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正交异型钢桥面板铺装体系使用寿命因素分析
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内容提示：桥面铺装指的是为保护桥面板和分布车轮的集中荷载，用沥青混凝土、水泥混凝土、高分子聚合物等材料铺筑在桥面板上的保护层。又称车道铺装，其作用是保护桥面板防止车轮或履带直接磨耗面，保护主梁免受雨水侵
摘 要：桥面铺装指的是为保护桥面板和分布车轮的集中荷载，用沥青混凝土、水泥混凝土、高分子聚合物等材料铺筑在桥面板上的保护层。又称车道铺装，其作用是保护桥面板防止车轮或履带直接磨耗面，保护主梁免受雨水侵蚀，并借以分散车轮的集中荷载。常用的桥面铺装有水泥混凝土，沥青混凝土两种铺装形式。在不设防水层的桥面上，也有采用防水混凝土铺装的。桥面铺装层直接承受行车荷载、梁体变形和环境因素的作用，其变形和应力特征与主梁及桥面板结构型式密切相关。近十年来，我国加快了大跨径钢桥的建设步伐，这些桥梁几乎都采用正交异性钢桥面板和沥青铺装体系作为桥面系。但是由于没有经验和成熟的设计理论，正交异性钢桥面板上沥青铺装层在运行一到两年后，会出现横向或纵向裂缝，并逐步扩展。到目前为止，我国正交异性钢桥面铺装设计与施工还未完全取得成功，仍是大跨径钢桥急待解决的关键技术之一。
关键词：正交异性钢桥面板；沥青铺装体系；影响因素；使用寿命
1 正交异性钢桥面的定义和发展历史
正交异性钢桥面结构由横向横隔梁、纵向加劲肋及其共同支撑的桥面板组成，桥面结构纵横两个方向弹性性能不同，同一方向不同位置桥面刚度也存在差异，这些因素形成了正交异性钢桥面板的刚度及变形的不均匀性，这种桥面板刚度特点也对桥面铺装性能提出了更高的要求。正交异性钢桥面前期的发展动力主要是二战后德国重建大跨径桥梁，当时钢材短缺，而正交异性钢桥面具有节省钢材的优点。
2 正交异性钢桥面板的力学特性
2.1 构造特点
在大跨径的桥梁建设中，常采用箱形截面正交异性钢桥面板。它的构成部分主要是顶、底板，腹板和加劲构件。顶板一般厚度不小于10cm，并用密布的纵肋及垂直于纵肋的分布较疏的横肋来加劲；腹板沿长度方向需设置焊接或栓接的竖向接头，沿高度方向随尺寸设水平接头或采用整块钢板，其厚度在10～36cm间变化；底板一般也设有纵、横肋，横肋与顶板横肋位置一致，以组成横向连接系，纵肋布置间距较顶板间距大。此外，箱梁还应设有一定数量的横隔板或横框架以保证其整体作用，一般间隔10m～15m设置，跨中和支点截面必设。
2.2 力学特性
正交异性板钢箱作为加劲梁，梁高底矮，如同机翼一样，空气动力性能好，横向阻力小，大大减小了塔的横向力；抗扭刚度大，顶板直接作桥面板，恒载轻，主缆截面可以减小，从而降低用钢量和造价。正交异性钢桥面板既承受车轮局部荷载，又与纵、横肋组成桥面结构，同时又形成钢箱梁的顶板，因此力学作用复杂，一般将其分为三个结构体系来计算，最后将应力叠加。第一结构体系指将桥面板作为箱梁顶板的体系，按闭口薄壁杆件分析应力。
2.3 沥青铺装体系的结构形式
钢桥面铺装的使用条件比较恶劣，其对高温稳定性、抗疲劳开裂性、对钢板变形的追从性、层间粘接特性及完善的防、排水体系等均有极高的要求，否则对铺装层的正常工作状态不利。从减轻桥梁自重、经济和行车舒适性等方面考虑，大跨径钢桥一般采用薄层沥青混凝土铺装层。
2.4 影响铺装体系使用寿命的因素分析
沥青铺装层必须为车辆提供长期稳定、平整的行车表面。但由于正交异性钢桥面板的柔度大，易产生较大的局部变形，在行车荷载、风载、温度变化等因素的影响下，其受力和变形远较公路路面或机场道面复杂，因而对钢桥面的受力状态、铺装材料的基本强度、变形稳定性能、疲劳耐久性、抗腐蚀性、水稳性、高温稳定性、低温抗裂性、粘接性、抗滑性、施工工艺等等均有更高要求。
3 结构理论与设计
从现有的结构分析方法看，主要是用三维等参元模型进行分析，目前较多采用的是三维八结点和二十结点单元。对于不设防水层的情况，可以借鉴复合路面的处理方式。对于设防水层的情况，实际施工中防水层的厚度在2～5mm之间，一般约为3mm。由于防水层的厚度很薄，有的学者将其简化为一种接触条件来处理。桥面铺装层是一种特殊的路面结构，如何合理简化荷载模型，以及如何进行横向和纵向布载，也直接关系到计算结果的精确程度。 3.1 粘结层性能
因水平摩擦系数不同，粘结层为滑动状态比连续状态的铺装层水平方向应变峰值高15%～34%。因此，粘结层结构可靠的粘结性能不仅保证铺装层粘附于桥面板，而且可以改善铺装层结构内部的应力应变状态。粘结层结构是保证铺装层可靠性的一个关键环节，应从设计、材料、施工等方面来满足粘结层的性能要求。
3.2 防水层的设置
目前在保证铺装层具有完善的防水系统条件下，取消防水胶层可避免层间接合强度不足的问题，经常采用的防水粘结材料是0.8～1.2mm的热熔型和溶剂型两种，热熔型粘结材料以沥青、聚合物和树脂等构成，实践表明溶剂型粘结材料难以达到粘结牢固的效果，所以目前防水粘结层多采用热熔型材料，并在其上面撒布预拌沥青碎石层构成。
3.3 温度的敏感性
由于夏季高温时间较长，加之钢桥面传热性能好，封闭的钢箱结构又密不透风，铺装层底部、钢桥面板表面温度较高，一般达到55℃～65℃以上，铺装层内部最高温度可达到60℃～70℃左右，这就对沥青铺装层的高温抗流动性、抗车辙能力、抵抗剪切推移能力提出较高的要求，同时高温对防水粘结层的抵抗剪切能力也会带来影响，一般要求粘结剂的软化点不能太低，用量不宜过多，初始软化温度必须高于使用温度10℃以上。在冬季外界气温降低后，钢桥面板也会随着温度的变化而变形，而这时沥青铺装层模量反而提高，对钢桥面板变形的追从性降低，容易产生开裂，所以高温的热稳定性及低温的抗裂性是沥青铺装层面临的主要问题。
3.4 材料与施工工艺
对钢桥面板防锈处理材料、施工工艺的选择，直接影响到大桥的使用寿命和维护费用，如果在生锈状态下进行桥面铺装施工，会造成结合不牢固，成为铺装层早期破坏的原因，同时钢箱要注意焊缝的清理。
4 结语
我国从起步修建现代悬索桥、斜拉桥等大跨径桥梁开始加劲梁就一直采用钢箱，在已修建的几座悬索桥上，桥面沥青铺装相继出现了损坏现象，使用寿命很短，有的桥梁工作者反思认为，钢箱作为加劲梁还有一些方面值得改进，如钢箱桥面板的局部挠度以及箱体的通风问题。若采用桁架梁作为加劲梁，其刚度大，桥面温度相对低，还可解决双层交通等，会比采用钢箱更有利，这是值得深入探讨的课题。目前特大型桥梁的设计寿命一般为100年，甚至120年，而沥青混凝土设计寿命一般为8～15年，铺装层寿命很少达到5年以上，由此可见，如何延长桥梁铺装层寿命是一项急切紧迫的课题，它对于节约桥梁的投资和养护费用，保证桥梁和路网的通行能力都具有重要的意义。通过对影响正交异性钢桥面板铺装体系使用寿命的因素分析，可以看到这是一个对设计、材料和施工要求很高的技术难题，由于我国开展正交异性钢桥面板铺装研究较晚，还没有钢桥面铺装的技术标准和规范，目前都是参照国外的有关技术规范和国内应用实例的经验进行设计施工，所以应加紧对这一领域内课题的研究，尽快制定出适合我国不同地区、不同结构型式的大跨径桥梁钢桥面铺装的技术规范。
参考文献
［1］刘军.沥青混凝土桥面铺装试验研究及计算分析［D］.大连理工大学，2008.
［2］罗友鸿，黄贤波.浅谈桥面铺装常见病害及防治措施［J］.中国水运（学术版），2007，（9）.
［3］王辉，刘涌.钢桥面铺装的拉应力分析［J］.长沙交通学院学报，2002，（1）：31-34.
［4］张满平.高墩大跨连续刚构桥梁模型设计研究［D］.长安大学，2005. 来源: 《建筑中文网》.
关键词：正交异性钢桥面板；沥青铺装体系；影响因素；使用寿命
1 正交异性钢桥面的定义和发展历史
正交异性钢桥面结构由横向横隔梁、纵向加劲肋及其共同支撑的桥面板组成，桥面结构纵横两个方向弹性性能不同，同一方向不同位置桥面刚度也存在差异，这些因素形成了正交异性钢桥面板的刚度及变形的不均匀性，这种桥面板刚度特点也对桥面铺装性能提出了更高的要求。正交异性钢桥面前期的发展动力主要是二战后德国重建大跨径桥梁，当时钢材短缺，而正交异性钢桥面具有节省钢材的优点。
2 正交异性钢桥面板的力学特性
2.1 构造特点
在大跨径的桥梁建设中，常采用箱形截面正交异性钢桥面板。它的构成部分主要是顶、底板，腹板和加劲构件。顶板一般厚度不小于10cm，并用密布的纵肋及垂直于纵肋的分布较疏的横肋来加劲；腹板沿长度方向需设置焊接或栓接的竖向接头，沿高度方向随尺寸设水平接头或采用整块钢板，其厚度在10～36cm间变化；底板一般也设有纵、横肋，横肋与顶板横肋位置一致，以组成横向连接系，纵肋布置间距较顶板间距大。此外，箱梁还应设有一定数量的横隔板或横框架以保证其整体作用，一般间隔10m～15m设置，跨中和支点截面必设。
2.2 力学特性
正交异性板钢箱作为加劲梁，梁高底矮，如同机翼一样，空气动力性能好，横向阻力小，大大减小了塔的横向力；抗扭刚度大，顶板直接作桥面板，恒载轻，主缆截面可以减小，从而降低用钢量和造价。正交异性钢桥面板既承受车轮局部荷载，又与纵、横肋组成桥面结构，同时又形成钢箱梁的顶板，因此力学作用复杂，一般将其分为三个结构体系来计算，最后将应力叠加。第一结构体系指将桥面板作为箱梁顶板的体系，按闭口薄壁杆件分析应力。
2.3 沥青铺装体系的结构形式
钢桥面铺装的使用条件比较恶劣，其对高温稳定性、抗疲劳开裂性、对钢板变形的追从性、层间粘接特性及完善的防、排水体系等均有极高的要求，否则对铺装层的正常工作状态不利。从减轻桥梁自重、经济和行车舒适性等方面考虑，大跨径钢桥一般采用薄层沥青混凝土铺装层。
2.4 影响铺装体系使用寿命的因素分析
沥青铺装层必须为车辆提供长期稳定、平整的行车表面。但由于正交异性钢桥面板的柔度大，易产生较大的局部变形，在行车荷载、风载、温度变化等因素的影响下，其受力和变形远较公路路面或机场道面复杂，因而对钢桥面的受力状态、铺装材料的基本强度、变形稳定性能、疲劳耐久性、抗腐蚀性、水稳性、高温稳定性、低温抗裂性、粘接性、抗滑性、施工工艺等等均有更高要求。
3 结构理论与设计
从现有的结构分析方法看，主要是用三维等参元模型进行分析，目前较多采用的是三维八结点和二十结点单元。对于不设防水层的情况，可以借鉴复合路面的处理方式。对于设防水层的情况，实际施工中防水层的厚度在2～5mm之间，一般约为3mm。由于防水层的厚度很薄，有的学者将其简化为一种接触条件来处理。桥面铺装层是一种特殊的路面结构，如何合理简化荷载模型，以及如何进行横向和纵向布载，也直接关系到计算结果的精确程度。 3.1 粘结层性能
因水平摩擦系数不同，粘结层为滑动状态比连续状态的铺装层水平方向应变峰值高15%～34%。因此，粘结层结构可靠的粘结性能不仅保证铺装层粘附于桥面板，而且可以改善铺装层结构内部的应力应变状态。粘结层结构是保证铺装层可靠性的一个关键环节，应从设计、材料、施工等方面来满足粘结层的性能要求。
3.2 防水层的设置
目前在保证铺装层具有完善的防水系统条件下，取消防水胶层可避免层间接合强度不足的问题，经常采用的防水粘结材料是0.8～1.2mm的热熔型和溶剂型两种，热熔型粘结材料以沥青、聚合物和树脂等构成，实践表明溶剂型粘结材料难以达到粘结牢固的效果，所以目前防水粘结层多采用热熔型材料，并在其上面撒布预拌沥青碎石层构成。
3.3 温度的敏感性
由于夏季高温时间较长，加之钢桥面传热性能好，封闭的钢箱结构又密不透风，铺装层底部、钢桥面板表面温度较高，一般达到55℃～65℃以上，铺装层内部最高温度可达到60℃～70℃左右，这就对沥青铺装层的高温抗流动性、抗车辙能力、抵抗剪切推移能力提出较高的要求，同时高温对防水粘结层的抵抗剪切能力也会带来影响，一般要求粘结剂的软化点不能太低，用量不宜过多，初始软化温度必须高于使用温度10℃以上。在冬季外界气温降低后，钢桥面板也会随着温度的变化而变形，而这时沥青铺装层模量反而提高，对钢桥面板变形的追从性降低，容易产生开裂，所以高温的热稳定性及低温的抗裂性是沥青铺装层面临的主要问题。
3.4 材料与施工工艺
对钢桥面板防锈处理材料、施工工艺的选择，直接影响到大桥的使用寿命和维护费用，如果在生锈状态下进行桥面铺装施工，会造成结合不牢固，成为铺装层早期破坏的原因，同时钢箱要注意焊缝的清理。
4 结语
我国从起步修建现代悬索桥、斜拉桥等大跨径桥梁开始加劲梁就一直采用钢箱，在已修建的几座悬索桥上，桥面沥青铺装相继出现了损坏现象，使用寿命很短，有的桥梁工作者反思认为，钢箱作为加劲梁还有一些方面值得改进，如钢箱桥面板的局部挠度以及箱体的通风问题。若采用桁架梁作为加劲梁，其刚度大，桥面温度相对低，还可解决双层交通等，会比采用钢箱更有利，这是值得深入探讨的课题。目前特大型桥梁的设计寿命一般为100年，甚至120年，而沥青混凝土设计寿命一般为8～15年，铺装层寿命很少达到5年以上，由此可见，如何延长桥梁铺装层寿命是一项急切紧迫的课题，它对于节约桥梁的投资和养护费用，保证桥梁和路网的通行能力都具有重要的意义。通过对影响正交异性钢桥面板铺装体系使用寿命的因素分析，可以看到这是一个对设计、材料和施工要求很高的技术难题，由于我国开展正交异性钢桥面板铺装研究较晚，还没有钢桥面铺装的技术标准和规范，目前都是参照国外的有关技术规范和国内应用实例的经验进行设计施工，所以应加紧对这一领域内课题的研究，尽快制定出适合我国不同地区、不同结构型式的大跨径桥梁钢桥面铺装的技术规范。
参考文献
［1］刘军.沥青混凝土桥面铺装试验研究及计算分析［D］.大连理工大学，2008.
［2］罗友鸿，黄贤波.浅谈桥面铺装常见病害及防治措施［J］.中国水运（学术版），2007，（9）.
［3］王辉，刘涌.钢桥面铺装的拉应力分析［J］.长沙交通学院学报，2002，（1）：31-34.
［4］张满平.高墩大跨连续刚构桥梁模型设计研究［D］.长安大学，2005. 来源: 《建筑中文网》.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200905/12303.htm
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