陳忠華　成　猛　郭洪軍

(湖北省交通規(guī)劃設計院　武漢　430051)

武荊高速公路東西湖互通鋼箱梁橋面鋪裝病害分析及養(yǎng)護方案

陳忠華成猛郭洪軍

(湖北省交通規(guī)劃設計院武漢430051)

摘要針對武荊高速公路東西湖互通E匝道鋼箱梁橋面鋪裝出現(xiàn)的嚴重推移、擁包病害，分析其產(chǎn)生的原因，進行了有限元模擬計算，提出合理的養(yǎng)護方案，并對施工后的使用效果進行觀測。實踐證明，該養(yǎng)護方案有效解決了該鋼箱梁橋面鋪裝病害問題。

關鍵詞鋼箱梁橋面鋪裝病害有限元防水粘結層

由于鋼橋具有建造周期短、跨越能力大、適合于工業(yè)化制造、便于運輸、構件易于修復和更換等諸多優(yōu)點，因此被越來越多地采用。但由于鋼橋面鋪裝的特殊性及鋼橋面鋪裝技術的限制，鋼橋面早期損害現(xiàn)象比較普遍，目前鋼橋面鋪裝技術在我國公路建設中，成為一個熱點、難點問題。

武荊高速公路東西湖互通是武漢外環(huán)、京珠高速和武荊高速的連接線，于2010年5月正式通車，其中E匝道有2座鋼箱梁橋，樁號分別為EK0+782～EK1+012和EK1+285～EK1+395。通車3年后，鋼橋面鋪裝層發(fā)生了嚴重推移、擁包病害，現(xiàn)針對該橋病害發(fā)生的特點及產(chǎn)生的原因，提出合理的養(yǎng)護方案，并對施工后的效果進行觀測總結。

1　原橋面鋪裝層設計

原設計鋼橋面鋪裝層按雙層SMA瀝青混凝土設計，總厚度80mm，上下鋪裝層均采用40mm細粒式改性瀝青混凝土SMA-13。粘結層和防水層的結構為：鋼箱梁橋表面拋丸處理后，設置環(huán)氧富鋅漆涂層，涂布2層反應型防水粘結層，每層用量為0.1～0.2L/m2，最后施工橋面2層瀝青混凝土。鋼橋面鋪裝結構見圖1。

圖1　原設計鋼橋面鋪裝結構示意圖

2　橋面鋪裝層病害描述及原因分析

對武荊高速公路東西湖互通E匝道現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該鋼箱梁橋面出現(xiàn)了嚴重的推移、擁包病害，并且發(fā)現(xiàn)發(fā)生推移的瀝青混凝土較松散，顏色枯黃，粘結力明顯較低。

通過分析，橋面發(fā)生推移、擁包病害的主要原因有以下4點。

(1) 防水粘結層失效。對橋面發(fā)生病害的路段進行開挖，發(fā)現(xiàn)整個橋面鋪裝的粘結層均已失效，鋪裝層與鋼橋面不能組成一個共同受力整體，防水粘結層已經(jīng)破壞，粘結材料完全脫落，部分鋼板裸露且發(fā)生銹蝕。

當防水粘結層發(fā)生破壞后，瀝青混凝土鋪裝層的受力狀態(tài)逐漸由連續(xù)變?yōu)榛瑒?，?nèi)部最大剪應力急劇增大，當最大剪應力超過瀝青混凝土的抗剪強度時，鋪筑層即發(fā)生剪切推移病害。防水粘結層失效是鋼橋面發(fā)生推移病害的主要原因之一。

(2) 瀝青混合料抗剪強度差。通過對發(fā)生推移的瀝青混凝土仔細觀察發(fā)現(xiàn)，混合料顏色枯黃，并且很松散。分析認為，瀝青混凝土中瀝青用量偏少，拌和不均勻，導致混凝土的粘結力較差，混凝土的抗剪強度也較差，這也是鋼橋面發(fā)生剪切推移病害的主要原因之一。

(3) 鋼橋面噴砂除銹處理效果不佳。施工防水粘結層前，采用拋丸工藝對鋼箱梁橋表面進行處理，由于鋼橋面材質(zhì)較硬且施工可能存在問題，造成鋼箱梁橋面的清潔度和粗糙度不滿足設計要求，降低了防水粘結層的抗剪強度。

(4) 原橋面未設置排水設施。由于原橋面未設置排水設施，雨水滲入瀝青混凝土后，未能及時排出，最終聚集在瀝青層底部，在動水壓力的作用下，防水粘結層逐漸被破壞，造成橋面鋪裝層發(fā)生推移病害。

3　水平力系數(shù)對剪應力的影響

武荊高速公路東西湖互通E匝道的鋼橋處于曲線段，水平力荷載主要有2種類型：一種是由車輛的啟動和制動產(chǎn)生的；另一種是車輛在轉(zhuǎn)彎過程中產(chǎn)生的，稱之為橫向水平力。彎道處的鋪裝層將在2種水平力共同作用下產(chǎn)生結構響應。結合東西湖互通E匝道鋼箱梁橋的實際情況，采用了有限元分析方法，模擬分析鋼橋面鋪裝與鋼板的層間受力情況。

我國現(xiàn)行最新的公路瀝青路面設計規(guī)范[1]中規(guī)定的標準軸載以BZZ-100表示，采用的是單軸雙輪組荷載100kN，輪胎壓力為0.7MPa。對于水平力系數(shù)取值的研究早在1982年交通部《公路柔性路面設計方法及指標的研究》和1986年建設部《城市道路柔性路面設計方法及指標的研究》2個科研項目中進行了研究，采用隨車儀器測定水平力系數(shù)，在車輪正常行駛或者制動、啟動的情況下，水平力系數(shù)f不大，一般小于0.17，但是在緊急制動、轉(zhuǎn)彎(轉(zhuǎn)彎半徑較小)或者上坡(坡度較大)時，水平力系數(shù)f可以達到0.5，甚至更高，峰值趨近于路面的摩擦系數(shù)[2]。《城市道路設計規(guī)范》(GJT37-90)中規(guī)定，通常情況下取f=0.2，緊急制動時取f=0.5比較合適[3]。為考慮橋面鋪裝受力的最不利狀況，在本研究中，水平力系數(shù)取0.5。根據(jù)鋼橋的平面曲線和設計車速進行計算，獲得橫向水平力系數(shù)一般為f=0.05～0.2，因此考慮橫向水平力系數(shù)為0～0.3。鋼橋面鋪裝與鋼板層間水平剪應力計算結果見表1[4]。

表1不同縱、橫向水平力系數(shù)下粘結層層底最大剪應力MPa

橫向水平力系數(shù)縱向水平力系數(shù)0.10.20.30.40.50.00.2590.2830.3010.3300.3550.10.2890.3120.3360.3600.3840.20.3180.3410.3650.3890.4120.30.3470.3750.3940.4180.442

由表1可見，水平力系數(shù)對橋面鋪裝粘結層的最大剪應力有很大影響，較高的水平力系數(shù)將使粘結層應力維持在一個較高的水平。當橫向水平力系數(shù)從0增加至0.3，縱向水平力系數(shù)從0.1增加至0.5，最大剪應力增加了70.6%。

考慮1.5倍的超載，汽車在正常行駛狀態(tài)下(縱向水平力系數(shù)f=0.2)、速度40km/h(橫向水平力系數(shù)f=0.05)行使時，橋面鋪裝將產(chǎn)生0.446MPa的剪應力；如果考慮1.5倍的超載和緊急制動，將產(chǎn)生0.554MPa的剪應力。

以上分析表明，結合武荊高速東西湖互通E匝道鋼橋面鋪裝的使用環(huán)境(-5～60 ℃)，在保證一定安全系數(shù)的前提下，橋面鋪裝防水粘結層的抗剪強度必須滿足0.5MPa，才能有效保證橋面鋪裝在實際使用過程中不易產(chǎn)生破壞。

4　養(yǎng)護設計方案

針對橋面瀝青鋪裝層發(fā)生的嚴重推移病害，采用重點增強防水粘結層粘結力及防水能力，然后加鋪瀝青混凝土的方法進行處理，同時增設橋面排水措施，橋面鋪裝結構見圖2。

圖2　鋼橋面鋪裝層養(yǎng)護結構圖

具體養(yǎng)護方案如下。

(1) 橋面處理。銑刨橋面鋪裝層瀝青混凝土，并將鋼板表面進行噴砂除銹處理，要求清潔度達到Sa2.5級，粗糙度達到50～100μm。

(2) 防腐層。噴砂除銹后4h內(nèi)涂刷環(huán)氧富鋅漆，厚度50～100μm。

(3) 防水粘結層。防水粘結層由柔性環(huán)氧樹脂防水粘結層和反應型防水粘結劑組成。在環(huán)氧富鋅漆達到設計要求的結合力后，進行柔性環(huán)氧樹脂防水層施工：第一層涂刷200～300g/m2柔性環(huán)氧樹脂，撒布300～400 g/m2的0.3～0.6 mm碎石；第二層涂刷400～600 g/m2柔性環(huán)氧樹脂，撒布500～800 g/m2的1.18～2.36 mm碎石。柔性環(huán)氧樹脂固化并檢驗合格后，涂刷反應型防水粘結劑。粘結劑用量為：300～500 g/m2。

(4) 緩沖層。緩沖層主要由橡膠瀝青應力吸收層組成，橡膠瀝青應力吸收層材料的用量為橡膠瀝青800～1 500g/m2，碎石8～10 kg/m2。

(5) 鋪裝層。攤鋪3.5cm厚的SBS改性瀝青SMA-13上面層+3.5cm厚的SBS改性瀝青SMA-13下面層。瀝青層間灑布PCR改性乳化瀝青0.3～0.6kg/m2作為粘結層。

(6) 橋面排水。鋪筑上、下面層瀝青混凝土時，匝道橋內(nèi)側(cè)防撞墻處增設10cm×7cm排水明溝，以排出路表水及瀝青混凝土內(nèi)部層間水。匝道橋伸縮縫內(nèi)側(cè)邊部開槽，便于將排水明溝的水排出橋外。

5　防水粘結層試驗檢測

按橋面鋪裝設計方案，在室內(nèi)成型組合結構試件，按照《公路鋼箱梁橋面鋪裝設計與施工技術指南》試驗方法[5]測試組合試件的抗剪強度(25 ℃)和抗拉強度(25 ℃)。

采用鋪裝結構剪切強度試驗方法測定鋼箱梁橋面鋪裝結構的剪切強度，評價鋼箱梁橋面鋪裝結構的抗剪能力。試驗方法見圖3。采用抗拉強度試驗方法測定和評價鋼箱梁橋面鋪裝粘結材料的抗拉強度。試驗方法見圖4。具體試驗結果見表2。

圖3抗剪強度試驗方法示意圖

圖4　抗拉強度試驗方法示意圖

MPa

根據(jù)有限元模擬計算分析，東西湖互通E匝道鋼橋面鋪裝的抗剪強度必須大于0.5MPa。從表中的試驗數(shù)據(jù)可以看出，養(yǎng)護方案中設計的防水粘結層抗剪強度完全滿足理論要求的0.5MPa。

6　施工后跟蹤觀測情況

武荊高速東西湖互通E匝道鋼箱梁橋面鋪裝養(yǎng)護施工于2013年11月完工，2015年5月，養(yǎng)護設計項目組對該橋面鋪裝進行了現(xiàn)場調(diào)查。從現(xiàn)場情況來看，橋面鋪裝雖然經(jīng)歷了1年多的重載交通和夏季高溫多雨、冬季低溫的惡劣環(huán)境的影響，但使用性能依然良好，沒有出現(xiàn)車轍、推移、裂縫等病害。

7　結語

(1) 通過分析武荊高速東西湖互通E匝道鋼箱梁橋面鋪裝出現(xiàn)的嚴重推移、擁包病害，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生的主要原因有防水粘結層失效、瀝青混合料抗剪強度差、鋼橋面噴砂除銹處理效果不佳和原橋面未設置排水設施所致。

(2) 有限元模擬分析結果表明，橋面鋪裝防水粘結層的抗剪強度必須滿足0.5MPa，才能有效保證橋面鋪裝在實際使用過程中不易產(chǎn)生破壞。

(3) 提出重點增強防水粘結層粘結力及防水能力，然后加鋪瀝青混凝土，同時增設橋面排水措施的養(yǎng)護方案。防水粘結層由柔性環(huán)氧樹脂和反應型防水粘結劑組成，室內(nèi)試驗結果表明，其抗剪強度完全滿足理論要求的0.5MPa。

(4) 從后期的使用情況來看，由柔性環(huán)氧樹脂和反應型防水粘結劑組成的防水粘結層使用效果良好，該養(yǎng)護方案有效解決了東西湖互通E匝道鋼箱梁橋面鋪裝病害問題，可為后續(xù)的鋼橋面鋪裝維修養(yǎng)護提供參考。

參考文獻

[1]JTGD50-2006公路瀝青路面設計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2006.

[2]葉建.舊水泥混凝土路面加鋪瀝青面層的力學性能分析[D].成都：西南交通大學,2011.

[3]周文波，項光明.車輛超載對瀝青路面早期破損影響分析[J].四川建筑，2008，28(4):58-60.

[4]湖北交通工程檢測中心.湖北武荊高速公路東西湖匝道鋼橋面鋪裝養(yǎng)護技術咨詢報告[R].武漢：湖北交通工程檢測中心,2012.

[5]重慶交通科研設計院.公路鋼箱梁橋面鋪裝設計與施工技術指南[M].北京：人民交通出版社，.

收稿日期：2015-07-01

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.013