南京長江大橋正橋人行道鋪裝改造提升研究

婁 松， 楊 浩

(1.中鐵大橋局武漢橋梁特種技術有限公司， 武漢 430205； 2.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室， 武漢 430034)

近年來，國內早期建設的上下層式公鐵兩用鋼桁梁橋如南京長江大橋、九江長江大橋等因服役多年公路正橋混凝土橋面板出現諸多病害而逐漸進入維修改造期，多將原混凝土橋面板更換為正交異性鋼主梁，同時對橋面鋪裝等附屬設施進行改造更新[1-4]。目前，對鋼橋面車行道鋪裝技術的研究已比較深入，常用的解決方案和材料已趨于穩定，而對人行道鋪裝技術系統的研究和工程應用相對較少[5-9]。本文依托南京長江大橋橋面改造工程，探討文物橋梁鋼橋面人行道鋪裝方案設計、鋪裝工程實施，供類似工程參考。

1 工程概況

1.1 舊橋狀況

南京長江大橋于1968年通車，是長江上第一座由中國自行設計和建造的雙層式鐵路、公路兩用橋梁，是中國橋梁建設的重要里程碑。公路正橋主要由鋼縱梁和輕質陶粒混凝土橋面板組成，全長1 576 m。至2016年橋梁已運營48年，橋面混凝土板表面出現開裂及保護層碳化剝落、伸縮縫下方鋼構件(橫梁、K撐桿件、鉚釘)銹蝕、鋼縱梁腹板疲勞開裂等病害，若該病害繼續發展，將影響公路及下方鐵路運營安全，需進行整體維修改造。

1.2 公路橋面改造方案

針對原混凝土橋面板容易出現病害并逐年累積、橋面伸縮縫多(5道大型伸縮縫、45道小型伸縮縫)、原結構體系在車輛重載作用下鋼縱梁局部應力集中等主要問題，采用正交異性鋼主梁整體更換原混凝土橋面板，并對欄桿、路燈、橋頭建筑等附屬設施進行維修改造，重新鋪設人行道鋪裝。

1.3 原人行道鋪裝特點

南京長江大橋橋面系拆除前，正橋及橋頭建筑區域均采用混凝土板面層涂抹砂漿+紅缸磚貼面的鋪裝方式，紅缸磚橫向17塊，規格為11 cm×11 cm×1 cm，跟隨人行道同步斷縫。使用近50年后，局部有紅缸磚脫落，更換痕跡明顯。鋪裝面層紅缸磚表面抗滑移性能較差，雨水天氣尤為突出，因大量勾縫的存在，行車舒適性(針對非機動車)較差，人行道鋪裝如圖1所示。

圖1 橋面拆除前人行道鋪裝

2 鋼橋面人行道鋪裝方案設計

2.1 人行道鋪裝改造方案考慮因素

南京長江大橋已成為文物橋梁[10]，人行道鋪裝改造需保持其文物屬性，滿足“修舊如舊”的要求，保證改造后人行道鋪裝外觀貼合原橋風貌。此外，鋼橋面板因工作溫度高、荷載作用下變形大、鋪裝層受力模式復雜(出現負彎矩)、服役環境復雜(長江之上)、遇水銹蝕等特點，對鋪裝材料、結構設計、施工技術要求極高[11]。

針對鋼結構人行道鋪裝，需解決以下2方面的問題：1) 鋪裝面層與鋼板的粘結保障；2) 鋪裝面層與鋼板的協調變形。

2.2 人行道鋪裝改造思路及原則

人行道鋪裝改造設計方案總體上遵循保持文物屬性、對鋼結構的適應性、耐久性的原則，鋪裝設計總體思路：1) 綜合考慮大橋的文物屬性，顏色(紅色)與改造前一致；2) 粘結層材料對鋼材和鋪裝材料具有良好的粘結性能；3) 鋪裝具有一定的變形適應能力；4) 人行道鋪裝及粘結層的使用壽命應不低于10年；5) 人行道及粘結層材料的修補和更換施工應簡單快捷。

2.3 人行道鋪裝改造方案比選

2.3.1 工程案例調研

為保證鋼橋面鋪裝質量，針對6座典型橋梁人行道鋪裝結構展開實地調研，結果如表1所示。通過調查得知，耐涂ET(焦油改性環氧樹脂砂漿)類鋪裝結構整體較薄，使用過程中會逐漸褪色并出現裂縫、剝落等病害；環氧樹脂類薄層鋪裝顏色種類較多，外觀較為美觀，投入使用較少出現各種病害；瀝青材料類鋪裝投入使用后出現了反射裂縫、剝落等病害，鋪裝面層可噴涂不同顏色封漿，但容易褪色。綜合來看，環氧樹脂類薄層鋪裝性能更好。

表1 鋼橋面人行道鋪裝結構調查

2.3.2 人行道鋪裝改造方案

為還原改造前人行道外貌，結合鋼橋面人行道鋪裝材料及鋪裝結構類型的工程應用情況，經過反復研究論證，提出了以下3種鋪裝方案。方案 1～方案3的比較如表2所示，鋪裝結構如圖2所示。

表2 3種方案比較

(a) 方案1—改性環氧砂漿鋪裝

(b) 方案2—橡膠板鋪裝

(c) 方案3—改性環氧樹脂薄層鋪裝

1) 方案1：改性環氧樹脂+紅缸磚

選擇改性環氧砂漿主要是其具有高強高韌性的特點，既能起到很好的模量過渡和應力吸收作用，又能降低鋪裝的層間應力，同時提高了鋪裝層與鋼橋板的整體受力[12]。此外，改性環氧砂漿具有良好的韌性，能經受住鋼板面反復變形產生的疲勞破壞。改性環氧砂漿孔隙率小，抗滲強，也能起到很好的防水防腐效果，鋪裝結構如圖2(a)所示。

2) 方案2：橡膠板+紅缸磚

橡膠板具有良好的防水性、防滑性、追隨變形能力[13]，且不僅鋪設方便,還可采用先預制后拼裝施工。安裝前，在工廠提前將紅缸磚嵌入橡膠層，現場拼裝簡單快捷；其次橡膠板的剛度低，可減少因鐵路、公路高頻震動而對鋪裝材料和鋪裝結構的損壞，鋪裝結構如圖2(b)所示。

3) 方案3：改性環氧樹脂薄層

改性環氧樹脂薄層具有重量輕、高韌性、抗滑性好、外觀美(可選擇紅色)的優點。鋪裝結構層采用高強度集料，粘結層采用改性環氧樹脂，粘結層通過其聚合物的網絡結構體可將集料牢牢地粘結基面，形成高強度的鋪裝結構。采用的改性環氧樹脂克服了普通環氧樹脂的硬脆性及耐候性差的缺點，兼具強度、柔韌性，大幅提升了鋪裝的耐久性[14]，鋪裝結構如圖2(c)所示。

2.3.3 人行道鋪裝方案試驗研究

1) 足尺試驗

按照實際橋面人行道尺寸，選擇一節間長度制作3塊鋼結構試件，橫截面寬2.36 m，縱向長8 m。將3種鋪裝方案在鋼結構試件上進行試鋪，以檢驗人行道鋪裝設計方案的合理性、鋪裝的施工工藝，各方案施工工藝如表3所示。

通過對施工過程的觀察和研究，發現各方案存在以下特點：(1) 方案1：由于水性環氧改性水泥砂漿固化時間較短，紅缸磚粘貼時機不易掌握，貼磚難以達到平整、美觀的效果；(2) 方案2：橡膠材料粘接過程修邊不易控制，紅缸磚邊角處附有黑色橡膠材料，致使美觀不足；(3) 方案3：改性環氧樹脂固化時間與溫度有關，溫度越高，固化時間越短，有效操作時間越少，施工過程中需嚴格控制改性環氧樹脂涂布后撒布陶瓷顆粒的時間，不易操控。

2) 靜載試驗

試件由鋼板和2個高10 cm的倒T型橫梁組成，鋼板尺寸為500 mm×250 mm×12 mm，按照上述施工工藝，在鋼結構試件上鋪設3種鋪裝方案，每種方案制作3塊試件。采用萬能試驗機加載，加載中心為鋼板中心位置。試驗溫度控制在0 ℃，加載速率控制為1 mm/min，靜載試驗結果如表4所示。

由表4可知：方案1，加載至6.6 kN時紅缸磚即開裂，說明整個鋪裝結構剛度太大，不能隨著鋼板變形；當持續加載，紅缸磚因應力集中突然發生開裂，出現脆性破壞，鋪裝整體力學性能較差；方案2，加載至12.95 kN時紅缸磚開裂，且橡膠板脫層，承載力較前者提高了96.2%，說明橡膠板具有一定的延展性，能隨鋼板產生一定的變形，但是當橡膠板變形過大之后，粘結層的粘結力無法支撐橡膠板繼續變形，發生了脫層；方案3，最高加載至22.27 kN時鋪裝不發生脫層、開裂，承載能力較前者提高了72%，說明使用聚氨酯改性環氧樹脂作為粘結層，環氧樹脂經過聚氨酯改性之后，柔韌性、強度大幅提升，陶瓷顆粒能夠在樹脂強勁的粘結力作用下形成整體，隨鋼板協同變形而不發生脫層、開裂，力學性能較優。

表3 人行道鋪裝方案施工工藝

表4 人行道鋪裝靜載試驗結果

2.3.4 人行道鋪裝方案比選

結合多座橋梁調研資料，重點考慮工程實施可靠性高、橋面病害率低、技術成熟、典型案例可參考價值高等因素，并遵循文物橋梁“修舊如舊”的原則，提出了以工程病害率、成熟程度、施工可控性、后期維養、是否忠實原外觀、造價等6項評價指標[15]，對3種方案進行綜合評定，結果如表5所示。

由表5可知，方案3雖不能完整復原橋梁的紅缸磚鋪裝外觀，但是在工程病害率、成熟程度、施工可控性、后期維養、造價方面更具有優勢，綜合性能較優。綜合考慮，最終采用改性環氧樹脂薄層作為南京長江大橋正橋人行道鋪裝實施方案。

3 南京長江大橋人行道鋪裝方案實施

3.1 人行道鋪裝試驗段施工

為了檢驗各材料指標、工序控制、材料用量，在正式施工前進行了實橋25 m長的人行道試驗段預鋪設。

1) 指標檢測

施工前檢測聚氨酯改性環氧樹脂、紅色陶瓷顆粒、封層低粘度樹脂技術性能指標，結果均滿足設計要求；待鋪裝體系成型后檢測其技術性能指標，結果均滿足設計要求。

表5 人行道鋪裝方案比選

2) 施工工藝

3) 確定材料用量

防腐防水層樹脂用量0.5 kg/m2，下層鋪裝樹脂用量1.5 kg/m2，上層鋪裝樹脂用量2.5 kg/m2，封層低粘度樹脂用量0.8 kg/m2。

3.2 人行道鋪裝施工控制要點

南京長江大橋人行道改性環氧樹脂薄層施工中主要解決鋼橋面板基面處理、骨料撒布均勻性、各工序之間的協調配合、工序間隔時長控制等問題，同時兼顧施工效率，并保證施工質量。

人行道邊部手工打磨區域提前于拋丸施工區域完成，有效防止了人員走動和打磨灰塵引起的二次污染。打磨完成后采用自回收式拋丸機對驗收合格的橋面進行拋丸處理，拋丸除銹達到清潔度Sa2.5級、粗糙度50 μm～100 μm。

改性環氧樹脂攤鋪后，撒布骨料的間隔時間過長會導致樹脂固化而失活，為了縮短骨料攤鋪時間，采用半自動化施工工藝：將改性環氧樹脂各組分(聚氨酯改性環氧樹脂、固化劑)、攪拌機、泵機等材料裝載在卡車上，用導管連接泵機將攪拌后的改性環氧樹脂輸送至橋面，再用帶齒瓦刀刮劈均勻，待其形成厚度均勻的薄膜。當一節段施工區域的樹脂施工完成后，采用自主研制的噴灑機同步跟隨卡車滿布撒布骨料，2道工序之間緊密銜接，如圖3所示。

(a) 同步攤鋪樹脂與骨料

(b) 噴灑機撒布骨料

封閉層低粘度樹脂采用無氣噴涂技術施工，無氣噴涂利用柱塞泵形式的增壓泵將樹脂增壓，然后經高壓軟管輸送至無氣噴槍，最后在無氣噴嘴處釋放液壓、瞬時霧化后噴向鋪裝表面。

3.3 人行道鋪裝性能效果

南京長江大橋鋼橋面人行道鋪裝使用2年多來，未出現掉粒、裂縫、脫層等病害，整體表現優良，鋪裝表面平整、表面構造良好，行走較為舒適，如圖4所示。

人行道改造后外觀大幅提升，保住了原橋風貌，與橋梁本身融為一體。

鋪裝與鋼板粘結性能、鋪裝三點彎曲試驗、鋪裝防滑性、鋪裝彎曲試驗、鋪裝車轍試驗、鋪裝復合梁疲勞試驗結果表明，各項指標均滿足設計及規范要求。

圖4 改性環氧樹脂薄層鋪裝整體效果

4 結束語

1) 針對南京長江大橋人行道鋪裝特點和性能要求，開展了文物橋梁鋼橋面人行道鋪裝方案調研、設計及比選，最終采用綜合性能更優的環氧樹脂薄層方案。

2) 施工過程中對施工工藝進行改進和優化，采用噴灑機自動攤鋪骨料，減少了傳統人工攤鋪不均勻引起的質量缺陷，提高了施工效率，并保障了施工質量。

3) 該橋鋼橋面人行道鋪裝施工過程及應用效果顯示，該橋實施質量達到了改造目標。