婁 松， 楊 浩

(1.中鐵大橋局武漢橋梁特種技術(shù)有限公司， 武漢 430205； 2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430034)

近年來，國內(nèi)早期建設(shè)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(xiàn)諸多病害而逐漸進(jìn)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(shí)對橋面鋪裝等附屬設(shè)施進(jìn)行改造更新[1-4]。目前，對鋼橋面車行道鋪裝技術(shù)的研究已比較深入，常用的解決方案和材料已趨于穩(wěn)定，而對人行道鋪裝技術(shù)系統(tǒng)的研究和工程應(yīng)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(shè)計(jì)、鋪裝工程實(shí)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(shè)計(jì)和建造的雙層式鐵路、公路兩用橋梁，是中國橋梁建設(shè)的重要里程碑。公路正橋主要由鋼縱梁和輕質(zhì)陶粒混凝土橋面板組成，全長1 576 m。至2016年橋梁已運(yùn)營48年，橋面混凝土板表面出現(xiàn)開裂及保護(hù)層碳化剝落、伸縮縫下方鋼構(gòu)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(xù)發(fā)展，將影響公路及下方鐵路運(yùn)營安全，需進(jìn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)體系在車輛重載作用下鋼縱梁局部應(yīng)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(shè)施進(jìn)行維修改造，重新鋪設(shè)人行道鋪裝。

1.3 原人行道鋪裝特點(diǎn)

南京長江大橋橋面系拆除前，正橋及橋頭建筑區(qū)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(guī)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(jī)動(dòng)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(shè)計(jì)

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(fēng)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(fù)雜(出現(xiàn)負(fù)彎矩)、服役環(huán)境復(fù)雜(長江之上)、遇水銹蝕等特點(diǎn)，對鋪裝材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工技術(shù)要求極高[11]。

針對鋼結(jié)構(gòu)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(jié)保障；2) 鋪裝面層與鋼板的協(xié)調(diào)變形。

2.2 人行道鋪裝改造思路及原則

人行道鋪裝改造設(shè)計(jì)方案總體上遵循保持文物屬性、對鋼結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性、耐久性的原則，鋪裝設(shè)計(jì)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(jié)層材料對鋼材和鋪裝材料具有良好的粘結(jié)性能；3) 鋪裝具有一定的變形適應(yīng)能力；4) 人行道鋪裝及粘結(jié)層的使用壽命應(yīng)不低于10年；5) 人行道及粘結(jié)層材料的修補(bǔ)和更換施工應(yīng)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(diào)研

為保證鋼橋面鋪裝質(zhì)量，針對6座典型橋梁人行道鋪裝結(jié)構(gòu)展開實(shí)地調(diào)研，結(jié)果如表1所示。通過調(diào)查得知，耐涂ET(焦油改性環(huán)氧樹脂砂漿)類鋪裝結(jié)構(gòu)整體較薄，使用過程中會(huì)逐漸褪色并出現(xiàn)裂縫、剝落等病害；環(huán)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(xiàn)各種病害；瀝青材料類鋪裝投入使用后出現(xiàn)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(huán)氧樹脂類薄層鋪裝性能更好。

表1 鋼橋面人行道鋪裝結(jié)構(gòu)調(diào)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(jié)合鋼橋面人行道鋪裝材料及鋪裝結(jié)構(gòu)類型的工程應(yīng)用情況，經(jīng)過反復(fù)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

表2 3種方案比較

(a) 方案1—改性環(huán)氧砂漿鋪裝

(b) 方案2—橡膠板鋪裝

(c) 方案3—改性環(huán)氧樹脂薄層鋪裝

1) 方案1：改性環(huán)氧樹脂+紅缸磚

選擇改性環(huán)氧砂漿主要是其具有高強(qiáng)高韌性的特點(diǎn)，既能起到很好的模量過渡和應(yīng)力吸收作用，又能降低鋪裝的層間應(yīng)力，同時(shí)提高了鋪裝層與鋼橋板的整體受力[12]。此外，改性環(huán)氧砂漿具有良好的韌性，能經(jīng)受住鋼板面反復(fù)變形產(chǎn)生的疲勞破壞。改性環(huán)氧砂漿孔隙率小，抗?jié)B強(qiáng)，也能起到很好的防水防腐效果，鋪裝結(jié)構(gòu)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(shè)方便,還可采用先預(yù)制后拼裝施工。安裝前，在工廠提前將紅缸磚嵌入橡膠層，現(xiàn)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(dòng)而對鋪裝材料和鋪裝結(jié)構(gòu)的損壞，鋪裝結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。

3) 方案3：改性環(huán)氧樹脂薄層

改性環(huán)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(yōu)點(diǎn)。鋪裝結(jié)構(gòu)層采用高強(qiáng)度集料，粘結(jié)層采用改性環(huán)氧樹脂，粘結(jié)層通過其聚合物的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體可將集料牢牢地粘結(jié)基面，形成高強(qiáng)度的鋪裝結(jié)構(gòu)。采用的改性環(huán)氧樹脂克服了普通環(huán)氧樹脂的硬脆性及耐候性差的缺點(diǎn)，兼具強(qiáng)度、柔韌性，大幅提升了鋪裝的耐久性[14]，鋪裝結(jié)構(gòu)如圖2(c)所示。

2.3.3 人行道鋪裝方案試驗(yàn)研究

1) 足尺試驗(yàn)

按照實(shí)際橋面人行道尺寸，選擇一節(jié)間長度制作3塊鋼結(jié)構(gòu)試件，橫截面寬2.36 m，縱向長8 m。將3種鋪裝方案在鋼結(jié)構(gòu)試件上進(jìn)行試鋪，以檢驗(yàn)人行道鋪裝設(shè)計(jì)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(fā)現(xiàn)各方案存在以下特點(diǎn)：(1) 方案1：由于水性環(huán)氧改性水泥砂漿固化時(shí)間較短，紅缸磚粘貼時(shí)機(jī)不易掌握，貼磚難以達(dá)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(huán)氧樹脂固化時(shí)間與溫度有關(guān)，溫度越高，固化時(shí)間越短，有效操作時(shí)間越少，施工過程中需嚴(yán)格控制改性環(huán)氧樹脂涂布后撒布陶瓷顆粒的時(shí)間，不易操控。

2) 靜載試驗(yàn)

試件由鋼板和2個(gè)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(jié)構(gòu)試件上鋪設(shè)3種鋪裝方案，每種方案制作3塊試件。采用萬能試驗(yàn)機(jī)加載，加載中心為鋼板中心位置。試驗(yàn)溫度控制在0 ℃，加載速率控制為1 mm/min，靜載試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4可知：方案1，加載至6.6 kN時(shí)紅缸磚即開裂，說明整個(gè)鋪裝結(jié)構(gòu)剛度太大，不能隨著鋼板變形；當(dāng)持續(xù)加載，紅缸磚因應(yīng)力集中突然發(fā)生開裂，出現(xiàn)脆性破壞，鋪裝整體力學(xué)性能較差；方案2，加載至12.95 kN時(shí)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(chǎn)生一定的變形，但是當(dāng)橡膠板變形過大之后，粘結(jié)層的粘結(jié)力無法支撐橡膠板繼續(xù)變形，發(fā)生了脫層；方案3，最高加載至22.27 kN時(shí)鋪裝不發(fā)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(huán)氧樹脂作為粘結(jié)層，環(huán)氧樹脂經(jīng)過聚氨酯改性之后，柔韌性、強(qiáng)度大幅提升，陶瓷顆粒能夠在樹脂強(qiáng)勁的粘結(jié)力作用下形成整體，隨鋼板協(xié)同變形而不發(fā)生脫層、開裂，力學(xué)性能較優(yōu)。

表3 人行道鋪裝方案施工工藝

表4 人行道鋪裝靜載試驗(yàn)結(jié)果

2.3.4 人行道鋪裝方案比選

結(jié)合多座橋梁調(diào)研資料，重點(diǎn)考慮工程實(shí)施可靠性高、橋面病害率低、技術(shù)成熟、典型案例可參考價(jià)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(yǎng)、是否忠實(shí)原外觀、造價(jià)等6項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)[15]，對3種方案進(jìn)行綜合評(píng)定，結(jié)果如表5所示。

由表5可知，方案3雖不能完整復(fù)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(yǎng)、造價(jià)方面更具有優(yōu)勢，綜合性能較優(yōu)。綜合考慮，最終采用改性環(huán)氧樹脂薄層作為南京長江大橋正橋人行道鋪裝實(shí)施方案。

3 南京長江大橋人行道鋪裝方案實(shí)施

3.1 人行道鋪裝試驗(yàn)段施工

為了檢驗(yàn)各材料指標(biāo)、工序控制、材料用量，在正式施工前進(jìn)行了實(shí)橋25 m長的人行道試驗(yàn)段預(yù)鋪設(shè)。

1) 指標(biāo)檢測

施工前檢測聚氨酯改性環(huán)氧樹脂、紅色陶瓷顆粒、封層低粘度樹脂技術(shù)性能指標(biāo)，結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求；待鋪裝體系成型后檢測其技術(shù)性能指標(biāo)，結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)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(diǎn)

南京長江大橋人行道改性環(huán)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(xié)調(diào)配合、工序間隔時(shí)長控制等問題，同時(shí)兼顧施工效率，并保證施工質(zhì)量。

人行道邊部手工打磨區(qū)域提前于拋丸施工區(qū)域完成，有效防止了人員走動(dòng)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(jī)對驗(yàn)收合格的橋面進(jìn)行拋丸處理，拋丸除銹達(dá)到清潔度Sa2.5級(jí)、粗糙度50 μm～100 μm。

改性環(huán)氧樹脂攤鋪后，撒布骨料的間隔時(shí)間過長會(huì)導(dǎo)致樹脂固化而失活，為了縮短骨料攤鋪時(shí)間，采用半自動(dòng)化施工工藝：將改性環(huán)氧樹脂各組分(聚氨酯改性環(huán)氧樹脂、固化劑)、攪拌機(jī)、泵機(jī)等材料裝載在卡車上，用導(dǎo)管連接泵機(jī)將攪拌后的改性環(huán)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(dāng)一節(jié)段施工區(qū)域的樹脂施工完成后，采用自主研制的噴灑機(jī)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(jī)撒布骨料

封閉層低粘度樹脂采用無氣噴涂技術(shù)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(jīng)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(shí)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(xiàn)掉粒、裂縫、脫層等病害，整體表現(xiàn)優(yōu)良，鋪裝表面平整、表面構(gòu)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(fēng)貌，與橋梁本身融為一體。

鋪裝與鋼板粘結(jié)性能、鋪裝三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、鋪裝防滑性、鋪裝彎曲試驗(yàn)、鋪裝車轍試驗(yàn)、鋪裝復(fù)合梁疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

圖4 改性環(huán)氧樹脂薄層鋪裝整體效果

4 結(jié)束語

1) 針對南京長江大橋人行道鋪裝特點(diǎn)和性能要求，開展了文物橋梁鋼橋面人行道鋪裝方案調(diào)研、設(shè)計(jì)及比選，最終采用綜合性能更優(yōu)的環(huán)氧樹脂薄層方案。

2) 施工過程中對施工工藝進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，采用噴灑機(jī)自動(dòng)攤鋪骨料，減少了傳統(tǒng)人工攤鋪不均勻引起的質(zhì)量缺陷，提高了施工效率，并保障了施工質(zhì)量。

3) 該橋鋼橋面人行道鋪裝施工過程及應(yīng)用效果顯示，該橋?qū)嵤┵|(zhì)量達(dá)到了改造目標(biāo)。