溫的分析可做進一步研究工作。

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