鵝公巖大橋鋼橋面翻修方案論證與優化設計

付 斌 王 民 吳文軍

(1.重慶交通大學，重慶 400074;2.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶 400060)

0 引言

重慶鵝公巖長江大橋是主城區快速路系統中的東西主干道。西起成渝高速公路出口處的九龍坡區大公館，東與渝黔高速公路相連。重慶鵝公巖長江大橋長1 022 m，主橋為210 m+600 m+210 m的門型雙塔柱三跨連續加勁鋼箱梁懸索橋。橋面有效橋寬32.5 m(行車道 26.5 m)，雙向六車道，兩側為人行道，2000年12月建成通車。該橋屬于我國早期建設大跨徑鋼橋之一，鋼橋面頂板厚度僅12 mm，大橋建設初期采用雙層高粘度改性瀝青SMA結構:無機富鋅底漆+高粘改性瀝青(撒2.36 mm～4.75 mm預拌碎石)+35 mm鋪裝下層SMA10+39 mm鋪裝上層SMA13。截止2012年年底，使用超過12年，未進行整體翻修，是目前鋼箱梁橋中橋面鋪裝使用壽命最長的。

由于早期鋼橋面鋪裝技術不成熟，加之重載交通快速增長等因素，運營四年時，橋面局部開始出現微裂縫，并逐步擴展，隨即進行了快速處治。之后幾乎每年都需要對橋面進行不同面積的修補，病害主要表現為橫縱向裂縫、網裂、推移、坑洞等。2011年對大橋鋪裝使用情況進行調查和評定，根據JTG H20-2007公路技術狀況評定標準，大橋上下游鋼橋面鋪裝路面狀況評價指標(PCI)分別為43.1和41.2，屬于差的技術等級，亟需處治[1]。進入2012年夏季，橋面病害發展迅速，根據重慶智翔公司維修統計記錄，兩個月(7月，8月)累計破損(鋼板裸露)15處～20處，面積150 m2～200 m2，維修8次。

鑒于鋼橋面鋪裝整體失穩，隨時面臨崩潰性的破壞，考慮通行安全及保護結構，橋梁管理單位組織設計及養護單位，開展橋面鋪裝方案論證及翻修設計。

1 橋面破壞成因分析

針對鵝公巖大橋橋面鋪裝所出現的病害(裂縫、推移等)，結合使用環境、溫度、交通荷載等影響因素，對其成因進行分析，主要有以下幾方面:

1)鋼橋面板剛性不足。

鵝公巖大橋鋼板較薄，只有12 mm，橋面系剛度不足，在重載交通的作用下，橋面板極易產生較大變形。橋面鋪裝層跟隨鋼橋面產生這種大幅度的反復彎曲變形，使得瀝青混凝土性能衰退，變形逐漸超出了瀝青混凝土所能容許的變形范圍，沿U形肋方向產生了嚴重的縱向開裂。在U形肋和橫隔板、縱腹板頂部產生疲勞裂縫與荷載的大小，鋼板的厚度及U形肋的間距及開口大小直接相關。

2)環境溫度惡劣。

橋面環境溫度過高，夏季持續高溫時間長，6月～9月內氣溫長時間30℃以上，甚至超過40℃，致使路面溫度達到60℃，受瀝青混凝土與鋼箱梁的吸熱、儲熱效應，導致橋面鋪裝溫度較高，在如此高溫下車輛荷載對瀝青混凝土鋪裝結構的損傷效應更大。如果瀝青鋪裝層沒有很好的高溫穩定性，在超載車輛的作用下，橋面鋪裝將很快被破壞。

3)交通量大，重載車輛多。

鵝公巖大橋的日交通量約11萬輛～12萬輛，且存在重載車和超重車，遠遠超出了橋面原設計交通量6.5萬輛/d的通行能力。這種超負荷的交通量，進一步加大了橋面鋪裝隨從鋼橋面板的變形幅度和次數，大大增加了鋪裝層產生開裂破壞的可能性。

4)早期鋪裝材料(方案)性能有限。

橋梁設計之初對鋼橋面鋪裝使用的溫度、荷載條件等掌握不充分，造成早期橋面鋪裝材料性能有限，當橋梁通車后，遇到使用溫度較高，車輛荷載不斷增加，特別是重車超載增多時，橋面鋪裝容易發生疲勞病害。

2 鋼橋面初步設計方案

鋼橋面鋪裝設計不同于常規道路，加之大橋建設早，鋼橋頂板剛度較小，因此對鋪裝材料的綜合性能要求非常高。同時，考慮維修工程建設特點，制定了鋼橋面鋪裝翻修需遵循的基本原則:1)對環境與交通的適應性;2)鋪裝材料和技術先進性;3)鋪裝結構的耐久性;4)交通組織可行性;5)鋪裝方案成熟性。

基于以上幾項基本原則，提出了三種鋼橋面行車道鋪裝方案，結構組成依次見圖1～圖3。

圖1 鋪裝方案一結構簡圖

圖2 鋪裝方案二結構簡圖

圖3 鋪裝方案三結構簡圖

1)鋪裝方案一(澆筑式瀝青混凝土GA+SMA):橋面鋪裝設計總厚度75 mm，結構組成為:38 mm高彈瀝青SMA10+35 mm澆筑式瀝青混凝土(GA10)+2 mm防水粘結層。

鋼板一般會發生銹蝕，為保護橋梁結構的耐久性，在去除舊鋪裝層后，對橋面進行清潔、干燥處理，然后進行噴砂除銹，噴砂除銹清潔度達到Sa2.5級，即“非常徹底的噴砂除銹，鋼材表面無可見的油脂、污垢、氧化皮、鐵銹和油漆涂層等附著物，任何的痕跡應僅是點狀或條紋狀的輕微色斑”;同時要求鋼橋面板噴砂除銹后粗糙度達到 50 μm ～100 μm。

防水粘結層采用的是甲基丙烯酸樹脂防水體系，其是一種專門針對鋼橋面防水而開發的材料，是橋面鋪裝結構中的重要組成部分，對橋面防水、防腐起保護作用，并承接鋪裝層，起粘結作用。該體系由防腐底漆、甲基丙烯酸樹脂涂料、二階反應性粘結劑構成，主要功能是防護鋼材結構，并承接橋面的瀝青混凝土結構面層。該材料最大的特點是除了具有較好的防腐性、泌水性和粘結效果之外，還具有優良的柔韌性，在正交異型鋼橋面板上，能很好的適應其結構特性，在荷載反復作用下性能不衰變。經過大量實驗驗證和工程驗證[2]，該類體系具有優異的防水性和耐久性，在國外，使用壽命甚至已達30年而未重新鋪設。

鋪裝下層(保護層)采用孔隙率小于1%的澆筑式瀝青混凝土(GA10)，該混合料結構形式為懸浮密集型，細集料多，瀝青含量高，在高溫下經特殊攪拌工藝拌制后，混合料呈現自流狀態，經攤鋪整平后，形成密實且不透水的鋪裝層，整體上具有很好的抗疲勞性能和耐久性。同時，為了提高澆筑式瀝青混凝土與上部鋪裝層之間的結合力和整體抗剪強度，在澆筑式瀝青混凝土攤鋪后，同步撒布預拌碎石。

鋪裝上層選用高彈改性SMA10[3]，主要考慮到面層功能性要求，對鋪裝面層的綜合性能要求較高，要具有良好的高溫穩定性、抗滑性能、低溫抗裂性、平整度、抗疲勞性能等，還要空隙率小、水穩性好，因此選用高彈改性SMA10作為面層結構。

鋪裝下層(GA10)、防水粘結層以及填縫料等構成該橋的橋面鋪裝結構的防排水系統。

2)鋪裝方案二(雙層環氧瀝青混凝土EA10):鋪裝總厚度50 mm，環氧富鋅漆 +環氧粘結劑 +25 mm環氧瀝青混凝土(EA10)+25 mm環氧瀝青混凝土(EA10)。

橋面去除原鋪裝層后，對橋面進行清潔、干燥處理，然后進行噴砂除銹。

鋪裝結構上下層均采用孔隙率小于3%的環氧瀝青混凝土(EA10)，環氧瀝青混凝土屬于反應型樹脂混凝土，成型后強度極高，具有優良的力學性能、高溫性能、低溫抗裂性和抗疲勞性能等，可以滿足我國對高溫重載交通的使用要求。同時施工過程中對拌合溫度要求嚴格(121℃～128℃)，在拌和時必須嚴格控制溫度。

3)鋪裝方案三(FRP結構):鋪裝總厚度70 mm，粘結層厚度為3 mm，環氧礫石層為7 mm，鋪裝上下層采用SMA10。

該方案根據重慶城投公司主持的《鋼橋面鋪裝新結構與材料關鍵技術研究》課題階段性研究成果提出。在鋼橋面噴砂除銹后，噴涂防水粘結層。

防水粘結材料采用FRP材料，FRP即纖維強化塑料，一般用玻璃纖維增強不飽和聚酯、環氧樹脂與酚醛樹脂基體，俗稱玻璃鋼。因其質量輕、耐腐蝕性和憎水性等性能優良，是一種比較理想的防水粘結材料。FRP防水粘結層通過人工涂刷實現的，涂刷厚度為3 mm，分三次涂刷完畢，每次涂刷間隔時間約為8 h。

環氧礫石層由粒徑7 mm～9 mm的碎石嵌入在FRP結構層上，待環氧礫石完全嵌入FRP結構層中，然后在上部施工高彈改性瀝青SMA10。該結構設計空隙率為3.0%～4.0%，具有良好密實性和整體性，相對于普通改性瀝青而言，具有更好的抗開裂能力和耐疲勞能力。

3 鋪裝方案論證

對三種典型鋪裝方案，結合大橋使用條件，從技術性能、施工工藝、交通組織、使用壽命、工期等內外因素方面綜合對比分析，為重慶鵝公巖大橋推薦最適宜翻修方案。

3.1 技術性能

對三種鋪裝方案的技術性能進行對比分析，見表1。

表1 鋪裝組合結構性能對比

鋪裝方案一防水、協調變形能力、疲勞耐久性較優，熱穩性略差;方案二高溫抗重載能力、疲勞性能和粘結性優異，防水性略差;方案三抗剪性能較優，疲勞性能與隨從變形能力較差。

3.2 施工及交通組織管理

從表2三種鋪裝方案施工交通組織與工藝要求對比分析結果可以看出，鋪裝方案一對設備有特殊要求，環境適應能力強;方案二對施工環境及工藝要求較高，工期最長，施工交通組織難度大[4];方案三施工工藝較為簡單，但其中關鍵環節對環境提出了特殊要求，非機械化施工工序質量可靠度低。

表2 鋪裝組合結構施工組織與工藝對比

3.3 經濟及應用情況

根據橋區原材料供貨情況，結合實體工程使用壽命及運營養護情況，對建設費用及使用情況進行分析，見表3。

表3 典型鋪裝方案壽命及經濟成本對比

鋪裝方案一早期建設費用最低，后期養護成本最低，實體應用工程多;方案二早期建設費用和后期養護費用都較高，應用工程多;方案三缺乏實橋工程案例，無法對其養護費用進行預估。

3.4 綜合分析

總而言之，三種方案各具特點，其優缺點可簡要歸納為以下幾點:

1)鋪裝方案一(澆筑式+SMA):主要優點是鋪裝體系完善，綜合性能優，特別是耐久性，良好的協調變形能力在12 mm鋼板上適應性更強，實橋成功案例多，工期有保障;主要缺點是高溫抗重載能力要弱于環氧瀝青混凝土。

2)鋪裝方案二(雙層環氧混凝土):最大優點是整體強度高;主要缺點是對施工環境條件要求極高，對于翻修工程，施工周期太長。

3)鋪裝方案三(FRP結構):最大優點是FRP結構在理論上有一定的補強加勁作用;主要缺點是無防腐層、FRP與瀝青層之間缺乏有效粘結層，目前尚無實橋成功案例。

根據技術性能、施工工藝、交通組織、工期、經濟等因素分析結果，對三種方案進行綜合排名，依次為:方案一、方案二、方案三。

4 結語

根據典型方案綜合論證意見，推薦鋪裝方案一(甲基丙烯酸樹脂體系+澆筑式瀝青混凝土+高彈改性瀝青SMA)作為重慶鵝公巖大橋鋼橋面行車道翻修方案。

同時，針對鵝公巖結構特點及早期病害，結合設計要求，建議對推薦方案進行深化設計，編制施工圖設計文件。

1)澆筑式瀝青混凝土采用聚合復合改性瀝青，相對于早期的天然瀝青復合改性瀝青，所形成的澆筑式瀝青混凝土在保證高溫穩定性的基礎上，具有更強的粘韌性及變形能力。

2)鋪裝面層采用高彈體改性瀝青，綜合高溫穩定性及疲勞耐久性要求，優化高彈體改性瀝青性能，以適應鵝公巖大橋的交通荷載和結構特點(12 mm)以及早期病害，提升鋪裝層抗疲勞開裂及極限應變能力，遏制疲勞裂縫早期發生。

3)針對柔性支撐體系剛性不足、混合料壓實困難的問題，采用水平振動壓路機，有效改善SMA混合料的壓實效果，保障路面的高溫穩定性及泌水性。

4)強化施工過程質量控制，細化關鍵控制環節，確保施工質量達到設計目標。

[1] 招商局重慶交通科研設計院有限公司.重慶鵝公巖長江大橋鋼橋面鋪裝翻修方案論證書[R].重慶:招商局重慶交通科研設計院有限公司，2012.

[2] 王 民，伍朝暉，李玉龍.重慶菜園壩長江大橋鋼橋面鋪裝設計與應用[J].公路交通科技(應用技術版)，2008(9):127.

[3] 郝增恒，張肖寧，盛興躍，等.高彈改性瀝青在鋼橋面鋪裝中的應用研究[J].公路交通技術，2010(4):25.

[4] 徐 偉，張肖寧，涂常衛.虎門大橋鋼橋面鋪裝維修方案研究與工程實施[J].公路，2010(10):86.