九江长江大桥公路桥钢桥面铺装结构设计研究

时间：2024-09-03

杨亚林，薛永超，钱振东，桂鑫，王智涵

(1.江西赣鄂皖路桥投资有限责任公司，江西九江 332099； 2.东南大学智能交通运输系统研究中心，江苏南京 211189)

1 概述

九江长江大桥地处长江中游，系赣、鄂和皖三省，北连黄冈，南接九江，是重要的交通枢纽。该桥由南岸引桥、正桥、北岸引桥三部分组成[1]，其中正桥为公铁两用，两侧引桥各有三跨为公铁合用，其余桥跨为公铁分离[2]。由于该桥的区位特点，其通行的车辆中重车比例偏高，公路桥面通行的汽车荷载大于原设计标准荷载等级。长此以往，公路正桥桥面铺装病害多有发生，且日益突出，严重制约当地的交通发展，给行车安全带来较大隐患。因此，九江长江大桥公路桥改造工程需要选择与该桥的结构特点、交通条件及桥区气候特征相适应的钢桥面铺装方案。

本研究总结近年来出现的新技术、新材料、新方案，分析不同钢桥面铺装方案的特点和适用性，优选出适宜于九江长江大桥公路桥钢桥面铺装技术要求的长寿命铺装复合体系，基于九江长江大桥公路桥的环境气候特点设置相应的试验条件及技术指标，对铺装材料与结构的温度稳定性能、抗疲劳性能、层间粘结性能与铺装复合结构刚度进行验证，保证桥面铺装的整体性能和使用寿命。

2 九江长江大桥公路桥钢桥面铺装设计

由于钢桥本身在荷载、温度变化和风载作用下变形的复杂性和正交异性钢桥面板结构的特殊性，铺装层受力变得十分复杂，而对交通量和交通组成、铺装层工作温度及轴载的合理估计是确定铺装材料性能指标、评估铺装使用寿命的重要依据[3]。九江长江大桥公路桥钢桥面铺装的设计流程如图1所示。

图1 九江长江大桥钢桥面铺装设计流程

2.1 九江长江大桥公路桥钢桥面铺装使用条件分析

2.1.1环境气候条件

气候条件中对铺装影响最大的因素是气温，其次包括降水、风力等，九江地区典型气候要素的相关数据见表1。

由表1可知，九江长江大桥所属区位雨水丰沛，夏季温度较高，全年温差较大，参考国内已有的钢桥面铺装材料设计的工作温度，结合九江长江大桥所在地区的环境等因素，确定九江长江大桥公路桥桥面铺装材料的设计温度范围为-15 ℃～+70 ℃。在铺装设计与性能验证时，需要着重考虑高温稳定性、低温抗裂性等特性，同时还需要考虑铺装的密水特性。

表1 九江长江大桥环境气候条件汇总Table1 SummaryofenvironmentalandclimaticconditionsofJiujiangYangtzeRiverBridge气候要素特征值全年平均17最热月平均29气温/℃最冷月平均5极端最高40.2极端最低-12降雨量/mm全年平均1400全年最大2500无霜期/天年无霜期239～266雾日/天全年平均<16

2.1.2交通条件

根据《九江长江大桥正桥改造工程设计文件》[4]中所预测未来车型构成比例、年交通年平均增长率与各特征年的年平均日交通量，考虑到九江长江大桥的货运需求，本文设定九江长江大桥公路桥的设计超载比为20%，超载量为30%。基于疲劳等效的钢桥面沥青混凝土铺装体系轴载换算公式[5]，推算桥面累计当量轴载，结果如表2所示。

表2 九江长江大桥各种轴载的累计轴载作用次数Table2 CumulativetimesofaxleloadofJiujiangYangtzeRiverBridge实际轴重/kN轮胎压力/MPa设计年限内换算为各种轴载的累计轴载作用次数/万次1000.7138871200.845531401.00475

由于当地气温较高、交通量较大，设计过程中考虑了超载问题。故而在进行抗疲劳能力测试时，本文采用轴载140 kN、胎压1.00 MPa作为铺装层的荷载标准，铺装设计年限内重载作用下的累计轴载作用次数为475万次。因此，将疲劳极限最低要求设定为500万次。

2.1.3结构条件

九江长江大桥公路桥由四联钢桁梁组成，自北向南依次为：(0.056+3×162+1.1)m连续钢桁梁、(1.1+3×162+1.1)m连续钢桁梁、(1.1+180+216+180+1.1)m柔性拱钢桁梁和(1.1+2×126+0.056)m连续钢桁梁，共11孔钢梁，全长1 806.712 m[6]。改造后的正桥标准断面及3大拱处分别宽19.5、24.5 m，更换后的正交异性钢桥面板整体桥面结构组成部分包括纵肋(梁)、横梁和加劲的钢桥面板。九江长江大桥公路桥正交异性钢桥面板几何结构参数:桥梁主跨为216 m；纵向加劲肋为U形，高280 mm，厚8 mm,开口宽250 mm，纵肋重心间距为510 mm,横隔板间距为2 250 mm，顶板厚为16 mm。

2.2 九江长江大桥公路桥钢桥面铺装材料及结构

钢桥面铺装作为桥梁的功能层，其材料的优良性、结构的适宜性、性能的优异性、施工的便利性及经济的合理性等对桥梁行车质量及铺装使用寿命至关重要。本研究从钢桥面铺装的材料、结构、施工工艺及经济性出发，结合九江长江大桥公路桥的结构特点、交通条件、气候特征及功能需求，并参考已有钢桥的铺装使用现状，对不同钢桥面铺装方案进行相关的调查对比研究，最终优选出适宜九江长江大桥公路桥的钢桥面铺装方案[7]。

2.2.1钢桥面铺装典型材料

目前在钢桥面铺装领域主要使用“环氧、浇注、改性SMA”这3种典型沥青混凝土材料。本研究对铺装典型沥青混凝土的材料特性进行统计，重点分析各铺装材料的高温抗车辙能力、低温抗裂性能、防渗水性能、抗滑性能以及抗疲劳性能，以寻求适合于九江长江大桥公路桥的铺装材料，铺装材料特性见表3。

表3 典型钢桥面铺装沥青混凝土特性Table3 Characteristicsofasphaltconcretefortypicalsteeldeckpavement混凝土种类级配类型空隙率/%构造深度/mmTSR/%稳定度/kN动稳定度/mm60℃70℃极限弯曲应变(-15℃)/με疲劳性能(15℃)/次改性SMA骨架密实3～4≥0.55>88.38.606342484630908000EA悬浮密实<3—>91.863.61860015000372018000GA悬浮密实<1—>95.79.82815465826012000

从表4中可以看出：GA的空隙率基本为零，较其他2种混凝土具有更好的密实性，可以防止水分侵蚀钢板，EA的密实性仅次于GA；在抗滑性能方面，改性SMA表面构造深度远大于GA和EA；3种混凝土的TSR值均大于85%，其水稳定性均较好；EA的稳定度最高，且远高于其他两种材料；从3种混凝土的动稳定度可以看出EA的高温稳定性最优，改性SMA的高温稳定性良好，GA在高温稳定性上存在较大的不足；GA的极限弯拉应变最大，其低温变形能力最好，EA介于GA和改性SMA之间；EA具有最佳的抗疲劳性能，GA其次，分别约为改性SMA疲劳性能的2.25倍和1.5倍。

综合以上分析可得：EA在密水性、水稳定性、高温稳定性和抗疲劳性能方面表现优异，但表面抗滑性能一般；改性SMA表面抗滑性能优异，对于行车安全十分有利，但其他性能相对较弱，可以用于钢桥面铺装上层，且一般采用改性SMA或适当添加抗车辙剂，以提高其高温稳定性，适应于九江长江大桥公路桥重交通量的现状；GA的密水性、水稳定性和抗疲劳性能方面表现良好，低温变形能力优异，抗滑性能一般，但在高温性能上存在较大的不足，可用于铺装下层。

2.2.2钢桥面铺装典型结构

本研究根据对EA、GA、改性SMA这3种铺装材料基本特性的认识，结合九江长江大桥公路桥的工程特点，对“双层EA”、“下层EA+上层改性SMA”与“下层GA+上层改性SMA”3种钢桥面铺装典型结构进行对比研究。

钢桥面铺装应设置完善的防水粘结体系，且必须具有较好的变形协调能力、复合结构路用性能以及维养便捷性，重点从界面安全性、变形协调性、复合结构路用性能、维养状况等方面对3种铺装结构进行分析，3种铺装结构的技术性能见表4。

表4 典型铺装结构的技术性能Table4 Technicalperformanceoftypicalpavementstructure铺装结构技术性能“双层EA”“下层GA+上层改性SMA”“下层EA+上层改性SMA”界面安全性钢桥面防腐保护环氧富锌防腐层ZedS94底涂层环氧富锌防腐层防水性能不透水不透水不透水粘结性能/MPa拉拔强度:3.0剪切强度:3.1拉拔强度:2.28剪切强度:4拉拔强度:3.0剪切强度:3.1变形协调性线收缩系数(15℃～-15℃)/(10-5℃-1)铺装下层:1.52(接近钢板)铺装下层:2.14铺装下层:1.52(接近钢板)复合结构路用性能极限应变(-15℃)/με335047103020疲劳性能(60℃,7kN)/万次800(未见破坏)600(跨中GA高温流动)650(未见破坏)抗滑性能/BPN658080养生时间养生25～45d铺装完成即可通车铺装完成即可通车维养便捷性养护时工作量较大小(主要修复改性SMA)小(主要修复改性SMA)修复便捷性修复较困难,面积较大时需封闭交通主要修复改性SMA,修复较简单,无需封闭交通主要修复改性SMA,修复较简单,无需封闭交通

由表4可知：“双层EA”及“下层EA+上层改性SMA”铺装结构采用EA作为基层，线收缩系数接近钢板，具有较好的变形协调能力；“下层GA+上层改性SMA”铺装结构的极限应变最大，表明“下层GA+上层改性SMA”铺装结构低温变形能力优异，“双层EA”及“下层EA+上层改性SMA”铺装结构相对较弱；“下层GA+上层改性SMA”铺装结构在600万次荷载作用下已出现高温流动，其抗疲劳性能相较于其他两种铺装结构较弱，高温稳定性略显不足；在表面抗滑性能方面，“下层EA+上层改性SMA”及“下层GA+上层改性SMA” 铺装结构上层均采用改性SMA磨耗层，摆值能达到80BPN，可以提供粗糙的行车界面，有利于行车安全，而“双层EA”铺装结构采用环氧沥青混凝土面层，摆值较小，表面抗滑性能不如其他两种铺装结构。在维养便捷性方面，“下层GA+上层改性SMA”及“下层EA+上层改性SMA”铺装结构较好，“双层EA” 铺装结构相对较差。

综合以上分析可得：“双层EA”铺装结构具有良好的界面安全性、变形协调性能以及优异的抗疲劳性能，但是其表层抗滑性能一般，维养便捷性差；“下层GA+上层改性SMA” 铺装结构的界面安全性、抗滑性能、变形协调性和维养便捷性优异，但其抗疲劳性能以及高温稳定性相对较弱；“下层EA+上层改性SMA”铺装结构在界面安全性、变形协调性能、抗疲劳性能、维养便捷性以及抗滑性能均表现优异。

2.3 九江长江大桥公路桥钢桥面铺装结构确定

相比于“双层EA”铺装方案和“下层GA+上层改性SMA”铺装方案，“下层EA+上层改性SMA”铺装方案作为一种长寿命钢桥面铺装方案，其在材料特性、结构性能、施工工艺以及工程造价、运营后维养便捷等方面均表现优异，更适应于九江长江大桥公路桥的结构特点、交通条件及所处位置的气候特征。

根据九江长江大桥钢桥面铺装的使用条件及工程经验，其铺装结构拟采用下层30mmEA+上层40mmSMA结构，铺装结构如图2所示。

图2 九江长江大桥拟采用的铺装结构

3 九江长江大桥公路桥钢桥面铺装结构性能验证

本文在常规铺装结构性能验证试验的基础上，依照九江长江大桥的气候及交通特性，优化了试验条件，并参考相近工程提出了较高的技术要求[8-9]。需要注意的是，涉及环氧沥青混合料的试验，应在环氧沥青固化完成后方可进行试验。

桥面铺装是直接承受车辆荷载的结构层，除了保障车辆通行的安全性与舒适性以外，还承担着对钢桥面板的保护功能。钢桥面铺装设计过程中应基于钢桥面使用条件，设置相应的试验条件及技术指标，对铺装材料与结构进行高温稳定性、低温抗裂性、抗疲劳性能、层间粘结性能及表面性能进行相应测试。同时，钢桥面-铺装体系的结构刚度不足是导致我国早期建设的钢桥面铺装早期病害的重要因素，本研究对下层EA+上层改性SMA钢桥面铺装体系进行刚度验算，若刚度不足还应进行修正与改进。

3.1 铺装结构温度稳定性验证

3.1.1高温稳定性验证

常见的沥青混合料高温稳定性测试试验一般在60 ℃的环境下进行，考虑到九江长江大桥所属区位的气候特征，夏季最炎热时钢箱梁温度可达70 ℃，故本文在常用的60 ℃车辙试验基础上增设一组70 ℃下车辙试验验证该铺装组合结构的高温稳定性，以动稳定度为验证指标[10]。

根据沥青混合料车辙试验规程按照“铺装下层→粘结层→铺装上层”的顺序制备铺装组合结构车辙板试件，进行车辙试验，试验温度分别为60 ℃和70 ℃。

由表5知该铺装组合结构在60 ℃和70 ℃时的动稳定度均能满足技术要求，其高温稳定性良好。

表5 铺装组合结构高温稳定性验证结果(60℃&70℃)Table5 Verificationresultsofhightemperaturestabilityofpavementcompositestructure(60℃&70℃)试验条件试验结果/(次·mm-1)123平均值/(次·mm-1)技术要求/(次·mm-1)60℃,0.7MPa,60min1022311230989710450≥800070℃,0.7MPa,60min6290578961026060≥4000注:本试验采用JTGE20-2011T0719方法。

3.1.2低温抗裂性验证

采用-15 ℃弯曲试验验证该铺装组合结构低温抗裂性，以极限弯曲强度和极限弯曲应变为验证指标。

根据沥青混合料弯曲试验规程按照“铺装下层→粘结层→铺装上层”的顺序制尺寸为250 mm×50 mm×40 mm的铺装组合结构棱柱体小梁试件，进行低温弯曲试验，试验温度为-15 ℃，加载速率为1 mm/min。

由表6可知，该铺装组合结构在-15 ℃时的极限弯曲强度和极限弯曲应变均能满足技术要求，其低温抗裂性良好。

表6 铺装组合结构低温抗裂性验证结果(-15℃)Table6 Verificationresultsoflowtemperaturecrackresist-anceofpavementcompositestructure(-15℃)极限弯曲强度/MPa极限弯曲应变/10-3试验结果115.12.33试验结果214.92.39试验结果314.22.50平均值14.72.41技术要求≥10.0≥2.00注:本试验采用JTGE20-2011T0715方法。

3.2 铺装结构层间粘结性能验证

根据环氧材料的粘结机理，环境温度越高其粘结强度及剪切强度越低，越容易发生脱层病害，故应测试高温状态下的拉拔与剪切强度，但在拉拔试验过程中发现，高温会导致沥青混合料软化、断裂，无法测试真实的拉拔强度，故本文在20 ℃环境下测试复合结构粘结强度，在60 ℃的环境下测试剪切强度，试件受力面与加载方向取成45°夹角。

3.2.1拉拔试验

选择实际桥面钢板，经喷砂除锈、防锈涂装处理后，按“防水粘结层→铺装下层→粘结层→铺装上层”的顺序制作该铺装结构的复合梁试件，待试件完全固化后，进行铺装复合结构的拉拔试验，试验温度(20±2)℃。拉拔试验结果如表7所示。

表7 铺装复合结构界面安全性验证结果(20℃)Table7 Interfacesafetyverificationresultsofpavementcompositestructure(20℃)编号破坏拉力/kN粘结强度/MPa平均值/MPa技术要求/MPa破坏面位置1≥5.90≥3.05铺装层上层内部2≥6.01≥3.12≥3.08≥2.75铺装层上层内部3≥5.93≥3.06铺装层上层内部

由表8可见，复合梁试件的粘结强度满足技术要求，并且破坏面均未出现在粘结层上，表明铺装层与钢板及铺装层层间均具有良好的粘结性能，该铺装复合结构的界面安全性良好。

3.2.2剪切试验

选择实际桥面钢板，经喷砂除锈、防锈涂装处理后，按“防水粘结层→铺装下层→粘结层→铺装上层”的顺序制作该铺装复合结构的剪切试块，进行剪切试验，试验温度为60 ℃，试验加载速度为50 mm/min，试件受力面与加载方向取成45°夹角。60 ℃剪切试验破坏面位置在铺装上、下层之间的粘结面,试验结果1为0.78 MPa,结果2为0.81 MPa,结果3为0.91 MPa,其平均值为0.83 MPa,而课题组根据科研成果和工程经验确定的要求是大于或等于0.6。

3.3 疲劳性能验证

常见的钢桥面铺装疲劳性能测试试验分为五点式疲劳测试及三点式疲劳测试两种，其中五点式疲劳试验的最终破坏形态常表现为粘层脱落，而三点式疲劳试验的最终破坏形态常表现为铺装层开裂[11]，由于EA+SMA体系铺装结构的典型病害为疲劳开裂，故文本采用疲劳试验验证钢桥面-铺装复合结构的疲劳性能，以疲劳寿命为验证指标。

选择实际桥面钢板，经喷砂除锈、防锈涂装处理后，按“防水粘结层→铺装下层→粘结层→铺装上层”的顺序制作该铺装结构的复合梁试件。疲劳试验在MTS 810材料试验系统上进行，试验荷载取7 kN(对应轴重140 kN)，试验频率为10 Hz，试验温度为70 ℃。疲劳试验结果如表8所示。

表8 铺装复合结构疲劳性能验证结果Table8 Fatigueperformanceverificationresultsofpavementcompositestructure铺装结构试验方法疲劳寿命/万次规范要求/万次备注EA10+SMA13三点加载疲劳试验1320≥1000上面层开裂五点加载疲劳试验137≥100防水粘结层破坏

由表8可知，复合梁试件在70 ℃时的疲劳寿命满足技术要求，该铺装复合结构的疲劳性能良好。

3.4 钢桥面-铺装复合结构刚度验证

本研究采用理论计算法计算钢桥面-铺装复合结构的刚度，参照日本《道路桥示方书》中的规定[12]，以最小曲率半径R与肋间相对挠度Δ作为评价指标。R与Δ按式(1)～式(3)进行。

(1)

Δ=KΔ×Δ0

(2)

(3)

式(1)～式(3)中各符号的物理意义及取值如表9所示。

表9 复合结构刚度计算公式中各符号的物理意义及取值表Table9 Physicalmeaningandvaluetableofeachsymbolinstiffnesscalculationformulaofcompositestructure项目参数备注钢桥面板210000 弹性模量Ei/MPaEA15000 SMA1400 钢桥面板14 结构层厚度hi/mmEA30 SMA40 纵向加劲肋间距b/mm250 验算荷载的接地压强P/MPa0.81理论计算的荷载折减系数kt0.5 动载系数kμ1.3 验算荷载单轮横向接地宽度p/mm200 曲率半径布载差异修正系数KR1.25与钢桥面板的几何尺寸有关挠度布载差异修正系数KΔ0.98

九江长江大桥公路桥钢桥面-铺装复合体系的刚度计算结果及技术要求如表10所示。

表10 九江长江大桥公路桥钢桥面-铺装复合体系的刚度计算结果Table10 StiffnesscalculationresultsofsteeldeckpavementcompositesystemofJiujiangYangtzeRiverBridge项目内容最小曲率半径R/m肋间相对挠度Δ计算结果51.320.046技术要求>20<0.4

由表10可知，九江长江大桥公路桥钢桥面-铺装复合体系的刚度满足要求，可以进行施工组织设计。