寒区钢桥面沥青混凝土铺装方案探讨

李梦琪

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

随着交通运输行业的发展，我国开始逐渐使用跨越长度大、重量轻、施工较为简单的钢箱梁桥[1]。但由于钢箱梁自身结构较为复杂、柔度较大、在车辆荷载作用下产生的振动较大，同时由于我国对钢桥面沥青混凝土铺装的研究不够深入，因此部分桥面铺装层在使用不久后即出现病害，影响钢桥的安全性和舒适性。

近年来，根据我国的气候特点，许多研究者对钢桥面沥青混凝土铺装的铺装结构、路用性能等方面进行了系统的研究。但对于寒冷地区，由于气候条件特殊，其钢桥面沥青混凝土铺装结构既要满足钢桥面的受力特点，还要能够适应寒冷的环境，使沥青混凝土铺装层满足使用性能要求。

1 钢桥面沥青混凝土铺装层受力特性

钢桥面沥青混凝土铺装层是作用在钢板上的结构层，直接承受车辆荷载的作用，与钢板形成统一的整体。但是，现阶段我国对于钢桥沥青混凝土铺装层的结构设计只给定了厚度建议值，没有明确的验算过程。另外，钢桥面沥青混凝土铺装层在桥梁结构设计时一般不做专门的分析计算[2]。实际上，钢桥面沥青混凝土铺装层的受力特性比普通沥青混凝土路面更加复杂，其受力特性主要表现为：

(1)在车辆荷载的作用下，钢桥面沥青混凝土铺装层随钢桥上下振动，由于横纵向肋的补强，使得沥青铺装层表面的某些位置会产生较大的拉应力。

(2)由于钢桥的跨径和柔度较大，使得两跨间的振动位移和变形较大，其受力状态受到严重影响。

(3)钢桥与沥青混凝土铺装层模量相差很大，使得在车辆荷载和环境变化下，容易产生较大的层间剪应力。

2 钢桥面沥青混凝土铺装层破坏形式

通过阅读大量文献可知，钢桥面沥青混凝土铺装层破坏形式较多，但纵横向裂缝、脱层推移、车辙变形和坑槽等是主要的病害形式，对于寒冷地区还容易出现低温开裂病害，造成这些病害的原因为如下几方面：

(1)钢桥面板设置了大量加劲部位，在车辆及温度等因素的共同作用下，会使加劲部位上方形成高应力区，产生负弯矩。因此，当沥青混凝土铺装层表面的最大应力大于沥青铺装材料相应的容许应力时，这些位置处的铺装层表面会出现疲劳裂缝。

(2)防水粘结层作为钢桥面板与沥青混凝土铺装层之间的粘结层，其作用是使两者能够共同受力。但在车辆荷载及温度等因素的共同作用下，钢桥面板会与沥青混凝土铺装层之间产生较大的剪切力，当两者的粘结作用较差或达到极限剪切强度时，两者之间会产生滑移，导致粘结层失效脱层。当表面水进入层间，在车辆荷载的作用下，会进一步产生坑槽等病害。

(3)由于钢板的导热系数较大，在炎热的夏天其传导到沥青混凝土铺装层的热量较多，降低沥青混凝土铺装层的劲度模量，在车辆荷载的作用下，形成车辙变形。

(4)在我国北方寒冷地区，冬季寒冷干燥，在低温作用下钢桥面板的温缩系数与沥青混凝土铺装层不同，铺装层与钢箱梁的温度变形不协调，内部会产生温度应力，进而引起低温开裂。

因此，钢桥面沥青混凝土铺装层必须能与钢桥面板紧密连接形成整体，并且两者之间要具备良好的协同变形能力，同时应具有较好的高温稳定性、低温抗裂性和抗疲劳特性。另外，沥青混凝土铺装层应具有良好的防水性，保证表面水不进入内部结构产生破坏。

3 寒区钢桥面沥青混凝土铺装层结构方案

目前，国内外较常见的钢桥面沥青混凝土铺装层结构为双层铺装体系，其中分为双层同质与双层异质两种结构类型。对于双层同质钢桥面沥青混凝土铺装结构来说，其常用的典型代表为双层SMA与双层环氧结构；而双层异质钢桥面沥青混凝土铺装结构，其主要类型有“下层浇注+上层环氧”、“下层环氧+上层SMA”、“下层浇注+上层SMA”等结构。

对于我国北方寒冷地区来说，桥面铺装的防水粘结体系尤为重要，其一旦遭到破坏，会导致路面水进入内部结构，经过多次的冻融循环后会引起沥青混凝土铺装层强度的降低，产生松散坑槽等病害。同时在寒冷地区为了减少除雪剂中的氯离子对沥青混凝土铺装层和钢桥面造成腐蚀，应提高沥青混凝土铺装层的耐腐蚀性。

我国国内针对寒区钢桥面沥青混凝土铺装，提出了ERS树脂沥青组合铺装体系，其典型结构为EBCL防水粘结层+RA05树脂沥青混凝土层+SMA沥青玛蹄脂碎石层。

其中，表面层主要承受拉应力，并且需承受剪应力的影响。SMA作为一种以沥青为胶结料，并与少量细集料、纤维及较多矿粉组成的沥青玛蹄脂碎石混合料，具有良好的路用性能，将其作为钢桥面沥青混凝土铺装体系的表面层，可以满足抗裂、抗车辙、水损害等路用性能要求，同时可为钢桥面铺装提供良好的行车舒适性。

下面层主要承受剪应力，并受拉应力影响。RA05树脂沥青混凝土为冷拌沥青混合料，其承载能力高、耐高低温性能好、不透水，并且具有较好的施工和易性。同时RA05层可以与上下层之间形成良好的粘结，为钢板提供保护。

防水粘结层作为铺装层与钢板的连接层，其不仅要有较好的防水性能和粘结特性，还需要能够承受较大的剪应力。而EBCL防水粘结层不仅具有高强度，随从变形性、耐久性、耐腐蚀性等优点，而且通过在光滑的钢板上粘结碎石来形成致密的防水抗滑层，可以约束铺装层不产生水平滑动位移，起到抗剪的作用。

后丁香大桥总长度为2830.81m，其中四号桥为连续钢箱梁桥，跨径为(48+61+38)m。该桥位于沈阳绕城高速公路上，桥址所在地年平均气温在6～9℃之间，年极端最高气温38℃，年极端最低气温-33℃，年平均降水量500～800mm，具有寒区典型气候特点。其铺装类型为ERS树脂沥青组合铺装体系，具体铺装层结构见图1所示。

图1 后丁香大桥ERS铺装体系

针对后丁香大桥寒区的气候特点，其ERS钢桥面铺装材料室内试验研究主要为以下四方面内容 ：

(1)表面层SMA-13的性能试验：SMA-13所用沥青的材料性能以及SMA-13的路用性能试验。

(2)下面层RA05的性能试验：RA05所用高粘树脂沥青的材料性能以及RA05树脂沥青混凝土的路用性能试验。

(3)防水粘结层EBCL的性能试验：EBCL材料的施工和易性试验、强度试验、可变形性试验以及耐久性试验。

(4)钢桥沥青混凝土铺装层层间剪切性能研究：针对RA05层与钢板层间、RA05层与SMA13层间剪切性能，研究施工工艺、界面构造形式对层间剪切性能的影响。

4 结论

随着我国经济建设的快速发展，在寒冷地区钢桥将会使用得越来越频繁，对寒区钢桥面沥青混凝土铺装方案进行探讨，选择适宜得钢桥面沥青混凝土铺装材料，对今后的施工具有指导意义。

针对我国寒区钢桥面沥青混凝土铺装，ERS树脂沥青组合铺装体系具有强度高、高低温性能好、层间剪切性能优越、耐腐蚀好等诸多优点，同时EBCL界面防水防腐性能优良，对钢板的粘结强度高，界面的抗剪功能直观明确，有针对性地解决了SMA铺装层容易滑移破坏的问题，而且EBCL施工简便，易于控制，施工现场的各项指标检测也比较简单和直观。

ERS的组合方案与环氧沥青混凝土、浇注式沥青混凝土相比，造价低廉，且无需专用设备，施工和组织相对简单。因此，对于寒区钢桥面沥青混凝土铺装，ERS树脂沥青组合铺装体系优势明显，是今后大力推广的铺装方案。