长大宽幅桥梁桥面铺装设计方案优化

张 伟

(武汉交通工程建设投资集团有限公司，湖北 武汉 430000)

1 工程概况

武汉市南四环线(四环线龚家铺至中洲段)，路线起于江夏区龚家铺，接四环线沌口长江大桥段，止于江夏区中洲村，与沪渝高速公路相接，路线全长约17.190 km，为双向八车道高速公路，设计速度100 km/h。全线桥梁长度约16.796 km，占路线长度97.7%，单幅宽20.5 m。

2 原设计方案及不足

本项目桥面铺装采用沥青混凝土，沥青混凝土路面的设计年限为15年，车道累计标准轴载100 kN，作用次数Ne=2.56×107次，属特重交通。原设计路面结构如表1所示。

表1 原设计路面结构一览表

原设计方案存在的不足如下：

1)钢箱梁与混凝土箱梁桥面铺装结构不一致，增加施工难度。

2)桥面铺装结构及防水粘结层设计针对性有待加强。

3)未考虑长大宽幅桥梁的中央防撞护栏、路缘带、伸缩缝等桥面细部防排水处理。

3 桥面铺装设计优化

3.1 铺装层优化设计方案介绍

由于本项目钢箱梁总计310 m，占比较低，为便于施工，且考虑施工连续性，本次优化将钢箱梁桥面铺装结构与混凝土桥面统一。根据《湖北省高速公路路面设计标准化指导意见》，结合国内大桥、特大桥常用桥面铺装材料，拟定表2的三种铺装方案进行比较[1,2]。

3.2 铺装层优化设计方案比选

3.2.1材料性能比选

表2 三种铺装方案

1)连续式密级配沥青混合料(AC)。

AC是我国最常用的一种级配，因为经验丰富，技术成熟，在我国使用的很多。主要优点是具有良好的力学性能和较好的泌水性。其缺点是：AC型沥青混凝土为一种密实型沥青混凝土结构，是连续结构，其矿料级配按最大密实原则设计，混合料的强度和稳定性主要取决于沥青与矿料之间的粘聚力，因此，受沥青的性质影响较大，结构高温稳定性较差。

SMA是一种间断级配骨架嵌挤型密实结构混合料，由沥青稳定添加剂、矿粉及少量细集料组成的沥青玛脂填充间断级配的碎石骨架组成，它的最基本组成是碎石骨架和沥青玛脂两部分。其主要优点是：高温抗车辙能力好、疲劳寿命较高、耐久性较好、抗磨耗及抗滑能力较好。缺点是施工工艺较复杂、原材料质量要求高、工程造价高。

3)高性能沥青混合料(Superpave)。

Superpave是美国战略公路研究计划的成果之一，是一种全新的沥青混合料设计方法，实验室级配设计时与AC，SMA的设计成型方式不同，它采用旋转压实，用的是体积设计法。与AC相比，其优点是路用性能优、抗水损害性能好、耐久性好。其缺点是：国内规范没有关于Superpave沥青混合料的技术要求及控制指标，相关要求需参考其他类似工程。

3.2.2经济比较

路面结构设计必须考虑经济效益，在满足使用性能的情况下，要考虑成本，控制造价。三种方案单价表如表3所示。

表3 三种方案单价表 元/m2

由表3可知，方案一：145.92元/m2<方案三：157.32元/m2<方案二：187.24元/m2。方案三的单价略高于方案一。

综合上述经济技术比较，SMA-20高温抗车辙能力好、疲劳寿命较高、耐久性较好、抗磨耗及抗滑能力较好,性能最优，但造价高。与AC-20C相比，Superpave-20造价略高，但使用性能和耐久性更优。因此，优化设计方案推荐采用方案三，即桥面铺装上面层采用4 cm厚SBS改性沥青玛脂碎石SMA-13、下面层采用6 cm厚中粒式SBS改性沥青混凝土Superpave-20。

4 桥面防水粘结层设计优化

防水粘结层是桥面铺装体系的关键层位，设置于水泥混凝土板和沥青铺装层之间，必须具备足够的防水性能、良好的高低温性能、良好的粘结强度和剪切强度、耐盐害的能力[3,4]。与路基相比，桥面环境恶劣，冬季气温低，夏季气温高，对防水粘结层的质量要求更高。下面将几种常用的桥面防水粘结层进行比较。

1)改性乳化沥青稀浆封层。

乳化沥青稀浆封层应用较广，其固化成型后混合料空隙率低，防水性能较好。另外，稀浆具有良好的流动性，能灌满原桥面细小裂纹，可起到封闭裂纹的作用。但是稀浆封层也有弊端，因为稀浆封层属于刚性材料，常温呈脆性，因此在行车荷载的冲击和桥面反射裂缝作用下，可能会出现裂缝，从而影响其防水效果。

2)SBS改性沥青同步碎石封层。

SBS改性沥青同步碎石封层是采用智能型同步碎石封层车或智能型沥青洒布车喷洒SBS改性热沥青或橡胶沥青，然后同步撒布覆盖率60%单粒径碎石，最后采用胶轮压路机碾压形成的一种结构性防水粘结层。同步碎石封层具有防水性能好，能减少反射裂缝，工序简单，施工速度快等优点。

3)水性环氧沥青防水粘结层。

水性环氧沥青防水粘结层性能特点主要表现为优良的粘结性能、可靠的防水性能、优良的高温稳定性、低温抗裂性能、优异的耐老化特性，并且具有很好的渗透性，对于桥面板的微裂缝具有很好的修复作用。水性环氧沥青防水粘结层在铺装层碾压作用下容易造成局部损坏。另外，水性环氧沥青防水粘结造价较高。

按照JTG D50—2017公路沥青路面设计规范8.2.4条，综合考虑经济因素，优化设计方案采用SBS改性沥青同步碎石防水层。

5 桥面细部防排水设计优化

5.1 防撞护栏底部增加止水带

中央防撞墙根部与沥青混凝土的接触面(高度为10 cm)，常规做法为摊铺前涂刷一层乳化沥青，但由于防撞墙上窄下厚，经大量试验效果欠佳，接触面缝隙仍容易进水，流入的水滞留于桥面混凝土与沥青混凝土之间，影响防水粘结层的耐久性。为此，本次优化方案在护栏与铺装层的接触部位增加止水带，该止水带在沥青混合料摊铺时的高温下自融，从而起到防水作用。乳化沥青、止水带防水处理效果图见图1。

5.2 路缘带层间洒布热沥青

由于桥梁中央防撞护栏的限制，压路机碾压时，靠近护栏一定范围内(路缘带)难以碾压充分，孔隙率较大，从而成为雨水进入铺装层内部的途径。由路表面流入的水滞留于路面结构层内或沥青混凝土与水泥混凝土层间，在车辆荷载作用下，该部位沥青混凝土极易产生水损害，严重影响使用性能和耐久性。为防止雨水进入粘结层，使水顺利沿沥青层间排出，中面层沥青混合料铺设碾压完成后，在防撞墙100 cm范围洒布热沥青(1.5 kg/m2～1.6 kg/m2)。洒布热沥青效果图见图2。

5.3 伸缩缝处设置横向导水管

伸缩缝钢纤维混凝土与沥青混凝土接头处(桥面纵坡最低点)易产生积水，而自由水的存在将降低铺装材料的强度，并且在铺装层内部形成很高的车载动水压力，破坏桥面铺装，产生裂缝、松散、坑洞等破坏。据调查，在桥梁伸缩缝上游1 m～2 m部位均产生了沉陷、渗水及坑洞等破坏[5]。为解决这一问题，在伸缩缝钢纤维混凝土与沥青混凝土接头处设置带渗流孔的横向导水管，通过横向导水管将此处积水排至桥面明沟内或桥梁护栏外。增加横向导水管的伸缩缝断面图和平面图如图3,图4所示。

6 结语

通过使用性能及经济性对比，确定桥面最优铺装结构为：4 cm SBS改性沥青玛脂碎石SMA-13+6 cm SBS改性沥青混凝土Superpave-20，防水粘结层结构采用SBS改性沥青同步碎石封层。此外，通过中央防撞墙根部增设止水带、路缘带层间撒布热沥青、伸缩缝处增加横向导水管三种措施优化沥青路面排水，解决防撞墙根部雨水易进入沥青层间、伸缩缝处排水不畅问题。