鋼箱梁橋面鋪裝結構優化設計分析

白杰

【摘要】在當前鋼箱梁橋建設的過程中，最關鍵的就是橋面鋪裝技術。而當前國內鋼箱梁橋面鋪裝層的材料與結構設計中存在較多的問題，嚴重的影響著橋面的鋪裝質量水平。因此在本文中對當前鋼箱梁橋面鋪裝材料的特點和鋪裝結構的設計要點進行了分析，并提出了兩種新型鋼箱梁橋面鋪裝方案，通過有限元分析軟件對兩種鋪裝方案進行了分析與驗證，從而進一步保證該方案可以在實際工程中得到運用。

【關鍵詞】鋼箱梁;橋面鋪裝;結構設計

1、鋼箱梁橋面鋪裝結構與鋪裝設計要點

1.1鋼橋面鋪裝結構的特點

簡單來說，鋼箱梁橋面鋪裝不同于一般的公路瀝青路面的鋪裝，他是直接鋪設在正交異性鋼橋面板上，而正交異性鋼橋面板的柔度較大，既容易受到一些自然因素的影響，也會因自身的原因影響到鋪裝層的質量。第二，鋼箱梁橋面鋪裝的溫度比瀝青路面的溫度高，極端最低溫度比相同地區的公路瀝青路面的鋪裝溫度更低。同時鋼板導熱系數較大，正交異性鋼板的晝夜溫差和季節性溫差的變化幅度比其他瀝青路面基層的變化幅度較大。第三，對大跨徑鋼箱橋梁，一般是應用在一些大河、橫跨海峽上，經常會遭受到強風臺風的頻繁襲擊，而一般瀝青混凝土路面是遭遇不到一些強風，臺風的頻繁襲擊。第四，正交異性鋼板面鋪裝層的受力模式與一般瀝青混凝土路面的受力模式差別較大。第五，在一些大跨徑鋼橋的建設過程中，橋面鋪裝如果出現了破壞將會嚴重的影響交通運輸的安全，而且鋪裝層的維修難度較大。

1.2鋼箱梁橋面鋪裝設計要點

鋼箱梁橋面鋪裝的外部環境較為惡劣，經常會受到一些臺風，地震以及雨雪天氣的影響，因而對鋪裝層材料和鋪裝結構提出了更高的要求。首先，鋪裝層厚度要符合相關的要求，當前的鋪裝層厚度設計大概分為兩類，薄型和厚型，相關設計規范規定了瀝青鋪裝層的最小厚度為60mm，最大不超過80mm，鋪裝層的厚度選擇在70-80mm最合適。第二，鋼箱梁結構設計中要考慮自重，為實現較大的跨越能力，需要減薄鋪裝層或者是使用一些輕質化的鋪裝層材料。從而可以減少橋梁恒載，降低工程造價。第三，鋼箱梁橋面在溫度荷載和車輛荷載的作用下會形成一定的界面抗剪強度不滿足要求，因而在設計過程中要注重對界面剪切的重視。第四，在炎熱的天氣橋面會出現高溫，瀝青混合料就會出現疲勞開裂的現象，因此要對鋪裝材料的高溫穩定性進行特殊的設計，選擇適合橋面防推移粘結層的鋪裝材料，在一些溫度變化較大的季節可以有較好的抗裂性能。第五，鋼橋面板要具有較高的協調變形性能，從而能夠減少一些疲勞開裂的現象。

2、兩類新型的鋼箱梁橋面鋪裝結構分析

2.1柔性鋪裝層材料結構方案

首先是對鋼橋面板采用耐高溫性能優異的環氧結構膠來做為粘結層，同時撒顆粒均勻的具有高強度的玄武巖碎石顆粒，進一步對界面的粗糙化進行處理。而下層材料是用30mm具有高粘度的改性瀝青，對應的上層是40mm高粘度改性瀝青SMA13。

為了進一步的驗證柔性鋪裝層材料是否符合要求，借助有限元分析軟件ANSYS建立了三維有限元模型，對該模型中的各項材料的力學性能進行了分析與研究。從而得到了該種鋪裝層材料的橫向拉應力、鋪裝層與鋼板層間剪應力的理論計算值，室內拉拔試驗等，通過對計算數值的分析，得出該種鋪裝組合材料以及結構具有較高的界面粘結性能和抗剪性能，從而驗證了該種鋪裝結構是可以投入使用的。該鋪裝結構選擇了具有高粘度的改性瀝青和混雜纖維來復合制備出相關的SMA瀝青混合料，使得該鋪裝層材料具備了較高的路運性能和抗滑性能，在70C界面中該種鋪裝層材料的抗剪強度為1.42Mpa，而對應的SMA13的性能指標為：70C的動穩定度≥4000次/mm，-10C低溫彎曲應變≥5X10'，浸水殘留穩定度≥90%，凍融劈裂殘留強度比≥90%，滲水系數≤15m1/min，摩擦系數≥45BPN，從而保障了鋪裝層材料的性能，符合鋼箱梁橋面在鋪裝過程中的各項要求，該鋪裝結構設計方案在武漢白沙洲大橋鋼箱梁橋面鋪裝修復改造工程中得到了成功應用。

2.2輕質高韌混凝土剛性下面層（50mm） 結構方案

輕質高韌混凝土剛性下面層（50mm）鋪裝層材料在鋼橋面板上的應用，需要布置抗剪連接件，在連接件上綁扎鋼筋網，在上面層，設置40mm高粘度改性瀝青SMA13，從而形成了一種新型的鋼箱梁橋面鋪裝結構方案。

為了進一步驗證輕質高韌混凝土剛性下面層（50mm）鋪裝層材料方案的可行性，借助有限元分析軟件來建立關于該體系的三維有限元模型，根據分析結果，采用50mm厚輕質混凝土下面層，采用直徑10mm、高45mm，橫向布置間距300mm，縱向布置間距400mm的剪力連接件布置方式可以滿足鋼箱梁橋面力學性能的要求。同時，如果借助纖維聚合物復合增韌技術，可以配置出相對應的高韌性輕質的混凝土。該鋪裝層材料的設計方案可以投入到使用中，在武漢市中環線鋼箱梁高架橋中得到了成功應用。

結語：

總而言之，大跨徑鋼箱梁橋面鋪裝是一個非常重要的工程，嚴重影響橋梁的使用壽命。而本文所提出的兩種鋪裝層材料以及對應的結構設計方案，可以滿足大跨徑鋼箱梁橋面鋪裝的要求，并得到了成功的應用，因此可以加大對兩種鋪裝方案的推廣和使用。

參考文獻：

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