重慶地區大跨徑鋼橋橋面鋪裝病害分析及對策

劉堯澤

(重慶交通大學 土木工程學院， 重慶 400074)

0 引言

重慶其獨特的地理位置、地形地貌和水文等自然條件，以及受到城市熱島效應的影響，沿長江兩岸的河谷地區夏季“高溫、高濕、少風”的特點天氣。該地區夏季最高氣溫達42℃，橋面鋼板隨環境氣溫變化比較大，溫度可以達到七八十度，橋面瀝青鋪裝層就將面臨著高溫軟化，容易出現諸如車轍、擁包、推移等熱穩定性病害，道路維修和養護費用不斷增加。

同時，全年降水充沛，日照嚴重不足，造成空氣和路面濕度很大，因此該地區還屬于我國的高濕區。瀝青鋪裝層長時間受到地表水侵蝕作用，造成鋪裝層在行車荷載與溫度應力綜合作用下瀝青混合料加速老化，引起路面產生疲勞裂縫、坑槽、剝落等水損害。

1 典型病害調查與分析

通過對重慶地區鋼橋面鋪裝層的病害進行調研，并將一些典型破壞類型主要分為裂縫類、變形類、結構層類、松散類四種，具體統計結果如下表所示：[1][2][3][4][5]

1.1 裂縫類病害

1.1.1 縱向裂縫

在正常使用情況下，行車荷載和溫度變化的多次反復作用，正交異性鋼橋面板的變形導致縱向加勁肋、縱隔板、主梁腹板等加勁部件與鋼橋面板焊接處成為高應力區，并在這些位置處的鋪裝層產生較大的負彎矩，鋪裝層表面應力集中區產生的拉應力或拉應變超過材料的極限拉應力或拉應變，因此開裂首先出現在基本與行車方向平行的外側車道（行車道或重車道）鋪裝層表面，然后沿著縱橋向迅速擴展，向深度發展也較快。[6]鋼橋面瀝青鋪裝的縱橋向裂縫在各種鋪裝材料與鋪裝結構中均有出現，特別是在雙層改性瀝青SMA鋪裝結構中出現多且早。

1.1.2 橫向裂縫

由于工作環境和受力模式的不同，在行車荷載和溫度變化反復作用下，正交異性鋼橋面板的變形導致在橫隔板頂部的橋面鋪裝層表面會出現與路中心線基本垂直，縫寬不一，尤其集中在渠化交通的輪跡帶的外側重車道。該病害多以溫縮裂縫為主，橫橋向裂縫開裂時間晚相對較晚，裂縫擴展相對較慢，沿著輪跡帶逐步向整個車行道延伸，由外側（重車道）向內側（快車道）延伸，裂縫兩邊的鋪裝層受到行車道方向上的水平力作用下，最終完成全斷面開裂。

1.1.3 月牙形裂縫

一般是由于材料設計或施工存在缺陷，加之超載和重載交通環境下的行車荷載作用，瀝青鋪裝層瞬間產生的拉應力變超過材料的極限拉應力，裂縫最初產生在距離橋臺附近的渠化交通的輪跡帶，并且一旦產生裂縫，裂縫發展極快，充分開裂的裂紋呈現“月牙形”。[6]月牙形裂縫主要出現在雙層SMA結構、澆筑式瀝青混凝土+SMA鋪裝結構以及澆筑式瀝青混凝土鋪裝結構。

1.2 變形類病害

1.2.1 車轍

車轍包括兩種類型：一方面是由于在車荷載反復作用下，鋪裝層內部材料流動產生橫向變形引起的，特別是當材料高溫穩定性不足時，瀝青混合料表現出較強的粘塑性和流變性，抗永久變形能力不足，在外力作用下產生的不可逆的縱向沉陷稱為失穩型車轍；另一方面是由于渠化交通和重載交通的條件下，上面層鋪裝材料在車輪反復磨損和自然環境作用下持續不斷地侵蝕消耗產生的車道輪跡帶稱為磨耗型車轍磨耗型車轍。通常在澆注式瀝青混凝土（GA）車轍特別嚴重，相對而言環氧瀝青鋪裝層和改性SMA鋪裝層出現較少。[7]

1.2.2 擁包

在夏季高溫的氣候條件下，瀝青層鋪裝在導熱性好的鋼橋面板上，瀝青混合料吸熱后快速升溫，導致瀝青鋪裝層抗剪切破壞能力迅速衰減，同時車行道還受到行駛車輛的沖擊、振動荷載作用，在車輛豎直方向與水平方向受力共同作用下，讓鋪裝層內產生的剪應力大于了鋪裝層抗剪強度，引起鋪裝層表面局部隆起的剪切變形，且表面一般沒有縱橋向與橫橋向裂縫。

1.3 結構層類病害

1.3.1 防水粘層破壞

經過防水粘層受到超高溫度和沖擊、振動荷載反復作用后，以及橋面滲水腐蝕主梁，導致鋼橋面板與下鋪層粘結力快速衰減或喪失，鋪裝層與橋面板受力不均衡，層間結合面的抗剪切能力太弱，受到過大的輪載水平力作用時，整個豎直面內鋪裝層大面積沿輪載水平力方向的滑移，防水粘層失效或破壞。

1.3.2 脫層(粘結層破壞)

由于鋪裝下面層和鋪裝上面層彈性模量差異較大，在受到較大的車輪水平荷載與豎向荷載共同作用時，鋪裝上面層與鋪裝下面層間存在較大的剪應力，當該剪應力超過層間結合面的容許剪應力時，鋪裝上面層在水平方向會產生相對位移，發生上，下鋪裝層之間粘結層失效或脫層。

1.4 松散類病害

該地區雨季時間長，瀝青鋪裝層長期直接接觸雨水，雨水會侵入瀝青與骨料的接觸面，在動水力的作用下，瀝青混合料的水穩定性薄弱裹附表面，部分骨料與瀝青混合料的粘結作用下降，在車輛荷載的作用下剝落，車輛行駛時將細碎的小塊帶走，逐漸形成坑槽。

2 鋼橋面鋪裝結構設計要求

根據對鋼橋面鋪裝應用情況調查和高溫多雨地區的使用條件分析，提出了重慶地區大跨徑鋼橋面鋪裝設計要求。

2.1 瀝青鋪裝層具有良好的抗車轍性能

重慶地區大跨徑鋼橋面鋪裝使用環境極端最高氣溫達42℃，橋面鋼板溫度可以達到七八十度，使得瀝青鋪裝層溫度顯著高于普通路面面層的溫度。[1]因此保證橋面瀝青鋪裝層在重交通荷載作用下具有較高的高溫穩定性，以便能延緩瀝青鋪裝層車轍的出現。

2.2 瀝青鋪裝層具有良好的抗疲勞性能

在重載交通荷載作用下，橋面鋪裝層要隨同鋼板產生較大變形，而產生這種大幅度的反復撓曲變形，使得瀝青混凝土性能衰退，變形超出了瀝青混凝土所能容許的變形范圍，將產生反復彎曲應力而開裂。[1]鋪裝層結構設計要考慮瀝青混合料的抗疲勞開裂性能。

2.3 鋼板與鋪裝層之間具有良好的層間結合性能

在車輛荷載和溫度應力綜合作用下，瀝青鋪裝層與鋼板會產生不同的溫縮變形，這使得各結構層之間產生較大的彎拉應力和剪切應力，并導致層間脫離。[3]因此瀝青鋪裝層與鋼板之間必須要提高粘結層的強度，使之具有良好的層間粘結力。

2.4 瀝青鋪裝層對橋面板等鋼結構應具有良好的保護作用

該地區年降雨量大，雨量充沛，氣候潮濕，空氣中水蒸汽極易導致鋼板銹蝕，而降低鋪裝結構層的耐久性和橋梁鋼結構的使用壽命。[1]因此，鋪裝體系要具備完善的防水性能，防水粘結層、鋪裝層的功能明確，對鋼板的保護作用和防腐作用。

3 結語

本文總結了重慶地區鋼橋面鋪裝層在受到高溫高濕自然環境和超負荷的車輛荷載條件等因素，對產生的鋪裝層病害類型進行調查和分析，從而不僅可以為我國重慶地區橋面鋪裝提供科學地設計鋪裝結構體系和合理地優化施工技術方案，還可以為我國其他地區鋼橋面鋪裝提供研究理論借鑒和參考，并推動我國鋼橋面鋪裝技術的發展。