跨海大桥钢桥面铺装耐久性能研究

曹啟新

（健研检测集团有限公司，福建 厦门 361000）

0 引言

跨海大桥是当今世界上最为重要和具有挑战性的基础建设项目之一，其建设对于促进区域经济发展、加强行业竞争力和提升社会福利水平等方面有着重要的推动作用。钢箱梁凭借美观、自重轻、跨度大、强度高、装配性强、加固便捷等优势，是建设跨海大桥的常用构件，钢桥面铺装品质直接影响到桥面的使用寿命、安全性能和经济效益。因此，对跨海大桥钢桥面铺装的耐久性能进行深入研究，有着十分重要的现实意义和科学价值。

1 钢桥面铺装力学分析方法

1.1 整体力学分析方法

钢桥面铺装的应力分析是指在不同荷载作用下，对钢桥在不同位置和不同时间点的应力分布进行分析，并确定桥梁在不同荷载情况下所承受的最大弯矩[1]。根据整桥计算结果，分别建立墩顶处和跨中钢箱梁局部模型并进行有限元分析。整体力学分析结果：墩顶处钢桥面铺装层在整桥最不利荷载作用下产生的纵向拉应变大，而横向拉应变非常小，此外，在荷载作用下，钢桥会发生一定变形，而补强措施和刚度调整可以有效降低变形量[2]。

1.2 局部力学分析方法

本文采用了与整体力学分析阶段相似的方法来进行跨海大桥钢桥面铺装的局部力学分析。钢箱梁局部模型跟整体力学分析阶段的有限元模型如图1、2所示[2]。

图2 跨中局部钢箱梁有限元模型

1.3 细部力学分析

当车辆刹车时，桥面铺装将承受较大的水平荷载和横向荷载，因此桥面铺装的抗久性能直接影响到大桥整体结构安全。在细部力学分析中，需要对每个细节部分建立特定的数学模型，并进行有限元分析[3]。本文选择水平荷载系数为0.5，标准垂直荷载的作用集度为0.707MPa，则水平荷载的集度为0.354MPa，计算所得的最大应力应变结果如表1 所示。

2 关键使用参数对铺装耐久性的影响分析

2.1 钢箱梁顶板厚度对铺装受力的影响

钢箱梁顶板厚度对铺装受力有着重要影响。当钢箱梁顶板厚度较薄时，受荷载后顶板所承受的应力会更大，从而造成板面裂缝、滑移等问题[3]。当钢箱梁顶板厚度增加时，能够减缓铺装层的受力状况[4]。钢箱梁顶板厚度对铺装层受力的影响见表2。

表2 钢箱梁顶板厚度变化对铺装受力的影响

2.2 重载对铺装受力的影响

重载会对铺装受力产生显著的影响。本文对超载问题进行了分析，分析依据为：标准胎压0.707MPa，通过增加胎压集度到标准胎压的1.5 倍和2 倍，模拟在重载下的桥面铺装力学响应，具体结果见表3。

2.3 铺装层模量对铺装层受力的影响

弹性模量是描述材料抵抗弹性变形能力的物理量，它越大，代表该材料的刚度越高，能够承受更大的荷载而不会产生过大的位移[4]。本文通过改变铺装层材料的模量，计算铺装层内的剪应力/拉应变的变化，分析结果如表4 所示。

表4 铺装层模量对铺装受力的影响

2.4 铺装方案及质量控制要点

在跨海大桥钢桥面铺装的耐久性能研究中，钢箱梁顶板厚度、重载和铺装层模量是三个主要影响铺装层受力情况的因素，这些因素之间的交互作用和单独的影响程度是非常重要的。对铺装层的受力影响而言，钢箱梁顶板厚度和重载的影响较大，而铺装层模量的影响相对较小。因此，在跨海大桥钢桥面铺装的设计和施工中，需要根据不同桥梁的特点和使用环境，要综合考虑这三种因素的影响，以确定最优的铺装层设计方案。

铺装方案的选择及现场的施工质量对把控铺装层的耐久性也是至关重要的一方面，不同铺装方案直接表现出不同的工作性能、不同的路面行驶质感，甚至影响路面的使用寿命。铺装方案的选择应根据桥梁的结构特点、交通荷载、环境气候、施工条件、恒载限制等因素，结合钢桥面铺装的设计和使用经验，初步拟定钢桥面铺装组合结构的厚度及材料类型；根据初拟方案，设计材料和混合料并进行相关性能试验，测试铺装结构层材料的力学参数、高温稳定性能、界面联结性能、复合梁疲劳性能试验（常见铺装组合方案见表5）。相较于半刚性基层路面施工，钢桥面铺装层尤其要注重钢结构的防腐层、防水黏结层及保护层的施工，施工前应做好相应组织及资源配置，建立质量管理体系及控制措施，施工过程中注重钢梁表面的喷砂除锈，表面清理的质量直接影响到处理后的钢板表面质量，对基面与涂层之间的结合力有至关重要的影响。磨耗层与高温稳定性和路面行驶质感有更紧密的关系，对重载车较多、纵坡较大或公交车站区域等路段，宜提高动稳定度要求。

表5 常见铺装结构层组合方案

3 钢桥面铺装疲劳耐久性研究

3.1 试件成型

试件成型是桥梁铺装工程设计过程中的关键环节之一，其主要目的在于检验和评价结构性能是否符合规范要求。试件成型过程中应保证铺装的密度达到设计要求，该试验采用16mm 厚复合件钢板，具体如图3 所示。

图3 复合件钢板

3.2 试件保温

试件在桥面与铺装层之间的预应力释放温度一般为0，其主要原因是材料内部存在大量气泡，这些气泡对钢桥结构会产生较大影响，同时也会使混凝土开裂，因此桥梁施工中要充分考虑到外部环境因素[5]。将带钢板复合件置于试验温度保温箱中至少6h(空气浴)，以保证试件内外部的温度一致。

3.3 加载试验

试验采用恒安计算机程序控制，利用软件计算，试验结果与实际桥面铺装过程一致。桥梁结构试件在现场通过加载后进行应力、应变测量及相应处理。试验的接触压力取最大荷载的1/10。

3.4 数据采集

在试验开始时，试验设备应记录试验的作用次数、试件的竖向挠曲变形以及荷载作用过程中试件的动挠度曲线。表6 为环氧沥青铺装组合结构疲劳试验结果。

表6 环氧沥青铺装组合结构疲劳试验结果

从表6 的试验结果可以看出，大桥铺装桥面出现不稳定现象主要是由于结构的承载能力不足，在施工过程中，需要对预应力T 梁进行合理抗剪，以保证桥梁的整体质量。

4 结语

本文围绕跨海大桥钢桥面铺装的耐久性能展开了深入研究。通过力学分析方法以及疲劳性能试验，对钢桥面铺装受力机理和关键使用参数的影响进行详细探讨，并得出一系列相关结论。首先，在钢桥面铺装力学分析方法方面，提出整体、局部和细部的力学分析方法，为研究桥面铺装提供具体的分析框架。其次，对关键使用参数的影响进行分析。研究发现，钢箱梁顶板厚度、重载和铺装层模量都对铺装受力产生显著影响。最后，在钢桥面铺装疲劳耐久性研究方面，进行了组合结构疲劳性能试验，并进行了数据采集和分析。通过这些试验，更深入地了解铺装在长期疲劳荷载下的行为，并为实际工程提供了重要的参考和指导。

未来，进一步的研究可以着重在以下几个方面展开。首先，可以深入探索其他关键使用参数对铺装耐久性能的影响，扩大样本范围和研究方法，以更全面地理解铺装行为。其次，可以探索新的铺装材料和工艺，提高铺装的抗疲劳性能和耐久性。此外，还可以进一步优化铺装方案，并开展长期实际工程跟踪观测，验证研究成果的实用性和可行性。总之，通过本文的研究，对跨海大桥钢桥面铺装的耐久性能有了更深入的认识。未来的研究将进一步推动和完善桥面铺装技术，为跨海大桥的建设和维护提供更加可靠和可持续的解决方案。