鋼橋面鋪裝病害力學(xué)背景綜述

王 云

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 400074)

鋼橋面鋪裝病害力學(xué)背景綜述

王 云

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 400074)

作為橋梁行車體系的重要組成部分，鋼橋面鋪裝技術(shù)一直是大跨徑鋼橋建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文就鋼橋面力學(xué)特性研究、材料研究和整個鋪裝體系研究近20年來的發(fā)展、以及目前對于該領(lǐng)域的研究方向進(jìn)行歸納綜述。

鋼橋面；鋪裝體系；結(jié)構(gòu)特性

鋼橋中應(yīng)用最多的鋼箱梁起源于1966年英國的賽文橋，正交異性鋼面板的鋼箱梁結(jié)構(gòu)增大了橋梁的抗風(fēng)性能和抗扭剛度的同時，用鋼量少、維護(hù)方便、對于減輕自重、增大跨徑以及增強(qiáng)穩(wěn)定性方面更加顯著，歐洲現(xiàn)有1000多座正交異性鋼橋面板的橋梁，北美有100余座，日本有將近250座，我國有正交異性鋼面板的橋梁30余座，即將竣工的全長55KM的港珠澳大橋，其中也有近15Km的梁段采用鋼箱梁。

一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外對鋼橋面鋪裝的研究要早于國內(nèi)，如 P.E法，其將鋼橋面鋪裝體系分為三個子系統(tǒng)，通過分部計算然后將結(jié)果疊加并修正，得到柔性支承上正交異性板面板的靜力解。然后又對正交異性鋼橋面板進(jìn)行一系列簡化，給出了不計偏心的正交異性加勁板的位移方程；Sheikh和Mukhopadhyay用有限條方法對加勁梁的幾何非線性進(jìn)行了分析，成功的將非線性板理論應(yīng)用于正交異性加勁板的計算；Shanmugam利用能量方法研究了各向異性橋面板單向面內(nèi)荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變和位移；小西一郎將正交異性鋼橋面板看成是支承在剛度無窮大的主梁上的按等間距排列的彈性橫肋上的正交異性連續(xù)板，得出了荷載作用下正交異性加勁板位移的理論解。

鋼橋面鋪裝同樣作為國內(nèi)工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，東南大學(xué)橋面鋪裝課題組、長沙交通學(xué)院的肖秋明、王輝、同濟(jì)大學(xué)的童樂為、解放軍理工大學(xué)的帥長斌、重慶公路科研所的科研人員等，均作了研究且具有各自的研究特色。

二、鋼橋面鋪裝板受力特性

概念：縱橫向互相垂直的加勁肋連同橋面蓋板所組成的共同承受車輪荷載的結(jié)構(gòu)，由于其剛度在互相垂直的二個方向上有所不同，造成構(gòu)造上的各向異性。

1鋪裝受力分析綜述

鋼橋面瀝青混合料鋪裝層由正交異性鋼橋面板支撐，在車輛荷載作用下，正交異性鋼橋面板的變形導(dǎo)致縱向加勁肋、橫向加勁肋、縱隔板、主梁腹板等加勁部件與鋼橋面板焊接處成為高應(yīng)力區(qū)，并在這些位置處的鋪裝層產(chǎn)生較大的負(fù)彎矩，即這些位置處的鋪裝層表面出現(xiàn)拉應(yīng)力/變集中區(qū)，首先出現(xiàn)在鋪裝層表面，然后逐漸向底部發(fā)展。在縱向加勁肋、縱隔板、主梁腹板頂部的橋面鋪裝層表面會出現(xiàn)縱向裂縫，在橫向加勁肋頂部的橋面鋪裝層表面會出現(xiàn)橫向裂縫，在橫隔板與加勁肋交匯處，鋪裝層表面易出現(xiàn)網(wǎng)裂。對于鋼橋橋面鋪裝，疲勞裂縫從鋪裝層表面向底面擴(kuò)展，而對于一般的瀝青混凝土路面，瀝青混凝土面層的最大拉應(yīng)力/變均出現(xiàn)在面層底面，故疲勞裂縫是從面層的底面向頂面擴(kuò)展。

2鋼橋橋面鋪裝材料

目前國內(nèi)鋼橋面鋪裝材料一般有三種，分別為澆筑式瀝青混合料、改性瀝青混合料、環(huán)氧瀝青混合料三種。鋪裝體系可分單質(zhì)單層、單質(zhì)多層、多質(zhì)多層三類。

1)澆筑式瀝青混凝土GA

采用高含量聚合物改性瀝青或特里尼達(dá)天然湖瀝青，高含量礦粉，低空隙率（小于1%），無需防水層，抗老化，抗裂性強(qiáng)；但是GA的高溫穩(wěn)定性差，容易形成車轍，施工條件苛刻，且需要專用的施工設(shè)備，一般使用于夏季溫度不大高的地區(qū)。

2）改性瀝青混凝土SMA

在瀝青瑪蹄脂混合料的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大碎石用量，從而形成粗集料間良好嵌擠的骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)，SMA混合料中添加了纖維，使其瀝青含量、礦粉含量高，孔隙率降低至2.5%～3.5%，SMA在歐美國家中受到重視，日本多用于下層。其柔韌性、抗松散、抗裂能力強(qiáng)，具有良好的耐久性和防水性能，抗流塑和永久變形的能力強(qiáng)，不易產(chǎn)生車轍，具有粗糙的表面構(gòu)造，防滑性能好，施工要求低，施工期短，費(fèi)用較低，但是鋪裝層較厚，對集料要求高，保質(zhì)年限短。

3）環(huán)氧瀝青混凝土

環(huán)氧瀝青混凝土是通過在瀝青中添加熱固性環(huán)氧樹脂和固化劑，經(jīng)固化反應(yīng)而形成的一種強(qiáng)度高、韌性好的瀝青混凝土。其強(qiáng)度高，高溫時抗流塑和永久變形能力很強(qiáng)，低溫抗裂性能很好，具有極好的抗疲勞性能，且有高度的抵抗化學(xué)物質(zhì)侵蝕的能力，但是環(huán)氧瀝青混凝土的配制工藝比較復(fù)雜，施工中對時間和溫度要求十分嚴(yán)格，施工難度大，材料費(fèi)用較高，相關(guān)技術(shù)資料在國外多屬專利產(chǎn)品。

3 鋼橋面鋪裝病害力學(xué)背景

1)局部應(yīng)力集中與疲勞

由于鋼箱梁的正交異性，在車載作用下，橋面板局部剛度變異部位將產(chǎn)生應(yīng)力或彎矩奇變，造成局部應(yīng)力集中，在循環(huán)往復(fù)的車載作用時，形成疲勞裂縫。

2)剪切破壞

由于鋪裝層和鋼箱梁模量存在很大差異，在共同受力的情況下，接觸面間存在較大剪應(yīng)力，當(dāng)鋪裝層與橋面板層間的粘結(jié)力差、抗水平剪切能力較弱時，將產(chǎn)生破壞。

3)撓曲破壞

因車載作用或溫度變化，橋面鋪裝層表面出現(xiàn)負(fù)彎矩，進(jìn)而引起鋪裝層面層的拉應(yīng)力/應(yīng)變，當(dāng)拉應(yīng)力/應(yīng)變超出材料的抗拉極限便產(chǎn)生開裂，車輛輪載和水的滲入等因素的影響還會使裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。

4)局部沖壓破壞

由于重載和特大交通量的作用，車輪對橋面鋪裝層的局部沖擊作用導(dǎo)致在橋面鋪裝層薄弱區(qū)域，如縱縫附近或粘結(jié)層薄弱處，出現(xiàn)局部碎裂或網(wǎng)狀裂縫。

5)粘塑性永久變形

因車載反復(fù)作用以及鋪裝材料在一定環(huán)境下，如車輛超載、高溫等因素，鋪裝層在行車道形成永久變形的破壞。

5 結(jié)論

鋼橋面鋪裝在國內(nèi)經(jīng)歷了30年的研究，研究人員主要從鋼箱梁構(gòu)造、鋪裝層組合體系、鋪裝層材料方面對其進(jìn)行了大量的工作，目前仍在對諸如結(jié)構(gòu)疲勞、重載、超載等方面研究。

筆者鑒于鋼橋面鋪裝中防水粘結(jié)層的重要性，認(rèn)為對溫度工況下鋪裝體系層間效應(yīng)的分析，尤其是在高溫攤鋪下，瞬時攤鋪高溫的分析可做進(jìn)一步研究工作。

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[2]李昶，顧興宇.大跨徑鋼橋面鋪裝力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].東南大學(xué)出版社，2007

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1007-6344（2017）02-0062-01