钢桥面铺装设计浅析

吴新强

(合肥市市政设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230041)

0 引 言

钢桥面铺装一直是桥梁工程中的一项技术难题，由于钢桥面具有自身的特殊性和外部环境的恶劣性，铺装面经常会出现剪切破坏、疲劳开裂、挠曲破坏、粘塑性永久变形、磨损及水损等病害，因此，对钢桥面铺装设计进行研究对提高桥面铺装质量具有十分重要的意义[1]。

1 钢桥面铺装的特点

(1)钢桥整体刚度较低,易振动变形，对铺装层的要求更高。

(2)钢桥面表面较光滑，铺装层与桥面钢板之间承受较大的横向剪应力，铺装易脱层和滑移，对沥青铺装层、钢板、防水粘结层与沥青铺装层间的抗剪能力要求高。

(3)由于钢板在使用环境中易发生腐蚀，钢桥面铺装防护及防排水系统要求更加完善。

(4)钢箱梁具有储热效应，热传导快，铺装层易出现高温稳定性和低温开裂及冻融破坏问题，夏季铺装最高温度可达70℃，冬季时则比气温还低。

2 防水粘结层性能要求

2.1 为什么要防水

钢或钢筋混凝土结构，易受很多因素的影响而劣化，导致失去强度而产生不安全状况。这些不安全的状况会带来经济上的损失甚至带来灾难性或威胁生命的后果。如果防水失败，受碳化及冻融循环等外部因素影响，钢结构将快速劣化，焊缝处尤甚，故防水粘结层通常是钢结构防腐蚀的重要防线，也是目前钢桥面铺装设计中非常重视的部分。

2.2 防水粘结层的性能要求

常见沥青铺装的破坏形式主要有开裂、层间滑移、推拥、脱层、坑洞等。产生这些破坏的原因通常有沥青铺装层下的积水、沥青铺装层与防水粘结层的薄弱粘结强度、过厚的防水粘结层、防水粘结层较低的弹性模量、铺装层的疲劳破坏等。而这些大部分都与防水粘结层的性能有关。结合前述钢桥面铺装的特点，钢桥面对防水粘结层的性能要求如下：

(1)防水粘结层应具有优良的粘结力，能与基层及表面铺装层很好粘结，桥面铺装系统由上到下组成一个复合的整体，而不是层间分离。

(2)防水粘结层在使用期间承受很大的剪切应力，应具有抗剪切和抗拉拔性能。

(3)防水粘结层应具有较高的弹性模量，具有很好的变形随从性，能适应钢结构的变形。

(4)防水粘结层必须具有良好的高、低温抗剪切破坏的能力；陡坡路段(≥3%)铺装更易出现高、低温稳定性问题。

2.3 防水粘结层的选择

选择防水粘结层材料时，须综合考虑使用条件(气候、温度、降水量、交通量、桥面系刚度等)、铺装体系因素(相容性、粘结性、施工可行性)。

目前常用的钢桥面防水层粘结材料主要有：

(1)沥青类：环氧沥青、热熔改性沥青、溶剂型沥青。

(2)树脂类：环氧树脂(Ⅰ、Ⅱ)型、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸树脂、聚氨酯。

规范[2]对防水粘结层的组合方案设计可供参考。

3 常见的钢桥面铺装系统

经过20余年发展，铺装材料及结构逐渐得到优化和完善，铺装方案多元化发展。目前国内外常用的铺装体系主要有：

(1)双层SMA(沥青玛蹄脂碎石混凝土)铺装体系。

(2)浇筑式沥青混凝土铺装体系。

(3)环氧沥青混凝土铺装体系。

下面对各铺装体系优缺点论述如下。

3.1 双层SMA铺装体系

如图1所示。

图1 双层SMA钢桥面铺装典型结构

优点：热稳定性好，造价低廉，工艺成熟，易于维修。

缺陷：防水粘结层与SMA为点-点接触，层间抗剪性能差；空隙率大，防水性能不足；不易压实，模量较低，较易产生车辙；早期SMA抗疲劳开裂性不足。

3.2 浇筑式沥青混凝土铺装体系

如图2所示。

图2 浇筑式沥青钢桥面铺装典型结构

优点：GA自流成型，无须碾压，无压实度不足缺陷；空隙率极小，致密、防水、防腐蚀、耐久性好；沥青用量高，呈黏弹性，对冲击及颠簸不敏感；抗低温开裂和疲劳开裂性能好，对钢板的追从性较好；施工温度高，对不良气候特征影响不敏感。

缺陷：GA沥青含量高，组合结构高温稳定性控制难度大，可能发生车辙病害。

3.3 环氧沥青混凝土铺装体系

如图3所示。

图3 环氧沥青钢桥面铺装典型结构

优点：弹性模量高，抗车辙性能好；强度高，疲劳性能好，抗裂性好；空隙率为2%～3%，防水性能较好。

缺陷：刚度大，层间剪应力大，粘结层难以满足受力需求；施工控制要求过高，易出现施工质量问题；造价高，维修成本高且维修困难，养护时间长。

3.4 钢桥面铺装体系总结和比较

几种铺装体系之间的比较见表1。

表1 钢桥面铺装体系总结和比较

4 双层SMA铺装体系优化设计

上文对常用的钢桥面铺装体系分别进行了论述。双层SMA铺装体系由于其造价低、施工方便等优点，在中部地区的城市高架桥、中小跨径钢桥中得到广泛应用。实际应用时，还充分考虑当地的气候条件、交通条件、施工条件等因素,对双层SMA铺装体系进行了优化[3]，如图4所示。

图4 双层SMA优化铺装体系

该方案主要对以下方面进行了优化：

(1)防水粘结层固化前撒布3～5 mm规格硬质集料以形成均匀分布的“剪力键”。

(2)采用双层高黏高弹改性SMA铺装，上下两层分别作为面层和保护层。下层保护层主要起到：吸收钢桥面板的变形应力，具有较大的变形追从性；同时隔离钢桥面表面温度对面层影响；粘结桥面，防止面层推移。因此，下层SMA混合料必须有着良好的抗高温车辙能力、抗低温开裂能力、抗疲劳破坏能力、抗变形能力。上层面层则起到：抵抗钢桥面板变形；防止水分进入桥面；承载车辆碾压，同时提供抗滑性能。

(3)采用高黏高弹改性沥青可有效提高混合料热稳定性，同时采用直投式专用改性剂可有效平衡施工温度、黏度和路用温度黏度，可实现静碾压实。

目前该优化方案在某中部城市广泛使用，并且经过多个项目的检验，效果良好。

5 结束语

本文对钢桥面铺装的特点以及常用的钢桥面铺装体系做了介绍，根据实践经验对双层SMA铺装体系提出了优化方案，可为同类工程的设计提供参考。