鋼箱梁橋面鋪裝優(yōu)化設(shè)計

萬 俊，丁慶軍，胡方杰，高榮雄

(1.武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430015； 2.武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070； 3.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

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鋼箱梁橋面鋪裝優(yōu)化設(shè)計

萬 俊1，丁慶軍2，胡方杰3，高榮雄3

(1.武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430015； 2.武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070； 3.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

本文結(jié)合國內(nèi)外大跨徑鋼箱梁橋面鋪裝的常用方案及其使用效果，提出傳統(tǒng)鋪裝方案存在的主要問題。利用三階段力學(xué)分析方法研究活載作用下鋼箱梁橋面鋪裝的應(yīng)力分布特點，提出鋼箱梁橋面鋪裝的控制應(yīng)力，分析控制應(yīng)力隨鋼橋面板厚度、鋪裝層厚度等因素的變化規(guī)律。結(jié)合工程實例武漢市黃浦大街—金橋大道快速通道工程L32聯(lián)大跨連續(xù)鋼箱梁，提出了新型的鋼箱梁橋面鋪裝方案：采用輕質(zhì)高韌混凝土作為剛性下面層的鋪裝方案。該方案主要特點有：以輕質(zhì)高韌混凝土代替瀝青混凝土為鋪裝層下面層，在鋼橋面板焊接剪力件，設(shè)置集防水、粘結(jié)、應(yīng)力吸收功能于一體的高粘高彈改性瀝青功能過渡層。利用局部模型對該方案進(jìn)行受力性能分析，結(jié)合室內(nèi)試驗結(jié)果，表明本方案理論上可行。

鋼箱梁橋面鋪裝； 輕質(zhì)混凝土； 應(yīng)力分析； 高粘高彈改性瀝青

1 問題的提出

因其技術(shù)難度與復(fù)雜性，大跨徑正交異性鋼箱梁橋面鋪裝一直受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界與工程界的重視，但鋼橋面鋪裝技術(shù)并未得到較好的解決。目前，國內(nèi)的鋼箱梁橋面鋪裝普遍采用澆注式瀝青與環(huán)氧瀝青這兩種基本結(jié)構(gòu)形式相同但所取材料不同的鋪裝體系。

我國于二十世紀(jì)90年代引進(jìn)了澆注式瀝青鋪裝體系。目前我國使用該種鋪裝體系的橋梁具有代表性的是江陰長江大橋及香港青馬大橋等[1]。江陰長江大橋于1999年正式建成通車，但僅過了數(shù)月，其鋼箱梁鋪裝層表面出現(xiàn)嚴(yán)重的縱向裂縫及車轍等病害。2003年，江陰市對該橋進(jìn)行翻修，但收效甚微[2～4]。

環(huán)氧瀝青鋪裝目前造價最為昂貴，在國外的應(yīng)用效果良莠不齊。美國本富蘭克林大橋采用澆注式瀝青作為鋪裝層表面層，環(huán)氧瀝青作為鋪裝層的防水粘結(jié)層，其實際效果糟糕，病害嚴(yán)重[5]；澳大利亞西門橋橋面鋪裝脫層導(dǎo)致鋼橋面板磨損[6]；加拿大A Murray Mackay橋的病害原因是鋼板銹蝕，而引起這一現(xiàn)象的直接原因是環(huán)氧瀝青鋪裝層結(jié)構(gòu)密實度嚴(yán)重不足[7]。引進(jìn)國內(nèi)后，環(huán)氧瀝青鋪裝在南京長江二橋取得了良好使用效果，自2002年起，國內(nèi)的鋼箱梁橋普遍采用該種鋪裝體系。如2005年通車的潤揚長江大橋、2007年通車的陽邏長江大橋、2009年通車的武漢天興州長江大橋等[8]。

不過，許多工程即便采用環(huán)氧瀝青鋪裝，早期病害依舊頻繁發(fā)生。環(huán)氧瀝青鋪裝造價昂貴、施工技術(shù)要求較高，一旦超載嚴(yán)重，容易產(chǎn)生病害。

鋼箱梁橋面鋪裝存在的主要問題為鋪裝層與鋼板之間粘結(jié)性能差，鋪裝層容易產(chǎn)生推移、擁包，瀝青混凝土自身抗車轍與抗疲勞性能差等。針對問題國內(nèi)外開展了大量研究，但仍未找到適合我國地域廣闊、交通量巨大、超載問題突出等國情的鋼箱梁橋面鋪裝方案。

2 鋼箱梁橋面鋪裝活載應(yīng)力分析

本文研究基于武漢市黃浦大街—金橋大道快速通道工程L32聯(lián)鋼箱梁。該聯(lián)為100+150+100 m三跨變截面連續(xù)鋼箱梁，橋面寬26～34.3 m，位于武漢市中心城區(qū)。

鋼箱梁橋面鋪裝的受力特點與普通橋面鋪裝具有很大不同，鋪裝層與鋼箱梁橋面板共同工作、協(xié)調(diào)變形，其受力既與整橋結(jié)構(gòu)有關(guān)，也受到橋面板局部正交異性板體系的影響。由于加勁肋的局部加強(qiáng)作用，正交異性板在活載作用下的應(yīng)力應(yīng)變有很明顯的局部特征，因而鋼箱梁橋面鋪裝的各類型病害都與該體系受力變形的局部性有很大關(guān)系[9]。

以U形加勁肋鋼箱梁典型截面、典型鋼箱梁橋面鋪裝為例建立模型分析其在活載作用下應(yīng)力規(guī)律。典型鋼箱梁截面如圖1：

圖1 U形加勁肋鋼箱梁典型截面

典型鋼箱梁橋面鋪裝如圖2：

圖2 典型鋼箱梁橋面鋪裝

根據(jù)三層次模型理論，鋼箱梁橋面鋪裝受力分析所需模型從大到小為：整體結(jié)構(gòu)；鋼箱梁局部結(jié)構(gòu)；有縱橫加勁構(gòu)造的鋼橋面板。一方面由于工作量太大，另一方面受限于目前計算機(jī)的硬件性能，通過建立整橋模型來進(jìn)行鋼箱梁橋面鋪裝受力分析并不現(xiàn)實。因此，目前所采用的三層次模型理論是從整體到局部層層代入簡化分析，即：將從整橋模型中得到的力和變形作為邊界條件約束局部結(jié)構(gòu)模型，再從局部模型中剝離出正交異性板體系進(jìn)行精細(xì)分析[10]。

首先采用較大的網(wǎng)格建立整橋模型。整橋模型采用梁單元，計算結(jié)果表明整橋縱橋向最大應(yīng)變不超過120個微應(yīng)變，該應(yīng)變對材料疲勞破壞的貢獻(xiàn)很小。由于正交異性板的局部效應(yīng)很強(qiáng)，根據(jù)圣維南原理，在局部靜力作用下，橋面鋪裝的受力狀態(tài)主要與橋面板局部結(jié)構(gòu)有關(guān)，受整橋影響較小。因此，在本文中，對于橋面鋪裝的分析將不計入整橋結(jié)構(gòu)作用，僅采用有限元軟件對橋面鋪裝和橋面板進(jìn)行局部分析，采用的模型大小為：橫向包括8條加勁肋，縱向包括4塊橫隔板[11]。

橋面鋪裝層與鋼箱梁橋面板整體共同受力、協(xié)調(diào)變形。在進(jìn)行受力分析時作以下假設(shè)：(1)正交異性板及橋面鋪裝層自重不計；(2)橋面鋪裝層是各向同性材料且受力變形是完全彈性的；(3)橋面鋪裝層與鋼橋面板之間的接觸是連續(xù)且剛性的。

有限元模型中橋面鋪裝層采用SOLID65單元，其它結(jié)構(gòu)如鋼橋面板、橫隔板、加勁肋等均采用殼單元SHELL63進(jìn)行建模分析。計算參數(shù)如表1所示：

表1 有限元模型計算參數(shù)

計算模型如圖3所示：

圖3 計算模型

計算得出結(jié)構(gòu)的部分關(guān)鍵性指標(biāo)：鋪裝層與鋼橋面板接觸面橫向剪應(yīng)力、鋪裝層表面橫向拉應(yīng)力等。計算云圖如圖4、5所示：

圖4 鋪裝層與橋面板接觸面橫向剪應(yīng)力/MPa

圖5 鋪裝層表面橫向拉應(yīng)力/MPa

從圖4、5的計算結(jié)果可以看出，橋面鋪裝體系應(yīng)力應(yīng)變局部特征明顯。在以車輪荷載為中心，橫向2500 mm，縱向4500 mm的范圍內(nèi)，鋪裝層應(yīng)力應(yīng)變波動明顯。在車輪荷載作用中心附近，應(yīng)力應(yīng)變達(dá)到極值，而在該范圍以外，應(yīng)力應(yīng)變趨近于零。這也說明了模型計算范圍的選擇是合理的。同時可以發(fā)現(xiàn)，鋪裝層表面的彎拉應(yīng)力、應(yīng)變以及鋪裝層與鋼橋面板接觸面的剪應(yīng)力都在車輪荷載作用處的加勁肋頂部達(dá)到峰值。為更加準(zhǔn)確地研究鋪裝層中的應(yīng)力分布，圖6將鋪裝層與鋼橋面板接觸面的橫、縱向剪應(yīng)力以及橫、縱向彎拉應(yīng)力分別繪出進(jìn)行比較。

圖6 鋪裝層與鋼橋面板接觸面應(yīng)力分布

從圖6可以看出，在鋪裝層與鋼橋面板接觸面，橫、縱橋向彎拉應(yīng)力最大值接近，橫橋向剪應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于縱橋向剪應(yīng)力。在橫橋向坐標(biāo)中，從0.175開始，每增加0.35的距離為加勁肋所在處，如坐標(biāo)0.525、0.875、1.575等。從橫橋向剪應(yīng)力分布圖中可以發(fā)現(xiàn)，剪應(yīng)力極大值均出現(xiàn)在加勁肋支承點處，而極小值則出現(xiàn)在兩加勁肋之間。橫橋向剪應(yīng)力分布與加勁肋布置具有很明顯的對應(yīng)關(guān)系。

鋪裝層表面應(yīng)力分布如圖7所示，從圖7可以看出，鋪裝層表面的橫橋向彎拉應(yīng)力大于縱橋向彎拉應(yīng)力，這說明橫橋向彎拉應(yīng)力為鋪裝層表面的控制應(yīng)力。并且，最大彎拉應(yīng)力均出現(xiàn)在加勁肋支承點處，最大彎壓應(yīng)力出現(xiàn)在兩加勁肋之間。

圖7 鋪裝層表面應(yīng)力分布

總體分析得出，橋面鋪裝層控制應(yīng)力為橫橋向彎拉應(yīng)力及鋪裝層與鋼橋面板接觸面的橫橋向剪應(yīng)力。

為進(jìn)一步了解鋪裝層與鋼橋面板組成的正交異性體系的受力特征，通過改變計算參數(shù)進(jìn)行受力分析。改變的參數(shù)包括鋼橋面板厚度、鋪裝層厚度、加勁肋間距、橫隔板間距、瀝青彈性模量等，其他材料參數(shù)仍按表1取值。以鋪裝層表面最大拉應(yīng)力和鋼橋面板與鋪裝層接觸面最大剪應(yīng)力為分析指標(biāo)，計算結(jié)果如圖8～12所示。

圖8 控制應(yīng)力與鋼橋面板厚度變化曲線

圖9 控制應(yīng)力與鋪裝層厚度變化曲線

圖10 控制應(yīng)力與加勁肋間距變化曲線

圖11 控制應(yīng)力與橫隔板間距變化曲線

圖12 控制應(yīng)力與瀝青彈性模量變化曲線

從圖8可以看出，鋼橋面板厚度與鋪裝層應(yīng)力關(guān)系幾乎呈線性變化，說明鋼橋面板作為橋面鋪裝的直接承重構(gòu)件，其剛度直接影響鋪裝層的受力狀況。

從圖9可以看出，鋪裝層厚度與鋪裝層表面最大拉應(yīng)力成線性關(guān)系，隨著厚度的增加，最大拉應(yīng)力減小。在由橋面鋪裝層鋼橋面板組成的復(fù)合截面中，鋼板彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于瀝青彈性模量，瀝青厚度增加對整個截面的抗彎慣性矩影響很小，中性軸上移也很小。根據(jù)平截面假定，瀝青的最大和最小正應(yīng)力應(yīng)該發(fā)生在距離中性軸最遠(yuǎn)和最近的位置，即瀝青層表面和底面。因此，隨著瀝青層厚度的增加，瀝青層表面與中性軸距離增大，在截面彎矩不變的情況下，瀝青層最小拉應(yīng)力(即壓應(yīng)力)增大，瀝青層最大拉應(yīng)力減小。剪應(yīng)力與鋪裝層厚度并非成線性關(guān)系，通過數(shù)據(jù)擬合可以得出呈二次變化。

從圖10可以看出，加勁肋的間距與控制應(yīng)力變化不是線性的，從橫橋向來看，U肋與橋面板及鋪裝層組成類似于連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)，其對橋面板和鋪裝層的支撐作用與間距并不是簡單的一次關(guān)系。隨著間距的減小，單輪荷載會進(jìn)入下一對加勁肋之間，從而分擔(dān)荷載的作用，因此總體上鋪裝層應(yīng)力隨著間距的減小而變小，但并不是線性變化。

圖11是控制應(yīng)力與橫隔板間距的變化曲線。在荷載一定的情況下，將橋面縱向整體看作連續(xù)梁模型，隨著橫隔板間距的增大，相同截面的彎矩會增大，控制應(yīng)力也隨之增大，且?guī)缀鯙榫€性變化。從變化幅度來看，橫隔板間距變化對控制應(yīng)力有著很明顯的影響。

從圖12可以看出，控制應(yīng)力對瀝青彈性模量的變化非常敏感，兩者關(guān)系呈二次變化。瀝青彈性模量增大會使整體剛度增大，變形減小，但無法判斷應(yīng)力是否增大，需要綜合其他因素進(jìn)行分析。

綜合以上分析結(jié)果，加勁肋間距及瀝青彈性模量的變化對鋪裝層應(yīng)力的影響較為復(fù)雜，影響因素較多，需要綜合分析。其他因素對鋪裝層應(yīng)力的影響在一定范圍內(nèi)基本呈線性。從經(jīng)濟(jì)等角度出發(fā)，各參數(shù)取值需要合理選取。

3 鋼箱梁橋面鋪裝優(yōu)化設(shè)計

對于鋼箱梁橋面鋪裝，鋪裝下面層材料與鋼橋面板模量相差越大，接觸面剪應(yīng)力就越大，而瀝青與鋼材彈性模量相差幾個數(shù)量級。因此，傳統(tǒng)鋼箱梁橋面鋪裝普遍存在界面抗剪能力差的問題。

為解決該問題，基于橋面鋪裝材料模量梯度設(shè)計方法，本文提出了新的橋面鋪裝體系：采用高性能SMA(Stone Mastic Asphalt)作為上面層，輕質(zhì)混凝土作為剛性下面層并設(shè)置鋼筋網(wǎng)，鋼橋面板上設(shè)置剪力釘來加強(qiáng)與剛性下面層連接的新型橋面鋪裝方案，如圖13所示。剪力釘及鋼筋網(wǎng)的設(shè)置能夠加強(qiáng)輕質(zhì)混凝土下面層與鋼橋面板之間的相互約束，提高兩者共同受力、協(xié)調(diào)變形的能力，從結(jié)構(gòu)上提高鋪裝層與鋼橋面板之間的抗剪能力；采用高粘度改性瀝青制備高性能SMA面層，并采用高粘高彈改性瀝青制備集防水、粘結(jié)、應(yīng)力吸收為一體的粘結(jié)層。該新型橋面鋪裝體系各層橋面鋪裝材料彈性模量呈梯度變化，能夠大大降低橋面鋪裝的層間剪應(yīng)力及拉應(yīng)力，顯著提高使用壽命，具備優(yōu)良的行車舒適性及安全性。

圖13 新型鋪裝結(jié)構(gòu)示意

基于輕質(zhì)混凝土剛性下面層的鋼箱梁橋面鋪裝方案與目前國內(nèi)外流行的鋪裝方案相比，具有以下兩方面特點：

(1)材料

高韌性輕集料混凝土是表觀密度在1950 kg/m3以下、隔熱性能良好的新型建筑材料。橋面鋪裝下面層采用該材料具有如下優(yōu)點：

a.重量輕：其容重只有普通水泥混凝土及瀝青混凝土的70%～80%，能夠有效降低鋼箱梁恒載，或在恒載不變的情況下增加下面層厚度。

b.韌性高：通過添加聚合物和鋼纖維來顯著提高輕集料混凝土的韌性，改善其脆性，從而有效提高其抗疲勞性能。

c.變形性能良好：由于輕集料的內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，輕集料混凝土的干縮和自收縮較普通混凝土小，可有效防止因鋼板和混凝土變形不一致而產(chǎn)生的裂縫。

d.結(jié)構(gòu)致密：輕集料混凝土致密的結(jié)構(gòu)使得其抗?jié)B性能明顯優(yōu)于瀝青混凝土，有益于鋼橋面板的防腐。

e.隔熱性能良好：輕質(zhì)混凝土的集料空隙率高，具有良好的隔熱性能，能夠有效延阻熱量在鋼橋面板和橋面鋪裝層之間的傳遞，從而提高橋面鋪裝層的高溫穩(wěn)定性。

(2)結(jié)構(gòu)

該鋪裝體系最大的特點是將目前常用的瀝青混凝土下面層替換為高韌性輕質(zhì)混凝土。根據(jù)材料彈模梯度設(shè)計原理[12]，一定范圍內(nèi)，鋪裝層彎拉應(yīng)力、鋪裝層與鋼橋面板之間剪應(yīng)力均隨彈模比n(n=E鋪裝層/E鋼板，E為材料的彈性模量)的增大而減小?；谝陨咸匦?，首先在鋼橋面板(彈性模量210 GPa)上焊接剪力釘、綁扎鋼筋網(wǎng)，然后澆筑與鋼板具有較好追從性的高韌性輕質(zhì)混凝土作為鋪裝下面層(彈性模量約為25～28 GPa，韌性指數(shù)η30>25，厚度5～8 cm)，上面層為SMA-13高粘度改性瀝青混凝土(彈性模量1.2～1.8 GPa，厚度4～5 cm)，從而形成彈性模量呈梯度變化的復(fù)合結(jié)構(gòu)鋪裝層。在輕質(zhì)混凝土下面層中，剪力釘與鋼筋網(wǎng)構(gòu)成橋面抗推骨架，在提高下面層高韌性輕質(zhì)混凝土抗滑移能力的同時，使行車荷載作用于鋼橋面的各向應(yīng)力均勻傳遞，進(jìn)一步提高了鋪裝層與鋼橋面板之間的協(xié)同變形能力和抗疲勞性能。在橋面鋪裝上、下面層間熱灑采用高粘高彈改性瀝青制備而成的防水粘結(jié)應(yīng)力吸收層(瀝青灑鋪量控制在1.8～2.2 kg/m2，同時撒布粒徑為9.5～13.2 mm的碎石層)，顯著提高了輕質(zhì)混凝土下面層與瀝青鋪裝上面層之間的界面粘結(jié)強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，同時能有效防止水的滲透造成剪力釘、鋼筋網(wǎng)以及鋼箱梁頂板銹蝕。此外，在下面層混凝土出現(xiàn)裂縫之后，應(yīng)力吸收層能夠在一定程度上吸收裂縫應(yīng)力集中處的不均勻應(yīng)力，延緩裂縫發(fā)展，并阻止裂縫向上擴(kuò)展。

目前，該新型鋼箱梁橋面鋪裝體系適用于中、小跨徑鋼箱梁，大跨徑鋼箱梁的使用效果尚未得到檢驗。對于小跨徑鋼箱梁，輕質(zhì)混凝土鋪裝下面層也可采用普通鋼纖維混凝土代替。

武漢市黃浦大街—金橋大道快速通道工程L32聯(lián)鋼箱梁橋面鋪裝如采用環(huán)氧瀝青鋪裝，造價將非常昂貴，且施工作業(yè)面受限，施工質(zhì)量難以保證。因此，設(shè)計采用上述新型鋪裝方案：剛性下面層采用6 cm厚輕質(zhì)高韌混凝土，粘結(jié)層采用1 cm厚高粘高彈改性瀝青防水粘結(jié)應(yīng)力吸收層，上面層采用4 cm厚高粘度改性瀝青SMA-13。

選取由鋼箱梁橋面鋪裝與鋼橋面板組成的局部正交異性板體系進(jìn)行分析。有限元模型假定及參數(shù)如前文，上面層瀝青混凝土及下面層輕質(zhì)混凝土的模擬均采用實體單元SOLID65，鋼筋網(wǎng)采用整體建模，在實體單元中考慮配筋率；剪力釘?shù)哪M采用PIPE20單元。其余各參數(shù)詳見表2所示。有限元模型示意圖如圖14所示。

表2 模型材料參數(shù)

圖14 橋面鋪裝有限元模型

部分計算結(jié)果云圖如圖15～18所示：

圖15 鋪裝層橫向彎拉應(yīng)力云圖

圖16 上下面層接觸面剪應(yīng)力云圖

圖17 下面層與鋼橋面板接觸面剪應(yīng)力云圖

圖18 彎沉變形云圖

主要指標(biāo)計算結(jié)果如表3所示：

表3 主要計算結(jié)果

根據(jù)前文鋼箱梁橋面鋪裝活載應(yīng)力分析，選取面層最大拉應(yīng)力、層間最大剪應(yīng)力及彎沉作為設(shè)計指標(biāo)，與前文計算結(jié)果進(jìn)行對比如表4所示：

表4 設(shè)計指標(biāo)對比

橋面鋪裝表面縱橫向拉應(yīng)力大小與裂縫的產(chǎn)生有著直接關(guān)系。輕質(zhì)混凝土鋪裝層表面拉應(yīng)力小于普通鋼箱梁橋面鋪裝，且遠(yuǎn)小于高強(qiáng)輕質(zhì)鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度5.1 MPa。因此，采用輕質(zhì)混凝土作為橋面鋪裝下面層滿足鋼箱梁橋面鋪裝對材料抗拉強(qiáng)度的要求。

對于層間最大剪應(yīng)力，新型鋪裝方案輕質(zhì)混凝土下面層與鋼橋面板接觸面的層間最大剪應(yīng)力為1.376 MPa，普通鋪裝方案層間最大剪應(yīng)力發(fā)生在瀝青與鋼橋面板接觸處，為1.960 MPa，這是因為輕質(zhì)混凝土的彈性模量比瀝青大一個數(shù)量級，隨著模量比的增大，層間剪應(yīng)力會減小。這體現(xiàn)了基于材料模量梯度設(shè)計理論的輕質(zhì)混凝土鋪裝方案在結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)越性。此外，輕質(zhì)混凝土鋪裝方案在橋面板上設(shè)有剪力釘和鋼筋網(wǎng)，其抗剪性能優(yōu)于普通鋪裝方案。在實際使用過程中，輕質(zhì)混凝土鋪裝脫層、推移等病害發(fā)生較少，使用效果良好。

值得一提的是，江西六國曾經(jīng)歷過一場“黑天鵝”事件。2015年江西六國在開展化肥保兌倉業(yè)務(wù)時，被吉林天馬及其法定代表人、副總經(jīng)理等采取欺騙手段非法騙取和占有連本帶息合計約6831萬元資金，由于可回收金額不確定，江西六國出于謹(jǐn)慎性考慮2015年對該款項全額計提壞賬準(zhǔn)備。為挽回?fù)p失，江西六國向公安機(jī)關(guān)報案，吉林天馬法定代表人、副總經(jīng)理被批捕，2016年3月公安機(jī)關(guān)將案件移交檢察院，2016年12月當(dāng)?shù)貦z察院向當(dāng)?shù)厝嗣穹ㄔ禾崞鹦淌略V訟，案件正在審理中，尚未終審。

路面彎沉反映了路面各層的整體剛度，且該指標(biāo)測量方便，應(yīng)用廣泛。雖然鋼箱梁橋面鋪裝不同于一般的剛性或柔性路面，鋪裝層下面是正交異性板結(jié)構(gòu)，但是彎沉仍然能夠反應(yīng)鋼箱梁橋面鋪裝的局部剛度，也能反應(yīng)鋪裝層的使用性能。由于剪力釘和鋼筋網(wǎng)的存在，輕質(zhì)混凝土橋面鋪裝彎沉較小。同時，高強(qiáng)、高韌輕質(zhì)混凝土的采用，也使鋼箱梁橋面鋪裝的整體剛度和使用性能得到顯著提升。

4 力學(xué)性能試驗

4.1 輕質(zhì)高韌性混凝土力學(xué)性能試驗

橋面鋪裝下面層采用輕質(zhì)混凝土，由于剛性下面層受力環(huán)境的復(fù)雜性，對輕質(zhì)混凝土的性能提出較高要求，具體指標(biāo)如表5所示：

表5 輕質(zhì)混凝土性能要求

通過在輕質(zhì)混凝土中摻入聚合物、鋼纖維等外加劑，使用復(fù)合增韌技術(shù)制備出輕質(zhì)高韌混凝土。輕質(zhì)混凝土力學(xué)性能試驗參照規(guī)范《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行。試件尺寸如表6所示：

表6 輕質(zhì)混凝土力學(xué)性能試件尺寸

輕質(zhì)混凝土彎曲韌性試驗采用10 t壓力機(jī)，加載速度為0.05 mm/s。試驗圖片如圖19所示：

圖19 輕質(zhì)混凝土彎曲韌性試驗

通過對摻入不同含量鋼纖維的混凝土進(jìn)行彎曲韌性試驗，得出輕質(zhì)混凝土中鋼纖維的最佳摻入量，試驗結(jié)果如圖20所示。

圖20 鋼纖維混凝土韌性指數(shù)曲線

由圖20可以看出，隨著混凝土中鋼纖維含量的增加，混凝土韌性指數(shù)變大，韌性增強(qiáng)效果明顯。對于輕質(zhì)混凝土，鋼纖維的摻入將使密度變大，過大摻入量會增加自重且成本很高，因此推薦鋼纖維摻入量為0.6%～1.0%。

對不同強(qiáng)度等級的輕質(zhì)高韌混凝土進(jìn)行力學(xué)試驗，得出其力學(xué)性能指標(biāo)如表7所示：

表7 輕質(zhì)混凝土力學(xué)性能指標(biāo)

4.2 高粘瀝青SMA-13力學(xué)性能試驗

橋面鋪裝上面層SMA-13采用高粘高彈改性瀝青進(jìn)行制備，通過試驗，得出其各項性能指標(biāo)如表8所示：

表8 SMA-13性能指標(biāo)

圖21 SMA-13抗剪試驗

綜合分析試驗結(jié)果，新型橋面鋪裝方案中兩種關(guān)鍵材料的各項性能指標(biāo)均能滿足有限元理論分析中最不利條件下的受力要求。

5 結(jié) 論

(1)分析了典型的鋼箱梁橋面鋪裝結(jié)構(gòu)。通過有限元軟件ANSYS建模分析活載作用下鋼箱梁橋面鋪裝及鋼橋面板局部體系應(yīng)力分布特點，確定鋼箱梁橋面鋪裝的控制應(yīng)力為橫橋向彎拉應(yīng)力及鋪裝層與鋼橋面板接觸面的橫橋向剪應(yīng)力，并深入分析了控制應(yīng)力與鋪裝層厚度、鋼橋面板厚度等的關(guān)系。

(2)提出了新型的鋼箱梁橋面鋪裝方案：基于輕質(zhì)混凝土剛性下面層的橋面鋪裝方案。這種新型鋪裝結(jié)構(gòu)能夠顯著提高上面層的耐磨性能、抗車轍能力、鋼橋面板與鋪裝層接觸面的抗剪能力以及下面層的抗裂性能、強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定性等，同時能夠提高鋪裝層與鋼橋面板共同工作的能力和橋面鋪裝整體剛度。

(3)利用有限元模型得出輕質(zhì)混凝土鋪裝方案各應(yīng)力理論計算值，與一般鋼箱梁橋面鋪裝方案進(jìn)行對比分析。基于材料模量梯度設(shè)計原理的復(fù)合結(jié)構(gòu)鋪裝方案在鋪裝層應(yīng)力及彎沉等技術(shù)指標(biāo)上優(yōu)于一般鋪裝方案，理論上完全滿足要求。

(4)對輕質(zhì)混凝土鋪裝方案中的兩種關(guān)鍵材料：輕質(zhì)高韌性混凝土和高粘度改性瀝青SMA-13的性能進(jìn)行試驗，結(jié)果表明各項性能均滿足最不利條件下的受力要求。

目前，該鋪裝方案已在武漢市黃浦大街—金橋大道快速通道工程L32聯(lián)鋼箱梁得到成功應(yīng)用。該工程已通車五年，L32聯(lián)鋼箱梁橋面鋪裝運營狀況良好，暫未發(fā)現(xiàn)任何病害。

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Optimization Design for Steel-box Girder Bridge Deck Pavement

WANJun1,DINGQing-jun2,HUFang-jie3,GAORong-xiong3

(1.Wuhan Municipal Engineering Design and Research Institute Co Ltd, Wuhan 430015, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 3. School of Civil Engineering and Mechanics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

This thesis puts forward the main problems existing in the traditional paving plan based on the using effect of the commonly used scheme of long-span steel box girder bridge deck pavement in the domestic and overseas. The stress distribution of steel-box girder deck under live load has been studied and put forward the control stress of steel box girder deck and then analyzed the variation between the control stress and the factors such as the steel deck thickness and pavement layer thickness by using three stage mechanical analysis methods. A new steel deck pavement scheme has been proposed: the pavement program uses lightweight high-ductile concrete as a rigid layer, based on engineering example:L32 unit of long span continuous steel box girder projects of Jinqiao Road. The main features of the program are that: the pavement below layers are lightweight high-ductile concrete instead of asphalt concrete, and the steel deck plate has welded shear parts of high-elasticity high-viscosity modified asphalt intermediate layer which has the function of water proof, cementation, stress-absorbing.By the mechanical analysis to this program and the combination of the laboratory test results, the program is theoretically possible.

steel-box girder bridge deck; lightweight concrete; stress analysis; high-elasticity high-viscosity modified asphalt

2016-01-26

2016-03-18

萬 俊(1980-)，男，江西南昌人，高級工程師，碩士，研究方向為橋梁工程(Email: 12004599@qq.com)

U443.33

A

2095-0985(2016)05-0006-08