鋼橋面鋪裝設計淺析

吳新強

(合肥市市政設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230041)

0 引 言

鋼橋面鋪裝一直是橋梁工程中的一項技術難題，由于鋼橋面具有自身的特殊性和外部環境的惡劣性，鋪裝面經常會出現剪切破壞、疲勞開裂、撓曲破壞、粘塑性永久變形、磨損及水損等病害，因此，對鋼橋面鋪裝設計進行研究對提高橋面鋪裝質量具有十分重要的意義[1]。

1 鋼橋面鋪裝的特點

(1)鋼橋整體剛度較低,易振動變形，對鋪裝層的要求更高。

(2)鋼橋面表面較光滑，鋪裝層與橋面鋼板之間承受較大的橫向剪應力，鋪裝易脫層和滑移，對瀝青鋪裝層、鋼板、防水粘結層與瀝青鋪裝層間的抗剪能力要求高。

(3)由于鋼板在使用環境中易發生腐蝕，鋼橋面鋪裝防護及防排水系統要求更加完善。

(4)鋼箱梁具有儲熱效應，熱傳導快，鋪裝層易出現高溫穩定性和低溫開裂及凍融破壞問題，夏季鋪裝最高溫度可達70℃，冬季時則比氣溫還低。

2 防水粘結層性能要求

2.1 為什么要防水

鋼或鋼筋混凝土結構，易受很多因素的影響而劣化，導致失去強度而產生不安全狀況。這些不安全的狀況會帶來經濟上的損失甚至帶來災難性或威脅生命的后果。如果防水失敗，受碳化及凍融循環等外部因素影響，鋼結構將快速劣化，焊縫處尤甚，故防水粘結層通常是鋼結構防腐蝕的重要防線，也是目前鋼橋面鋪裝設計中非常重視的部分。

2.2 防水粘結層的性能要求

常見瀝青鋪裝的破壞形式主要有開裂、層間滑移、推擁、脫層、坑洞等。產生這些破壞的原因通常有瀝青鋪裝層下的積水、瀝青鋪裝層與防水粘結層的薄弱粘結強度、過厚的防水粘結層、防水粘結層較低的彈性模量、鋪裝層的疲勞破壞等。而這些大部分都與防水粘結層的性能有關。結合前述鋼橋面鋪裝的特點，鋼橋面對防水粘結層的性能要求如下：

(1)防水粘結層應具有優良的粘結力，能與基層及表面鋪裝層很好粘結，橋面鋪裝系統由上到下組成一個復合的整體，而不是層間分離。

(2)防水粘結層在使用期間承受很大的剪切應力，應具有抗剪切和抗拉拔性能。

(3)防水粘結層應具有較高的彈性模量，具有很好的變形隨從性，能適應鋼結構的變形。

(4)防水粘結層必須具有良好的高、低溫抗剪切破壞的能力；陡坡路段(≥3%)鋪裝更易出現高、低溫穩定性問題。

2.3 防水粘結層的選擇

選擇防水粘結層材料時，須綜合考慮使用條件(氣候、溫度、降水量、交通量、橋面系剛度等)、鋪裝體系因素(相容性、粘結性、施工可行性)。

目前常用的鋼橋面防水層粘結材料主要有：

(1)瀝青類：環氧瀝青、熱熔改性瀝青、溶劑型瀝青。

(2)樹脂類：環氧樹脂(Ⅰ、Ⅱ)型、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸樹脂、聚氨酯。

規范[2]對防水粘結層的組合方案設計可供參考。

3 常見的鋼橋面鋪裝系統

經過20余年發展，鋪裝材料及結構逐漸得到優化和完善，鋪裝方案多元化發展。目前國內外常用的鋪裝體系主要有：

(1)雙層SMA(瀝青瑪蹄脂碎石混凝土)鋪裝體系。

(2)澆筑式瀝青混凝土鋪裝體系。

(3)環氧瀝青混凝土鋪裝體系。

下面對各鋪裝體系優缺點論述如下。

3.1 雙層SMA鋪裝體系

如圖1所示。

圖1 雙層SMA鋼橋面鋪裝典型結構

優點：熱穩定性好，造價低廉，工藝成熟，易于維修。

缺陷：防水粘結層與SMA為點-點接觸，層間抗剪性能差；空隙率大，防水性能不足；不易壓實，模量較低，較易產生車轍；早期SMA抗疲勞開裂性不足。

3.2 澆筑式瀝青混凝土鋪裝體系

如圖2所示。

圖2 澆筑式瀝青鋼橋面鋪裝典型結構

優點：GA自流成型，無須碾壓，無壓實度不足缺陷；空隙率極小，致密、防水、防腐蝕、耐久性好；瀝青用量高，呈黏彈性，對沖擊及顛簸不敏感；抗低溫開裂和疲勞開裂性能好，對鋼板的追從性較好；施工溫度高，對不良氣候特征影響不敏感。

缺陷：GA瀝青含量高，組合結構高溫穩定性控制難度大，可能發生車轍病害。

3.3 環氧瀝青混凝土鋪裝體系

如圖3所示。

圖3 環氧瀝青鋼橋面鋪裝典型結構

優點：彈性模量高，抗車轍性能好；強度高，疲勞性能好，抗裂性好；空隙率為2%～3%，防水性能較好。

缺陷：剛度大，層間剪應力大，粘結層難以滿足受力需求；施工控制要求過高，易出現施工質量問題；造價高，維修成本高且維修困難，養護時間長。

3.4 鋼橋面鋪裝體系總結和比較

幾種鋪裝體系之間的比較見表1。

表1 鋼橋面鋪裝體系總結和比較

4 雙層SMA鋪裝體系優化設計

上文對常用的鋼橋面鋪裝體系分別進行了論述。雙層SMA鋪裝體系由于其造價低、施工方便等優點，在中部地區的城市高架橋、中小跨徑鋼橋中得到廣泛應用。實際應用時，還充分考慮當地的氣候條件、交通條件、施工條件等因素,對雙層SMA鋪裝體系進行了優化[3]，如圖4所示。

圖4 雙層SMA優化鋪裝體系

該方案主要對以下方面進行了優化：

(1)防水粘結層固化前撒布3～5 mm規格硬質集料以形成均勻分布的“剪力鍵”。

(2)采用雙層高黏高彈改性SMA鋪裝，上下兩層分別作為面層和保護層。下層保護層主要起到：吸收鋼橋面板的變形應力，具有較大的變形追從性；同時隔離鋼橋面表面溫度對面層影響；粘結橋面，防止面層推移。因此，下層SMA混合料必須有著良好的抗高溫車轍能力、抗低溫開裂能力、抗疲勞破壞能力、抗變形能力。上層面層則起到：抵抗鋼橋面板變形；防止水分進入橋面；承載車輛碾壓，同時提供抗滑性能。

(3)采用高黏高彈改性瀝青可有效提高混合料熱穩定性，同時采用直投式專用改性劑可有效平衡施工溫度、黏度和路用溫度黏度，可實現靜碾壓實。

目前該優化方案在某中部城市廣泛使用，并且經過多個項目的檢驗，效果良好。

5 結束語

本文對鋼橋面鋪裝的特點以及常用的鋼橋面鋪裝體系做了介紹，根據實踐經驗對雙層SMA鋪裝體系提出了優化方案，可為同類工程的設計提供參考。