陳忠華　成　猛　郭洪軍

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院　武漢　430051)

武荊高速公路東西湖互通鋼箱梁橋面鋪裝病害分析及養(yǎng)護(hù)方案

陳忠華成猛郭洪軍

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院武漢430051)

摘要針對(duì)武荊高速公路東西湖互通E匝道鋼箱梁橋面鋪裝出現(xiàn)的嚴(yán)重推移、擁包病害，分析其產(chǎn)生的原因，進(jìn)行了有限元模擬計(jì)算，提出合理的養(yǎng)護(hù)方案，并對(duì)施工后的使用效果進(jìn)行觀測(cè)。實(shí)踐證明，該養(yǎng)護(hù)方案有效解決了該鋼箱梁橋面鋪裝病害問(wèn)題。

關(guān)鍵詞鋼箱梁橋面鋪裝病害有限元防水粘結(jié)層

由于鋼橋具有建造周期短、跨越能力大、適合于工業(yè)化制造、便于運(yùn)輸、構(gòu)件易于修復(fù)和更換等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此被越來(lái)越多地采用。但由于鋼橋面鋪裝的特殊性及鋼橋面鋪裝技術(shù)的限制，鋼橋面早期損害現(xiàn)象比較普遍，目前鋼橋面鋪裝技術(shù)在我國(guó)公路建設(shè)中，成為一個(gè)熱點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題。

武荊高速公路東西湖互通是武漢外環(huán)、京珠高速和武荊高速的連接線，于2010年5月正式通車，其中E匝道有2座鋼箱梁橋，樁號(hào)分別為EK0+782～EK1+012和EK1+285～EK1+395。通車3年后，鋼橋面鋪裝層發(fā)生了嚴(yán)重推移、擁包病害，現(xiàn)針對(duì)該橋病害發(fā)生的特點(diǎn)及產(chǎn)生的原因，提出合理的養(yǎng)護(hù)方案，并對(duì)施工后的效果進(jìn)行觀測(cè)總結(jié)。

1　原橋面鋪裝層設(shè)計(jì)

原設(shè)計(jì)鋼橋面鋪裝層按雙層SMA瀝青混凝土設(shè)計(jì)，總厚度80mm，上下鋪裝層均采用40mm細(xì)粒式改性瀝青混凝土SMA-13。粘結(jié)層和防水層的結(jié)構(gòu)為：鋼箱梁橋表面拋丸處理后，設(shè)置環(huán)氧富鋅漆涂層，涂布2層反應(yīng)型防水粘結(jié)層，每層用量為0.1～0.2L/m2，最后施工橋面2層瀝青混凝土。鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　原設(shè)計(jì)鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)示意圖

2　橋面鋪裝層病害描述及原因分析

對(duì)武荊高速公路東西湖互通E匝道現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該鋼箱梁橋面出現(xiàn)了嚴(yán)重的推移、擁包病害，并且發(fā)現(xiàn)發(fā)生推移的瀝青混凝土較松散，顏色枯黃，粘結(jié)力明顯較低。

通過(guò)分析，橋面發(fā)生推移、擁包病害的主要原因有以下4點(diǎn)。

(1) 防水粘結(jié)層失效。對(duì)橋面發(fā)生病害的路段進(jìn)行開挖，發(fā)現(xiàn)整個(gè)橋面鋪裝的粘結(jié)層均已失效，鋪裝層與鋼橋面不能組成一個(gè)共同受力整體，防水粘結(jié)層已經(jīng)破壞，粘結(jié)材料完全脫落，部分鋼板裸露且發(fā)生銹蝕。

當(dāng)防水粘結(jié)層發(fā)生破壞后，瀝青混凝土鋪裝層的受力狀態(tài)逐漸由連續(xù)變?yōu)榛瑒?dòng)，內(nèi)部最大剪應(yīng)力急劇增大，當(dāng)最大剪應(yīng)力超過(guò)瀝青混凝土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，鋪筑層即發(fā)生剪切推移病害。防水粘結(jié)層失效是鋼橋面發(fā)生推移病害的主要原因之一。

(2) 瀝青混合料抗剪強(qiáng)度差。通過(guò)對(duì)發(fā)生推移的瀝青混凝土仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，混合料顏色枯黃，并且很松散。分析認(rèn)為，瀝青混凝土中瀝青用量偏少，拌和不均勻，導(dǎo)致混凝土的粘結(jié)力較差，混凝土的抗剪強(qiáng)度也較差，這也是鋼橋面發(fā)生剪切推移病害的主要原因之一。

(3) 鋼橋面噴砂除銹處理效果不佳。施工防水粘結(jié)層前，采用拋丸工藝對(duì)鋼箱梁橋表面進(jìn)行處理，由于鋼橋面材質(zhì)較硬且施工可能存在問(wèn)題，造成鋼箱梁橋面的清潔度和粗糙度不滿足設(shè)計(jì)要求，降低了防水粘結(jié)層的抗剪強(qiáng)度。

(4) 原橋面未設(shè)置排水設(shè)施。由于原橋面未設(shè)置排水設(shè)施，雨水滲入瀝青混凝土后，未能及時(shí)排出，最終聚集在瀝青層底部，在動(dòng)水壓力的作用下，防水粘結(jié)層逐漸被破壞，造成橋面鋪裝層發(fā)生推移病害。

3　水平力系數(shù)對(duì)剪應(yīng)力的影響

武荊高速公路東西湖互通E匝道的鋼橋處于曲線段，水平力荷載主要有2種類型：一種是由車輛的啟動(dòng)和制動(dòng)產(chǎn)生的；另一種是車輛在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中產(chǎn)生的，稱之為橫向水平力。彎道處的鋪裝層將在2種水平力共同作用下產(chǎn)生結(jié)構(gòu)響應(yīng)。結(jié)合東西湖互通E匝道鋼箱梁橋的實(shí)際情況，采用了有限元分析方法，模擬分析鋼橋面鋪裝與鋼板的層間受力情況。

我國(guó)現(xiàn)行最新的公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[1]中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)軸載以BZZ-100表示，采用的是單軸雙輪組荷載100kN，輪胎壓力為0.7MPa。對(duì)于水平力系數(shù)取值的研究早在1982年交通部《公路柔性路面設(shè)計(jì)方法及指標(biāo)的研究》和1986年建設(shè)部《城市道路柔性路面設(shè)計(jì)方法及指標(biāo)的研究》2個(gè)科研項(xiàng)目中進(jìn)行了研究，采用隨車儀器測(cè)定水平力系數(shù)，在車輪正常行駛或者制動(dòng)、啟動(dòng)的情況下，水平力系數(shù)f不大，一般小于0.17，但是在緊急制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎(轉(zhuǎn)彎半徑較小)或者上坡(坡度較大)時(shí)，水平力系數(shù)f可以達(dá)到0.5，甚至更高，峰值趨近于路面的摩擦系數(shù)[2]?！冻鞘械缆吩O(shè)計(jì)規(guī)范》(GJT37-90)中規(guī)定，通常情況下取f=0.2，緊急制動(dòng)時(shí)取f=0.5比較合適[3]。為考慮橋面鋪裝受力的最不利狀況，在本研究中，水平力系數(shù)取0.5。根據(jù)鋼橋的平面曲線和設(shè)計(jì)車速進(jìn)行計(jì)算，獲得橫向水平力系數(shù)一般為f=0.05～0.2，因此考慮橫向水平力系數(shù)為0～0.3。鋼橋面鋪裝與鋼板層間水平剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表1[4]。

表1不同縱、橫向水平力系數(shù)下粘結(jié)層層底最大剪應(yīng)力MPa

橫向水平力系數(shù)縱向水平力系數(shù)0.10.20.30.40.50.00.2590.2830.3010.3300.3550.10.2890.3120.3360.3600.3840.20.3180.3410.3650.3890.4120.30.3470.3750.3940.4180.442

由表1可見，水平力系數(shù)對(duì)橋面鋪裝粘結(jié)層的最大剪應(yīng)力有很大影響，較高的水平力系數(shù)將使粘結(jié)層應(yīng)力維持在一個(gè)較高的水平。當(dāng)橫向水平力系數(shù)從0增加至0.3，縱向水平力系數(shù)從0.1增加至0.5，最大剪應(yīng)力增加了70.6%。

考慮1.5倍的超載，汽車在正常行駛狀態(tài)下(縱向水平力系數(shù)f=0.2)、速度40km/h(橫向水平力系數(shù)f=0.05)行使時(shí)，橋面鋪裝將產(chǎn)生0.446MPa的剪應(yīng)力；如果考慮1.5倍的超載和緊急制動(dòng)，將產(chǎn)生0.554MPa的剪應(yīng)力。

以上分析表明，結(jié)合武荊高速東西湖互通E匝道鋼橋面鋪裝的使用環(huán)境(-5～60 ℃)，在保證一定安全系數(shù)的前提下，橋面鋪裝防水粘結(jié)層的抗剪強(qiáng)度必須滿足0.5MPa，才能有效保證橋面鋪裝在實(shí)際使用過(guò)程中不易產(chǎn)生破壞。

4　養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)方案

針對(duì)橋面瀝青鋪裝層發(fā)生的嚴(yán)重推移病害，采用重點(diǎn)增強(qiáng)防水粘結(jié)層粘結(jié)力及防水能力，然后加鋪瀝青混凝土的方法進(jìn)行處理，同時(shí)增設(shè)橋面排水措施，橋面鋪裝結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2　鋼橋面鋪裝層養(yǎng)護(hù)結(jié)構(gòu)圖

具體養(yǎng)護(hù)方案如下。

(1) 橋面處理。銑刨橋面鋪裝層瀝青混凝土，并將鋼板表面進(jìn)行噴砂除銹處理，要求清潔度達(dá)到Sa2.5級(jí)，粗糙度達(dá)到50～100μm。

(2) 防腐層。噴砂除銹后4h內(nèi)涂刷環(huán)氧富鋅漆，厚度50～100μm。

(3) 防水粘結(jié)層。防水粘結(jié)層由柔性環(huán)氧樹脂防水粘結(jié)層和反應(yīng)型防水粘結(jié)劑組成。在環(huán)氧富鋅漆達(dá)到設(shè)計(jì)要求的結(jié)合力后，進(jìn)行柔性環(huán)氧樹脂防水層施工：第一層涂刷200～300g/m2柔性環(huán)氧樹脂，撒布300～400 g/m2的0.3～0.6 mm碎石；第二層涂刷400～600 g/m2柔性環(huán)氧樹脂，撒布500～800 g/m2的1.18～2.36 mm碎石。柔性環(huán)氧樹脂固化并檢驗(yàn)合格后，涂刷反應(yīng)型防水粘結(jié)劑。粘結(jié)劑用量為：300～500 g/m2。

(4) 緩沖層。緩沖層主要由橡膠瀝青應(yīng)力吸收層組成，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層材料的用量為橡膠瀝青800～1 500g/m2，碎石8～10 kg/m2。

(5) 鋪裝層。攤鋪3.5cm厚的SBS改性瀝青SMA-13上面層+3.5cm厚的SBS改性瀝青SMA-13下面層。瀝青層間灑布PCR改性乳化瀝青0.3～0.6kg/m2作為粘結(jié)層。

(6) 橋面排水。鋪筑上、下面層瀝青混凝土?xí)r，匝道橋內(nèi)側(cè)防撞墻處增設(shè)10cm×7cm排水明溝，以排出路表水及瀝青混凝土內(nèi)部層間水。匝道橋伸縮縫內(nèi)側(cè)邊部開槽，便于將排水明溝的水排出橋外。

5　防水粘結(jié)層試驗(yàn)檢測(cè)

按橋面鋪裝設(shè)計(jì)方案，在室內(nèi)成型組合結(jié)構(gòu)試件，按照《公路鋼箱梁橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》試驗(yàn)方法[5]測(cè)試組合試件的抗剪強(qiáng)度(25 ℃)和抗拉強(qiáng)度(25 ℃)。

采用鋪裝結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法測(cè)定鋼箱梁橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度，評(píng)價(jià)鋼箱梁橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的抗剪能力。試驗(yàn)方法見圖3。采用抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法測(cè)定和評(píng)價(jià)鋼箱梁橋面鋪裝粘結(jié)材料的抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)方法見圖4。具體試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖3抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法示意圖

圖4　抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法示意圖

MPa

根據(jù)有限元模擬計(jì)算分析，東西湖互通E匝道鋼橋面鋪裝的抗剪強(qiáng)度必須大于0.5MPa。從表中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，養(yǎng)護(hù)方案中設(shè)計(jì)的防水粘結(jié)層抗剪強(qiáng)度完全滿足理論要求的0.5MPa。

6　施工后跟蹤觀測(cè)情況

武荊高速東西湖互通E匝道鋼箱梁橋面鋪裝養(yǎng)護(hù)施工于2013年11月完工，2015年5月，養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)項(xiàng)目組對(duì)該橋面鋪裝進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。從現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)看，橋面鋪裝雖然經(jīng)歷了1年多的重載交通和夏季高溫多雨、冬季低溫的惡劣環(huán)境的影響，但使用性能依然良好，沒(méi)有出現(xiàn)車轍、推移、裂縫等病害。

7　結(jié)語(yǔ)

(1) 通過(guò)分析武荊高速東西湖互通E匝道鋼箱梁橋面鋪裝出現(xiàn)的嚴(yán)重推移、擁包病害，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生的主要原因有防水粘結(jié)層失效、瀝青混合料抗剪強(qiáng)度差、鋼橋面噴砂除銹處理效果不佳和原橋面未設(shè)置排水設(shè)施所致。

(2) 有限元模擬分析結(jié)果表明，橋面鋪裝防水粘結(jié)層的抗剪強(qiáng)度必須滿足0.5MPa，才能有效保證橋面鋪裝在實(shí)際使用過(guò)程中不易產(chǎn)生破壞。

(3) 提出重點(diǎn)增強(qiáng)防水粘結(jié)層粘結(jié)力及防水能力，然后加鋪瀝青混凝土，同時(shí)增設(shè)橋面排水措施的養(yǎng)護(hù)方案。防水粘結(jié)層由柔性環(huán)氧樹脂和反應(yīng)型防水粘結(jié)劑組成，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，其抗剪強(qiáng)度完全滿足理論要求的0.5MPa。

(4) 從后期的使用情況來(lái)看，由柔性環(huán)氧樹脂和反應(yīng)型防水粘結(jié)劑組成的防水粘結(jié)層使用效果良好，該養(yǎng)護(hù)方案有效解決了東西湖互通E匝道鋼箱梁橋面鋪裝病害問(wèn)題，可為后續(xù)的鋼橋面鋪裝維修養(yǎng)護(hù)提供參考。

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收稿日期：2015-07-01

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.013