基于大曲率钢桥面铺装双层高粘SMA沥青玛蹄脂碎石施工的技术研究

孙会民 （安徽省路桥工程集团有限责任公司，安徽 合肥 230001）

1 工程概况

西咸新区某桥立交是一座异形半定向半苜蓿叶立交桥，其中A匝道、D匝道、G匝道、H匝道均为钢箱梁桥，桥长分别为188m、194m、124m和124m。A、D匝道钢箱梁曲线半径为80m，钢箱梁中支点处梁高4.5m，中跨跨中及梁端支点梁高2.5m，两侧悬臂长度2.5m；G、H匝道钢箱梁曲线半径为80m，主梁梁高均为2.4m，两侧悬臂长度1.37m。针对本工程特点，为解决钢桥面板变形追从性导致的压实问题、钢桥面沥青混凝土高温稳定性差、易产生车辙等危害因素影响，本文从理论研究、试验测量和施工注意要点进行了分析研究，在进行优化后提出了一种双层高粘SMA沥青玛蹄脂碎石钢桥面铺装的施工方法。

2 理论研究

针对钢箱梁沥青摊铺对钢箱梁施工质量及通车后的舒适度影响，本研究通过建立有限元模型和相关试验，分析环氧沥青混凝土铺装温度场与浇筑式沥青混凝土铺装温度场对钢箱梁施工质量的影响，并在此基础上，对钢桥桥体在环氧沥青混凝土施工和浇筑式沥青混凝土施工时的温度场所产生的应力和位移影响进行研究；并对钢桥桥体在施工荷载耦合条件下的结构行为进行研究，以此理论为指导对大曲率钢桥的架设及后期采用双层高粘SMA沥青玛蹄脂碎石结构桥面铺装施工工艺进行了优化。

2.1 温度场监测点位置的确定

渭河正阳大桥A匝道总长188m，桥梁横断面全宽12.75m，净宽9.55m，桥型整体由钢箱梁结构组成，选择A匝道范围作为桥面板升温测试段。在测试段着重考察四个重要节点区域，即高测位、一号墩、跨中、二号墩分别布置温度传感器，四个位置分别记为4#测位、3#测位、2#测位和1#测位，温度测试平面图见图1。

图1 温度测试平面图

2.2 温度场有限元模拟

先建立solidworks模型，再将solidworks中的模型导入ANSYS进行计算，设置材料参数。钢箱梁桥的材料选择ANSYS自带的结构钢。钢箱梁桥网格划分采用ANSYS中默认的网格划分形式。

图2 钢箱梁桥三维实体模型

通过计算模拟分析，可以得出以下结论：

①无论是浇筑式沥青混凝土还是环氧沥青混凝土施工，离施工位置越近，所受的温度影响越大，离施工位置越远，受施工温度影响越小；

②浇筑式沥青混凝土比环氧沥青混凝土温度高，因而导致浇筑式混凝土施工时的温度场的影响范围大；

③环氧沥青混凝土施工时横隔板温度和浇筑式沥青混凝土施工时相比，横隔板上部温度变化较小，横隔板下部温度与环境保持一致，说明热量在横隔板上传递有限，仅仅局限在上部局部区域。

2.3 摊铺温度场下的结构受力

试验模型同2.1温度测试平面图，计算模型同2.2温度场有限元模型。

2.3.1 应力对比

根据表1两种铺装温度场下结构应力对比可知，环氧沥青混凝土施工条件下的桥体受力大小仅为浇筑式沥青的1/2左右，这表明环氧沥青混凝土的设计在摊铺时桥体受力方面体现出了巨大的优势。

两种铺装温度场下结构应力对比 表1

图3 两种铺装温度场下结构应力对比

2.3.2 位移对比

根据表2两种铺装温度场下结构应力对比可知，环氧沥青混凝土施工的桥体横向位移始终小于或者接近于浇筑式沥青混凝土施工，而纵向则更是仅占浇筑式沥青混凝土施工的1/3～1/2。这表明环氧沥青混凝土的设计在摊铺时桥体的稳定性方面体现出了巨大的优势。

2.4 施工温度场与荷载耦合下结构行为

试验模型同2.1温度测试平面图，计算模型同2.2温度场有限元模型。

2.4.1 应力对比

根据表3两种铺装温度场下结构应力对比可知，环氧沥青混凝土施工的桥体受力大小仅为浇筑式沥青混凝土施工的1/3～1/2。这表明环氧沥青混凝土的设计在摊铺时桥体受力方面体现出了巨大的优势。

两种铺装温度场下结构位移对比 表2

图4 两种铺装温度场下结构位移对比

考虑施工荷载两种铺装的结构应力 表3

图5 考虑施工荷载两种铺装的结构应力

2.4.2 位移对比

根据表4两种铺装温度场下结构应力对比可知，在环氧沥青混凝土施工条件下桥体的横向位移始终小于或者接近于浇筑式沥青混凝土施工的横向位移，而纵向位移则仅占浇筑式沥青混凝土施工的1/3～1/2。这表明环氧沥青混凝土的设计在摊铺时桥体的稳定性方面体现出了巨大的优势。

2.5 研究结论

经过现场实测与数据分析，结合建立桥梁有限元分析模型，开展不同铺装形式下的温度场分析与验证，并对温度场作用下、温度场与施工荷载耦合下的箱梁结构受力分析，得到结论如下。

考虑施工荷载两种铺装施工结构变形对比 表4

图6 考虑施工荷载两种铺装施工结构变形对比

①采用数据采集系统对桥面铺装层施工温度场进行连续监测。数据分析得到受外界环境及起始摊铺时间影响，桥面板峰值温度达到峰值温度的时间依次递减；由于铺装下层直接与钢板接触，铺装后钢板的温度在最初的15min下降迅速。加铺上面层时候，钢板升温幅值和速率均低于下面层施工的情况。

②开展浇筑式沥青混凝土与环氧沥青混凝土施工温度场下桥体应力分析，结果发现，相比浇注式沥青混凝土施工下的温度场下变形情况，环氧沥青混凝土施工的桥体受力大小仅有前者的1/3～1/4，这表明环氧沥青混凝土摊铺时桥体的稳定性方面具有巨大的优势。

③开展浇筑式沥青混凝土与环氧沥青混凝土施工温度场下桥体位移分析，结果表明环氧沥青混凝土施工下的桥体变形仅有浇筑式沥青混凝土施工的1/3左右。

④开展浇筑式沥青混凝土与环氧沥青混凝土施工温度场与施工荷载耦合作用下桥体受力与位移分析，由于浇筑沥青混凝土施工温度远高于环氧沥青混凝土的施工温度，浇注式沥青混凝土在小半径、大纵坡匝道桥上使用存在一定的风险。

3 施工注意要点

3.1 钢桥面板喷砂除锈处理

钢桥面表面应平整清洁，表面不应该有突起物，对安装时的起吊环等，应打磨至高度差±3mm以内；待钢桥板表面完全干燥之后，用自动无尘喷砂机对其进行喷砂除锈。

3.2 环氧富锌漆防腐施工

桥面板经喷砂除锈后，4h内喷涂80～100μm厚的环氧富锌防腐蚀涂层；喷涂施工环境温度不宜低于10℃，相对湿度不应大于80%，尽可能选择无风天气；喷涂施工采用人工涂刷方式，应保证漆膜厚度均匀，必要时可多次涂刷。

3.3 环氧沥青防水粘层层施工

①防水粘结层采用特种改性环氧沥青，待防腐施工完成，环氧富锌底漆固化之后，进行防水粘结层施工。

②撒布经沥青拌合楼加热除尘并采用0.4%SBS改性沥青裹覆的3～6mm玄武岩集料，覆盖率50～60%。

③自粘式防水贴铺设：

特种改性环氧沥青应涂刷至防撞墙上，高度不低于5cm；在特种改性环氧沥青施工完成之后，于防撞墙上倚墙粘贴自粘性防裂贴。针对碾压困难的边缘防水，按以下要求实施：两侧防撞墙边缘部分采用宽幅防水卷材粘贴，并在上下面层之间采用热沥青浇灌。

3.4 沥青混合料拌和

拌和时沥青用导热油间接加热至175～185，矿料加热控制在190～205，沥青混合料出厂正常温度控制在175～190，如混合料出场温度低于160或高于195应予废弃。

3.5 沥青混合料摊铺

沥青混合料最低摊铺温度不小于165℃。摊铺速度控制在1.5～2m/min范围，最高不超过2m/min，采用梯队作业时，搭接宽度应不小于25cm，摊铺应采用非接触式平衡梁控制方式。

3.6 沥青混合料碾压

高粘改性SMA沥青玛蹄脂碎石碾压必须紧跟摊铺机碾压，初压、复压工作长度应不超过50m。在边缘、角落及伸缩缝等难以用大型压路机压实的部位，应采用小型压路机及人工操作的机动夯锤夯实。

4 结论

该研究不仅揭示了大曲率钢桥在环氧沥青桥面铺装和浇筑式沥青桥面铺装的温度场、温度场应力和温度场与摊铺设备荷载耦合下应力分布规律，而且通过研究，对钢桥面沥青铺装进行了优化，采用了双层高粘SMA沥青玛蹄脂碎石施工方法，在确保了施工质量的前提下，大大节约了施工工期和施工成本，具有良好的经济效益，为以后此类桥梁的施工提供了重要借鉴。