馬鞍山長江公路大橋鋼橋面鋪裝設計指標分析

詹成根，王 民，張 昭

（1.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶 400060；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067）

馬鞍山長江公路大橋位于安徽省馬鞍山市，2013年12月31日投入使用，是合常高速公路的重要組成部分，大橋按全封閉、全立交6車道高速公路標準設計，設計車速為100km／h。該橋長36.274km，其中跨江主體工程長11.209km，分為北引橋、左汊主橋、江心洲引橋、右汊主橋及南引橋。左汊主橋（K6＋920～K9＋080）全長2 160m，主跨為2×1 080m三塔兩跨懸索橋，在同類橋梁中位居世界第一［1］。該橋具有跨徑大、橋面鋪裝受力復雜等特點。通過對比，分析鋼橋面鋪裝設計指標，選擇合理鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)形式，制定鋼橋面鋪裝方案的技術指標要求，是鋼橋面鋪裝研究需要解決的核心問題。

1 鋼橋面鋪裝使用條件對比分析

通過調(diào)查研究，借鑒舟山西堠門大橋、貴州北盤江大橋、泰州長江大橋及南京長江四橋4座大橋的使用條件和設計指標［2－5］，對比分析，確定馬鞍山長江公路大橋鋼橋面鋪裝設計控制指標。4座大橋使用條件參數(shù)見表1。

表1 調(diào)研大橋鋼橋面使用條件對比分析Table 1 Operation conditions of the studied steel bridge deck

從表1中4座大橋與馬鞍山長江公路大橋鋼橋面使用條件相比較可以看出：

1）橋梁結(jié)構(gòu)和橋面系參數(shù)

4座大橋與馬鞍山長江公路大橋均為懸索橋，最小主跨跨徑636m，最大主跨跨徑1 650m，其中泰州長江大橋的跨徑分布與馬鞍山長江公路大橋的相同。從橋面系參數(shù)來看，4座大橋的頂板厚度以14mm為主，與馬鞍山長江公路大橋的相同；5座大橋的加勁肋參數(shù)局部存在著微小的差異，總體相差不大。因此，選取該4座與馬鞍山長江公路大橋結(jié)構(gòu)條件相近的橋梁作為橋面鋪裝設計指標參照目標，是合理且可行的。

2）氣候條件

4座大橋所在區(qū)域年平均溫度在15～17℃之間，其年最高溫度和年最低溫度與馬鞍上長江公路大橋的氣候條件相差不大。馬鞍山長江公路大橋的橋區(qū)年降雨量為1 053mm，小于西堠門大橋和貴州北盤江大橋的，但接近于泰州長江大橋和南京長江四橋的。

3）交通荷載情況

預測馬鞍山長江公路大橋的即年交通量為22 254輛／日，其中貨車比例可以達到50%［1］。與4座大橋相比較，馬鞍山長江公路大橋的日交通量和貨車所占比例要略高于其他橋梁的。

綜上所述，所選4座大橋結(jié)構(gòu)特性、氣候條件及交通荷載條件與馬鞍山長江公路大橋相差不大，以此作為馬鞍山長江公路大橋鋼橋面鋪裝設計參考依據(jù)，借鑒意義重大。

2 鋼橋面鋪裝控制性指標分析

通過搜集4座大橋鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)體系設計中的控制性指標［2－6］，分析各項控制性指標間的差異，具體見表2。

從表2中可以看出：

1）舟山西堠門大橋和貴州北盤江大橋通車時間較早，使用時間已達到4～5年，橋面鋪裝使用情況良好。泰州長江大橋和南京長江四橋通車時間較晚，橋面鋪裝使用性能還有待考證。

2）在檢驗結(jié)構(gòu)疲勞耐久性上，既有五點加載方式，也有三點加載方式。加載控制模式有采用應力加載，也有應變加載。但總體來看，結(jié)構(gòu)疲勞耐久性都非常優(yōu)良。

表2 大橋鋪裝方案選擇控制指標Table 2 Control index of the bridge pavement scheme selection

3）面層鋪裝材料有環(huán)氧瀝青EA、改性瀝青SMA及改性瀝青AC。環(huán)氧瀝青EA在采用的400με應變水平條件下具有優(yōu)良的耐久抗開裂性能。改性瀝青AC在400με條件下疲勞次數(shù)達到100萬次不開裂，改性瀝青SMA在1 000με應變水平下疲勞次數(shù)達到100萬次不開裂。

4）在結(jié)構(gòu)整體性上，舟山西堠門大橋和貴州北盤江大橋采用的試驗溫度為25℃，泰州長江大橋和南京長江四橋借鑒日本相關試驗規(guī)范，試驗溫度采用20℃。在抗剪切性能試驗方法上也存在一定的差別，主要分為壓剪和直剪兩種。從指標來看，防水結(jié)構(gòu)的粘結(jié)強度相差不大，主要區(qū)別在于剪切強度。采用壓剪試驗方法所得到的指標要大于采用直剪所得到的指標。

5）環(huán)氧瀝青EA為剛性材料，具有優(yōu)良的高溫抗重載性能［7］。因此，舟山西堠門大橋和泰州長江大橋組合結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定度都較大，完全能滿足實際需求。貴州北盤江大橋和南京長江四橋的鋪裝層材料都是柔性的瀝青混合料，其受溫度的影響較大，但組合結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定度要求達到大于3 000次／mm。

6）盡管低溫試驗的條件不同，但鋪裝結(jié)構(gòu)的低溫抗裂性能都非常好。在特定的試驗溫度下，組合梁的低溫應變都超過了8 000με。

7）從路用性能來看，橋面鋪裝要求不滲水或滲水系數(shù)≤80mL／min。路面抗滑性能因為檢測方法的不同，在指標上也不統(tǒng)一。

綜上所述，4座大橋因采用的試驗方法或試驗條件存在著差異，導致指標也不統(tǒng)一，在制定馬鞍山長江公路大橋設計指標時，應注意這些差異。

3 馬鞍山長江公路大橋鋼橋面鋪裝方案設計目標

根據(jù)4座大橋使用條件和設計指標對比分析，并借鑒國內(nèi)其他大跨徑鋼橋面鋪裝技術的設計要求，制定了馬鞍山長江公路大橋鋼橋面鋪裝設計組合結(jié)構(gòu)技術要求，見表3。

從表3中可以看出：

1）鋪裝結(jié)構(gòu)耐久性表征的是鋼橋面鋪裝在實際應用過程中的完整性，保證鋪裝結(jié)構(gòu)在重復荷載作用下不發(fā)生開裂和脫層等病害。根據(jù)交通荷載在橋面鋪裝上的作用次數(shù)，確定鋪裝層重復荷載加載次數(shù)≥100萬次。

2）橋面鋪裝在面層容易出現(xiàn)負彎矩，面層材料極易出現(xiàn)疲勞開裂。因此，面層材料需要具有良好的疲勞耐久性。根據(jù)交通荷載在鋪裝層上的作用次數(shù)，通過四點彎曲試驗，提出面層材料在一定應變條件下的疲勞次數(shù)≥800萬次。

3）防水粘結(jié)層與瀝青鋪裝層層間是整個鋪裝層的薄弱環(huán)節(jié)，在使用過程中，受荷載的重力和水平力的作用，極易出現(xiàn)脫層。通過4座大橋鋪裝結(jié)構(gòu)的結(jié)合強度指標和理論計算值，按照一定的安全系數(shù)推算，鋪裝結(jié)構(gòu)的25℃粘結(jié)強度≥1.0MPa，25℃剪切強度≥1.5MPa（壓剪）。

表3 馬鞍山長江公路大橋鋼橋面鋪裝方案設計目標Table 3 Design goals of highway bridge steel deck plate paving in Maanshan Yangtze River

4）馬鞍山長江公路大橋預測交通量大，且貨車比例較大，同時，鋼箱梁的儲熱功能導致橋面鋪裝層的使用溫度稍高于大氣溫度。因此，橋面鋪裝必須具有較好的抗車轍性能。結(jié)合早期大量調(diào)查和研究資料表明，在低溫時，鋪裝溫度略高于氣溫；高溫時，鋪裝面層溫度比氣溫高20～25℃（太陽直射狀態(tài)下，約在13∶00～15∶00時段），鋪裝底面和鋼橋面板溫度比氣溫高15～20℃。由此氣溫條件分析得知，馬鞍山長江公路大橋鋼橋面瀝青鋪裝層的工作溫度范圍為－15～70℃。提出70℃動穩(wěn)定度達到2 500次／mm時，橋面鋪裝能更好地滿足實際需要。

5）鋼橋面鋪裝體系屬于柔性體系，在荷載作用下，鋪裝層會發(fā)生較大的變形。鋪裝材料具有較大彎拉應變時，可以通過自身變形吸收因外力作用產(chǎn)生的內(nèi)應力，保證鋪裝層不會開裂。通過4座大橋低溫抗裂指標和實際試驗值，推算鋪裝結(jié)構(gòu)低溫極限應變≥8 000με。

6）面層鋪裝材料采用具有一定空隙的瀝青混凝土，如：環(huán)氧瀝青EA設計孔隙率為1.5%～3.0%，改性瀝青SMA設計孔隙率為3.0%～4.0%等［8－10］。當結(jié)構(gòu)體系滲水系數(shù)≤80mL／min時，外界水分通過連通空隙難以進入鋪裝內(nèi)部。

7）應用結(jié)果表明，鋪裝層表面構(gòu)造深度≥0.8mm時，可以給行駛車輛提供粗糙的行車界面，保證在惡劣天氣下行車的安全。

4 結(jié)論

1）研究分析馬鞍山長江公路大橋鋼橋面鋪裝使用條件和鋪裝方案對大跨徑懸索橋的適用性，為該橋鋪裝方案的選擇提供了支撐。

2）根據(jù)實橋使用條件和建設目標，在已有研究成果和應用基礎上，通過類似使用條件的多種大跨徑懸索橋鋼橋面鋪裝設計目標分析，確定了馬鞍上長江公路大橋鋼橋面鋪裝應達到的設計指標。

3）研究成果對鋼橋面鋪裝設計與施工技術指標的制定，對改善鋼橋面鋪裝的結(jié)構(gòu)性能和提高鋼橋面鋪裝的使用壽命具有重要的意義。

（References）：

［1］張強，徐宏光.馬鞍山長江公路大橋設計與創(chuàng)新［J］.橋梁建設，2010，12（6）：1－4.（ZHANG Qiang，XU Hong－guang.Maanshan Yangtze River highway bridge design and innovation［J］.Bridge Construction，2010，12（6）：1－4.（in Chinese））

［2］宋暉，王曉冬.舟山大陸連島工程西堠門大橋總體設計［J］.公路，2009，1（1）：8－16.（SONG Hui，WANG Xiao－dong.Zhoushan mainland and islands link project of Xihoumen Bridge，the overall design［J］.Highway，2009，1（1）：8－16.（in Chinese））

［3］余遠程，曹洪武，楊鴻波.北盤江大橋總體設計［J］.公路，2009，7（7）：218－224.（YU Yuan－cheng，CAO Hong－wu，YANG Hong－bo.The overall design Beipanjiang Bridge［J］.Highway，2009，7（7）：218－224.（in Chinese））

［4］吉林，韓大章.泰州長江大橋設計［J］.現(xiàn)在交通技術，2008，6（3）：20－29.（JI Lin，HAN Da－zhang.Taizhou Yangtze River Bridge design［J］.The Traffic Technology Now，2008，6（3）：20－29.（in Chinese））

［5］詹俞.南京長江第四大橋橋面鋪裝組合結(jié)構(gòu)性［D］.南京：南京林業(yè)大學，2013.（ZHAN Yu.The fourth Nanjing Changjiang River bridge in bridge deck pavement structural combination［D］.Nanjing：Nanjing Forestry University，2013.（in Chinese））

［6］陳露，朱治寶，潘立泉，等.西堠門大橋環(huán)氧瀝青橋面鋪裝施工工藝及質(zhì)量控制［J］.橋梁建設，2009，8（S2）：114－117.（CHEN Lu，ZHU Zhi－bao，Pan Liquan，et al.Epoxy asphalt surfacing Xihoumen Bridge construction technology and quality control［J］.Bridge Construction，2009，8（S2）：114－117.（in Chinese））

［7］黃衛(wèi)，錢振東，程剛.環(huán)氧瀝青混凝土在大跨徑鋼橋面鋪裝中的應用［J］.東南大學學報：自然科學版，2002，10（5）：9－15.（HUANG Wei，QIAN Zhen－dong，CHENG Gang.Epoxy asphalt concrete in the application of the long－span steel bridge deck pavement［J］.Journal of Southeast University：Natural Science Edition，2002，10（5）：9－15.（in Chinese））

［8］重慶交通科研設計院.公路鋼箱梁橋面鋪裝設計與施工技術指南［M］.北京：人民交通出版社，2006.（China Merchants Chongqing Communications Research＆Design Institute.Technical guidelines of highway design and construction of steel box girder bridge deck pavement［M］.Beijing：China Communications Press，2006.（in Chinese））

［9］交通運輸部公路科學研究院.JTG F40－2004，公路瀝青路面施工技術規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.（Research Institue of Highway Ministry of Transport.JTG F40－2004，Technical specification for the construction of highway asphalt pavements［S］.Beijing：China Communications Press，2004.（in Chinese））

［10］黃衛(wèi).大跨徑橋梁鋼橋面鋪裝設計［J］.土木工程學報，2007，9（9）：65－76.（HUANG Wei.Long－span steel bridge deck pavement design［J］.Journal of Civil Engineering，2007，9（9）：65－76.（in Chinese））