正交異型鋼橋面板鋪裝體系使用壽命因素分析

王凌欣

摘 要：橋面鋪裝指的是為保護橋面板和分布車輪的集中荷載，用瀝青混凝土、水泥混凝土、高分子聚合物等材料鋪筑在橋面板上的保護層。又稱車道鋪裝，其作用是保護橋面板防止車輪或履帶直接磨耗面，保護主梁免受雨水侵蝕，并借以分散車輪的集中荷載。常用的橋面鋪裝有水泥混凝土，瀝青混凝土兩種鋪裝形式。在不設防水層的橋面上，也有采用防水混凝土鋪裝的。橋面鋪裝層直接承受行車荷載、梁體變形和環境因素的作用，其變形和應力特征與主梁及橋面板結構型式密切相關。近十年來，我國加快了大跨徑鋼橋的建設步伐，這些橋梁幾乎都采用正交異性鋼橋面板和瀝青鋪裝體系作為橋面系。但是由于沒有經驗和成熟的設計理論，正交異性鋼橋面板上瀝青鋪裝層在運行一到兩年后，會出現橫向或縱向裂縫，并逐步擴展。到目前為止，我國正交異性鋼橋面鋪裝設計與施工還未完全取得成功，仍是大跨徑鋼橋急待解決的關鍵技術之一。

關鍵詞：正交異性鋼橋面板；瀝青鋪裝體系；影響因素；使用壽命

中圖分類號：TU279.7+2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3198（2009）03-0288-02

1 正交異性鋼橋面的定義和發展歷史

正交異性鋼橋面結構由橫向橫隔梁、縱向加勁肋及其共同支撐的橋面板組成，橋面結構縱橫兩個方向彈性性能不同，同一方向不同位置橋面剛度也存在差異，這些因素形成了正交異性鋼橋面板的剛度及變形的不均勻性，這種橋面板剛度特點也對橋面鋪裝性能提出了更高的要求。正交異性鋼橋面前期的發展動力主要是二戰后德國重建大跨徑橋梁，當時鋼材短缺，而正交異性鋼橋面具有節省鋼材的優點。

2 正交異性鋼橋面板的力學特性

2.1 構造特點

在大跨徑的橋梁建設中，常采用箱形截面正交異性鋼橋面板。它的構成部分主要是頂、底板，腹板和加勁構件。頂板一般厚度不小于10cm，并用密布的縱肋及垂直于縱肋的分布較疏的橫肋來加勁；腹板沿長度方向需設置焊接或栓接的豎向接頭，沿高度方向隨尺寸設水平接頭或采用整塊鋼板，其厚度在10～36cm間變化；底板一般也設有縱、橫肋，橫肋與頂板橫肋位置一致，以組成橫向連接系，縱肋布置間距較頂板間距大。此外，箱梁還應設有一定數量的橫隔板或橫框架以保證其整體作用，一般間隔10m～15m設置，跨中和支點截面必設。

2.2 力學特性

正交異性板鋼箱作為加勁梁，梁高底矮，如同機翼一樣，空氣動力性能好，橫向阻力小，大大減小了塔的橫向力；抗扭剛度大，頂板直接作橋面板，恒載輕，主纜截面可以減小，從而降低用鋼量和造價。正交異性鋼橋面板既承受車輪局部荷載，又與縱、橫肋組成橋面結構，同時又形成鋼箱梁的頂板，因此力學作用復雜，一般將其分為三個結構體系來計算，最后將應力疊加。第一結構體系指將橋面板作為箱梁頂板的體系，按閉口薄壁桿件分析應力。

2.3 瀝青鋪裝體系的結構形式

鋼橋面鋪裝的使用條件比較惡劣，其對高溫穩定性、抗疲勞開裂性、對鋼板變形的追從性、層間粘接特性及完善的防、排水體系等均有極高的要求，否則對鋪裝層的正常工作狀態不利。從減輕橋梁自重、經濟和行車舒適性等方面考慮，大跨徑鋼橋一般采用薄層瀝青混凝土鋪裝層。

2.4 影響鋪裝體系使用壽命的因素分析

瀝青鋪裝層必須為車輛提供長期穩定、平整的行車表面。但由于正交異性鋼橋面板的柔度大，易產生較大的局部變形，在行車荷載、風載、溫度變化等因素的影響下，其受力和變形遠較公路路面或機場道面復雜，因而對鋼橋面的受力狀態、鋪裝材料的基本強度、變形穩定性能、疲勞耐久性、抗腐蝕性、水穩性、高溫穩定性、低溫抗裂性、粘接性、抗滑性、施工工藝等等均有更高要求。

3 結構理論與設計

從現有的結構分析方法看，主要是用三維等參元模型進行分析，目前較多采用的是三維八結點和二十結點單元。對于不設防水層的情況，可以借鑒復合路面的處理方式。對于設防水層的情況，實際施工中防水層的厚度在2～5mm之間，一般約為3mm。由于防水層的厚度很薄，有的學者將其簡化為一種接觸條件來處理。橋面鋪裝層是一種特殊的路面結構，如何合理簡化荷載模型，以及如何進行橫向和縱向布載，也直接關系到計算結果的精確程度。

3.1 粘結層性能

因水平摩擦系數不同，粘結層為滑動狀態比連續狀態的鋪裝層水平方向應變峰值高15％～34％。因此，粘結層結構可靠的粘結性能不僅保證鋪裝層粘附于橋面板，而且可以改善鋪裝層結構內部的應力應變狀態。粘結層結構是保證鋪裝層可靠性的一個關鍵環節，應從設計、材料、施工等方面來滿足粘結層的性能要求。

3.2 防水層的設置

目前在保證鋪裝層具有完善的防水系統條件下，取消防水膠層可避免層間接合強度不足的問題，經常采用的防水粘結材料是0.8～1.2mm的熱熔型和溶劑型兩種，熱熔型粘結材料以瀝青、聚合物和樹脂等構成，實踐表明溶劑型粘結材料難以達到粘結牢固的效果，所以目前防水粘結層多采用熱熔型材料，并在其上面撒布預拌瀝青碎石層構成。

3.3 溫度的敏感性

由于夏季高溫時間較長，加之鋼橋面傳熱性能好，封閉的鋼箱結構又密不透風，鋪裝層底部、鋼橋面板表面溫度較高，一般達到55℃～65℃以上，鋪裝層內部最高溫度可達到60℃～70℃左右，這就對瀝青鋪裝層的高溫抗流動性、抗車轍能力、抵抗剪切推移能力提出較高的要求，同時高溫對防水粘結層的抵抗剪切能力也會帶來影響，一般要求粘結劑的軟化點不能太低，用量不宜過多，初始軟化溫度必須高于使用溫度10℃以上。在冬季外界氣溫降低后，鋼橋面板也會隨著溫度的變化而變形，而這時瀝青鋪裝層模量反而提高，對鋼橋面板變形的追從性降低，容易產生開裂，所以高溫的熱穩定性及低溫的抗裂性是瀝青鋪裝層面臨的主要問題。

3.4 材料與施工工藝

對鋼橋面板防銹處理材料、施工工藝的選擇，直接影響到大橋的使用壽命和維護費用，如果在生銹狀態下進行橋面鋪裝施工，會造成結合不牢固，成為鋪裝層早期破壞的原因，同時鋼箱要注意焊縫的清理。

4 結語

我國從起步修建現代懸索橋、斜拉橋等大跨徑橋梁開始加勁梁就一直采用鋼箱，在已修建的幾座懸索橋上，橋面瀝青鋪裝相繼出現了損壞現象，使用壽命很短，有的橋梁工作者反思認為，鋼箱作為加勁梁還有一些方面值得改進，如鋼箱橋面板的局部撓度以及箱體的通風問題。若采用桁架梁作為加勁梁，其剛度大，橋面溫度相對低，還可解決雙層交通等，會比采用鋼箱更有利，這是值得深入探討的課題。目前特大型橋梁的設計壽命一般為100年，甚至120年，而瀝青混凝土設計壽命一般為8～15年，鋪裝層壽命很少達到5年以上，由此可見，如何延長橋梁鋪裝層壽命是一項急切緊迫的課題，它對于節約橋梁的投資和養護費用，保證橋梁和路網的通行能力都具有重要的意義。通過對影響正交異性鋼橋面板鋪裝體系使用壽命的因素分析，可以看到這是一個對設計、材料和施工要求很高的技術難題，由于我國開展正交異性鋼橋面板鋪裝研究較晚，還沒有鋼橋面鋪裝的技術標準和規范，目前都是參照國外的有關技術規范和國內應用實例的經驗進行設計施工，所以應加緊對這一領域內課題的研究，盡快制定出適合我國不同地區、不同結構型式的大跨徑橋梁鋼橋面鋪裝的技術規范。

參考文獻

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