正交異性鋼橋面鋪裝病害分析及維修對策研究

謝飛， 謝智榮， 肖百豪

(1.佛山市中策廣明高速公路有限公司， 廣東 佛山 528000；2.佛山市中策佛江北高速公路有限公司，廣東 佛山 528000；長沙理工大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410114)

正交異性鋼橋面板為縱橫向互相垂直的加勁肋(縱肋和橫肋)連同橋面蓋板所組成的共同承受車輪荷載的橋面板結構，具有質量輕、運輸架設方便、施工周期短等優點，已成為大、中跨徑鋼橋常用的橋面結構形式，特別對于超大跨徑橋梁，受重量的影響，絕大多數采用正交異性鋼橋面板。但正交異性鋼橋面板使用過程中橋面鋪裝極易損壞，易出現開裂、車轍、擁包、推擠等病害。鋼橋面鋪裝破損，在運營周期內需頻繁維修，養護成本極大，已成為鋼橋面板發展中的技術瓶頸。該文以廣東佛山平勝大橋為工程背景，分析正交異性鋼橋面板橋面鋪裝病害并研究其維修對策。

1 工程概況

佛山平勝大橋為一座自錨式懸索橋，位于南海平洲橫跨東平水道連接順德區，是構建中廣佛經濟圈內重要交通樞紐。主橋全長680.20 m，總體布置為39.64 m+5×40 m+30 m(砼加勁梁及錨跨)+350 m(鋼加勁梁)+30 m+29.60 m(砼錨跨)，兩端設置GQF-MZL480型伸縮縫。主橋橋型布置見圖1。

圖1 佛山平勝大橋橋型總體布置(單位：標高為m，其他為mm)

主跨主梁為全焊扁平流線形封閉單箱三室鋼加勁梁，采用正交異性鋼橋面板，其標準橫斷面見圖2。鋼加勁梁通過吊桿與主纜相連，吊桿標準間距為12 m，吊桿錨固于鋼加勁梁腹板側的錨箱上。邊跨和錨跨為砼箱梁。主橋鋼加勁梁的正交異性鋼橋面板采用50 mm厚環氧瀝青砼橋面鋪裝。

圖2 佛山平勝大橋主跨主梁1/2跨中標準斷面(單位：mm)

2 橋面鋪裝病害分析

2.1 橋面鋪裝病害

經過一段時間運營后，主橋鋼加勁梁的正交異性鋼橋面板橋面鋪裝出現一系列病害(見表1)，裂縫分布見圖3、圖4。

圖4 佛山平勝大橋右幅橋面病害類型分布

圖3 佛山平勝大橋左幅橋面病害類型分布

表1 佛山平勝大橋橋面鋪裝病害分類統計

2.2 病害類型及成因分析

根據平勝大橋鋼橋面鋪裝層的病害現狀及國內橋面鋪裝的狀況，分析正交異性鋼橋面板環氧瀝青混合料鋪裝的主要病害類型為鼓包開裂、縱向開裂和脫層開裂，鼓包開裂易進一步發展成坑槽病害。

2.2.1 鼓包開裂

環氧瀝青砼的空隙率一般低于3%，施工中混合料內或層間可能進入水，導致環氧瀝青砼出現鼓包病害。如果水量較大或混合料溫度較高，鼓包會在碾壓后馬上出現，且通車后高溫季節會出現鼓包開裂，并在輪載作用下加速鼓包開裂病害的擴展，若維修處理不當，最后可能發展為坑槽病害。鼓包開裂病害整體上集中出現在一個區域，在輪跡帶區域的鼓包開裂病害發展較快。

2.2.2 縱向開裂

環氧瀝青砼的抗疲勞性能優良，一般表現出良好的抗疲勞耐久性。該橋運營過程中，部分重載、超載現象嚴重，導致環氧瀝青鋪裝縱向開裂，且開裂基本位于輪跡帶區域的加勁肋上緣位置。從縱向開裂病害發生位置和交通條件分析，縱向開裂主要是由環氧瀝青鋪裝材料的結構性強度破壞所致。

2.2.3 脫層開裂

脫層開裂是目前環氧瀝青鋪裝的一種主要病害，一般面積較大，連續長度可能超過10 m，寬度1～2 m。打開脫層開裂位置鋪裝層，發現脫層多發生在鋼板表面，部分發生在上下層之間。脫層黏結層的顏色與正常顏色有差異，黏結層為橙黃色，且基本沒有黏結強度，而一般黏結層為無色或黑色，表明黏結層材料反應出現異常，導致黏結層強度過低或失效。脫層開裂后，雨水會進入脫層位置，脫層的黏結層處于潮濕狀態，加速脫層病害發展。

3 維修對策研究

3.1 橋面鋪裝維修對策

對于橋梁鋪裝病害的維修，實際工程中提出了多種局部修復方案。該橋環氧瀝青鋪裝已運營10年以上，材料的各項性能指標均有所下降，若采用局部維修方案，運營中鋼橋面鋪裝維修對交通暢通影響嚴重，且新鋪裝完成后兩種材料的使用壽命差別太大。此外，鋼橋面鋪裝改造時需對鋼橋面進行拋丸除銹、油漆涂裝，如果保留部分原有鋪裝則不便于鋼橋面清理，易造成新舊鋪裝結合處提前破壞。為保證鋪裝接縫平整、密實及排水需要，對全橋鋼橋面鋪裝進行銑刨重鋪。鋪裝采用雙層環氧瀝青混合料，上面層增鋪厚度5 mm，即調整為30 mm，并采用較粗級配環氧瀝青混合料，提高表面抗滑性能；下面層為25 mm厚，采用較細級配環氧瀝青混合料保證防水密實。鋪裝層總厚度為55 mm，層間及鋪裝層與橋面板間涂布環氧樹脂黏結劑，并在拋丸除銹4 h內噴涂環氧富鋅漆。鋪裝層結構見圖5。

圖5 維修后鋼橋面鋪裝結構示意圖

3.2 維修前后安全性對比分析

適當提高鋼橋面鋪裝層厚度有利于鋪裝層施工碾壓、鋪裝層分層功能設計及鋪裝層的耐久性，短期來看可解決橋面鋪裝的病害問題，但需進一步分析橋面鋪裝維修后橋梁結構的安全性。為此，采用有限元方法對橋梁上部結構維修前后的安全性進行對比分析。

3.2.1 有限元模型

采用BLNAS有限元軟件模擬橋梁受力情況，主纜采用懸鏈線索單元模擬，吊索采用組合單元-膜單元模擬，橋塔、加勁梁采用梁單元模擬，同時考慮加勁梁豎曲線等的變化。全橋共343個節點，梁單元260個，膜單元29個。主纜錨固在加勁梁上。邊界條件為橋塔塔底固結，加勁梁在兩端可豎向轉動。維修方案中橋面鋪裝增厚5 mm，每延米以增重2.46 kN/m計算。有限元模型見圖6。

圖6 佛山平勝大橋有限元模型

3.2.2 主纜內力計算結果與分析

圖7為維修前后主纜內力計算包絡圖。由圖7可知：原鋪裝方案主纜內力最大值為61 879 kN，最小值為52 153 kN；維修鋪裝方案主纜內力最大值為62 131 kN，最小值為52 362 kN，主纜內力最大增加252 kN，維修方案對主纜受力影響很小。

圖7 橋面鋪裝維修前后主纜內力包絡圖(單位：kN)

3.2.3 吊桿內力計算結果與分析

圖8為維修前后吊桿內力計算包絡圖。由圖8可知：原鋪裝方案吊桿內力最大值為1 091 kN，最小值為871 kN；維修鋪裝方案吊桿內力最大值為1 092 kN，最小值為874 kN，吊桿內力最大增加3 kN，維修方案對吊桿受力影響很小。

圖8 橋面鋪裝維修前后吊桿內力包絡圖(單位：kN)

3.2.4 主梁內力計算結果與分析

原鋪裝方案主梁內力最大為100.4 MPa，維修鋪裝方案主梁內力最大為101.3 MPa。主梁內力增加0.9 MPa，小于規范規定的主梁內力不超過200 MPa的要求，維修方案對主梁受力影響很小。

3.2.5 主梁位移計算結果與分析

圖9為維修前后主梁位移計算包絡圖。由圖9可知：原鋪裝方案主梁位移最大為16.5 cm，維修鋪裝方案主梁位移最大為16.5 cm，主梁撓度幾乎不變，滿足規范要求。

圖9 橋面鋪裝維修前后主梁位移包絡圖(單位：m)

4 結語

正交異性鋼橋面板的橋面鋪裝容易發生損壞，及時對橋面鋪裝進行維修加固，有利于橋梁結構的安全和運營。基于廣東佛山平勝大橋橋面鋪裝病害檢查結果，提出采用雙層環氧瀝青混合料鋪裝整體重鋪的維修方案。通過有限元模擬，維修前后結構各內力和撓度數值相差不大，對橋梁安全性的影響很小。經過長時間運營，維修后正交異性鋼橋面板橋面鋪裝未發現明顯病害，維修效果較好。