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        寒區(qū)鋼橋面瀝青混凝土鋪裝方案探討

        2019-10-18 00:47:40李夢(mèng)琪
        北方交通 2019年9期
        關(guān)鍵詞:混凝土

        李夢(mèng)琪

        (遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

        隨著交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展,我國(guó)開(kāi)始逐漸使用跨越長(zhǎng)度大、重量輕、施工較為簡(jiǎn)單的鋼箱梁橋[1]。但由于鋼箱梁自身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、柔度較大、在車(chē)輛荷載作用下產(chǎn)生的振動(dòng)較大,同時(shí)由于我國(guó)對(duì)鋼橋面瀝青混凝土鋪裝的研究不夠深入,因此部分橋面鋪裝層在使用不久后即出現(xiàn)病害,影響鋼橋的安全性和舒適性。

        近年來(lái),根據(jù)我國(guó)的氣候特點(diǎn),許多研究者對(duì)鋼橋面瀝青混凝土鋪裝的鋪裝結(jié)構(gòu)、路用性能等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。但對(duì)于寒冷地區(qū),由于氣候條件特殊,其鋼橋面瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)既要滿(mǎn)足鋼橋面的受力特點(diǎn),還要能夠適應(yīng)寒冷的環(huán)境,使瀝青混凝土鋪裝層滿(mǎn)足使用性能要求。

        1 鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層受力特性

        鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層是作用在鋼板上的結(jié)構(gòu)層,直接承受車(chē)輛荷載的作用,與鋼板形成統(tǒng)一的整體。但是,現(xiàn)階段我國(guó)對(duì)于鋼橋?yàn)r青混凝土鋪裝層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只給定了厚度建議值,沒(méi)有明確的驗(yàn)算過(guò)程。另外,鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一般不做專(zhuān)門(mén)的分析計(jì)算[2]。實(shí)際上,鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層的受力特性比普通瀝青混凝土路面更加復(fù)雜,其受力特性主要表現(xiàn)為:

        (1)在車(chē)輛荷載的作用下,鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層隨鋼橋上下振動(dòng),由于橫縱向肋的補(bǔ)強(qiáng),使得瀝青鋪裝層表面的某些位置會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。

        (2)由于鋼橋的跨徑和柔度較大,使得兩跨間的振動(dòng)位移和變形較大,其受力狀態(tài)受到嚴(yán)重影響。

        (3)鋼橋與瀝青混凝土鋪裝層模量相差很大,使得在車(chē)輛荷載和環(huán)境變化下,容易產(chǎn)生較大的層間剪應(yīng)力。

        2 鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層破壞形式

        通過(guò)閱讀大量文獻(xiàn)可知,鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層破壞形式較多,但縱橫向裂縫、脫層推移、車(chē)轍變形和坑槽等是主要的病害形式,對(duì)于寒冷地區(qū)還容易出現(xiàn)低溫開(kāi)裂病害,造成這些病害的原因?yàn)槿缦聨追矫妫?/p>

        (1)鋼橋面板設(shè)置了大量加勁部位,在車(chē)輛及溫度等因素的共同作用下,會(huì)使加勁部位上方形成高應(yīng)力區(qū),產(chǎn)生負(fù)彎矩。因此,當(dāng)瀝青混凝土鋪裝層表面的最大應(yīng)力大于瀝青鋪裝材料相應(yīng)的容許應(yīng)力時(shí),這些位置處的鋪裝層表面會(huì)出現(xiàn)疲勞裂縫。

        (2)防水粘結(jié)層作為鋼橋面板與瀝青混凝土鋪裝層之間的粘結(jié)層,其作用是使兩者能夠共同受力。但在車(chē)輛荷載及溫度等因素的共同作用下,鋼橋面板會(huì)與瀝青混凝土鋪裝層之間產(chǎn)生較大的剪切力,當(dāng)兩者的粘結(jié)作用較差或達(dá)到極限剪切強(qiáng)度時(shí),兩者之間會(huì)產(chǎn)生滑移,導(dǎo)致粘結(jié)層失效脫層。當(dāng)表面水進(jìn)入層間,在車(chē)輛荷載的作用下,會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生坑槽等病害。

        (3)由于鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)較大,在炎熱的夏天其傳導(dǎo)到瀝青混凝土鋪裝層的熱量較多,降低瀝青混凝土鋪裝層的勁度模量,在車(chē)輛荷載的作用下,形成車(chē)轍變形。

        (4)在我國(guó)北方寒冷地區(qū),冬季寒冷干燥,在低溫作用下鋼橋面板的溫縮系數(shù)與瀝青混凝土鋪裝層不同,鋪裝層與鋼箱梁的溫度變形不協(xié)調(diào),內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力,進(jìn)而引起低溫開(kāi)裂。

        因此,鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層必須能與鋼橋面板緊密連接形成整體,并且兩者之間要具備良好的協(xié)同變形能力,同時(shí)應(yīng)具有較好的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和抗疲勞特性。另外,瀝青混凝土鋪裝層應(yīng)具有良好的防水性,保證表面水不進(jìn)入內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。

        3 寒區(qū)鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層結(jié)構(gòu)方案

        目前,國(guó)內(nèi)外較常見(jiàn)的鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層結(jié)構(gòu)為雙層鋪裝體系,其中分為雙層同質(zhì)與雙層異質(zhì)兩種結(jié)構(gòu)類(lèi)型。對(duì)于雙層同質(zhì)鋼橋面瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),其常用的典型代表為雙層SMA與雙層環(huán)氧結(jié)構(gòu);而雙層異質(zhì)鋼橋面瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu),其主要類(lèi)型有“下層澆注+上層環(huán)氧”、“下層環(huán)氧+上層SMA”、“下層澆注+上層SMA”等結(jié)構(gòu)。

        對(duì)于我國(guó)北方寒冷地區(qū)來(lái)說(shuō),橋面鋪裝的防水粘結(jié)體系尤為重要,其一旦遭到破壞,會(huì)導(dǎo)致路面水進(jìn)入內(nèi)部結(jié)構(gòu),經(jīng)過(guò)多次的凍融循環(huán)后會(huì)引起瀝青混凝土鋪裝層強(qiáng)度的降低,產(chǎn)生松散坑槽等病害。同時(shí)在寒冷地區(qū)為了減少除雪劑中的氯離子對(duì)瀝青混凝土鋪裝層和鋼橋面造成腐蝕,應(yīng)提高瀝青混凝土鋪裝層的耐腐蝕性。

        我國(guó)國(guó)內(nèi)針對(duì)寒區(qū)鋼橋面瀝青混凝土鋪裝,提出了ERS樹(shù)脂瀝青組合鋪裝體系,其典型結(jié)構(gòu)為EBCL防水粘結(jié)層+RA05樹(shù)脂瀝青混凝土層+SMA瀝青瑪蹄脂碎石層。

        其中,表面層主要承受拉應(yīng)力,并且需承受剪應(yīng)力的影響。SMA作為一種以瀝青為膠結(jié)料,并與少量細(xì)集料、纖維及較多礦粉組成的瀝青瑪蹄脂碎石混合料,具有良好的路用性能,將其作為鋼橋面瀝青混凝土鋪裝體系的表面層,可以滿(mǎn)足抗裂、抗車(chē)轍、水損害等路用性能要求,同時(shí)可為鋼橋面鋪裝提供良好的行車(chē)舒適性。

        下面層主要承受剪應(yīng)力,并受拉應(yīng)力影響。RA05樹(shù)脂瀝青混凝土為冷拌瀝青混合料,其承載能力高、耐高低溫性能好、不透水,并且具有較好的施工和易性。同時(shí)RA05層可以與上下層之間形成良好的粘結(jié),為鋼板提供保護(hù)。

        防水粘結(jié)層作為鋪裝層與鋼板的連接層,其不僅要有較好的防水性能和粘結(jié)特性,還需要能夠承受較大的剪應(yīng)力。而EBCL防水粘結(jié)層不僅具有高強(qiáng)度,隨從變形性、耐久性、耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn),而且通過(guò)在光滑的鋼板上粘結(jié)碎石來(lái)形成致密的防水抗滑層,可以約束鋪裝層不產(chǎn)生水平滑動(dòng)位移,起到抗剪的作用。

        后丁香大橋總長(zhǎng)度為2830.81m,其中四號(hào)橋?yàn)檫B續(xù)鋼箱梁橋,跨徑為(48+61+38)m。該橋位于沈陽(yáng)繞城高速公路上,橋址所在地年平均氣溫在6~9℃之間,年極端最高氣溫38℃,年極端最低氣溫-33℃,年平均降水量500~800mm,具有寒區(qū)典型氣候特點(diǎn)。其鋪裝類(lèi)型為ERS樹(shù)脂瀝青組合鋪裝體系,具體鋪裝層結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。

        圖1 后丁香大橋ERS鋪裝體系

        針對(duì)后丁香大橋寒區(qū)的氣候特點(diǎn),其ERS鋼橋面鋪裝材料室內(nèi)試驗(yàn)研究主要為以下四方面內(nèi)容 :

        (1)表面層SMA-13的性能試驗(yàn):SMA-13所用瀝青的材料性能以及SMA-13的路用性能試驗(yàn)。

        (2)下面層RA05的性能試驗(yàn):RA05所用高粘樹(shù)脂瀝青的材料性能以及RA05樹(shù)脂瀝青混凝土的路用性能試驗(yàn)。

        (3)防水粘結(jié)層EBCL的性能試驗(yàn):EBCL材料的施工和易性試驗(yàn)、強(qiáng)度試驗(yàn)、可變形性試驗(yàn)以及耐久性試驗(yàn)。

        (4)鋼橋?yàn)r青混凝土鋪裝層層間剪切性能研究:針對(duì)RA05層與鋼板層間、RA05層與SMA13層間剪切性能,研究施工工藝、界面構(gòu)造形式對(duì)層間剪切性能的影響。

        4 結(jié)論

        隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展,在寒冷地區(qū)鋼橋?qū)?huì)使用得越來(lái)越頻繁,對(duì)寒區(qū)鋼橋面瀝青混凝土鋪裝方案進(jìn)行探討,選擇適宜得鋼橋面瀝青混凝土鋪裝材料,對(duì)今后的施工具有指導(dǎo)意義。

        針對(duì)我國(guó)寒區(qū)鋼橋面瀝青混凝土鋪裝,ERS樹(shù)脂瀝青組合鋪裝體系具有強(qiáng)度高、高低溫性能好、層間剪切性能優(yōu)越、耐腐蝕好等諸多優(yōu)點(diǎn),同時(shí)EBCL界面防水防腐性能優(yōu)良,對(duì)鋼板的粘結(jié)強(qiáng)度高,界面的抗剪功能直觀明確,有針對(duì)性地解決了SMA鋪裝層容易滑移破壞的問(wèn)題,而且EBCL施工簡(jiǎn)便,易于控制,施工現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)也比較簡(jiǎn)單和直觀。

        ERS的組合方案與環(huán)氧瀝青混凝土、澆注式瀝青混凝土相比,造價(jià)低廉,且無(wú)需專(zhuān)用設(shè)備,施工和組織相對(duì)簡(jiǎn)單。因此,對(duì)于寒區(qū)鋼橋面瀝青混凝土鋪裝,ERS樹(shù)脂瀝青組合鋪裝體系優(yōu)勢(shì)明顯,是今后大力推廣的鋪裝方案。

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