跨海大橋鋼橋面鋪裝耐久性能研究

曹啟新

（健研檢測集團有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

跨海大橋是當(dāng)今世界上最為重要和具有挑戰(zhàn)性的基礎(chǔ)建設(shè)項目之一，其建設(shè)對于促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、加強行業(yè)競爭力和提升社會福利水平等方面有著重要的推動作用。鋼箱梁憑借美觀、自重輕、跨度大、強度高、裝配性強、加固便捷等優(yōu)勢，是建設(shè)跨海大橋的常用構(gòu)件，鋼橋面鋪裝品質(zhì)直接影響到橋面的使用壽命、安全性能和經(jīng)濟效益。因此，對跨海大橋鋼橋面鋪裝的耐久性能進(jìn)行深入研究，有著十分重要的現(xiàn)實意義和科學(xué)價值。

1 鋼橋面鋪裝力學(xué)分析方法

1.1 整體力學(xué)分析方法

鋼橋面鋪裝的應(yīng)力分析是指在不同荷載作用下，對鋼橋在不同位置和不同時間點的應(yīng)力分布進(jìn)行分析，并確定橋梁在不同荷載情況下所承受的最大彎矩[1]。根據(jù)整橋計算結(jié)果，分別建立墩頂處和跨中鋼箱梁局部模型并進(jìn)行有限元分析。整體力學(xué)分析結(jié)果：墩頂處鋼橋面鋪裝層在整橋最不利荷載作用下產(chǎn)生的縱向拉應(yīng)變大，而橫向拉應(yīng)變非常小，此外，在荷載作用下，鋼橋會發(fā)生一定變形，而補強措施和剛度調(diào)整可以有效降低變形量[2]。

1.2 局部力學(xué)分析方法

本文采用了與整體力學(xué)分析階段相似的方法來進(jìn)行跨海大橋鋼橋面鋪裝的局部力學(xué)分析。鋼箱梁局部模型跟整體力學(xué)分析階段的有限元模型如圖1、2所示[2]。

圖2 跨中局部鋼箱梁有限元模型

1.3 細(xì)部力學(xué)分析

當(dāng)車輛剎車時，橋面鋪裝將承受較大的水平荷載和橫向荷載，因此橋面鋪裝的抗久性能直接影響到大橋整體結(jié)構(gòu)安全。在細(xì)部力學(xué)分析中，需要對每個細(xì)節(jié)部分建立特定的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行有限元分析[3]。本文選擇水平荷載系數(shù)為0.5，標(biāo)準(zhǔn)垂直荷載的作用集度為0.707MPa，則水平荷載的集度為0.354MPa，計算所得的最大應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果如表1 所示。

2 關(guān)鍵使用參數(shù)對鋪裝耐久性的影響分析

2.1 鋼箱梁頂板厚度對鋪裝受力的影響

鋼箱梁頂板厚度對鋪裝受力有著重要影響。當(dāng)鋼箱梁頂板厚度較薄時，受荷載后頂板所承受的應(yīng)力會更大，從而造成板面裂縫、滑移等問題[3]。當(dāng)鋼箱梁頂板厚度增加時，能夠減緩鋪裝層的受力狀況[4]。鋼箱梁頂板厚度對鋪裝層受力的影響見表2。

表2 鋼箱梁頂板厚度變化對鋪裝受力的影響

2.2 重載對鋪裝受力的影響

重載會對鋪裝受力產(chǎn)生顯著的影響。本文對超載問題進(jìn)行了分析，分析依據(jù)為：標(biāo)準(zhǔn)胎壓0.707MPa，通過增加胎壓集度到標(biāo)準(zhǔn)胎壓的1.5 倍和2 倍，模擬在重載下的橋面鋪裝力學(xué)響應(yīng)，具體結(jié)果見表3。

2.3 鋪裝層模量對鋪裝層受力的影響

彈性模量是描述材料抵抗彈性變形能力的物理量，它越大，代表該材料的剛度越高，能夠承受更大的荷載而不會產(chǎn)生過大的位移[4]。本文通過改變鋪裝層材料的模量，計算鋪裝層內(nèi)的剪應(yīng)力/拉應(yīng)變的變化，分析結(jié)果如表4 所示。

表4 鋪裝層模量對鋪裝受力的影響

2.4 鋪裝方案及質(zhì)量控制要點

在跨海大橋鋼橋面鋪裝的耐久性能研究中，鋼箱梁頂板厚度、重載和鋪裝層模量是三個主要影響鋪裝層受力情況的因素，這些因素之間的交互作用和單獨的影響程度是非常重要的。對鋪裝層的受力影響而言，鋼箱梁頂板厚度和重載的影響較大，而鋪裝層模量的影響相對較小。因此，在跨海大橋鋼橋面鋪裝的設(shè)計和施工中，需要根據(jù)不同橋梁的特點和使用環(huán)境，要綜合考慮這三種因素的影響，以確定最優(yōu)的鋪裝層設(shè)計方案。

鋪裝方案的選擇及現(xiàn)場的施工質(zhì)量對把控鋪裝層的耐久性也是至關(guān)重要的一方面，不同鋪裝方案直接表現(xiàn)出不同的工作性能、不同的路面行駛質(zhì)感，甚至影響路面的使用壽命。鋪裝方案的選擇應(yīng)根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點、交通荷載、環(huán)境氣候、施工條件、恒載限制等因素，結(jié)合鋼橋面鋪裝的設(shè)計和使用經(jīng)驗，初步擬定鋼橋面鋪裝組合結(jié)構(gòu)的厚度及材料類型；根據(jù)初擬方案，設(shè)計材料和混合料并進(jìn)行相關(guān)性能試驗，測試鋪裝結(jié)構(gòu)層材料的力學(xué)參數(shù)、高溫穩(wěn)定性能、界面聯(lián)結(jié)性能、復(fù)合梁疲勞性能試驗（常見鋪裝組合方案見表5）。相較于半剛性基層路面施工，鋼橋面鋪裝層尤其要注重鋼結(jié)構(gòu)的防腐層、防水黏結(jié)層及保護層的施工，施工前應(yīng)做好相應(yīng)組織及資源配置，建立質(zhì)量管理體系及控制措施，施工過程中注重鋼梁表面的噴砂除銹，表面清理的質(zhì)量直接影響到處理后的鋼板表面質(zhì)量，對基面與涂層之間的結(jié)合力有至關(guān)重要的影響。磨耗層與高溫穩(wěn)定性和路面行駛質(zhì)感有更緊密的關(guān)系，對重載車較多、縱坡較大或公交車站區(qū)域等路段，宜提高動穩(wěn)定度要求。

表5 常見鋪裝結(jié)構(gòu)層組合方案

3 鋼橋面鋪裝疲勞耐久性研究

3.1 試件成型

試件成型是橋梁鋪裝工程設(shè)計過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其主要目的在于檢驗和評價結(jié)構(gòu)性能是否符合規(guī)范要求。試件成型過程中應(yīng)保證鋪裝的密度達(dá)到設(shè)計要求，該試驗采用16mm 厚復(fù)合件鋼板，具體如圖3 所示。

圖3 復(fù)合件鋼板

3.2 試件保溫

試件在橋面與鋪裝層之間的預(yù)應(yīng)力釋放溫度一般為0，其主要原因是材料內(nèi)部存在大量氣泡，這些氣泡對鋼橋結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大影響，同時也會使混凝土開裂，因此橋梁施工中要充分考慮到外部環(huán)境因素[5]。將帶鋼板復(fù)合件置于試驗溫度保溫箱中至少6h(空氣浴)，以保證試件內(nèi)外部的溫度一致。

3.3 加載試驗

試驗采用恒安計算機程序控制，利用軟件計算，試驗結(jié)果與實際橋面鋪裝過程一致。橋梁結(jié)構(gòu)試件在現(xiàn)場通過加載后進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變測量及相應(yīng)處理。試驗的接觸壓力取最大荷載的1/10。

3.4 數(shù)據(jù)采集

在試驗開始時，試驗設(shè)備應(yīng)記錄試驗的作用次數(shù)、試件的豎向撓曲變形以及荷載作用過程中試件的動撓度曲線。表6 為環(huán)氧瀝青鋪裝組合結(jié)構(gòu)疲勞試驗結(jié)果。

表6 環(huán)氧瀝青鋪裝組合結(jié)構(gòu)疲勞試驗結(jié)果

從表6 的試驗結(jié)果可以看出，大橋鋪裝橋面出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象主要是由于結(jié)構(gòu)的承載能力不足，在施工過程中，需要對預(yù)應(yīng)力T 梁進(jìn)行合理抗剪，以保證橋梁的整體質(zhì)量。

4 結(jié)語

本文圍繞跨海大橋鋼橋面鋪裝的耐久性能展開了深入研究。通過力學(xué)分析方法以及疲勞性能試驗，對鋼橋面鋪裝受力機理和關(guān)鍵使用參數(shù)的影響進(jìn)行詳細(xì)探討，并得出一系列相關(guān)結(jié)論。首先，在鋼橋面鋪裝力學(xué)分析方法方面，提出整體、局部和細(xì)部的力學(xué)分析方法，為研究橋面鋪裝提供具體的分析框架。其次，對關(guān)鍵使用參數(shù)的影響進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)，鋼箱梁頂板厚度、重載和鋪裝層模量都對鋪裝受力產(chǎn)生顯著影響。最后，在鋼橋面鋪裝疲勞耐久性研究方面，進(jìn)行了組合結(jié)構(gòu)疲勞性能試驗，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和分析。通過這些試驗，更深入地了解鋪裝在長期疲勞荷載下的行為，并為實際工程提供了重要的參考和指導(dǎo)。

未來，進(jìn)一步的研究可以著重在以下幾個方面展開。首先，可以深入探索其他關(guān)鍵使用參數(shù)對鋪裝耐久性能的影響，擴大樣本范圍和研究方法，以更全面地理解鋪裝行為。其次，可以探索新的鋪裝材料和工藝，提高鋪裝的抗疲勞性能和耐久性。此外，還可以進(jìn)一步優(yōu)化鋪裝方案，并開展長期實際工程跟蹤觀測，驗證研究成果的實用性和可行性。總之，通過本文的研究，對跨海大橋鋼橋面鋪裝的耐久性能有了更深入的認(rèn)識。未來的研究將進(jìn)一步推動和完善橋面鋪裝技術(shù)，為跨海大橋的建設(shè)和維護提供更加可靠和可持續(xù)的解決方案。