朱文白， 曹健， 李金橋

(1.南京長江第四大橋有限責任公司， 江蘇 南京 210008; 2.蘇交科集團股份有限公司; 3.新型道路材料國家工程實驗室)

南京長江第四大橋(以下簡稱“南京四橋”)創(chuàng)新性地采用了“40 mm GA(壓入碎石)澆注式瀝青混凝土鋪裝下層+35 mmAC-13高彈性瀝青混凝土鋪裝上層”的復合澆注式鋪裝方案。該鋪裝方案具有密水性能好、低溫柔韌性好、維修養(yǎng)護方便、造價經(jīng)濟等優(yōu)勢。然而，作為中國首次應用的鋪裝方案，其長期性能廣受關注，并且鋼橋面的長期性能一直是鋼橋面鋪裝領域關注的重點。因此，對其開展長期性能跟蹤觀測及路用性能演變規(guī)律研究，對于該鋪裝方案的養(yǎng)護規(guī)劃制定、鋪裝方案優(yōu)化與改進以及進一步推廣應用具有重要意義。

1 鋪裝層服役環(huán)境

1.1 交通環(huán)境

2019年南京四橋各月標準當量軸次如表1所示。

表1 2019年南京四橋各月標準當量軸次

1.2 氣候環(huán)境

南京四橋鋼橋面鋪裝建設期間，在主橋G04截面布置溫度場監(jiān)測單元及橋面鋪裝溫度場監(jiān)測單元，隨時監(jiān)測鋪裝層使用溫度，2015—2019年南京四橋鋼橋面鋪裝層與鋼箱梁內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)見表2。

表2 鋪裝層與鋼箱梁內(nèi)部溫度

由表2可知：鋪裝層內(nèi)部最高使用溫度均超過55 ℃，部分時間段最高使用溫度接近60 ℃，鋼箱梁內(nèi)最高溫度超過55 ℃，鋪裝在高溫及重載使用環(huán)境下，發(fā)生車轍病害的幾率大幅提高。

2 長期性能觀測

2.1 鋪裝層行駛質(zhì)量指數(shù)RQI

隨著服役時間的延長，鋪裝層平整度將緩慢下降，行駛質(zhì)量指數(shù)降低，當鋪裝層局部出現(xiàn)明顯不平整時，車輛通過時會出現(xiàn)顛簸、跳車等情況，行駛質(zhì)量指數(shù)的高低將直接影響駕乘人員的行駛舒適性、安全性及道路通行能力。自南京四橋建成通車至今，每年采用激光斷面儀對主橋雙向六車道進行國際平整度指數(shù)檢測，行駛速度為70 km/h，每20 m檢測一組數(shù)據(jù)，按車道取平均值，檢測結果見圖1，為節(jié)省圖表空間，圖標中將“左幅第一車道”簡寫為“左一”，以此類推，下同。

圖1 RQI檢測結果

由圖1可以看出：自2012年建成通車至2019年，經(jīng)歷7年的運營后，南京四橋鋼橋面鋪裝平整度依然良好，國際平整度指數(shù)滿足不大于2.5 m/km的設計要求，行駛質(zhì)量指數(shù)均大于90，等級為優(yōu)。此外，7年運營期內(nèi)，整體平整度走向平穩(wěn)，無明顯下降趨勢，并且在各檢測年份內(nèi)，雙向?qū)嚨榔秸认喈?，無明顯差異。

2.2 鋪裝層抗滑性能

鋪裝層的抗滑性能直接影響高速行駛的安全性，南京四橋鋼橋面鋪裝上層高彈改性瀝青混合料表面結構細致、密實，具有良好的密水性。但密實的鋪裝表層降低了路表的宏觀構造，對路表抗滑性能會有一定影響。為保證檢測數(shù)據(jù)的精度及降低對交通的干擾，采用摩擦系數(shù)測試車對南京四橋雙向六車道進行了路面摩擦系數(shù)SFC檢測，行駛速度為50 km/h，每20 m檢測一組數(shù)據(jù)，按車道取平均值，檢測結果見表3。

表3 抗滑性能檢測結果

由表3可以看出：隨著服役年限的增加，南京四橋復合澆注式瀝青鋼橋面鋪裝表層的抗滑性能略有降低，但整體而言，其抗滑性能仍然保持在較高水平，經(jīng)過7年的運營后，其摩擦系數(shù)SFC仍然滿足設計文件中不小于54的技術要求。

2.3 鋪裝層損壞狀況

采用多功能檢測車對南京四橋鋼橋面鋪裝可能出現(xiàn)的龜裂、塊狀裂縫、縱向裂縫、橫向裂縫、坑槽、松散、波浪擁包、泛油及修補等進行檢測，檢測結果見圖2。

圖2 2015—2019年鋪裝層損壞狀況指數(shù)

截至2019年，南京四橋鋼橋面鋪裝層基本無破損，僅個別部位存在“硬傷”破壞，雙向各車道PCI(路面狀況指數(shù))值維持在95以上。此外，從歷年檢測結果看，左幅車道損壞狀況略優(yōu)于右幅車道。

2.4 鋪裝層車轍深度

車轍是瀝青混凝土路面永久變形的累計，氣候條件、交通條件、材料特性、配合比設計等均對車轍的形成有所影響。作為中國首次應用的“下層GA+上層高彈改性瀝青”的鋪裝結構，其高溫穩(wěn)定性能一直是鋼橋面鋪裝領域科研人員與橋梁運營管理部門關注的重點，尤其是高溫重載的使用環(huán)境下，將加速車轍病害的發(fā)展。因此對于車轍病害的檢測要求更高，采用激光斷面儀對南京四橋雙向六車道進行了車轍深度檢測，行駛速度為70 km/h，每10 m檢測一組數(shù)據(jù)，按車道取平均值，檢測結果見圖3。

圖3 各車道車轍深度檢測結果

從圖3可以看出：至2019年8月，經(jīng)歷近7年的通行后，雙向各車道車轍深度均未超過6 mm，表現(xiàn)出了良好的抗車轍能力。然而，隨著通車時間的延長，各車道車轍深度均有不同程度的增長，尤其以雙向第三車道增長最為明顯，自2015年開始幾乎呈線性增長。與鋪裝層平整度、損壞狀況及抗滑性能的平穩(wěn)變化相比，車轍病害成為南京四橋復合澆筑瀝青鋼橋面鋪裝最為突出的問題。在后續(xù)服役過程中，需在夏季高溫階段重點關注車轍發(fā)展情況，及時制定有效的養(yǎng)護措施，防止車轍病害加劇發(fā)展，延長鋪裝層使用壽命。

3 路用性能演變規(guī)律

上述檢測結果表明，車轍病害是復合澆注式瀝青鋼橋面鋪裝現(xiàn)階段的首要問題，且其增長較快，隨著服役年限的增加，該問題將日益突出。因此，有必要針對復合澆注式瀝青鋼橋面鋪裝車轍病害開展相關研究，明確其性能演變規(guī)律，為制定科學合理的養(yǎng)護規(guī)劃奠定基礎。

3.1 已有車轍模型驗證

南京長江第四大橋新建時期基于瀝青混合料動態(tài)模量和車轍試驗，建立了區(qū)域溫度分布、汽車行車速度、車道荷載特點與橋面車轍的關系，得出車轍預估模型如下：

(1)

式中：D為車轍深度；C為基于室內(nèi)車轍試驗條件和現(xiàn)場車轍深度的差異修正系數(shù)；Ct為溫度修正系數(shù)；Cv為行駛速度修正系數(shù)；Cw為車道及輪載修正系數(shù)；Ni為第i年的日均當量輪次(次/d)；DS為動穩(wěn)定度(次/mm)。

根據(jù)上述車轍預估模型計算南京四橋橋面鋪裝方案車轍深度，結果見表4。設計壽命10 年內(nèi)車轍深度能夠滿足要求，安全系數(shù)為1.05。

表4 不同限載條件下的車轍深度估算

2013—2018年預測車轍深度與實測車轍深度比較見圖4。

由圖4可以看出：除初始的第一年二者較為接近外，后續(xù)的實測車轍深度均小于預測結果。此外，對比不同車道車轍數(shù)據(jù)可以看出，右幅第三車道實測結果與預測結果最為接近?？傮w而言，已有模型預測結果與現(xiàn)有檢測結果間存在一定的差異，尤其是第一、第二車道。因此，需要基于現(xiàn)有檢測數(shù)據(jù)對原模型進行修正與優(yōu)化。

圖4 預測車轍深度與實際平均車轍深度

3.2 車轍模型修正方法

由原始車轍模型可知，影響每年車轍深度的唯一變量是當年的交通量。歷年預測交通量與實際交通量數(shù)據(jù)見表5。

從表5可以看出：除2013年實際交通量與預測交通量間存在較大出入外，其余年份的實際交通量均與預測交通量較為接近。表明前期所建立的交通量預測模型具有較高的精度，后續(xù)車轍發(fā)展情況可基于此交通量進行相對精確的預測。

表5 2013—2017年預測交通量與實際交通量

將2014—2017年預測交通量與實際交通量繪制成圖并做線性回歸，結果如圖5所示。

從圖5可知：預測交通量和實際交通量均有著良好的線性關系，預測交通量比實際量略大，但實際交通量的增長趨勢要大于預測交通量。

圖5 2014—2017年預測交通量與實際交通量

由于原始車轍預測模型只受交通量單一因素影響，且目前的可得數(shù)據(jù)僅有預測和實際交通量，結合上述分析中二者良好的線性關系，可采用一次線性修正方法對原預測模型進行修正。基于前述檢測結果，雙向第三車道車轍深度最大、增長速度最快，故選擇車轍深度最大的第三車道進行修正。

(1) 平均車轍深度修正

由右幅第三車道實際車轍深度與預測累計車轍深度的趨勢線(圖6)可以發(fā)現(xiàn)，兩者的決定系數(shù)R2分別為0.999 2和0.992 8，說明無論是預測還是實際累計車轍深度都和時間有著很好的線性關系。因此，利用線性回歸對原預測車轍模型進行修正具有可行性。

圖6 右幅第三車道實際車轍深度與預測車轍深度

擬在原預測模型基礎上，增加二次線性修正系數(shù)R1、R2，修正后的模型見式(2):

(2)

經(jīng)線性回歸后，可以得出R1=0.723 8，R2=0.571 5，統(tǒng)計結果見表6。

表6 右幅第三車道均值回歸統(tǒng)計結果

從上述回歸統(tǒng)計結果可以看出，一次線性擬合的結果較為理想。修正后的右幅第三車道預測模型為：

(3)

(2) 單點車轍深度修正

以右幅第三車道各測點的設計車轍深度結合實際交通量代入原預測模型進行計算，結果見圖7。

圖7 右幅第三車道實際交通量預測車轍與實際車轍散點圖

將實際車轍深度與按實際交通量預測的車轍深度進行回歸分析，得出R1=0.76，R2=1.564，統(tǒng)計結果如表7所示。

表7 右幅第三車道散點回歸統(tǒng)計結果

以各測點實際車轍深度和實際交通量修正的右幅第三車道預測模型為：

(4)

對比采用平均車轍深度與單點車轍深度進行修正后的回歸統(tǒng)計結果可以看出，采用年平均車轍深度對原車轍預估模型進行線性修正結果更好。因此，該文將采用回歸結果相關性更好的年平均車轍深度對原模型進行修正。

基于上述修正方法，可得以年平均車轍深度和實際交通量修正后的左幅第三車道預測模型為：

(5)

3.3 車轍模型修正結果

基于上述修正方法，對左幅車轍深度進行模型修正，雙向第三車道的車轍深度模型修正系數(shù)見表8。

表8 雙向第三車道車轍深度模型修正系數(shù)

各車道修正后車轍預測結果與實測結果見表9。

由表9可知：相比于原預測模型，優(yōu)化后的預測模型結果與兩車道實際車轍發(fā)展情況更為吻合，且可以獨立預測兩車道的車轍發(fā)展規(guī)律，可為運營管理部門有針對性地制定養(yǎng)護規(guī)劃提供更加可靠的數(shù)據(jù)支撐。

表9 第三車道車轍預測結果與實測結果

4 養(yǎng)護規(guī)劃建議

基于式(3)及式(5)可得南京四橋雙向第三車道在后續(xù)各運營年份內(nèi)的車轍深度預測結果(表10)。

表10 雙向第三車道車轍深度預測結果

根據(jù)上述預測結果可知，在10年運營期內(nèi)(至2022年)，南京四橋全橋鋪裝層各車道平均車轍深度指數(shù)RDI全部為“優(yōu)”；在15年設計壽命周期內(nèi)(至2027年)，除右幅第三車道外，其余車道RDI均處于“良”及以上水平，右幅第三車道RDI等級接近“良”?？紤]到該預測結果為整車到平均車轍深度，在10年運營期內(nèi)局部段落車轍深度可能大于10 mm，在15年設計壽命內(nèi)，局部段落車轍深度可能超過16.7 mm，RDI可能處于“次”及以下等級。

基于上述預測結果及分析，建議在15年設計壽命周期內(nèi)的養(yǎng)護規(guī)劃見表11。

表11 南京四橋鋼橋面鋪裝養(yǎng)護規(guī)劃建議

5 結論

(1) 檢測結果表明，截至2019年，南京四橋復合澆注式瀝青鋼橋面鋪裝行駛質(zhì)量指數(shù)、損壞狀況指數(shù)、抗滑性能指數(shù)及車轍深度指數(shù)均處于“優(yōu)”級，整體使用狀況良好，尚未出現(xiàn)明顯病害。

(2) 在所檢測項目中，車轍是南京四橋復合澆注式瀝青鋼橋面鋪裝面臨的首要問題，尤其是雙向第三車道，車轍深度增長速度較快，建議在后續(xù)運營過程中加大車轍深度檢測頻率，及時關注車轍深度變化。

(3) 基于原有車轍深度預測模型，結合歷年實測車轍深度與實際交通量優(yōu)化后，得到針對雙向第三車道的獨立預測模型，模型預測精度較原模型有了較大提升，為南京四橋鋼橋面鋪裝路用性能發(fā)展規(guī)律研究及養(yǎng)護規(guī)劃制定奠定了基礎。

(4) 基于優(yōu)化后的車轍預測模型，預測了南京四橋在15年設計壽命周期內(nèi)的車轍深度發(fā)展規(guī)律，并提出了相應的養(yǎng)護規(guī)劃。