大跨径钢桥桥面铺装关键技术研究

1、大跨径钢桥桥面铺装关键技术研究汇报人：吴 传 海完成单位：广东省交通集团有限公司 广东省路桥建设发展有限公司 广东省长大公路工程有限公司 华 南 理 工 大 学 广东华路交通科技有限公司 主要内容1 立项背景与总体思路一 钢桥面铺装材料试验研究三5 主要研究成果及展望四 钢桥面铺装结构分析与设计二立项背景与总体思路立项背景及意义1面临的技术难题2国内外研究现状3课题研究总体思路4立项背景与总体思路一.立项背景与总体思路立项背景及意义1自上世纪90年代末以来，由于新材料和新结构的广泛应用，我国开始大规模的悬索桥、斜拉桥等大跨径钢桥建设，固定资产投入超过8000亿元人民币，为国家的经济建设发挥了巨

2、大作用。十二五规划中，我省还面临着多座大跨径钢桥建设重任，其中包括虎门二桥、港珠澳大桥、中深通道、琼州海峡大桥等多座跨海公路特大桥梁的建设，投资规模超过3000亿元人民币。2面临的技术难题一.立项背景与总体思路钢桥面铺装的早期损坏是我们面临的一个非常严峻的技术难题，其严重制约了这些规模巨大的固定资产效益的发挥，也已成为了公路建设中的一个社会关注焦点（如武汉某长江大桥）！2面临的技术难题一.立项背景与总体思路由于桥面铺装直接铺筑在刚度相对较低的钢桥面板上，桥面铺装对气候条件、交通荷载特点、桥面板结构刚度等因素非常敏感，其受力、变形及运营环境远较公路路面或机场道面复杂，因而对其强度、柔韧性、高温稳

3、定性及疲劳耐久性等均有更高的要求。3 国内外研究现状大跨径桥梁桥面铺装受力主要是分析轮载作用下铺装结构的局部问题，如果在整桥模型中来分析桥面板的局部变形，需要划分单元网格较小，对计算机性能要求较高，而且计算效率低。国内外一般采用独立梁段法不能反映大跨径桥梁整体影响，而且缺少实桥检测校核。一.立项背景与总体思路3 国内外研究现状一.立项背景与总体思路目前国内外常用环氧沥青包括温拌环氧沥青和热拌环氧沥青，以东南大学为主的研究机构在我国长三角等地区主要推荐选用了温拌环氧沥青（如ChemCo环氧沥青），温拌环氧沥青模量相对较低，容易产生鼓包开裂病害，而且施工控制难度大，养生时间较长，难以用于维修工程；

4、原有热拌环氧沥青存在变形能力相对较低的问题。3 国内外研究现状一.立项背景与总体思路 国内外环氧沥青混合料一般采用玄武岩，因集料资源和运输等问题造成环氧沥青混合料集料成本非常高。3 国内外研究现状一.立项背景与总体思路 国内外ChemCo环氧沥青铺装施工中粘结层洒布、TAF环氧沥青铺装施工中环氧树脂注入、压路机的实时清理均为人工操作，施工效率低、质量不稳定、不利于安全。4 课题研究总体思路主要针对高温气候环境、重载交通、薄桥面板特点，从调研总结、桥面铺装力学分析、铺装材料设计、施工技术控制等方面进行系统研究。项目研究中尤其加强了钢桥面板、铺装层结构一体化设计研究，加强了铺装结构设计、铺装材料设

5、计、施工技术的一体化系统研究，从整体和系统的原则出发解决钢桥面铺装问题。 一.立项背景与总体思路钢桥面铺装结构分析与设计二.钢桥面铺装结构分析与设计钢桥面铺装结构试验与分析1钢桥面铺装结构优化分析与设计2虎门大桥钢桥面铺装维修方案4湛江海湾大桥钢桥面铺装设计方案31钢桥面铺装结构试验与分析二.钢桥面铺装结构分析与设计 目的：对汕头礐石大桥的正交异性钢桥面铺装进行了实桥力学试验检测研究，一方面为桥面铺装材料设计提供直接可靠的力学性能指标要求，另一方面对桥面铺装力学计算模型进行校核，提高理论分析的精确度。 内容：首先对桥面板下表面的横、轴两个方向静态、动态应变，以及桥面板局部振动频率进行试验检测。

6、然后对桥面铺装层上表面横、轴两个方向静态、动态应变进行检测，通过此项检测分析桥面铺装层表面受力状态，为桥面铺装材料设计提供可靠的数据。桥面铺装表面、桥面板下表面的应变布置图分别见图1、图2。 1二.钢桥面铺装结构分析与设计钢桥面铺装结构试验与分析图1 桥面板下表面应变及振动检测位置布置图 图2 桥面铺装表面应变检测位置布置图1二.钢桥面铺装结构分析与设计钢桥面铺装结构试验与分析图3 实际桥面铺装表面应变检测位置布置照片图4 桥面铺装表面进行切槽处理照片1二.钢桥面铺装结构分析与设计钢桥面铺装结构试验与分析图5 应变粘贴布置照片图6 试验加载照片1二.钢桥面铺装结构分析与设计钢桥面铺装结构试验与

7、分析图7 桥面板下表面检测点布置照片图8 桥面板下表面检测照片1根据桥面铺装检测数据及数值模拟分析表明,沥青混凝土桥面铺装在静载或重复荷载作用下表现出显著的粘弹性； 1改性沥青SMA桥面铺装应变检测与数值模拟分析比较分析表明，基本可以按照铺装材料的均质弹性假设进行静力计算，模拟行驶车辆轮载作用下桥面铺装的瞬间动态受力状态，可以满足工程设计需要。 3检测分析表明，桥面铺装结构在轮载作用下的变形状态，受到轮载水平、车速、初始应变水平、桥面坡度、桥面温度等因素影响； 2二.钢桥面铺装结构分析与设计钢桥面铺装结构试验与分析2钢桥面铺装结构优化与设计二.钢桥面铺装结构分析与设计 桥面铺装所承受的作用包括

8、桥面板变形作用及轮载的直接作用。本课题针对桥面铺装的受力特点，分为三个层次进行力学分析，即桥梁整体变形、桥面板局部变形、及铺装层结构内部受力分析，这里简称三层次法。同时对粘结层作用及相关参数的敏感性进行分析。 2钢桥面铺装结构优化与设计二.钢桥面铺装结构分析与设计图9-a 整桥计算模型视图图9-b 梁段子模型视图图9-c 铺装结构局部计算模型视图2钢桥面铺装结构优化与设计二.钢桥面铺装结构分析与设计 10mm厚2000MPa刚度过渡层有限元模型X方向应变分布图2钢桥面铺装结构优化与设计二.钢桥面铺装结构分析与设计 铺装材料弯拉模量随温度变化曲线 环氧沥青铺装层顶面横向应变随铺装模量变化曲线2钢

9、桥面铺装结构优化与设计二.钢桥面铺装结构分析与设计铺装层顶面横向拉应变受超载影响比较 铺装层剪应力受超载影响比较2铺装结构刚度过渡层的厚度、模量对铺装层的受力状态有显著影响，主要表现随着刚度过渡层模量和厚度的增加，铺装结构拉应变显著降低，有利于改善铺装结构受力状态。 1钢桥面铺装的横向拉应变和层间剪应力受超载影响显著，钢桥面铺装的横向拉应变和层间剪应力与超载程度基本成线性关系，因此应严格控制超载对钢桥面铺装造成不利影响。 3环氧沥青混凝土具有高模量、低蠕变柔量、高温稳定性的特点，而且环氧沥青混凝土与钢桥面粘结牢固，可以考虑作为钢桥面铺装的刚度过渡层材料或整体铺装材料。 2二.钢桥面铺装结构分析

10、与设计钢桥面铺装结构优化与设计3湛江海湾大桥钢桥面铺装设计方案二.钢桥面铺装结构分析与设计 湛江海湾大桥为一级公路兼顾城市快速道路，双向四车道，远期考虑六车道划线，计算行车速度80km/h。大桥设计标准是：设计荷载汽车超20，验算荷载挂车120。 正交异性桥面系的桥面钢板厚度为14mm；梯形加劲肋厚度6mm，两相邻加劲肋中心间距600mm；横隔板间距为3200mm，厚度为12mm。 桥址处极端最高温度为38.1，年平均温度为23.1C。3整桥在满布荷载作用下桥面板产生的应变峰值低于190，并且大部分低于65，而且整桥满布荷载作用变形属于周期长、低频率情况。因此，在桥面铺装设计中基本可以不考虑整

11、桥变形对铺装层的影响，而主要是考虑桥面局部受力变形的作用。 1对铺装刚度过渡层模量、厚度优化分析表明，随着刚度过渡层模量、厚度的增加拉应变降低，而且拉应变沿铺装层厚度方向分布的趋于平缓，突变减小。适当增加刚度过渡层的厚度和模量可以有效改善铺装层的受力状态，降低铺装层底面、顶面的应变水平，有利于提高上面层材料的抗疲劳性能。 3通过对湛江海湾大桥桥面铺装层间剪应力分析，刚度过渡层模量在50015000MPa时，刚度过渡层与桥面板间粘结层剪应力在0.51.6MPa之间，刚度过渡层与磨耗层之间剪应力在0.50.65MPa之间。应注意加强粘结层材料的粘结和抗剪强度研究设计。 2对桥面钢板厚度、加劲肋钢板

12、厚度进行敏感性分析表明，桥面板厚度对铺装层顶面的影响比加劲肋的厚度影响显著，应进行桥面板厚度、加劲肋厚度的经济和技术两方面比较优化的组合设计。 4二.钢桥面铺装结构分析与设计湛江海湾大桥钢桥面铺装设计方案3湛江海湾大桥钢桥面铺装设计方案二.钢桥面铺装结构分析与设计 根据国内外钢桥面铺装调研分析，湛江海湾大桥桥面铺装力学分析，以及室内材料试验评价数据，对ChemCo、TAF环氧沥青混凝土、高粘度改性沥青SMA、ROSPHALT改性沥青混凝土、浇注式沥青混凝土等不同桥面铺装方案进行了比较分析。综合考虑铺装材料性能、工程经验、施工技术、寿命周期造价等方面因素，推荐湛江海湾大桥钢桥面行车道铺装采用右图

13、方案（I）。 25mm ChemCo环氧沥青混凝土环氧沥青粘结层 0.45L/m225mm ChemCo环氧沥青混凝土环氧沥青粘结层 0.68L/m2环氧富锌防锈层（6080m）钢板喷砂除锈Sa3.0级，粗糙度5010014mm 钢板 方案（I）50mm厚双层环氧铺装方案3湛江海湾大桥钢桥面铺装设计方案二.钢桥面铺装结构分析与设计 湛江海湾大桥钢桥面铺装状况（2010.04）4虎门大桥钢桥面铺装维修方案二.钢桥面铺装结构分析与设计 虎门大桥于1997年5月建成通车, 是我国首座自行设计、施工、监理具有世界先进水平的现代化特大桥梁。虎门大桥钢桥面板结构、交通荷载、所处气候环境具有典型的代表性：桥

14、面钢板薄（12mm）、重载交通、高温多雨，其钢桥面铺装可能是我国、乃至世界上最难解决的桥面铺装技术难题之一。 虎门大桥钢桥面铺装自投入运行，每隔23年需要进行维修。1998年主要病害是高温稳定性，随着改性沥青技术提高，后期主要病害表现为开裂、脱层、滑移和坑槽，常规改性沥青铺装层的抗弯拉疲劳性能、粘结层性能还难以达到虎门大桥钢桥面铺装的特殊要求。4虎门大桥钢桥面铺装维修方案二.钢桥面铺装结构分析与设计 钢桥面铺装材料可分为两大类：热塑型的常规沥青混凝土、热固型的树脂类混凝土，从我国的大跨径钢桥面铺装使用情况来看，目前常规沥青混凝土还难以满足我国的重载、大交通量、高温、桥面钢板薄弱等特殊使用环境要

15、求，树脂类混凝土桥面铺装目前表现相对较好，但也有部分桥梁的环氧沥青桥面铺装由于某些原因出现较严重鼓包开裂病害。 根据虎门大桥钢桥面铺装维修方案研究思路，本次维修主要考虑采用热固型的树脂类混凝土，在提高铺装层抗弯拉性能同时，提高铺装材料模量以增强正交异性钢桥面铺装复合结构刚度。4虎门大桥钢桥面铺装维修方案二.钢桥面铺装结构分析与设计 目前国内应用较多的树脂类混凝土主要是美国ChemCo环氧沥青混凝土和日本近代化成株式会社TAF环氧沥青混凝土，这两种环氧沥青混凝土差别较大，ChemCo环氧沥青混凝土养生周期长（约3045d），混合料施工温度约为120。TAF环氧沥青混凝土养生周期短（约410d），

16、而且TAF环氧沥青混凝土高温施工（约180）可以去除水分，显著减少或避免铺装层鼓包开裂病害。根据虎门大桥通车营运要求必须采用施工期短、养生期短的材料，原基本型TAF环氧沥青混凝土相对ChemCo环氧沥青混凝土模量较高，但韧性相对较低。 4虎门大桥钢桥面铺装维修方案二.钢桥面铺装结构分析与设计 针对虎门大桥钢桥面铺装特殊要求，对TAF环氧沥青配比进行了改进优化设计，在保证提高的模量同时，也显著提高了TAF环氧沥青混凝土的韧性，与ChemCo环氧沥青混凝土韧性、疲劳性能接近，两种环氧沥青混凝土具体比较见表1，改进后的TAF环氧沥青混凝土具有良好的施工性能、高模量、高韧性、耐疲劳等综合优势。 表1

17、改进型TAF、ChemCo环氧沥青混凝土性能比较 环氧沥青混凝土类型ChemCoTAF养生期约3045d约310d施工温度11012116518560马歇尔稳定度(KN)529315四点弯拉弯曲模量11000MPa14000MPa15极限弯拉应变1510012600疲劳性能（15，600）不破坏不破坏4虎门大桥钢桥面铺装维修方案二.钢桥面铺装结构分析与设计.虎门大桥钢桥面铺装维修方案 桥面铺装正式施工过程中进行严格的检测和控制，施工温度、时间控制整体稳定，在设计要求规定的温度、时间范围内完成了铺装施工程序。 通车期间污染问题对粘结层的影响较大，为了做好粘结层养护期间保洁工作，采取全覆盖方式保护

18、粘结层，避免灰尘杂物污染粘结层。4虎门大桥钢桥面铺装维修方案二.钢桥面铺装结构分析与设计 粘结层的覆盖和防护效果4虎门大桥钢桥面铺装维修方案二.钢桥面铺装结构分析与设计 虎门大桥环氧沥青铺装施工表面效果 虎门大桥TAF桥面铺装整体状况（2010.03）钢桥面铺装材料试验研究铺装层混合料性能研究1粘结层材料性能研究2集料类型对环氧沥青混合料性能影响研究3三.钢桥面铺装材料试验研究1铺装层混合料性能研究 三.钢桥面铺装材料试验研究 铺装层沥青混合料设计包括SK改性沥青SMA、环氧沥青混合料、Rosphalt改性沥青混合料、浇筑式沥青混凝土。根据试验数据，对四种沥青混合料基本路用性能进行比较分析，比

19、较情况见表2。 表2 不同沥青混合料基本路用性能比较 混合料 类型SK改性沥青SMARosphalt改性沥青混凝土环氧沥青混凝土浇注式沥青混凝土高温性能良良优低水稳定性优优优优密水性良良优优表面构造优良低良1铺装层混合料性能研究 三.钢桥面铺装材料试验研究四点弯曲疲劳试验试件夹具COOPER NU-14型四点弯曲疲劳试验系统 1铺装层混合料性能研究 三.钢桥面铺装材料试验研究不同铺装层材料疲劳寿命曲线1铺装层混合料性能研究 三.钢桥面铺装材料试验研究不同铺装层材料综合性能比较1铺装层混合料性能研究 三.钢桥面铺装材料试验研究 针对虎门大桥钢桥面铺装特殊要求，对TAF环氧沥青配比进行了改进优化设

20、计，在保证提高的模量同时，也显著提高了TAF环氧沥青混凝土的韧性，与ChemCo环氧沥青混凝土韧性、疲劳性能接近，两种环氧沥青混凝土具体比较见下表。 表4 改进型TAF、ChemCo环氧沥青混凝土性能比较环氧沥青混凝土类型ChemCoTAF养生期约3045d约310d施工温度11012116518560马歇尔稳定度(KN)529315四点弯拉弯曲模量11000MPa14000MPa15极限弯拉应变1510012600疲劳性能（15，600）不破坏不破坏2粘结层材料性能研究 三.钢桥面铺装材料试验研究 铺装层与钢板之间、铺装层之间的粘结强度对桥面铺装的使用寿命有直接影响，层间粘结破坏将导致铺装层

21、迅速破坏。目前不同研究机构对粘结层强度要求有一定差异，粘结层强度相关标准对粘结层性能指标见下表。 表5 粘结层强度指标要求试验项目单位规格试验方法粘结强度（铺装/钢板）MPa1.0JIS K 7113（20）MPa2.75林同炎公司（0）MPa2.75林同炎公司（23）MPa1.75林同炎公司（60）粘结强度(铁板铁板)拉伸MPa2.0ASTM D897（20）MPa1.0日本本四桥（20）剪切强度（铺装钢板）MPa1.5本课题计算（20）MPa0.8本课题计算（60）剪切强度（铺装铺装）MPa1.3本课题计算（20）MPa0.7本课题计算（60）2 三.钢桥面铺装材料试验研究粘结层材料性能研

22、究表6 SK改性沥青SMA与环氧沥青混合料层间直接拉拔强度温度读数（Psi）拉力（N) 粘结面积（mm2）强度（MPa）301501842 25000.74 1752149 25000.86 2002456 25000.98 平 均0.86 图4-35 拉伸断裂界面2 三.钢桥面铺装材料试验研究粘结层材料性能研究 表7 钢板之间直接拉伸强度温度（）读数（Psi）拉力（N）粘结面积（mm2）强度（MPa）603754604 20262.27 6007367 3847 1.92 7008595 3847 2.23 平均220264.39 6608104 20264.00

23、7008595 20264.24 平 均4.21 2010001227820266.06100012278 20266.06 96011787 20265.82 平 均5.792 三.钢桥面铺装材料试验研究粘结层材料性能研究表8 双层环氧铺装粘结层拉拔试验数据温度（）读数（Psi）拉力（N） 粘结面积（mm2）强度（MPa）破坏面位置25122515041 54002.79 钢板粘结层上面混合料130015962 54002.96 拉头下面混合料135016576 54003.07 钢板粘结层上面混合料142517497 54003.24 拉头下面混合料平均3.01 607899688 540

24、01.79 钢板粘结层7108718 54001.61 钢板粘结层6908472 54001.57 钢板粘结层7659393 54001.74 上、下面层间粘结层平均1.68 拉拔试验装置拉拔试验破坏界面2 三.钢桥面铺装材料试验研究粘结层材料性能研究表9 双层环氧铺装与钢板间剪切试验数据温度（）读数（Psi）拉力（N） 粘结面积（mm2）强度（MPa）计算剪应力（MPa）破坏面位置25165020259 81002.50 1.23粘结层195023943 81002.96 粘结层185022715 81002.80 粘结层平均2.75 606908472 81001.05 0.53粘结层59

25、07244 81000.89 粘结层6127514 81000.93 粘结层平均0.96 铺装层与钢板间剪切试验装置2 三.钢桥面铺装材料试验研究粘结层材料性能研究铺装层间剪切试验装置表10 双层环氧上下铺装层间剪切试验数据温度（）读数（Psi）拉力（N） 粘结面积（mm2）强度（MPa）计算剪应力（MPa）破坏面位置601551903 20000.95 0.42粘结层1601965 20000.98 粘结层1501842 20000.92 粘结层平均0.95 25试件夹持难度较大，剪切过程发生转动，所采用夹具无法剪切破坏试件。3 三.钢桥面铺装材料试验研究集料类型对环氧沥青混合料性能影响研究

26、 花岗岩、辉绿岩与玄武岩环氧沥青混凝土的基本性能见下表。 表11 不同沥青混凝土性力学特性比较比较项目试验条件环氧沥青混凝土花岗岩玄武岩辉绿岩抗压强度（MPa）25，5mm/min31.818.626.8弯曲劲度模量（MPa）-15，50mm/min51864070 4484标准试件马歇尔稳定度(kN) 60，50mm/min755360标准试件马歇尔流值(0.1mm) 60，50mm/min374140极限弯拉应变-15，50mm/min5.42E-035.13E-035.26E-03耐油腐蚀（残留稳定度）柴油浸泡48h91%96%97%耐超高温性能（稳定度，kN）204，31.114.3

27、22.1车辙动稳定度（次/mm）70，0.7MPa135591680021060疲劳性能（剩余模量比（%）60083.985.085.0主要研究成果及展望主要研究成果1 主要创新点2进一步展望3四.主要研究成果及展望1对钢桥面铺装进行了深入的力学分析，采用子模型三阶段法分析了桥面铺装的受力特点及变形规律，提出了铺装材料的技术指标要求，并对铺装结构进行了优化分析，可为相关设计提供参考依据。1对改性沥青SMA、浇注式沥青混凝土、环氧沥青混凝进行了性能评价试验，综合评价了混合料的高温性能、低温性能、疲劳性能等路用性能，研究分析材料的力学特性，提出环氧沥青桥面铺装材料设计方案。 3对实桥（汕头礐石大桥）桥面铺装进行静、动载试验，检测分析了桥面铺装在试验条件下的变形状态、特点，根据检测结果对有限元数值模拟模型参数进行校核，