钢桥面铺装病害力学背景综述

王 云

(重庆交通大学 土木工程学院 400074)

钢桥面铺装病害力学背景综述

王 云

(重庆交通大学 土木工程学院 400074)

作为桥梁行车体系的重要组成部分，钢桥面铺装技术一直是大跨径钢桥建设的关键技术之一。本文就钢桥面力学特性研究、材料研究和整个铺装体系研究近20年来的发展、以及目前对于该领域的研究方向进行归纳综述。

钢桥面；铺装体系；结构特性

钢桥中应用最多的钢箱梁起源于1966年英国的赛文桥，正交异性钢面板的钢箱梁结构增大了桥梁的抗风性能和抗扭刚度的同时，用钢量少、维护方便、对于减轻自重、增大跨径以及增强稳定性方面更加显著，欧洲现有1000多座正交异性钢桥面板的桥梁，北美有100余座，日本有将近250座，我国有正交异性钢面板的桥梁30余座，即将竣工的全长55KM的港珠澳大桥，其中也有近15Km的梁段采用钢箱梁。

一、国内外研究现状

国外对钢桥面铺装的研究要早于国内，如 P.E法，其将钢桥面铺装体系分为三个子系统，通过分部计算然后将结果叠加并修正，得到柔性支承上正交异性板面板的静力解。然后又对正交异性钢桥面板进行一系列简化，给出了不计偏心的正交异性加劲板的位移方程；Sheikh和Mukhopadhyay用有限条方法对加劲梁的几何非线性进行了分析，成功的将非线性板理论应用于正交异性加劲板的计算；Shanmugam利用能量方法研究了各向异性桥面板单向面内荷载作用下的应力应变和位移；小西一郎将正交异性钢桥面板看成是支承在刚度无穷大的主梁上的按等间距排列的弹性横肋上的正交异性连续板，得出了荷载作用下正交异性加劲板位移的理论解。

钢桥面铺装同样作为国内工程领域研究的热点之一，东南大学桥面铺装课题组、长沙交通学院的肖秋明、王辉、同济大学的童乐为、解放军理工大学的帅长斌、重庆公路科研所的科研人员等，均作了研究且具有各自的研究特色。

二、钢桥面铺装板受力特性

概念：纵横向互相垂直的加劲肋连同桥面盖板所组成的共同承受车轮荷载的结构，由于其刚度在互相垂直的二个方向上有所不同，造成构造上的各向异性。

1铺装受力分析综述

钢桥面沥青混合料铺装层由正交异性钢桥面板支撑，在车辆荷载作用下，正交异性钢桥面板的变形导致纵向加劲肋、横向加劲肋、纵隔板、主梁腹板等加劲部件与钢桥面板焊接处成为高应力区，并在这些位置处的铺装层产生较大的负弯矩，即这些位置处的铺装层表面出现拉应力/变集中区，首先出现在铺装层表面，然后逐渐向底部发展。在纵向加劲肋、纵隔板、主梁腹板顶部的桥面铺装层表面会出现纵向裂缝，在横向加劲肋顶部的桥面铺装层表面会出现横向裂缝，在横隔板与加劲肋交汇处，铺装层表面易出现网裂。对于钢桥桥面铺装，疲劳裂缝从铺装层表面向底面扩展，而对于一般的沥青混凝土路面，沥青混凝土面层的最大拉应力/变均出现在面层底面，故疲劳裂缝是从面层的底面向顶面扩展。

2钢桥桥面铺装材料

目前国内钢桥面铺装材料一般有三种，分别为浇筑式沥青混合料、改性沥青混合料、环氧沥青混合料三种。铺装体系可分单质单层、单质多层、多质多层三类。

1)浇筑式沥青混凝土GA

采用高含量聚合物改性沥青或特里尼达天然湖沥青，高含量矿粉，低空隙率（小于1%），无需防水层，抗老化，抗裂性强；但是GA的高温稳定性差，容易形成车辙，施工条件苛刻，且需要专用的施工设备，一般使用于夏季温度不大高的地区。

2）改性沥青混凝土SMA

在沥青玛蹄脂混合料的基础上进一步增大碎石用量，从而形成粗集料间良好嵌挤的骨架密实型结构，SMA混合料中添加了纤维，使其沥青含量、矿粉含量高，孔隙率降低至2.5%～3.5%，SMA在欧美国家中受到重视，日本多用于下层。其柔韧性、抗松散、抗裂能力强，具有良好的耐久性和防水性能，抗流塑和永久变形的能力强，不易产生车辙，具有粗糙的表面构造，防滑性能好，施工要求低，施工期短，费用较低，但是铺装层较厚，对集料要求高，保质年限短。

3）环氧沥青混凝土

环氧沥青混凝土是通过在沥青中添加热固性环氧树脂和固化剂，经固化反应而形成的一种强度高、韧性好的沥青混凝土。其强度高，高温时抗流塑和永久变形能力很强，低温抗裂性能很好，具有极好的抗疲劳性能，且有高度的抵抗化学物质侵蚀的能力，但是环氧沥青混凝土的配制工艺比较复杂，施工中对时间和温度要求十分严格，施工难度大，材料费用较高，相关技术资料在国外多属专利产品。

3 钢桥面铺装病害力学背景

1)局部应力集中与疲劳

由于钢箱梁的正交异性，在车载作用下，桥面板局部刚度变异部位将产生应力或弯矩奇变，造成局部应力集中，在循环往复的车载作用时，形成疲劳裂缝。

2)剪切破坏

由于铺装层和钢箱梁模量存在很大差异，在共同受力的情况下，接触面间存在较大剪应力，当铺装层与桥面板层间的粘结力差、抗水平剪切能力较弱时，将产生破坏。

3)挠曲破坏

因车载作用或温度变化，桥面铺装层表面出现负弯矩，进而引起铺装层面层的拉应力/应变，当拉应力/应变超出材料的抗拉极限便产生开裂，车辆轮载和水的渗入等因素的影响还会使裂缝进一步扩展。

4)局部冲压破坏

由于重载和特大交通量的作用，车轮对桥面铺装层的局部冲击作用导致在桥面铺装层薄弱区域，如纵缝附近或粘结层薄弱处，出现局部碎裂或网状裂缝。

5)粘塑性永久变形

因车载反复作用以及铺装材料在一定环境下，如车辆超载、高温等因素，铺装层在行车道形成永久变形的破坏。

5 结论

钢桥面铺装在国内经历了30年的研究，研究人员主要从钢箱梁构造、铺装层组合体系、铺装层材料方面对其进行了大量的工作，目前仍在对诸如结构疲劳、重载、超载等方面研究。

笔者鉴于钢桥面铺装中防水粘结层的重要性，认为对温度工况下铺装体系层间效应的分析，尤其是在高温摊铺下，瞬时摊铺高温的分析可做进一步研究工作。

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