过路管处桥面铺装修复技术研究

陶戴邦

（上海市政养护管理有限公司，上海 201103）

0 引言

随着数字化、信息化建设的快速发展，高速公路在运营期内利用过路管敷设通信光缆和电话电缆的现象也越发普遍。S32 申嘉湖高速公路的高架桥梁中就存在较多过路管，受桥面铺装厚度的限制，此类过路管的埋置深度较浅，在重载车辆的往复作用下，路面出现开裂、沉陷等问题，影响行车舒适度和安全性。其间采用过灌缝、开挖式修补方法，但维修效果不好，桥面铺装重新开裂现象时有发生，病害返修率较高，这不仅会影响行车舒适度、城市形象，还会诱发各类交通安全事故。故有必要采取有效措施，提升该高速公路过路管处桥面铺装的维修质量。

1 原因分析

1.1 快速混凝土性能较差

原设计桥面混凝土铺装采用C40 硅酸盐商品混凝土，受作业时间等因素限制，后期养护维修中只得采用快速混凝土。该类混凝土早期强度增长快，浇筑完成后3h 即可开放交通，但因放热迅速，早期温缩裂缝多，使得该混凝土的力学强度和耐久性都相对较差。经标养环境下实测，3h 龄期的快速混凝土，抗拉、抗压强度平均值分别为0.8MPa、22.5MPa；28d 龄期的快速混凝土，抗拉强度也仅有1.07MPa、29.2MPa。而C40 普通硅酸盐28d 龄期的抗拉、抗压强度设计值分别为1.7MPa、40MPa[1]。因此，无论从哪个指标上来看，快速混凝土的抗拉强度值都远低于C40 普通混凝土的抗拉强度设计值。

1.2 上覆混凝土厚度较薄

过路管直径为4～5cm，上下混凝土厚度仅为2.5cm，无法配置钢筋，使得结构受力十分薄弱。建立相应的过路管处桥面铺装有限元模型（见图1），考虑桥梁挠动，跨中位置的铺装受力最为不利，超载100%时，铺装混凝土最大抗拉强度为1.69MPa，略低于原设计C40 混凝土强度，但强度几乎无富余，在重载车辆、环境等多重因素的影响下，会出现混凝土破坏情形。加之后期养护维修时受作业时间限制，一般只能采用快速混凝土，而这种情况下，铺装结构更容易出现损坏。

图1 原设计过路管桥面铺装受力云图（立体视角）

1.3 接缝新老混凝土直接搭接

由于过路管处桥面铺装较薄，因此维修中无法布设钢筋，只能通过界面黏结力连接新旧混凝土。通常来讲，界面黏结作用力一般仅为新混凝土整体劈裂强度的59%～74%[2]。常规维修工艺中，新混凝土采用快速混凝土，养护3h 开放交通，彼时混凝土劈裂抗拉强度不足0.9MPa，接缝部位的黏结力十分薄弱，在重载车辆的反复碾压下，会出现疲劳损伤现象。

2 处置思路

针对以上原因分析，提出以下处置思路：一是对铺装结构进行重新设计，降低铺装应力验算值；二是更换修复材料，采用韧性较好的混凝土材料；三是在修复部位采取抗裂构造措施，提升接缝的受力性能。

3 关键技术

3.1 铺装体系设计

在既有高速公路桥梁已通车的前提条件下，无法对路面标高进行调整，因而只能保持桥面总铺装厚度不变，通过减少沥青铺装厚度，增加混凝土铺装厚度的方式，提升铺装的受力性能。与此同时，合理标定翻挖修复范围，以减少对结构受力薄弱区域的扰动。

3.1.1 混凝土铺装修复宽度

S32 申嘉湖高速桥面铺装下穿管道一般采用双管沿横桥向布设。其中，混凝土铺装层h 厚10cm，管径d 约为4～5cm，采用镀锌铁皮管，壁厚约3mm，管间净距约为3cm，双管外距D 约为13cm。

应用midas 软件建立过路管处桥面铺装的实体有限元模型（宽2.5m，长3.75m），荷载条件为规范最大轮载的2 倍，即超载100%；边界条件考虑梁体挠动产生的强制位移，由此得到跨中最不利情形下的桥面铺装应力图（见图2）。由应力图可以看出，下穿管道中心6D 范围外受力极少，故拟定混凝土铺装修复宽度不少于13×6=80cm，从而降低开挖给结构带来的不利影响。

图2 原设计过路管桥面铺装受力云图（俯瞰视角）

3.1.2 混凝土铺装修复厚度

原铺装结构自下而上依次是10cm 混凝土+10cm沥青面层，在保持桥面铺装总厚度不变的前提下，同时不改变沥青上面层结构，混凝土铺装可供增加的厚度为0～6cm，对应的混凝土铺装厚度为10cm、13cm、16cm。

（1）10cm 铺装层模拟

应用midas 进行实体单元有限元模拟（见图3、图4），得到超载100%情形下桥面铺装最大拉应力位于过路管周围，为1.69MPa，略低于原设计C40 混凝土设计强度（约1.71MPa），但几乎无富余。

图3 混凝土铺装为10cm 时的应力云图（立体视角）

图4 混凝土铺装为10cm 时的应力云图（横桥向）

（2）13cm 铺装层模拟

超载100%时，应力图见图5、图6。由图5、图6 可知，桥面铺装最大拉应力靠近过路管正上方的混凝土表面，为1.34MPa，低于原设计C40 混凝土设计强度，结构受力性能得到较大提升。此外，由应力图还可看出，过路管附近的混凝土应力也相对较大。

图5 混凝土铺装为13cm 时的应力云图（立体视角）

图6 混凝土铺装为13cm 时的应力云图（横桥向）

（3）16cm 铺装层模拟

超载100%时，应力图见图7、图8。由图7、图8 可知，桥面铺装最大拉应力为1.26MPa，远低于原设计C40 混凝土设计强度，结构受力性能可靠，应力极值分布范围与13cm 铺装层类似。

图7 混凝土铺装为13cm 时的应力云图（立体视角）

图8 混凝土铺装为13cm 时的应力云图（横桥向）

综上所述，随着上覆混凝土厚度的增加，结构抗拉强度验算值减少，且下降幅度也随之减少。这是因为上覆混凝土厚度达到一定数值后，过路管的应力重分布效应将得到显著减弱，最大拉应力会出现在轮载直接作用的混凝土表面。由计算分析结果知，上覆混凝土厚度从13cm 增加到16cm 时，抗拉强度验算值依然处于缓慢下降趋势，故拟取混凝土铺装浇筑厚度为16cm。

3.1.3 钢筋布置形式

根据应力分布特点，将受力钢筋布设在受拉区，得到其截面钢筋布置；考虑受力钢筋的布设后维修部分的应力图见图9。

图9 考虑受力钢筋的混凝土铺装应力云图

由图9 可知，配置加强钢筋后，混凝土最大拉应力为1.24MPa，并未较之前有较大下降幅度。这是由于混凝土未出现裂缝时，钢筋还未处于工作状态。但实际情况中，混凝土受环境、自身徐变等多重因素的影响，不可避免地会出现微裂缝，布设钢筋的作用即是防止裂缝无限扩展，因而钢筋布设环节不可或缺。

3.2 构造抗裂设计

从提高接缝抗拉性能的角度出发，可以采取以下两种措施：一是预留接缝原有钢筋接头，将新铺设钢筋与原有钢筋进行搭焊，使铺装钢筋形成整体骨架构造；二是在接缝部位铺设防裂贴，起隔离、加筋、防水、抗缓冲作用，从而延缓反射裂缝的发展。

3.2.1 增设接缝钢筋

新铺设钢筋规格型号宜与原铺装钢筋相同，单面搭焊长度不得少于10d，故应尽可能多地保留原有铺装钢筋[3]。接缝钢筋焊接定位后，再将新铺设纵向、横向钢筋交叉点进行绑扎固定，从而使整个铺装钢筋形成整体骨架构造。此外，为规避混凝土浇筑振捣过程中对铺装钢筋产生扰动，应在上下钢筋网片间加设竖向定位钢筋。

3.2.2 铺设接缝防裂贴

施工时沥青上面层打开宽度约为1.1m，混凝土铺装打开宽度为0.8m，在下卧混凝土与沥青交界部位骑缝敷设一道防裂贴，宽度约30cm。敷设防裂贴时，其下卧层平整度不得超过2mm，对于局部超标部位，要使用环氧树脂或高差修正材料抹平，确保密贴。

3.3 混凝土选择

为确保使用耐久性，建议采用硅酸盐系混凝土。若用于养护维修领域，则推荐使用耐久性能相对较好的硅酸盐系快速混凝土或UHPC 快速混凝土[4]。

从计算结果来看，铺装损坏主要是抗拉强度不足导致的，因而应确保新的混凝土修复材料具有较高的抗拉强度，且不低于原设计中C40 硅酸盐混凝土的抗拉强度。若采用硅酸盐系快速混凝土，建议对其进行增韧处理，如加入一定数量的钢纤维，从而提升其抗裂性能。若采用UHPC 快速混凝土，由于其抗拉强度较高，在确保结构受力性能的前提下，可从经济角度出发，对其胶粉、纤维的含量进行适当的减量优化，以合理降低施工成本[5]。

4 结语

对新型修复技术在过路管处桥面铺装的应用进行研究，并结合S32 申嘉湖高速公路的维修应用效果，有效提高了过路管处桥面铺装病害维修质量，取得了较好的社会经济效益，说明该技术具备相当大的应用推广价值。同时总结以下经验：

第一，受桥面铺装厚度限制，过路管处桥面铺装的上覆混凝土厚度较薄，在重载车辆的作用下极易出现裂缝，并逐步发展为坑塘。维修时应突破现有铺装结构层束缚，尽可能地加厚混凝土铺装厚度，并根据结构受力特点进行配筋设计，从而提高修补部位的结构受力性能，降低其损伤概率。

第二，修复薄弱的铺装结构层时，应在满足快速开放交通的条件下，优选抗拉强度高、韧性好、耐久性能佳的修复材料。

第三，维修工程不同于一般新建工程，应特别注意接缝部位的工作性能，可采取新旧钢筋搭焊、铺设防裂贴等构造抗裂措施，延缓接缝反射裂缝的发展趋势。