高黏高彈改性瀝青與超高韌性混凝土組合鋪裝體系在大縱坡鋼橋面中的應用研究

曹淞柏，李翔，周小燁

（重慶市市政設計研究院有限公司，重慶 401120）

0 引言

正交異性板鋼橋面承受著車輪荷載及自然環(huán)境的反復作用，在使用過程中較容易出現(xiàn)病害，而在大縱坡條件下，其使用條件更為不利。基于此，本文以實際工程為例開展了高黏高彈改性瀝青與超高韌性混凝土組合鋪裝體系在大縱坡鋼橋面的應用研究。就鋪裝類型而言，大縱坡鋼橋面具有較高的強度及抗沖擊性，自身難以損壞，不但能增強橋面剛度、減小疲勞應力幅，還能提高鋪裝面層的耐久性。就現(xiàn)狀而言，該類鋼橋面鋪裝在國內(nèi)已有較多應用及研究[1-5]，但在大縱坡條件下應用較少，本文以大縱坡為背景結(jié)合Q7 橋?qū)嵗_展相關研究。

1 Q7 橋鋼橋面鋪裝結(jié)構體系

圖1 橋型布置圖

Q7 橋梁為部分地錨式傾斜鋼拱塔斜拉橋，全長147 m，跨徑布置為42+78 m，橋梁結(jié)構采用雙索面半漂浮體系，受邊界條件影響，橋梁縱坡為7.8%。

考慮到該橋為半漂浮體系及橋梁縱坡大等諸多不利因素，常規(guī)縱坡鋼橋面所用的澆筑式瀝青鋪裝或?qū)嵤l件要求極高的環(huán)氧瀝青鋪裝易出現(xiàn)的開裂、推移、脫層等病害，采用常規(guī)鋪裝結(jié)構已無法滿足該橋的設計、施工及使用所需的各項要求。Q7 橋在橋面鋪裝實施前就已經(jīng)過系統(tǒng)的科研試驗并結(jié)合有限元理論計算和專項研究，最終采用了高黏高彈改性瀝青與超高韌性混凝土鋼橋面鋪裝的組合結(jié)構體系。具體橋面鋪裝組合結(jié)構體系為：5 cm 厚超高韌性混凝土（表面嵌石）+SBS改性乳化瀝青+高黏高彈改性瀝青防水粘結(jié)應力吸收層+4 cm厚高黏高彈改性瀝青混合料SMA-10 面層組成。其工藝原理是利用超高韌性混凝土的超高抗彎強度、高韌性、高耐久性等特點，提高半漂浮體系結(jié)構的剛度；再通過特殊的嵌石、拋丸及養(yǎng)護工藝，增加超高韌性混凝土基面糙化度，并充分利用高黏高彈改性瀝青之高黏高彈特性，使鋪裝結(jié)構體系較常規(guī)鋪裝結(jié)構而言，鋪裝層間的連接大大增加，從而使其滿足大縱坡條件下的使用需求。

2 Q7 橋高黏高彈改性瀝青應用實踐

2.1 鋼箱梁概況

Q7 橋車行道主梁采用單箱三室鋼箱梁（圖2）。梁頂總寬為21.46 m，梁底總寬為20.824 m。鋼箱梁在道路中心線處梁高1.632 m，梁頂設置有1.5%的雙向橫坡，其頂、底板及縱隔板厚均為16 mm，頂、底、腹板的縱肋高180 mm，厚16 mm，邊腹板厚30 mm；車行道鋼箱梁橫隔板最大間距為3.25 m，其中一般位置處橫隔板厚12 mm，拉索錨固位置處、連接挑梁處、橋臺側(cè)端部及鋼混結(jié)合分界處橫隔板厚均為16 mm，支點位置處橫隔板厚20 mm。人行道梁外挑于車行道主梁兩側(cè)，挑梁采用工字型截面，端部梁高為0.6 m，根部梁高0.7 m，頂、底翼緣總寬度均為0.6 m。車行道梁、人行道梁與挑梁均采用Q355C 鋼材。

圖2 標準橫斷面

圖3 節(jié)段模型

2.2 鋪裝工藝概況

2.2.1 STC 層及其表面糙化

鋼橋面板上鋪設50 mm 厚STC 層，STC 層通過Φ13×35 mm的短栓釘與鋼面板連接，短焊釘縱橫向間距為150×150 mm，STC 層內(nèi)密布37.5×37.5 mm 縱橫交錯的Φ10 鋼筋網(wǎng)，橫向鋼筋位于上層。STC 超高韌性混凝土初凝前進行糙化處理：在STC表面均勻撒布粒徑4.75～9.5 mm 玄武巖碎石，碎石撒布覆蓋率應為STC 表面積的60%～70%，碎石撒布后，按壓至STC 層內(nèi)，嵌入深度為2/5～3/5，STC 層+嵌石結(jié)構采用保濕膜覆蓋養(yǎng)護約2 d 后，進行拋丸處理并采用高壓射水清除浮漿。

2.2.2 粘結(jié)層工藝

STC+嵌石結(jié)構表面清理干凈后，采用全自動瀝青灑布車灑布SBS 改性乳化瀝青，用量0.4～0.7 kg/m2，然后采用同步碎石封層車灑布高黏高彈改性瀝青和碎石防水應力吸收粘結(jié)層，高黏高彈改性瀝青灑布量1.6～2.0 kg/m2，噴灑溫度控制在190℃～200 ℃，確保噴灑均勻、控量準確。預拌碎石采用SBS 改性瀝青和粒徑4.75～9.5 mm 玄武巖，油石比0.5%，撒鋪面積占鋪裝面積70%。

2.2.3 高黏高彈SMA-10

瀝青混合料的攤鋪全部由機械施工，采用與攤鋪寬度相適應的攤鋪機施工。

表1 高黏高彈改性瀝青技術指標

2.3 有限元計算

從文獻[1]中對鋼-STC 體系首創(chuàng)性的提出到文獻[2]中統(tǒng)計到實橋中鋼-STC 體系運營情況，可見鋼-STC 體系性能穩(wěn)定，未出現(xiàn)任何病害問題，所以本文僅論述在本橋大縱坡條件下的SMA-10 表層及粘結(jié)層性能。采用ANSYS 軟件建立Q7 橋有限元節(jié)段模型，計算在城-A 車輛荷載作用下大縱坡橋面鋪裝層的受力大小，通過對比規(guī)范中瀝青瑪蹄脂的劈裂強度和剪切強度數(shù)據(jù)評價表層SMA-10 性能，通過對比剪切試驗和拉拔試驗測出的各黏結(jié)劑抗剪強度和拉拔強度試驗結(jié)果為該橋黏結(jié)層選擇合適的黏結(jié)劑。

2.3.1 基本參數(shù)及荷載

1）基本參數(shù)

有限元建模中，瀝青上面層厚度為40 mm，采用SMA-10，通過彈性模量來考慮兩種溫度（高溫60 ℃和低溫25 ℃）的上面層特性。常溫（25 ℃）下彈性模量取1 600 MPa，高溫（60 ℃）下彈性模量取320 MPa；泊松比取0.25。

STC 下層厚50 mm，根據(jù)《超高性能輕型組合橋面結(jié)構技術規(guī)程》（GDJTG/T A01—2015）彈性模量取40.7 GPa，泊松比取0.2。材料物理參數(shù)見表2。

表2 材料物理力學參數(shù)

2）荷載取值

按照《城市橋梁設計規(guī)范》取值，布置加載車在行車道范圍內(nèi)。計算中的加載車為規(guī)范規(guī)定的城-A 荷載，加載軸中每個車輪作用面積為250 mm×600 mm（縱橋向×橫橋向）。豎向荷載考慮1.3 的沖擊系數(shù)，水平荷載取豎向荷載的0.65 倍（模擬車輛緊急制動，水平力系數(shù)取0.65）。

2.3.2 有限元建模及結(jié)果

該橋最大縱坡為7.8%，有限元建模時通過考慮重力方向與梁體的夾角（arctan(7.8%)=4.46°）來模擬鋼箱梁縱坡。有限元模型中瀝青層和STC 層采用SOLID185 單元模擬，主梁鋼板件采用SHELL181 單元模擬，鋼梁面板與STC 層間的栓釘通過COMBIN14 單元模擬。鋼板與STC 層間的抗剪由彈簧單元（COMBIN14 單元）來模擬，包括橫向和縱向，抗剪剛度根據(jù)以往經(jīng)驗取270 kN/mm、豎向自由度進行耦合。STC 層與瀝青層間采用節(jié)點耦合的方式模擬。

鋼梁及鋪裝有限元模型的整體網(wǎng)格尺寸采用50 mm，由于鋪裝為研究重點，將鋪裝層網(wǎng)格繼續(xù)細分，40 mm 厚瀝青鋪裝層和50 mm 厚STC 層均采用4 層網(wǎng)格。

車輛荷載共考慮7 種工況，包括中間兩個軸重140 kN 的雙軸和軸重200 kN 的單軸。車輛活載的布載如圖4 所示。

圖4 荷載布載位置（單位：mm）

2.4 計算結(jié)果與試驗對比

2.4.1 SMA 層性能評價

通過有限元計算，SMA 層最大應力結(jié)果匯總?cè)绫?。基于有限元最大應力值以及《城鎮(zhèn)道路路面設計規(guī)范》（CJJ169—2012）中瀝青瑪蹄脂的劈裂強度和剪切強度數(shù)據(jù)，計算得到抗剪強度系數(shù)（Kr）、抗拉強度系數(shù)（Ks），匯總見表4。

表3 瀝青層最大應力結(jié)果匯總表（單位：MPa）

表4 SMA 抗剪強度系數(shù)（Kr）及抗拉強度系數(shù)（Ks）

表4 可知，SMA 的抗剪強度系數(shù)為1.15，抗拉強度系數(shù)為1.06。SMA 層能夠滿足路用性能要求。

2.4.2 STC-SMA 層間粘結(jié)性能評價

通過有限元計算，STC-SMA 層間應力結(jié)果匯總?cè)绫?。

表5 STC 層與瀝青層層間應力結(jié)果匯總表（單位：MPa）

?

在25 ℃和60 ℃溫度狀態(tài)下，測試STC-SMA 復合試件界面抗剪強度。層間剪切試驗結(jié)果如表6。

表6 剪切試驗結(jié)果(MPa)

在25 ℃和60 ℃溫度條件下，測試黏層材料與STC 的附著力拉拔強度，試驗表明，與STC 附著力拉拔破壞均發(fā)生在黏層，附著力拉拔強度測試結(jié)果匯總?cè)绫?。

表7 與STC 附著力拉拔試驗結(jié)果(MPa)

基于有限元最大應力值以及復合試件層間剪切強度和STC附著力拉拔強度的測試數(shù)據(jù)（見表6 和表7），計算得到剪切強度系數(shù)（Kr）、拉拔強度安全系數(shù)（Ks），匯總見表8。

表8 STC-SMA 層間剪切強度系數(shù)（Kr）及拉拔強度系數(shù)（Ks）

表8 顯示，在最不利荷載組合作用下，樹脂202 黏層滿足常溫、高溫條件下層間受力要求，且有足夠的安全儲備。高黏高彈PG100（STC 無嵌石）瀝青黏層的抗剪強度無法滿足高溫（60 ℃）條件下層間受力要求；高黏高彈PG100（STC 有嵌石）瀝青黏層滿足常溫、高溫條件下層間受力要求，且有足夠的安全儲備。樹脂202 理論上有較好的性能，但由于其施工要求極高，且在該橋用量較小，該橋鋪裝最終采用高黏高彈PG100（STC 有嵌石）瀝青黏層。

3 結(jié)語

Q7 橋為全國首次在7.8%橋梁縱坡的雙索面半漂浮體系鋼結(jié)構橋梁中采用超高韌性混凝土+高黏高彈瀝青鋼橋面鋪裝體系，并于西南地區(qū)首次成功將碎石與超高韌性混凝土相結(jié)合的施工工藝應用于鋪裝體系中，解決由于橋面基面糙化度不足原因引起的各類鋪裝病害的難題。這一鋪裝體系及工藝應用成果，對于解決鋼橋面鋪裝常見病害問題具有極大借鑒意義，特別是對大縱坡鋼結(jié)構橋梁橋面鋪裝的應用研究與發(fā)展更是具有深化意義。