九江長江大橋公路橋鋼橋面鋪裝結構設計研究

楊亞林，薛永超，錢振東，桂 鑫，王智涵

(1.江西贛鄂皖路橋投資有限責任公司，江西 九江 332099； 2.東南大學 智能交通運輸系統研究中心，江蘇 南京 211189)

1 概述

九江長江大橋地處長江中游，系贛、鄂和皖三省，北連黃岡，南接九江，是重要的交通樞紐。該橋由南岸引橋、正橋、北岸引橋三部分組成[1]，其中正橋為公鐵兩用，兩側引橋各有三跨為公鐵合用，其余橋跨為公鐵分離[2]。由于該橋的區位特點，其通行的車輛中重車比例偏高，公路橋面通行的汽車荷載大于原設計標準荷載等級。長此以往，公路正橋橋面鋪裝病害多有發生，且日益突出，嚴重制約當地的交通發展，給行車安全帶來較大隱患。因此，九江長江大橋公路橋改造工程需要選擇與該橋的結構特點、交通條件及橋區氣候特征相適應的鋼橋面鋪裝方案。

本研究總結近年來出現的新技術、新材料、新方案，分析不同鋼橋面鋪裝方案的特點和適用性，優選出適宜于九江長江大橋公路橋鋼橋面鋪裝技術要求的長壽命鋪裝復合體系，基于九江長江大橋公路橋的環境氣候特點設置相應的試驗條件及技術指標，對鋪裝材料與結構的溫度穩定性能、抗疲勞性能、層間粘結性能與鋪裝復合結構剛度進行驗證，保證橋面鋪裝的整體性能和使用壽命。

2 九江長江大橋公路橋鋼橋面鋪裝設計

由于鋼橋本身在荷載、溫度變化和風載作用下變形的復雜性和正交異性鋼橋面板結構的特殊性，鋪裝層受力變得十分復雜，而對交通量和交通組成、鋪裝層工作溫度及軸載的合理估計是確定鋪裝材料性能指標、評估鋪裝使用壽命的重要依據[3]。九江長江大橋公路橋鋼橋面鋪裝的設計流程如圖1所示。

圖1 九江長江大橋鋼橋面鋪裝設計流程

2.1 九江長江大橋公路橋鋼橋面鋪裝使用條件分析

2.1.1環境氣候條件

氣候條件中對鋪裝影響最大的因素是氣溫，其次包括降水、風力等，九江地區典型氣候要素的相關數據見表1。

由表1可知，九江長江大橋所屬區位雨水豐沛，夏季溫度較高，全年溫差較大，參考國內已有的鋼橋面鋪裝材料設計的工作溫度，結合九江長江大橋所在地區的環境等因素，確定九江長江大橋公路橋橋面鋪裝材料的設計溫度范圍為-15 ℃～+70 ℃。在鋪裝設計與性能驗證時，需要著重考慮高溫穩定性、低溫抗裂性等特性，同時還需要考慮鋪裝的密水特性。

表1 九江長江大橋環境氣候條件匯總Table1 SummaryofenvironmentalandclimaticconditionsofJiujiangYangtzeRiverBridge氣候要素特征值全年平均17最熱月平均29氣溫/℃最冷月平均5極端最高40.2極端最低-12降雨量/mm全年平均1400全年最大2500無霜期/天年無霜期239～266霧日/天全年平均<16

2.1.2交通條件

根據《九江長江大橋正橋改造工程設計文件》[4]中所預測未來車型構成比例、年交通年平均增長率與各特征年的年平均日交通量，考慮到九江長江大橋的貨運需求，本文設定九江長江大橋公路橋的設計超載比為20%，超載量為30%。基于疲勞等效的鋼橋面瀝青混凝土鋪裝體系軸載換算公式[5]，推算橋面累計當量軸載，結果如表2所示。

表2 九江長江大橋各種軸載的累計軸載作用次數Table2 CumulativetimesofaxleloadofJiujiangYangtzeRiverBridge實際軸重/kN輪胎壓力/MPa設計年限內換算為各種軸載的累計軸載作用次數/萬次1000.7138871200.845531401.00475

由于當地氣溫較高、交通量較大，設計過程中考慮了超載問題。故而在進行抗疲勞能力測試時，本文采用軸載140 kN、胎壓1.00 MPa作為鋪裝層的荷載標準，鋪裝設計年限內重載作用下的累計軸載作用次數為475萬次。因此，將疲勞極限最低要求設定為500萬次。

2.1.3結構條件

九江長江大橋公路橋由四聯鋼桁梁組成，自北向南依次為：(0.056+3×162+1.1)m連續鋼桁梁、(1.1+3×162+1.1)m連續鋼桁梁、(1.1+180+216+180+1.1)m柔性拱鋼桁梁和(1.1+2×126+0.056)m連續鋼桁梁，共11孔鋼梁，全長1 806.712 m[6]。改造后的正橋標準斷面及3大拱處分別寬19.5、24.5 m，更換后的正交異性鋼橋面板整體橋面結構組成部分包括縱肋(梁)、橫梁和加勁的鋼橋面板。九江長江大橋公路橋正交異性鋼橋面板幾何結構參數:橋梁主跨為216 m；縱向加勁肋為U形，高280 mm，厚8 mm,開口寬250 mm，縱肋重心間距為510 mm,橫隔板間距為2 250 mm，頂板厚為16 mm。

2.2 九江長江大橋公路橋鋼橋面鋪裝材料及結構

鋼橋面鋪裝作為橋梁的功能層，其材料的優良性、結構的適宜性、性能的優異性、施工的便利性及經濟的合理性等對橋梁行車質量及鋪裝使用壽命至關重要。本研究從鋼橋面鋪裝的材料、結構、施工工藝及經濟性出發，結合九江長江大橋公路橋的結構特點、交通條件、氣候特征及功能需求，并參考已有鋼橋的鋪裝使用現狀，對不同鋼橋面鋪裝方案進行相關的調查對比研究，最終優選出適宜九江長江大橋公路橋的鋼橋面鋪裝方案[7]。

2.2.1鋼橋面鋪裝典型材料

目前在鋼橋面鋪裝領域主要使用“環氧、澆注、改性SMA”這3種典型瀝青混凝土材料。本研究對鋪裝典型瀝青混凝土的材料特性進行統計，重點分析各鋪裝材料的高溫抗車轍能力、低溫抗裂性能、防滲水性能、抗滑性能以及抗疲勞性能，以尋求適合于九江長江大橋公路橋的鋪裝材料，鋪裝材料特性見表3。

表3 典型鋼橋面鋪裝瀝青混凝土特性Table3 Characteristicsofasphaltconcretefortypicalsteeldeckpavement混凝土種類級配類型空隙率/%構造深度/mmTSR/%穩定度/kN動穩定度/mm60℃70℃極限彎曲應變(-15℃)/με疲勞性能(15℃)/次改性SMA骨架密實3～4≥0.55>88.38.606342484630908000EA懸浮密實<3—>91.863.61860015000372018000GA懸浮密實<1—>95.79.82815465826012000

從表4中可以看出：GA的空隙率基本為零，較其他2種混凝土具有更好的密實性，可以防止水分侵蝕鋼板，EA的密實性僅次于GA；在抗滑性能方面，改性SMA表面構造深度遠大于GA和EA；3種混凝土的TSR值均大于85%，其水穩定性均較好；EA的穩定度最高，且遠高于其他兩種材料；從3種混凝土的動穩定度可以看出EA的高溫穩定性最優，改性SMA的高溫穩定性良好，GA在高溫穩定性上存在較大的不足；GA的極限彎拉應變最大，其低溫變形能力最好，EA介于GA和改性SMA之間；EA具有最佳的抗疲勞性能，GA其次，分別約為改性SMA疲勞性能的2.25倍和1.5倍。

綜合以上分析可得：EA在密水性、水穩定性、高溫穩定性和抗疲勞性能方面表現優異，但表面抗滑性能一般；改性SMA表面抗滑性能優異，對于行車安全十分有利，但其他性能相對較弱，可以用于鋼橋面鋪裝上層，且一般采用改性SMA或適當添加抗車轍劑，以提高其高溫穩定性，適應于九江長江大橋公路橋重交通量的現狀；GA的密水性、水穩定性和抗疲勞性能方面表現良好，低溫變形能力優異，抗滑性能一般，但在高溫性能上存在較大的不足，可用于鋪裝下層。

2.2.2鋼橋面鋪裝典型結構

本研究根據對EA、GA、改性SMA這3種鋪裝材料基本特性的認識，結合九江長江大橋公路橋的工程特點，對“雙層EA”、“下層EA+上層改性SMA”與“下層GA+上層改性SMA”3種鋼橋面鋪裝典型結構進行對比研究。

鋼橋面鋪裝應設置完善的防水粘結體系，且必須具有較好的變形協調能力、復合結構路用性能以及維養便捷性，重點從界面安全性、變形協調性、復合結構路用性能、維養狀況等方面對3種鋪裝結構進行分析，3種鋪裝結構的技術性能見表4。

表4 典型鋪裝結構的技術性能Table4 Technicalperformanceoftypicalpavementstructure鋪裝結構技術性能“雙層EA”“下層GA+上層改性SMA”“下層EA+上層改性SMA”界面安全性鋼橋面防腐保護環氧富鋅防腐層ZedS94底涂層環氧富鋅防腐層防水性能不透水不透水不透水粘結性能/MPa拉拔強度:3.0剪切強度:3.1拉拔強度:2.28剪切強度:4拉拔強度:3.0剪切強度:3.1變形協調性線收縮系數(15℃～-15℃)/(10-5℃-1)鋪裝下層:1.52(接近鋼板)鋪裝下層:2.14鋪裝下層:1.52(接近鋼板)復合結構路用性能極限應變(-15℃)/με335047103020疲勞性能(60℃,7kN)/萬次800(未見破壞)600(跨中GA高溫流動)650(未見破壞)抗滑性能/BPN658080養生時間養生25～45d鋪裝完成即可通車鋪裝完成即可通車維養便捷性養護時工作量較大小(主要修復改性SMA)小(主要修復改性SMA)修復便捷性修復較困難,面積較大時需封閉交通主要修復改性SMA,修復較簡單,無需封閉交通主要修復改性SMA,修復較簡單,無需封閉交通

由表4可知：“雙層EA”及“下層EA+上層改性SMA”鋪裝結構采用EA作為基層，線收縮系數接近鋼板，具有較好的變形協調能力；“下層GA+上層改性SMA”鋪裝結構的極限應變最大，表明“下層GA+上層改性SMA”鋪裝結構低溫變形能力優異，“雙層EA”及“下層EA+上層改性SMA”鋪裝結構相對較弱；“下層GA+上層改性SMA”鋪裝結構在600萬次荷載作用下已出現高溫流動，其抗疲勞性能相較于其他兩種鋪裝結構較弱，高溫穩定性略顯不足；在表面抗滑性能方面，“下層EA+上層改性SMA”及“下層GA+上層改性SMA” 鋪裝結構上層均采用改性SMA磨耗層，擺值能達到80BPN，可以提供粗糙的行車界面，有利于行車安全，而“雙層EA”鋪裝結構采用環氧瀝青混凝土面層，擺值較小，表面抗滑性能不如其他兩種鋪裝結構。在維養便捷性方面，“下層GA+上層改性SMA”及“下層EA+上層改性SMA”鋪裝結構較好，“雙層EA” 鋪裝結構相對較差。

綜合以上分析可得：“雙層EA”鋪裝結構具有良好的界面安全性、變形協調性能以及優異的抗疲勞性能，但是其表層抗滑性能一般，維養便捷性差；“下層GA+上層改性SMA” 鋪裝結構的界面安全性、抗滑性能、變形協調性和維養便捷性優異，但其抗疲勞性能以及高溫穩定性相對較弱；“下層EA+上層改性SMA”鋪裝結構在界面安全性、變形協調性能、抗疲勞性能、維養便捷性以及抗滑性能均表現優異。

2.3 九江長江大橋公路橋鋼橋面鋪裝結構確定

相比于“雙層EA”鋪裝方案和“下層GA+上層改性SMA”鋪裝方案，“下層EA+上層改性SMA”鋪裝方案作為一種長壽命鋼橋面鋪裝方案，其在材料特性、結構性能、施工工藝以及工程造價、運營后維養便捷等方面均表現優異，更適應于九江長江大橋公路橋的結構特點、交通條件及所處位置的氣候特征。

根據九江長江大橋鋼橋面鋪裝的使用條件及工程經驗，其鋪裝結構擬采用下層30mmEA+上層40mmSMA結構，鋪裝結構如圖2所示。

圖2 九江長江大橋擬采用的鋪裝結構

3 九江長江大橋公路橋鋼橋面鋪裝結構性能驗證

本文在常規鋪裝結構性能驗證試驗的基礎上，依照九江長江大橋的氣候及交通特性，優化了試驗條件，并參考相近工程提出了較高的技術要求[8-9]。需要注意的是，涉及環氧瀝青混合料的試驗，應在環氧瀝青固化完成后方可進行試驗。

橋面鋪裝是直接承受車輛荷載的結構層，除了保障車輛通行的安全性與舒適性以外，還承擔著對鋼橋面板的保護功能。鋼橋面鋪裝設計過程中應基于鋼橋面使用條件，設置相應的試驗條件及技術指標，對鋪裝材料與結構進行高溫穩定性、低溫抗裂性、抗疲勞性能、層間粘結性能及表面性能進行相應測試。同時，鋼橋面-鋪裝體系的結構剛度不足是導致我國早期建設的鋼橋面鋪裝早期病害的重要因素，本研究對下層EA+上層改性SMA鋼橋面鋪裝體系進行剛度驗算，若剛度不足還應進行修正與改進。

3.1 鋪裝結構溫度穩定性驗證

3.1.1高溫穩定性驗證

常見的瀝青混合料高溫穩定性測試試驗一般在60 ℃的環境下進行，考慮到九江長江大橋所屬區位的氣候特征，夏季最炎熱時鋼箱梁溫度可達70 ℃，故本文在常用的60 ℃車轍試驗基礎上增設一組70 ℃下車轍試驗驗證該鋪裝組合結構的高溫穩定性，以動穩定度為驗證指標[10]。

根據瀝青混合料車轍試驗規程按照“鋪裝下層→粘結層→鋪裝上層”的順序制備鋪裝組合結構車轍板試件，進行車轍試驗，試驗溫度分別為60 ℃和70 ℃。

由表5知該鋪裝組合結構在60 ℃和70 ℃時的動穩定度均能滿足技術要求，其高溫穩定性良好。

表5 鋪裝組合結構高溫穩定性驗證結果(60℃&70℃)Table5 Verificationresultsofhightemperaturestabilityofpavementcompositestructure(60℃&70℃)試驗條件試驗結果/(次·mm-1)123平均值/(次·mm-1)技術要求/(次·mm-1)60℃,0.7MPa,60min1022311230989710450≥800070℃,0.7MPa,60min6290578961026060≥4000注:本試驗采用JTGE20-2011T0719方法。

3.1.2低溫抗裂性驗證

采用-15 ℃彎曲試驗驗證該鋪裝組合結構低溫抗裂性，以極限彎曲強度和極限彎曲應變為驗證指標。

根據瀝青混合料彎曲試驗規程按照“鋪裝下層→粘結層→鋪裝上層”的順序制尺寸為250 mm×50 mm×40 mm的鋪裝組合結構棱柱體小梁試件，進行低溫彎曲試驗，試驗溫度為-15 ℃，加載速率為1 mm/min。

由表6可知，該鋪裝組合結構在-15 ℃時的極限彎曲強度和極限彎曲應變均能滿足技術要求，其低溫抗裂性良好。

表6 鋪裝組合結構低溫抗裂性驗證結果(-15℃)Table6 Verificationresultsoflowtemperaturecrackresist-anceofpavementcompositestructure(-15℃)極限彎曲強度/MPa極限彎曲應變/10-3試驗結果115.12.33試驗結果214.92.39試驗結果314.22.50平均值14.72.41技術要求≥10.0≥2.00注:本試驗采用JTGE20-2011T0715方法。

3.2 鋪裝結構層間粘結性能驗證

根據環氧材料的粘結機理，環境溫度越高其粘結強度及剪切強度越低，越容易發生脫層病害，故應測試高溫狀態下的拉拔與剪切強度，但在拉拔試驗過程中發現，高溫會導致瀝青混合料軟化、斷裂，無法測試真實的拉拔強度，故本文在20 ℃環境下測試復合結構粘結強度，在60 ℃的環境下測試剪切強度，試件受力面與加載方向取成45°夾角。

3.2.1拉拔試驗

選擇實際橋面鋼板，經噴砂除銹、防銹涂裝處理后，按“防水粘結層→鋪裝下層→粘結層→鋪裝上層”的順序制作該鋪裝結構的復合梁試件，待試件完全固化后，進行鋪裝復合結構的拉拔試驗，試驗溫度(20±2)℃。拉拔試驗結果如表7所示。

表7 鋪裝復合結構界面安全性驗證結果(20℃)Table7 Interfacesafetyverificationresultsofpavementcompositestructure(20℃)編號破壞拉力/kN粘結強度/MPa平均值/MPa技術要求/MPa破壞面位置1≥5.90≥3.05鋪裝層上層內部2≥6.01≥3.12≥3.08≥2.75鋪裝層上層內部3≥5.93≥3.06鋪裝層上層內部

由表8可見，復合梁試件的粘結強度滿足技術要求，并且破壞面均未出現在粘結層上，表明鋪裝層與鋼板及鋪裝層層間均具有良好的粘結性能，該鋪裝復合結構的界面安全性良好。

3.2.2剪切試驗

選擇實際橋面鋼板，經噴砂除銹、防銹涂裝處理后，按“防水粘結層→鋪裝下層→粘結層→鋪裝上層”的順序制作該鋪裝復合結構的剪切試塊，進行剪切試驗，試驗溫度為60 ℃，試驗加載速度為50 mm/min，試件受力面與加載方向取成45°夾角。60 ℃剪切試驗破壞面位置在鋪裝上、下層之間的粘結面,試驗結果1為0.78 MPa,結果2為0.81 MPa,結果3為0.91 MPa,其平均值為0.83 MPa,而課題組根據科研成果和工程經驗確定的要求是大于或等于0.6。

3.3 疲勞性能驗證

常見的鋼橋面鋪裝疲勞性能測試試驗分為五點式疲勞測試及三點式疲勞測試兩種，其中五點式疲勞試驗的最終破壞形態常表現為粘層脫落，而三點式疲勞試驗的最終破壞形態常表現為鋪裝層開裂[11]，由于EA+SMA體系鋪裝結構的典型病害為疲勞開裂，故文本采用疲勞試驗驗證鋼橋面-鋪裝復合結構的疲勞性能，以疲勞壽命為驗證指標。

選擇實際橋面鋼板，經噴砂除銹、防銹涂裝處理后，按“防水粘結層→鋪裝下層→粘結層→鋪裝上層”的順序制作該鋪裝結構的復合梁試件。疲勞試驗在MTS 810材料試驗系統上進行，試驗荷載取7 kN(對應軸重140 kN)，試驗頻率為10 Hz，試驗溫度為70 ℃。疲勞試驗結果如表8所示。

表8 鋪裝復合結構疲勞性能驗證結果Table8 Fatigueperformanceverificationresultsofpavementcompositestructure鋪裝結構試驗方法疲勞壽命/萬次規范要求/萬次備注EA10+SMA13三點加載疲勞試驗1320≥1000上面層開裂五點加載疲勞試驗137≥100防水粘結層破壞

由表8可知，復合梁試件在70 ℃時的疲勞壽命滿足技術要求，該鋪裝復合結構的疲勞性能良好。

3.4 鋼橋面-鋪裝復合結構剛度驗證

本研究采用理論計算法計算鋼橋面-鋪裝復合結構的剛度，參照日本《道路橋示方書》中的規定[12]，以最小曲率半徑R與肋間相對撓度Δ作為評價指標。R與Δ按式(1)～式(3)進行。

(1)

Δ=KΔ×Δ0

(2)

(3)

式(1)～式(3)中各符號的物理意義及取值如表9所示。

表9 復合結構剛度計算公式中各符號的物理意義及取值表Table9 Physicalmeaningandvaluetableofeachsymbolinstiffnesscalculationformulaofcompositestructure項目參數備注鋼橋面板210000 彈性模量Ei/MPaEA15000 SMA1400 鋼橋面板14 結構層厚度hi/mmEA30 SMA40 縱向加勁肋間距b/mm250 驗算荷載的接地壓強P/MPa0.81理論計算的荷載折減系數kt0.5 動載系數kμ1.3 驗算荷載單輪橫向接地寬度p/mm200 曲率半徑布載差異修正系數KR1.25與鋼橋面板的幾何尺寸有關撓度布載差異修正系數KΔ0.98

九江長江大橋公路橋鋼橋面-鋪裝復合體系的剛度計算結果及技術要求如表10所示。

表10 九江長江大橋公路橋鋼橋面-鋪裝復合體系的剛度計算結果Table10 StiffnesscalculationresultsofsteeldeckpavementcompositesystemofJiujiangYangtzeRiverBridge項目內容最小曲率半徑R/m肋間相對撓度Δ計算結果51.320.046技術要求>20<0.4

由表10可知，九江長江大橋公路橋鋼橋面-鋪裝復合體系的剛度滿足要求，可以進行施工組織設計。

4 結論

a.EA各方面性能均比較優異，但表面抗滑性能一般；改性SMA表面抗滑性能優異，可以用于鋼橋面鋪裝上層，且一般采用改性SMA或適當添加抗車轍劑，以提高其高溫穩定性；GA的密水性、水穩定性，抗滑性能一般，可用于鋪裝下層。

b.相較于“雙層EA”、“下層GA+上層改性SMA” 鋪裝結構，“下層EA+上層改性SMA”鋪裝結構在界面安全性、變形協調性能、抗疲勞性能、維養便捷性以及抗滑性能均表現優異。

c.“下層EA+上層SMA”鋪裝結構的溫度穩定性、層間粘結性、疲勞性能、鋪裝復合結構剛度均滿足九江長江大橋公路橋鋼橋面鋪裝的要求。