基于大曲率鋼橋面鋪裝雙層高粘SMA瀝青瑪蹄脂碎石施工的技術研究

孫會民 （安徽省路橋工程集團有限責任公司，安徽 合肥 230001）

1 工程概況

西咸新區某橋立交是一座異形半定向半苜蓿葉立交橋，其中A匝道、D匝道、G匝道、H匝道均為鋼箱梁橋，橋長分別為188m、194m、124m和124m。A、D匝道鋼箱梁曲線半徑為80m，鋼箱梁中支點處梁高4.5m，中跨跨中及梁端支點梁高2.5m，兩側懸臂長度2.5m；G、H匝道鋼箱梁曲線半徑為80m，主梁梁高均為2.4m，兩側懸臂長度1.37m。針對本工程特點，為解決鋼橋面板變形追從性導致的壓實問題、鋼橋面瀝青混凝土高溫穩定性差、易產生車轍等危害因素影響，本文從理論研究、試驗測量和施工注意要點進行了分析研究，在進行優化后提出了一種雙層高粘SMA瀝青瑪蹄脂碎石鋼橋面鋪裝的施工方法。

2 理論研究

針對鋼箱梁瀝青攤鋪對鋼箱梁施工質量及通車后的舒適度影響，本研究通過建立有限元模型和相關試驗，分析環氧瀝青混凝土鋪裝溫度場與澆筑式瀝青混凝土鋪裝溫度場對鋼箱梁施工質量的影響，并在此基礎上，對鋼橋橋體在環氧瀝青混凝土施工和澆筑式瀝青混凝土施工時的溫度場所產生的應力和位移影響進行研究；并對鋼橋橋體在施工荷載耦合條件下的結構行為進行研究，以此理論為指導對大曲率鋼橋的架設及后期采用雙層高粘SMA瀝青瑪蹄脂碎石結構橋面鋪裝施工工藝進行了優化。

2.1 溫度場監測點位置的確定

渭河正陽大橋A匝道總長188m，橋梁橫斷面全寬12.75m，凈寬9.55m，橋型整體由鋼箱梁結構組成，選擇A匝道范圍作為橋面板升溫測試段。在測試段著重考察四個重要節點區域，即高測位、一號墩、跨中、二號墩分別布置溫度傳感器，四個位置分別記為4#測位、3#測位、2#測位和1#測位，溫度測試平面圖見圖1。

圖1 溫度測試平面圖

2.2 溫度場有限元模擬

先建立solidworks模型，再將solidworks中的模型導入ANSYS進行計算，設置材料參數。鋼箱梁橋的材料選擇ANSYS自帶的結構鋼。鋼箱梁橋網格劃分采用ANSYS中默認的網格劃分形式。

圖2 鋼箱梁橋三維實體模型

通過計算模擬分析，可以得出以下結論：

①無論是澆筑式瀝青混凝土還是環氧瀝青混凝土施工，離施工位置越近，所受的溫度影響越大，離施工位置越遠，受施工溫度影響越小；

②澆筑式瀝青混凝土比環氧瀝青混凝土溫度高，因而導致澆筑式混凝土施工時的溫度場的影響范圍大；

③環氧瀝青混凝土施工時橫隔板溫度和澆筑式瀝青混凝土施工時相比，橫隔板上部溫度變化較小，橫隔板下部溫度與環境保持一致，說明熱量在橫隔板上傳遞有限，僅僅局限在上部局部區域。

2.3 攤鋪溫度場下的結構受力

試驗模型同2.1溫度測試平面圖，計算模型同2.2溫度場有限元模型。

2.3.1 應力對比

根據表1兩種鋪裝溫度場下結構應力對比可知，環氧瀝青混凝土施工條件下的橋體受力大小僅為澆筑式瀝青的1/2左右，這表明環氧瀝青混凝土的設計在攤鋪時橋體受力方面體現出了巨大的優勢。

兩種鋪裝溫度場下結構應力對比 表1

圖3 兩種鋪裝溫度場下結構應力對比

2.3.2 位移對比

根據表2兩種鋪裝溫度場下結構應力對比可知，環氧瀝青混凝土施工的橋體橫向位移始終小于或者接近于澆筑式瀝青混凝土施工，而縱向則更是僅占澆筑式瀝青混凝土施工的1/3～1/2。這表明環氧瀝青混凝土的設計在攤鋪時橋體的穩定性方面體現出了巨大的優勢。

2.4 施工溫度場與荷載耦合下結構行為

試驗模型同2.1溫度測試平面圖，計算模型同2.2溫度場有限元模型。

2.4.1 應力對比

根據表3兩種鋪裝溫度場下結構應力對比可知，環氧瀝青混凝土施工的橋體受力大小僅為澆筑式瀝青混凝土施工的1/3～1/2。這表明環氧瀝青混凝土的設計在攤鋪時橋體受力方面體現出了巨大的優勢。

兩種鋪裝溫度場下結構位移對比 表2

圖4 兩種鋪裝溫度場下結構位移對比

考慮施工荷載兩種鋪裝的結構應力 表3

圖5 考慮施工荷載兩種鋪裝的結構應力

2.4.2 位移對比

根據表4兩種鋪裝溫度場下結構應力對比可知，在環氧瀝青混凝土施工條件下橋體的橫向位移始終小于或者接近于澆筑式瀝青混凝土施工的橫向位移，而縱向位移則僅占澆筑式瀝青混凝土施工的1/3～1/2。這表明環氧瀝青混凝土的設計在攤鋪時橋體的穩定性方面體現出了巨大的優勢。

2.5 研究結論

經過現場實測與數據分析，結合建立橋梁有限元分析模型，開展不同鋪裝形式下的溫度場分析與驗證，并對溫度場作用下、溫度場與施工荷載耦合下的箱梁結構受力分析，得到結論如下。

考慮施工荷載兩種鋪裝施工結構變形對比 表4

圖6 考慮施工荷載兩種鋪裝施工結構變形對比

①采用數據采集系統對橋面鋪裝層施工溫度場進行連續監測。數據分析得到受外界環境及起始攤鋪時間影響，橋面板峰值溫度達到峰值溫度的時間依次遞減；由于鋪裝下層直接與鋼板接觸，鋪裝后鋼板的溫度在最初的15min下降迅速。加鋪上面層時候，鋼板升溫幅值和速率均低于下面層施工的情況。

②開展澆筑式瀝青混凝土與環氧瀝青混凝土施工溫度場下橋體應力分析，結果發現，相比澆注式瀝青混凝土施工下的溫度場下變形情況，環氧瀝青混凝土施工的橋體受力大小僅有前者的1/3～1/4，這表明環氧瀝青混凝土攤鋪時橋體的穩定性方面具有巨大的優勢。

③開展澆筑式瀝青混凝土與環氧瀝青混凝土施工溫度場下橋體位移分析，結果表明環氧瀝青混凝土施工下的橋體變形僅有澆筑式瀝青混凝土施工的1/3左右。

④開展澆筑式瀝青混凝土與環氧瀝青混凝土施工溫度場與施工荷載耦合作用下橋體受力與位移分析，由于澆筑瀝青混凝土施工溫度遠高于環氧瀝青混凝土的施工溫度，澆注式瀝青混凝土在小半徑、大縱坡匝道橋上使用存在一定的風險。

3 施工注意要點

3.1 鋼橋面板噴砂除銹處理

鋼橋面表面應平整清潔，表面不應該有突起物，對安裝時的起吊環等，應打磨至高度差±3mm以內；待鋼橋板表面完全干燥之后，用自動無塵噴砂機對其進行噴砂除銹。

3.2 環氧富鋅漆防腐施工

橋面板經噴砂除銹后，4h內噴涂80～100μm厚的環氧富鋅防腐蝕涂層；噴涂施工環境溫度不宜低于10℃，相對濕度不應大于80%，盡可能選擇無風天氣；噴涂施工采用人工涂刷方式，應保證漆膜厚度均勻，必要時可多次涂刷。

3.3 環氧瀝青防水粘層層施工

①防水粘結層采用特種改性環氧瀝青，待防腐施工完成，環氧富鋅底漆固化之后，進行防水粘結層施工。

②撒布經瀝青拌合樓加熱除塵并采用0.4%SBS改性瀝青裹覆的3～6mm玄武巖集料，覆蓋率50～60%。

③自粘式防水貼鋪設：

特種改性環氧瀝青應涂刷至防撞墻上，高度不低于5cm；在特種改性環氧瀝青施工完成之后，于防撞墻上倚墻粘貼自粘性防裂貼。針對碾壓困難的邊緣防水，按以下要求實施：兩側防撞墻邊緣部分采用寬幅防水卷材粘貼，并在上下面層之間采用熱瀝青澆灌。

3.4 瀝青混合料拌和

拌和時瀝青用導熱油間接加熱至175～185，礦料加熱控制在190～205，瀝青混合料出廠正常溫度控制在175～190，如混合料出場溫度低于160或高于195應予廢棄。

3.5 瀝青混合料攤鋪

瀝青混合料最低攤鋪溫度不小于165℃。攤鋪速度控制在1.5～2m/min范圍，最高不超過2m/min，采用梯隊作業時，搭接寬度應不小于25cm，攤鋪應采用非接觸式平衡梁控制方式。

3.6 瀝青混合料碾壓

高粘改性SMA瀝青瑪蹄脂碎石碾壓必須緊跟攤鋪機碾壓，初壓、復壓工作長度應不超過50m。在邊緣、角落及伸縮縫等難以用大型壓路機壓實的部位，應采用小型壓路機及人工操作的機動夯錘夯實。

4 結論

該研究不僅揭示了大曲率鋼橋在環氧瀝青橋面鋪裝和澆筑式瀝青橋面鋪裝的溫度場、溫度場應力和溫度場與攤鋪設備荷載耦合下應力分布規律，而且通過研究，對鋼橋面瀝青鋪裝進行了優化，采用了雙層高粘SMA瀝青瑪蹄脂碎石施工方法，在確保了施工質量的前提下，大大節約了施工工期和施工成本，具有良好的經濟效益，為以后此類橋梁的施工提供了重要借鑒。