長大寬幅橋梁橋面鋪裝設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

張 偉

(武漢交通工程建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430000)

1 工程概況

武漢市南四環(huán)線(四環(huán)線龔家鋪至中洲段)，路線起于江夏區(qū)龔家鋪，接四環(huán)線沌口長江大橋段，止于江夏區(qū)中洲村，與滬渝高速公路相接，路線全長約17.190 km，為雙向八車道高速公路，設(shè)計(jì)速度100 km/h。全線橋梁長度約16.796 km，占路線長度97.7%，單幅寬20.5 m。

2 原設(shè)計(jì)方案及不足

本項(xiàng)目橋面鋪裝采用瀝青混凝土，瀝青混凝土路面的設(shè)計(jì)年限為15年，車道累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN，作用次數(shù)Ne=2.56×107次，屬特重交通。原設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 原設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)一覽表

原設(shè)計(jì)方案存在的不足如下：

1)鋼箱梁與混凝土箱梁橋面鋪裝結(jié)構(gòu)不一致，增加施工難度。

2)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)及防水粘結(jié)層設(shè)計(jì)針對(duì)性有待加強(qiáng)。

3)未考慮長大寬幅橋梁的中央防撞護(hù)欄、路緣帶、伸縮縫等橋面細(xì)部防排水處理。

3 橋面鋪裝設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 鋪裝層優(yōu)化設(shè)計(jì)方案介紹

由于本項(xiàng)目鋼箱梁總計(jì)310 m，占比較低，為便于施工，且考慮施工連續(xù)性，本次優(yōu)化將鋼箱梁橋面鋪裝結(jié)構(gòu)與混凝土橋面統(tǒng)一。根據(jù)《湖北省高速公路路面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)意見》，結(jié)合國內(nèi)大橋、特大橋常用橋面鋪裝材料，擬定表2的三種鋪裝方案進(jìn)行比較[1,2]。

3.2 鋪裝層優(yōu)化設(shè)計(jì)方案比選

3.2.1材料性能比選

表2 三種鋪裝方案

1)連續(xù)式密級(jí)配瀝青混合料(AC)。

AC是我國最常用的一種級(jí)配，因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)豐富，技術(shù)成熟，在我國使用的很多。主要優(yōu)點(diǎn)是具有良好的力學(xué)性能和較好的泌水性。其缺點(diǎn)是：AC型瀝青混凝土為一種密實(shí)型瀝青混凝土結(jié)構(gòu)，是連續(xù)結(jié)構(gòu)，其礦料級(jí)配按最大密實(shí)原則設(shè)計(jì)，混合料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性主要取決于瀝青與礦料之間的粘聚力，因此，受瀝青的性質(zhì)影響較大，結(jié)構(gòu)高溫穩(wěn)定性較差。

SMA是一種間斷級(jí)配骨架嵌擠型密實(shí)結(jié)構(gòu)混合料，由瀝青穩(wěn)定添加劑、礦粉及少量細(xì)集料組成的瀝青瑪脂填充間斷級(jí)配的碎石骨架組成，它的最基本組成是碎石骨架和瀝青瑪脂兩部分。其主要優(yōu)點(diǎn)是：高溫抗車轍能力好、疲勞壽命較高、耐久性較好、抗磨耗及抗滑能力較好。缺點(diǎn)是施工工藝較復(fù)雜、原材料質(zhì)量要求高、工程造價(jià)高。

3)高性能瀝青混合料(Superpave)。

Superpave是美國戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃的成果之一，是一種全新的瀝青混合料設(shè)計(jì)方法，實(shí)驗(yàn)室級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)與AC，SMA的設(shè)計(jì)成型方式不同，它采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)，用的是體積設(shè)計(jì)法。與AC相比，其優(yōu)點(diǎn)是路用性能優(yōu)、抗水損害性能好、耐久性好。其缺點(diǎn)是：國內(nèi)規(guī)范沒有關(guān)于Superpave瀝青混合料的技術(shù)要求及控制指標(biāo)，相關(guān)要求需參考其他類似工程。

3.2.2經(jīng)濟(jì)比較

路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮經(jīng)濟(jì)效益，在滿足使用性能的情況下，要考慮成本，控制造價(jià)。三種方案單價(jià)表如表3所示。

表3 三種方案單價(jià)表 元/m2

由表3可知，方案一：145.92元/m2<方案三：157.32元/m2<方案二：187.24元/m2。方案三的單價(jià)略高于方案一。

綜合上述經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，SMA-20高溫抗車轍能力好、疲勞壽命較高、耐久性較好、抗磨耗及抗滑能力較好,性能最優(yōu)，但造價(jià)高。與AC-20C相比，Superpave-20造價(jià)略高，但使用性能和耐久性更優(yōu)。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案推薦采用方案三，即橋面鋪裝上面層采用4 cm厚SBS改性瀝青瑪脂碎石SMA-13、下面層采用6 cm厚中粒式SBS改性瀝青混凝土Superpave-20。

4 橋面防水粘結(jié)層設(shè)計(jì)優(yōu)化

防水粘結(jié)層是橋面鋪裝體系的關(guān)鍵層位，設(shè)置于水泥混凝土板和瀝青鋪裝層之間，必須具備足夠的防水性能、良好的高低溫性能、良好的粘結(jié)強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度、耐鹽害的能力[3,4]。與路基相比，橋面環(huán)境惡劣，冬季氣溫低，夏季氣溫高，對(duì)防水粘結(jié)層的質(zhì)量要求更高。下面將幾種常用的橋面防水粘結(jié)層進(jìn)行比較。

1)改性乳化瀝青稀漿封層。

乳化瀝青稀漿封層應(yīng)用較廣，其固化成型后混合料空隙率低，防水性能較好。另外，稀漿具有良好的流動(dòng)性，能灌滿原橋面細(xì)小裂紋，可起到封閉裂紋的作用。但是稀漿封層也有弊端，因?yàn)橄{封層屬于剛性材料，常溫呈脆性，因此在行車荷載的沖擊和橋面反射裂縫作用下，可能會(huì)出現(xiàn)裂縫，從而影響其防水效果。

2)SBS改性瀝青同步碎石封層。

SBS改性瀝青同步碎石封層是采用智能型同步碎石封層車或智能型瀝青灑布車噴灑SBS改性熱瀝青或橡膠瀝青，然后同步撒布覆蓋率60%單粒徑碎石，最后采用膠輪壓路機(jī)碾壓形成的一種結(jié)構(gòu)性防水粘結(jié)層。同步碎石封層具有防水性能好，能減少反射裂縫，工序簡(jiǎn)單，施工速度快等優(yōu)點(diǎn)。

3)水性環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)層。

水性環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)層性能特點(diǎn)主要表現(xiàn)為優(yōu)良的粘結(jié)性能、可靠的防水性能、優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性能、優(yōu)異的耐老化特性，并且具有很好的滲透性，對(duì)于橋面板的微裂縫具有很好的修復(fù)作用。水性環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)層在鋪裝層碾壓作用下容易造成局部損壞。另外，水性環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)造價(jià)較高。

按照J(rèn)TG D50—2017公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范8.2.4條，綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案采用SBS改性瀝青同步碎石防水層。

5 橋面細(xì)部防排水設(shè)計(jì)優(yōu)化

5.1 防撞護(hù)欄底部增加止水帶

中央防撞墻根部與瀝青混凝土的接觸面(高度為10 cm)，常規(guī)做法為攤鋪前涂刷一層乳化瀝青，但由于防撞墻上窄下厚，經(jīng)大量試驗(yàn)效果欠佳，接觸面縫隙仍容易進(jìn)水，流入的水滯留于橋面混凝土與瀝青混凝土之間，影響防水粘結(jié)層的耐久性。為此，本次優(yōu)化方案在護(hù)欄與鋪裝層的接觸部位增加止水帶，該止水帶在瀝青混合料攤鋪時(shí)的高溫下自融，從而起到防水作用。乳化瀝青、止水帶防水處理效果圖見圖1。

5.2 路緣帶層間灑布熱瀝青

由于橋梁中央防撞護(hù)欄的限制，壓路機(jī)碾壓時(shí)，靠近護(hù)欄一定范圍內(nèi)(路緣帶)難以碾壓充分，孔隙率較大，從而成為雨水進(jìn)入鋪裝層內(nèi)部的途徑。由路表面流入的水滯留于路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)或?yàn)r青混凝土與水泥混凝土層間，在車輛荷載作用下，該部位瀝青混凝土極易產(chǎn)生水損害，嚴(yán)重影響使用性能和耐久性。為防止雨水進(jìn)入粘結(jié)層，使水順利沿瀝青層間排出，中面層瀝青混合料鋪設(shè)碾壓完成后，在防撞墻100 cm范圍灑布熱瀝青(1.5 kg/m2～1.6 kg/m2)。灑布熱瀝青效果圖見圖2。

5.3 伸縮縫處設(shè)置橫向?qū)?/h3>

伸縮縫鋼纖維混凝土與瀝青混凝土接頭處(橋面縱坡最低點(diǎn))易產(chǎn)生積水，而自由水的存在將降低鋪裝材料的強(qiáng)度，并且在鋪裝層內(nèi)部形成很高的車載動(dòng)水壓力，破壞橋面鋪裝，產(chǎn)生裂縫、松散、坑洞等破壞。據(jù)調(diào)查，在橋梁伸縮縫上游1 m～2 m部位均產(chǎn)生了沉陷、滲水及坑洞等破壞[5]。為解決這一問題，在伸縮縫鋼纖維混凝土與瀝青混凝土接頭處設(shè)置帶滲流孔的橫向?qū)?，通過橫向?qū)軐⒋颂幏e水排至橋面明溝內(nèi)或橋梁護(hù)欄外。增加橫向?qū)艿纳炜s縫斷面圖和平面圖如圖3,圖4所示。

6 結(jié)語

通過使用性能及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，確定橋面最優(yōu)鋪裝結(jié)構(gòu)為：4 cm SBS改性瀝青瑪脂碎石SMA-13+6 cm SBS改性瀝青混凝土Superpave-20，防水粘結(jié)層結(jié)構(gòu)采用SBS改性瀝青同步碎石封層。此外，通過中央防撞墻根部增設(shè)止水帶、路緣帶層間撒布熱瀝青、伸縮縫處增加橫向?qū)苋N措施優(yōu)化瀝青路面排水，解決防撞墻根部雨水易進(jìn)入瀝青層間、伸縮縫處排水不暢問題。