大跨度钢箱梁桥面铺装施工技术应用研究

PAGE2科技成果技术总结项目名称：大跨度钢箱梁桥面铺装材料结构设计、制备及施工技术研究与应用XX集团有限公司交通工程公司二○一一年十一月大跨度钢箱梁桥面铺装材料结构设计、制备及施工技术研究与应用一、立项背景钢箱梁桥具有自重轻、经济、架设方便、跨越能力大等优点，在城市立交桥、大型跨江海桥梁工程中应用广泛。目前，钢箱梁桥面铺装普遍采用沥青混凝土，钢属于热的良导体，夏季高温时钢板表面温度通常高达70℃以上，在行车荷载与高温的耦合作用下，沥青混凝土铺装层在远未到设计使用年限就产生推移、拥包等病害，几乎年年需要进行维修，造成了交通堵塞和不良社会影响，给国家带来巨大的经济损失。同时立交桥具有交通流量大、坡度大、荷载密集和噪声集中等特点，对桥面的抗滑、耐磨与降噪性能提出了较高的要求。具有降噪、耐磨、抗滑功能的高强、高韧、高耐久新型钢箱梁桥面铺装材料和结构形式对于提高行车的安全性、舒适性与耐久性具有重要意义。随着公路建设的快速发展，钢箱梁桥面铺装材料和结构的研究与开发虽取得较大进展，主要形成了以下三种钢桥面铺装层：（1）浇注式沥青混凝土，该种沥青混凝土空隙率几乎为零，防止了钢与沥青混凝土层之间的粘结层免遭水损害，低温柔韧性较好，与钢桥面板协调变形性能强，但对施工设备要求高，耐高温性能较差，易产生车辙、推移等病害；（2）改性沥青马蹄脂（SMA），具有热稳性优良，抗滑耐磨耗、抗裂性及泌水性均较优良的特点，但由于SMA采用断级配矿料，存在混合料与钢板之间的结合不良的问题，易出现滑移、拥包等问题；（3）环氧沥青混凝土，具有粘结强度高、高温稳定性好的特点，较之以上两种类型的沥青混凝土具有更好的路用性能和耐久性能。然而其低温劲度大，在低温时容易开裂，施工较复杂，不易控制，成本较高，且环氧沥青混凝土的表面构造深度较小，抗滑和降噪性能差，满足不了现今城市路面的特殊要求。因此，到目前为止，既经济又能彻底解决问题的桥面铺装材料和结构以及与之相配套的工艺仍有待进一步研究和开发，钢箱梁桥面铺装问题已成为一个世界性技术难题，探索和寻求新的钢箱梁桥面铺装材料和结构以及与之相配套的施工工艺已迫在眉睫。

二、详细科学技术内容1、大跨度钢箱梁铺装层结构设计1）工程概况L32联钢箱梁桥位于XX市中心城区XX大道，主梁为流线型钢箱梁结构，桥跨布置为100m+150m+100m的三跨连续梁，全长350m，桥面宽26m，顶板厚20mm，横隔板厚16mm、间距3m，梯形加劲肋开口宽度为310mm，底部宽210，高度280mm，厚度8mm，两加劲肋间距620mm。设计荷载：汽车—超20级，挂车—120验算，设计车速60km/h，地震烈度：基本烈度Ⅵ，按Ⅶ度设防。主梁顶部截面如图1所示。图1L32联钢箱梁主梁截面图2）铺装方案L32联钢箱梁桥位于XX市中心地区，具有大跨径、交通流量大、荷载密集和噪声集中等特点，因此对桥面铺装层对钢桥面的追从性、铺装层的抗滑、耐磨与降噪性能等有高的要求。根据L32联钢箱梁桥的受力特点与结构设计要求，针对钢箱梁桥面铺装层沥青混凝土与钢板弹模变化幅度大，界面抗剪性能差，铺装层易产生破坏，拟采用“剪力件、钢筋网＋高强、高韧性轻集料混凝土+防水粘结应力吸收层＋SMA13”的钢箱梁桥桥面铺装层材料梯度设计方法（铺装示意图见图2），基本步骤如下：第一步，在钢板上焊接剪力件（剪力件高度一般小于混凝土铺装厚度1cm为宜），喷涂防锈漆，绑扎钢筋网（焊接在剪力件上）；第二步，5cm浇筑轻质高韧性钢纤维轻质混凝土；第三步，铺设防水粘结应力吸收层；第四步，铺设高粘度改性沥青制备的SMA13。针对本工程，由于跨径大，高韧性轻集料混凝土铺装下层在桥墩支撑处以及沿桥跨4分点处设置假缝，且假缝内用高粘改性沥青填充，以增强铺装层纵向变形能力。在混凝土内布置钢筋，当混凝土内应力较低时，使其应力分布均匀；当混凝土应力较高时，承担局部应力，使混凝土中应力重分布，以改善应力集中现象。剪力件钢筋网使高韧性轻集料混凝土与钢板协同变形，铺装层的抗弯拉应力和抗疲劳性能以及界面抗剪能力能得到很大提高；铺装层内材料弹模梯度变化，可显著降低铺装层体系的拉应力和剪应力，有效解决钢箱梁桥面铺装中出现“拥包”和“推移”等系列难题，进而提高桥梁使用寿命，行车舒适及安全性良好。钢板钢板防水防锈层焊接剪力件绑扎钢筋网高韧性钢纤维轻质砼防水层SMA13柔性材料应力吸收层图2铺装结构示意图3）钢箱梁桥面铺装层受力特征分析钢箱梁桥面铺装是直接铺设在正交异性钢桥面板上，对钢桥面进行保护，提高桥梁的使用寿命，保证行车的舒适性和安全性，并兼具减振降噪的多种功能保护层结构。因此，桥面铺装的目的不同于一般的结构设计，不用考虑其承载能力以及其能为桥梁分担多少荷载，只需考虑与钢桥面板受力变形协调时自身变形所产生的应力应变。（1）铺装层受力特点大跨径钢桥受力分析注重结构整体的受力，而桥面铺装则着重分析铺装层的受力状态。针对L32联钢箱梁，由于桥面铺装层是在钢箱梁焊接安装完毕后施工，最后直至通车，这样钢箱梁和铺装层的受力状态将分为三个阶段（如图3所示）：第一阶段，将预制的钢箱梁焊接连接成整体架设在桥墩上，此时作用在钢箱梁顶板上的除施工活载以外，主要是钢箱梁自重所产生的荷载，所产生的弯矩用M1表示，钢箱梁由于自重已经产生一部分应变，由于此时桥面铺筑还未进行，因此这时的内力与桥面铺装层无关。第二阶段，在钢箱梁顶板焊接剪力钉、铺设钢筋网、进行防锈处理后浇筑轻集料混凝土层，由于现浇的轻集料混凝土铺装层最初是可自由活动的凝胶体而无法承受任何力的作用，它的自重及施工活载由钢箱梁继续承担，因此铺装层的恒载也是由下面的钢箱梁承担的，此时增加的弯矩用M2表示，钢箱梁的应变为（轻集料混凝土自重产生的应变），轻集料混凝土的应变为零。第三阶段，轻集料混凝土凝固以后，铺设防水应力吸收层以及高粘高弹改性沥青层（SMA），直至最后开放交通，增加的弯矩用M3表示，钢箱梁承担所有荷载，同时轻集料混凝土层会受到SMA自重和车辆活荷载作用，此时钢箱梁的应变为（SMA自重和车辆荷载产生），轻集料混凝土会有应变。a）第一阶段钢箱梁内的弯矩和应变，b）第二阶段钢箱梁内增加的弯矩和应变，c）第三阶段钢箱梁和混凝土层内的弯矩和应变，d）总应变图图3钢箱梁与铺装层受力分析示意图通过以上分析可知，正交异性钢箱梁桥在受力过程中出现了明显的钢板应力超前而铺装层应力滞后的现象，钢箱梁部分承担全部恒载和车辆活载（M1+M2+M3），铺装层仅受车辆荷载作用，并将其传递给钢箱梁，铺装层受力具有明显的局域性。（2）整体变形对铺装层受力影响由于桥面铺装层的应力应变，只是由于为满足于钢箱梁板的协同作用而自身变形所产生的应力应变。研究表明，桥面铺装层受力后的趋势与作为钢箱梁之上的一部分是一致的。在设计荷载作用下，铺装层和桥面板粘结处应变形协调，除水平应力(即径向应力和切向应力)不连续以外，其它应力和位移分量都是连续的。为分析桥梁整体变形对铺装层结构受力的影响，先对L32联钢箱梁桥进行成桥阶段的受力分析，得到钢箱梁顶板的应力分布状态，再在铺装层铺设完毕开放交通后计算最不利荷载作用下钢箱梁顶板的应力分布状态，计算结果如图4、图5所示。a）成桥阶段恒载作用下主梁上缘应力包络图/MPab）成桥阶段恒载作用下主梁下缘应力包络图/MPa图4成桥阶段恒载作用下钢箱梁应力分布图a）运营阶段最不利荷载作用下主梁上缘应力包络图/MPab）运营阶段最不利荷载作用下主梁下缘应力包络图/MPa图5运营阶段最不利作用下钢箱梁应力计算结果由图可知：在成桥阶段，桥墩处钢箱梁顶板最大拉应力为79.4MPa，跨中最大钢箱梁顶板最大压应力为-64.4MPa；在运营阶段，最不利荷载作用下，桥墩处钢箱梁顶板最大拉应力为96.3MPa，跨中最大钢箱梁顶板最大压应力为-93.2MPa。因此由活荷载在桥墩处和跨中钢箱梁顶板处产生的拉、压应力分别为16.9MPa和-28.8MPa。由于铺装层和钢箱梁顶板变形协调，则：，根据，有（“p”代表铺装层，“b”代表钢箱梁板），钢板弹模为210000MPa，所以可以得到整桥在最不利荷载作用下，引起的铺装层拉、压应变分别为80.5和137，由此可见因桥梁在最不利荷载作用下的变形而引起的铺装层应力应变都很小，对铺装层的受力影响甚微，因此在计算铺装层受力分析时只需要考虑局部荷载。又由于正交异性钢桥面板的结构特点，使得铺装层受力主要受到局部范围内结构性质的影响。这样，桥梁其他位置的结构和构造状态在结构计算分析中，只需要作为一种辅助的边界条件，无需在结构分析中展开，这就为铺装层的应力应变分析简化明确了方向。4）计算模型（1）力学模型的选取由于铺装层是在钢箱梁拼装焊接以后才铺筑的，因此钢桥梁的自重对铺装层的受力没有影响。同时对于闭口加劲肋正交异性板结构，大量分析研究表明荷载对它的应力应变效应具有很强的局域性，因此，此处对钢桥面铺装层进行力学分析不必选取整个箱梁作为研究对象，而只需取影响铺装层受力的部分正交异性板体系进行分析，包括钢箱梁顶面板、加劲肋、横隔板和纵隔板。将正交异性板体系、铺装层作为整体，建立有限元应力分析模型。表1模型相关结构和材料参数项目计算参数项目计算参数钢箱梁顶板厚度20mm横隔板厚度16mm横隔板间距3000mm横隔板高度820mm纵向加筋肋厚度8mm纵向加筋肋高度280mm纵向加筋肋上口310底层混凝土厚度50mm纵向加筋肋下口200混凝土弹模28000MPa纵向加筋肋间距620mm混凝土泊松比0.25SMA13弹性模量1400MPa剪力钉12mm直径×40mm高SMA13厚度40mm(+10mm)钢筋网100×100SMA13泊松比0.3钢材泊松比0.3钢材弹性模量210000MPa//根据L32联钢箱梁桥界面布置形式，模型体系选取4块横隔板和8条纵向加劲肋，尺寸4960×9000mm(横向×纵向)。有限元模型中钢桥面板、横隔板均采用SHELL63单元模拟；轻质混凝土用SOLID65单元模拟（采用整体式建模，考虑配筋率）；沥青混凝土也用SOLID65单元模拟，应力吸收层相对较薄，鉴于其只起功能作用，对结构计算影响较小，故合并在沥青层在中考虑；剪力件采用PIPE20单元模拟。模型相关结构和材料参数见表1，完整离散有限元体系模型见图6。图6桥面铺装有限元模型（2）荷载形式及其位置选取目前还没有规定钢桥面铺装结构设计的标准荷载形式，国内外研究主要采用单轮均布荷载和双轮均布荷载另种形式。为了简化建模和施加荷载，将双轮组荷载简化为单轮荷载，虽然简化后计算的钢桥面铺装层表面最大横向拉应力或应变出现的加劲肋位置不同，即当双轮组荷载中心点作用在加劲肋一侧肋顶时，该处上方铺装层表面出现最大横向拉应力或应变，而将双轮组荷载简化为单轮组荷载时最大横向拉应力或应变出现在荷载作用位置相邻的加劲肋顶上方的铺装层表面，但这种简化后经计算的最大横向拉应力或应变误差不超过10%。因此，根据设计要求采用计算时采用汽车—超20车队中550kN重车为计算车型，行车荷载为双轮组单轴140kN，每侧轮轴重70kN，按《公路工程技术标准》（JTGB-2003）可将其换算成单轮压力，同时根据桥梁设计规范考虑30%的冲击荷载，30%的超载。为简化建模和施加荷载，车辆荷载图式简化为成矩形图式，荷载面积取600mm×200mm，施加的轮胎压力P=0.985MPa。为了研究车轮荷载作用下铺装的受力和变形分布规律，以确定最不利加载位置，考虑荷载相对横隔板及纵向加劲肋的不同位置进行加载分析。车轮荷载加载示意见图7所示，横向选择局部刚度最小的梁段中部区域进行分析，共考虑3种工况：I为荷载对称施加于相邻两加劲肋之间正上方，II为荷载施加于U形肋与桥面板的焊缝为中心的对称正上方，III为荷载对称施加于加劲肋正上方；纵向从横隔板上方到跨中分为5条加载线：距横隔板0、0.4m、0.8m、1.2m、1.6m共5种工况。a）荷载横向加载位置示意图b）荷载纵向加载位置示意图图7铺装层加载位置示意图（3）边界条件与计算假定边界条件采用顶板和铺装层无水平位移而允许有竖向位移，横隔板底部固结。根据圣维南原理，所取的箱梁段对荷载力学分析的结果是有效的。有限元计算时作如下假设：a、正交异性钢桥面板铺装体系为均匀、连续和各向同性弹性材料；b、正交异性钢板的位移和变形是微小的；c、铺装层与钢桥面板之间以及上下两层铺装层是完全接触(应变和位移连续)，粘结层不单独考虑；d、正交异性钢板和铺装层的自重不计。5）力学分析基本参数（1）铺装层表面最大拉应力与拉应变桥面铺装层在荷载作用下产生疲劳裂缝不同与一般路面的疲劳开裂。在车辆荷载作用下，路面底面的拉应变(或拉应力)要大于路面表面的拉应变(或拉应力)，其开裂一般出现在底面，并逐渐向表面发展；而钢箱梁由于纵、横加劲肋的作用使得其桥面铺装体系在行车荷载作用下具有显著的局部效应，桥面板的变形使纵向肋、横隔板等刚性较大的部位与桥面板连接处成为高应力区，并在这些位置处的铺装层内产生较大的负弯矩，即这些位置处的铺装层表面是拉应力(拉应变)集中区，所以桥面铺装的疲劳开裂是出现在铺装层表面，然后逐渐向底面发展。因此，桥面铺装层表面的最大拉应力或最大拉应变是重要的设计指标，设计中控制铺装层表面的最大拉应变或拉应力不超过沥青混凝土铺装材料相应的容许值，即：（2）层间最大剪应力与剪应变铺装层与桥面板间的粘结作用（以及双层铺装时上下铺装层间的粘结）对保证整个桥面铺装体系的复合作用以及在交通荷载作用下铺装层与桥面板的协调变形至关重要。在荷载作用下，铺装层与桥面板的复合作用不仅降低了铺装层内部的应力，也降低了桥面板内部的应力，因此这种复合作用对整个铺装体系各部件的受力均是有利的。因此，桥面上下铺装层间以及铺装层与桥面板间的最大剪应力是主要的设计指标，设计中控制层间的最大剪应力不超过粘结层材料相应的容许抗剪强度，即：（3）铺装层竖向应力与竖向位移铺装层在车辆轮载重复行驶下逐渐形成的永久性变形，表现为铺装层表面在行车道的轮迹带上出现纵向沉陷。此永久变形由两部分组成，一部分是由铺装层在行车荷载反复作用下进一步压密产生的，可称其为压密变形，此部分与铺装层材料的抗压强度有关；另一部分是因为铺装层在高温时的强度不足以抵抗重轮荷载的反复作用，轮下的部分沥青混合料产生剪切变形逐渐被挤压到两侧，使两侧的沥青面层鼓起，产生所谓的侧向流动，形成弯沉变形这一部分是主要的。因此，铺装层的竖向应力及其竖向变形也是比较在主要的控制指标。6）计算结果与分析（1）横向最不利荷位确定分析横桥向最不利荷位时，根据梯形加劲肋和正交异性钢桥面板的几何特性，并且考虑车载相对加劲肋不同横向位置对铺装层有不同的影响，荷载按图4所示分3种工况，此时，荷载在纵桥向作用于两横隔板的跨中。结果如表2所示表2不同横向荷位下铺装层各主要设计指标计算结果计算指标荷位ⅠⅡⅢ铺装表面层（SMA）最大拉应力/MPa0.1150.120.103铺装表面层（SMA）最大剪应力/MPa0.0280.0420.032铺装表面层（SMA）最大应变/312351296上下铺装层间最大剪应力/MPa0.0550.0570.056铺装下面层（轻质砼）最大拉应力/MPa1.1581.2181.164铺装下面层（轻质砼）最大剪应力/MPa0.2640.3580.311铺装下面层（轻质砼）最大应变/117123109铺装下层与钢板间最大剪应力/MPa0.5940.620.601铺装层最大压应力/MPa3.9483.9284.199铺装层最大弯沉值/mm0.5790.5750.588从上表可以看出荷载横向移动，荷位Ⅱ为最不利荷载作用点，图8为表层铺装层（SMA）在最不利车载荷位（荷位Ⅱ）下的横向拉应力（Sx方向）、纵向拉应力（Sy方向）、铺装层间剪应力（Sxy）、铺装层最大压应力和最大弯沉计算云图。SMA表面铺装层的横向最大拉应力为0.12MPa，大于纵向最大拉应力0.103MPa，铺装层钢板间最大剪应力0.62MPa远大于上下铺装层之间的最大剪应力0.057，铺装层最大压应力出现在铺装下层（轻质混凝土层）为3.928MPa，铺装层最大竖向变形为0.575mm。A）铺装层表层（SMA）最大横向拉应力（加劲肋处）云图B）铺装层表层（SMA）最大纵向拉应力（横隔板处）云图C）上下铺装层间最大剪应力云图D）铺装层与钢板层间最大剪应力云图E）铺装层最大压应力（轻质混凝土）云图E）铺装层最大竖向变形云图图8铺装层在横向最不利荷位下计算云图（2）纵向最不利荷位确定鉴于正交异性钢桥面铺装在局部刚度最小的箱梁中部发生破坏概率最高，分析纵桥向的不利荷位时，横桥向荷载位置采用前面分析的箱梁中部的荷位Ⅱ，即荷载对称施加于箱梁中部一侧加劲肋肋边正上方，不同纵向荷位下铺装层各个设计指标值计算结果如表3所示：表3荷载纵向移动时铺装层各主要设计指标计算结果纵向荷位（离横隔板距离/m）00.40.81.21.6铺装表面层（SMA）最大拉应力/MPa横向0.0380.0890.1070.1190.119纵向0.0430.1150.0990.1120.112铺装表面层（SMA）最大剪应力/MPa横向0.0110.0210.0260.0280.028纵向0.0140.0150.0180.0210.021上下铺装层间最大剪应力/MPa0.0220.0610.070.0610.061铺装下层与钢板间最大剪应力/MPa0.2530.5270.6130.6490.649铺装层竖向变形D/mm0.0790.2870.4710.5720.572各计算结果随荷载离横隔板距离的变化关系如图9~图11所示：随着荷载离横隔板距离的增加，铺装层最大拉应力（横向、纵向）、层间剪应力、铺装层最大竖向变形均增加，当荷载离横隔板0.4m左右时各项计算结果变化幅度都最大，由此可知荷载在两横隔板跨中时是最不利荷载位置。铺装层表层横向最大拉应力始终比纵向拉应力大，结合荷载横向移动计算结果分析可知，铺装层横向拉应力是铺装层材料主要考虑的指标。铺装层与钢板间的剪应力比上下两层铺装层间剪应力大，因此铺装层与钢板间的剪应力是层间剪应力的主要设计指标。图9铺装表面层（SMA）最大应力——荷载曲线图10层间最大剪应力——荷载曲线图11铺装层竖向变形——荷载曲线2、钢箱梁剪力件的设计以及钢筋网的铺装设计研究根据L32连钢箱梁桥面的实际情况，本文重点就剪力钉间距、直径、高度、铺装层厚度和模量、车载以及跨径等影响因素就行了比较分析。1）剪力钉间距铺装方案影响分析当剪力连接件间距在300mm~500mm之间时，铺装层表面最大横向拉应力和最大横向剪应力变化在允许范围内，但是当剪力钉间距达到500mm时候，粘结层与钢板间最大横向剪应力超出允许范围，如表4所示，因此本方案的钢箱梁桥面铺装来说，400mm间距的剪力连接件布置对铺装层最为合理。虽然最大纵向拉应力虽然小于最大横向拉应力，但有时也会在温度场和车辆荷载的综合影响下导致铺装层发生疲劳开裂，铺装层最大纵向拉应力（或最大纵向拉应变）出现在横隔板顶部的铺装层表面，因此横隔板处的铺装层表面在低温季节易出现横向裂缝。表4剪力钉间距对设计指标的影响剪力连接件间距/mm300400500铺装层表面最大横向拉应力/MPa0.2040.2130.249铺装层表面最大纵向拉应力/MPa0.0810.0860.091铺装层表面最大横向剪应力/MPa0.0970.120.137铺装下层与钢板间最大横向剪应力/MPa0.810.890.92加筋肋局部挠跨比1/2421/2501/2612）剪力钉高度对铺装方案影响分析铺装方案中剪力钉的高度对设计指标的影响也是值得关注的问题。考虑剪力连接件的布置间距400mm，混凝土铺装层厚度为500mm。计算中剪力连接件高度分别取为剪力钉高度分别为35mm，40mm，45mm,荷载仍然取最不利位置，即沿桥面横向荷载中心位于加筋肋中心的正上方，沿桥面纵向在跨中处，轮胎压力0.91MPa（考虑30％冲击系数）。结果如表5所示。表5剪力钉高度对设计指标的影响剪力钉高度/mm354045铺装层表面最大横向拉应力/MPa0.2190.2130.205铺装层表面最大纵向拉应力/MPa0.0830.0860.078铺装层表面最大横向剪应力/MPa0.1260.120.118粘结层与钢板间最大横向剪应力/MPa0.920.890.83加筋肋局部挠跨比1/2531/2571/261从计算结果得到：剪力连接件高度越大，在轮载作用下钢桥面铺装层表面最大拉应力越小，铺装层与钢桥面层间最大剪应力越小；本铺装方案中选择45mm高的剪力连接件是可行的。3）剪力钉直径对铺装方案影响分析铺装方案中剪力钉的直径也是需要认真探讨的因素，结合现有规范资料和工程实际，初步拟定剪力钉直径为8mm，10mm和12mm。计算结果详见表6，数据表明剪力钉的直径对铺装层表面最大横向拉应力、表面最大纵向拉应力和表面最大横向剪应力比较敏感，对粘结层与钢板之间的最大横向剪应力和加筋肋局部挠跨比影响较小，综合考虑现有规范、钢箱梁焊接要求以及经济性要求，选取直径为10mm较为适当。表6剪力钉直径对设计指标的影响剪力钉直径/mm81012铺装层表面最大横向拉应力/MPa0.2440.2130.195铺装层表面最大纵向拉应力/MPa0.1360.0860.089铺装层表面最大横向剪应力/MPa0.1380.1200.110粘结层与钢板间最大横向剪应力/MPa0.8850.8910.893加筋肋局部挠跨比1/2601/2571/2564）铺装层厚度对铺装方案影响分析铺装方案中轻集料混凝土和SMA13的厚度显然对性能有一定的影响，其中SMA13主要作为上面层提供行车平稳、抗滑、降噪等功能性指标，根据现有规范一般取为40mm；而桥面铺装的普通混凝土下面层一般厚50～80mm，本方案中轻骨料混凝土的铺装厚度则需要综合考虑现有规范资料和经济性能。初步拟定其厚度为5mm，6mm和8mm。表7轻集料混凝土铺装层厚度对设计指标的影响轻骨料混凝土厚度/mm506080铺装层表面最大横向拉应力/MPa0.2130.2080.203铺装层表面最大纵向拉应力/MPa0.0860.0830.079粘结层与钢板间层间剪应力/MPa0.8910.9091.135加筋肋局部挠跨比1/2571/2981/369计算结果详见表7，数据表明，随着轻骨料混凝土铺装层厚度的增加，铺装层表面最大横向拉应力、表面最大纵向拉应力有所降低，但变化很小，粘结层与钢板之间的最大横向剪应力则随之变大，加筋肋局部挠跨比降低，因此，综合考虑现有规范以及经济性要求，选取厚度为50mm完全可以满足要求。5）高韧性轻集料混凝土剪力件桥面铺装方案参数确定对于高韧性轻集料混凝土剪力件桥面铺装方案，可以选择的设计参数如下：剪力连接件间距、剪力连接件高度、剪力连接件直径、钢筋网直径、轻集料混凝土面层厚度和SMA13厚度，由上述系列分析可知，本铺装方案的参数确定如表8所示。表8轻集料混凝土剪力件桥面铺装方案参数确定项目计算参数项目计算参数剪力连接件间距400mmSMA13厚度40mm轻集料混凝土面层厚度50mm剪力连接件高度45mm剪力连接件直径10mm钢筋网直径10mm3、高韧性轻质混凝土的设计及制备1）轻集料-水泥石界面结构强化技术针对轻集料所存在的问题，基于本成果所提出的界面优化的混凝土结构理想模型原理，开发出轻集料表面修复和活化技术。通过采用超细胶凝粉料浆表面处理的方法，在轻集料表面形成具有修复缺陷和增加水化活性的功能层，可显著提高轻集料的强度，并能优化轻集料与水泥石的界面结构，大大提升混凝土的强度和性能。表9是采用此技术的增强效果，轻集料的筒压强度和混凝土的抗压强度得到显著提高，混凝土的抗渗透性能提高一倍以上。图2是轻集料表面修复和活化以及界面结构强化的微观效果。表9轻集料表面修复活化与界面结构强化作用编号集料筒压强度/MPa抗压强度/MPa/×10-13m2/s普通集料和混凝土6.855.014.910.072.16.2图12轻集料表面处理与界面强化微观结构效果2）轻集料浸渍增韧与混凝土复合改性技术轻集料由于多孔结构的特点对裂缝扩展的阻碍能力比普通集料差，这是混凝土脆性大的主要原因，并由此影响混凝土的弹性模量、收缩和徐变等工程使用性能。根据这个机理，开发出由集料浸渍增韧与混凝土复合增韧组合的混凝土改性技术。用具有能对轻集料孔缝渗透的聚合物乳液进行增韧处理，聚合物在孔中破乳成膜，吸收应力、阻止裂纹扩展；同时结合采用混凝土聚合物与纤维复合增韧方法，可使混凝土韧性大幅度提高，如表10效果。本技术可以与以上界面结构强化技术在制备工艺中一同实施，在实际工程中，可根据轻集料的品质性能与所设计混凝土的技术要求确定工艺方案。表10轻集料浸渍增韧和混凝土复合增韧技术的技术效果技术对比浸渍聚合物基体聚合物kg·m-3复合纤维/Vol.%28d抗压强度/MPa28d抗折强度/MPa断裂韧性指数/密度/kg·m-3基准轻集料混凝土———595.11.461890轻集料浸渍增韧技术√——635.63.801890轻集料浸渍增韧技术与混凝土聚合物增韧技术复合√20—686.77.201890轻集料浸渍增韧技术与混凝土聚合物、纤维增韧技术复合√201.0679.028.219203）高韧性轻集料混凝土长距离泵送的均质控制技术轻集料密度低、吸水率高，易造成混凝土分层离析，工作性差，掺入纤维后，将进一步降低轻集料混凝土的工作性能，导致轻集料混凝土泵送困难，施工效率下降。针对此问题，研究掌握轻集料在混凝土拌和物中的运动规律，运用流体力学原理建立了轻集料在混凝土拌和物中的运动模型（式1）。通过调控轻集料粒径、水泥浆体粘度、水泥浆体与轻集料密度差等相关因素的方法，并相应结合使用研制开发的均质性控制组分（稳定剂，MB），实现对混凝土均质性的控制（表11）。（1）式中：：集料的表观密度，g/cm3；c：水泥浆体的表观密度，g/cm3；r：颗粒半径，cm；：混凝土的粘性系数，Pa.s；：集料的运动速度，cm/s；K：影响因子，其大小与集料表面性态、材质等因素有关。图13均质性测量装置发明方便实用的轻集料混凝土均质性、工作性检测方法及装置（图3）；建立了简便、适用和有效的分层度结合混凝土坍落度（扩展度）的轻集料混凝土工作性评价方法，已被众多建设施工单位采用。图13均质性测量装置表11轻集料混凝土匀质性与可泵性控制效果编号MB/%分层度FCD/%坍落度/cm扩展度/cm/ml初始90min初始90minV10V1400014.6231658368.03410.112.4242260555.02220.35.8242258564.02030.54.6221855533.519运用“轻集料-水泥石界面结构强化技术”、“轻集料浸渍增韧与混凝土复合改性技术”以及“高强轻集料混凝土拌和物均质性控制技术”，通过大量的混凝土配合比试验，确定了高韧性轻质混凝土中钢纤维和聚合物的掺量，大幅度提高了轻质混凝土的韧性，首次实现了高强高韧性轻集料混凝土长距离300m泵送施工。钢箱梁桥面铺装用高强高韧性轻质混凝土的配合比见表12，其性能指标如下：混凝土初始坍落度20cm，现场混凝土具有的坍落度控制在16cm，1h坍落度损失为2cm，28d抗压强度大于65MPa，抗折强度大于8.8MPa，断裂韧性为28，达到普通混凝土的20倍以上，抗冲击性能良好，体积稳定性优良，90d收缩率为2.0×10-4。表12钢桥铺装高强轻质混凝土施工配合比/kg/m3水泥粉煤灰砂轻集料水减水剂MB聚合物钢纤维440806395101501.0%0.05%20784、防水粘结应力吸收层优化设计为防止高韧性轻质混凝土与沥青铺装层之间发生脱粘而引起的推移或拥包等病害，改善桥面铺装层的防水功能，阻止反射裂缝的产生，课题组采用高粘高弹改性沥青制备防水粘结应力吸收层，利用橡胶粉、SBS、增粘组分、增韧组分、增容稳定组分对基质沥青进行复合改性，并通过各组分不同掺量对沥青改性结果的影响，结合桥面铺装各层的特点及路面行车等因素，确定了最适合防水应力吸收层的沥青改性配方，各项性能指标如表13所示。表13高粘高弹改性沥青技术指标技术指标单位测试结果针入度（25℃、100g、5s）0.1mm59.2软化点℃96.5延度cm52.260度粘度Pa·s72000弹性恢复%96%粘韧性N·m29.5韧性N·m20.2防水粘结应力吸收层材料施工采用沥青碎石同步洒铺车进行铺装，要求将沥青喷出的改性沥青呈雾状均匀分布。为了使石料完全嵌入洒铺的高粘高弹改性沥青中，碎石应紧跟沥青迅速洒铺，并且安排钢轮压路机紧跟碾压。为使石料尽量洒铺均匀，应安排工人手持扫帚将碎石洒铺不均匀处迅速扫平，设计并制备出集应力吸收、防水、界面粘结于一体的过渡层材料。5、高抗剪、高粘结强度SMA混合料的设计与制备针对桥面铺装面层耐久性差，易发生推移、拥包等破坏的特点，采用高抗剪、高粘结强度的高粘SMA-13沥青混凝土材料作为面层，一方面符合了材料梯度结构设计原理，大大提高了桥面铺装层的结构稳定性，增大了沥青混凝土内部及界面的抗剪强度，同时赋予了面层的降躁、耐磨、抗滑功能。通过沥青材料的设计方法的优化及材料的开发，采用高粘改性沥青作为胶结料，路面各项性能得到进一步改善，虽然沥青路面耐久性逊于水泥混凝土路面，但是其维修方便，且目前沥青路面的维护方式很多，如稀浆封层、微表处等，路面的使用寿命可延长2~3年，基本可以达到与水泥混凝土路面相当的水平。高粘SMA-13沥青混凝土作为铺装上面层材料，其性能指标见表14。表14高粘SMA沥青混凝土性能指标测试项目单位设计要求高粘SMA60℃动稳定度次/mm8000850070℃动稳定度次/mm50007900MS0%≥8595.31TSR%≥8096.7-10℃弯曲应变με≥20003200浸水飞散损失%≤151.62钢板粘结强度MPa≥0.81.1渗水系数ml/min≤1510.2摩擦系数BPN≥4569构造深度mm≥11.1噪声均值(时速100km/h)dBA≤78726、施工技术研究（1）焊接剪力件采用挂线布点法设置焊接点，用打磨机将焊点打磨露出金属光泽，逐根用拉弧焊进行剪力件焊接。焊机自动控制焊接参数，陶质瓷环辅助成型。熔深根据钢箱梁顶板的厚度设定，通过调整电流及焊接时间来确定，一般控制在1~2mm。（2）喷砂除锈、喷涂防锈漆自动无尘打砂机进行喷砂除锈：到钢板表面无可见的油膜、污物和锈迹等附着物，钢板表面显示明显的金属光泽；Sa2.5级，Rz40~80μm。无气喷涂设备喷涂防锈漆：附着力大于或等于5MPa；干膜厚度控制在75~100μm；要求平整、均匀、无气泡和裂纹。（3）绑扎钢筋网采用LL450、Ф5.5、网孔为10cm×15cm冷轧带肋钢筋网，纵向钢筋在上，横向钢筋在下，横向钢筋的中心线距钢桥面板2.2cm。钢筋网与剪力件交接的地方一律进行绑扎，同时纵向与横向每隔3点采用点焊将钢筋网与剪力件焊接，在钢筋网下设置垫块，垫块高度为2cm。（4）施工配合比的确定经过大量试验以及现场拌和站的现场拌合情况，在满足施工性能和力学性能的前提条件下，提出了LC高韧性轻集料混凝土配合比见表15（推荐的配合比，实际工程中根据原材料情况微调）。轻集料相对普通集料的质量变异性相对较大，其在使用前需要进行预湿处理，为了使实际工程用混凝土与试验配置混凝土具有相同工作性质，需要对轻集料混凝土的原材料选择、生产过程控制、运输以及浇注工艺等严格把关。表15轻集料混凝土配合比水泥粉煤灰砂轻集料水减水剂MB聚合物钢纤维440806395101501.0%0.05%2078（5）高韧性轻集料混凝土的生产轻集料混凝土的生产过程要把好两道关。首先是原料关，特别是轻集料的预湿过程，需要严格控制预湿时间，并将预湿后的轻集料处理为饱和面干状态。砂的含水率要精确、现场测定，因为轻集料混凝土对水特别敏感；其次是投料的顺序，应严格按照图14的顺序进行加料，这个过程中钢纤维的投料最为关键，为保证其能在干状态下分布均匀，一定是在干料充分搅拌均匀的情况下再加入钢纤维，钢纤维在使用前要开袋抖散开，切不可成堆倒入搅拌机内。干拌1min干拌1min充分搅拌溶解干拌1min湿拌2min干拌1min轻集料河砂吸水处理后的轻集料钢纤维减水剂水+聚合物溶液即得产品胶凝材料图14高韧性轻集料混凝土拌合工艺（6）拌合、浇筑、振捣与养护拌合：严格控制水泥、骨料、水用量，防止水灰比出现大的波动。加强拌和物卸料时的坍落度检测，坍落度是控制轻集料混凝土施工质量的重要指标之一，应严加控制。超过220mm坍落度的轻集料混凝土拌和物在现场运输时往往会严重离析，且在振捣后轻集料很容易上浮。干燥高温时，拌和物的坍落度损失比较快。通知厂方提高轻集料的预湿程度或调整加料顺序或及时和高效减水剂供应商联系，设法调节减水剂的组分或更新减水剂品种，而不得在运输过程中或在浇注现场随意加水。浇筑：桥面混凝土浇筑前再次将桥面清理干净，洒水后，再进行浇筑。泵管的连接处一定要密封好，避免因泵管的漏浆而导致混凝土泌水、离析而堵泵。当混凝土泵送至桥面板上后，采用人工找补均匀，严禁抛掷和搂耙，在摊铺过程中如发现钢纤维有结团现象，须及时用人工撕开抖散，并注意摊铺时不出现离析现象。在规定的连续施工区段内的钢纤维混凝土必须连续浇筑，不能中断，若中断将会造成钢纤维沿接缝的表面起不到增强作用，易产生裂缝。振捣：摊铺混凝土采用人工进行，将混凝土用拉板和钢铲初步铺平，然后用平板式振动器进行振动，以振动到混凝土表面泛浆不再冒泡为宜，然后再用滚筒滚平，并派专人根据滚筒与混凝土面是否有间隙来确定是否加浆。接着用长方形铝合金尺顺桥向刮平，把多余浆铲除混凝土的浇筑过程中采用平板振捣器振捣，同时还应考虑混凝土振捣后有一定的沉降量，故摊铺时要留虚铺高度，以使捣实后的面层标高同设计标高相符。养护：混凝土浇筑完毕后应做好养护工作，以防止混凝土早期收缩裂缝。浇筑完毕后应立即覆盖一层薄膜，混凝土初凝后在混凝土表面覆盖湿麻袋或湿草垫。同时因钢纤维混凝土早期强度较高，故应加强早期湿润养护，每天均洒水数次，使其保持潮湿状态。（7）防水粘结应力吸收层制备及施工在使用沥青前，沥青应保持低温存放，预使用前迅速将沥青温度升至190℃，并将其直接注入沥青碎石洒铺车前方的沥青管中，在沥青碎石同步洒铺车中沥青加热温度不应超过200℃。碎石集料的取用应保证均匀稳定。如采用预拌碎石，开工前，应按照级配通过拌合楼加热筒，控制碎石集料的加热温度，集料加热至150~170℃，将集料加入沥青碎石同步洒铺车的后部的碎石洒铺仓，仓内应具有一定的保温措施，防止集料温度下降过快。不采用预拌碎石，应保证石料的清洁，粉尘含量应小于1%。粘结应力吸收层的洒铺采用沥青碎石同步封层车。该设备沥青储藏罐内设有强力搅拌设备，沥青喷嘴以及石料出口设有单独阀门，可以调节洒铺宽度，洒铺速度以及洒铺量。搭接处宽度控制在5cm以内为宜。桥面上下桥有坡度处，建议沿上坡方向进行洒铺。粘结应力吸收层在洒铺过程中应保证沥青及碎石洒铺均匀，洒铺车洒铺速度不应过快，洒铺宽度不宜超过3.5米。洒布量以（1.8-2.2）kg/m2为宜，并同时撒布9.5-13.2mm的碎石，覆盖率应超过90%，具体撒布质量以试验段确定数量为准；施工前进行放样准备，调节好沥青的加热温度、沥青与碎石的洒布流量，参数固定后不得随意调整。碎石在沥青洒铺后会立即洒铺，碎石洒铺应保证均匀不散失，洒铺车后应配备工人，对碎石空缺处以及洒铺不均处进行及时的补洒与清扫工作。撒布碎石后用轮胎压路机进行碾压，碾压遍数为2-3遍，碾压速度不宜过快，压路机应保持与洒铺车近似的速度匀速碾压，不得随便加速、减速以及调头。（8）高粘SMA13控制与施工拌和及施工温度控制：沥青加热温度165~175℃；矿料温度180~190℃；沥青混合料出厂温度170~180℃；运至现场温度160~180℃；摊铺温度160~170℃；初压温度不得低于160℃，复压温度不得低于150℃，终压温度不得低110℃。运输：采用保温性措施较好的大型运料车运输SMA混合料。汽车底板应涂一薄层适宜的防粘剂，但不得有余残液积留在车箱底部。防粘剂可以采用洗衣粉水、废机油水等，但不宜采用柴油水混合液。汽车必须备有用于保温、防雨、防污染用的毡布，其大小应能完全覆盖整个车厢。摊铺：确保粘结应力吸收层无破坏、无污染、干燥.如有破坏，必须在一天前修补到位。如有杂物或污染物，必须在一天前清洗干净。如有水迹，则不得在潮湿的情况下摊铺作业。对于局部小面积破坏区域，采用人工摊铺，碾压：由于XX大道L32联钢桥面沥青铺装为高粘SMA-13，沥青粘度高，压实困难。故在碾压过程中应采取以下工艺：a.摊铺机应采取熨平板及桁锤“双振”模式，并采用高频率低振幅形式，提高混合料摊铺的初始密实度。b.压路机组合：对于XX大道L32联钢桥面铺装高粘SMA铺装，宜采用不少于3台钢轮的碾压组合方式。c.碾压速度：如表16。表16压路机碾压速度(km／h)初压复压终压适宜最大适宜最大适宜最大2-333-44————d.碾压工艺：复压应紧接在初压后进行，应用双13T以上双钢轮压路机进行复压，复压开振，并严格贯彻高频低幅的操作仿真，遍数3~4遍。

三、创新点本研究采用在钢箱梁桥面板上焊接剪力件、铺设钢筋网和浇注高强、高韧、高耐久轻集料混凝土来提高桥面铺装层的韧性、抗弯、抗剪、抗冲击和抗疲劳性能以及与钢板之间的协同变形性能，加铺防水粘结应力吸收层改善铺装层界面连接情况，采用高粘SMA制备高耐久、高粘附、抗滑、降噪的表面铺装层，提出轻集料钢箱梁立交桥桥面铺装材料与结构设计方法，解决钢箱梁桥面铺装中出现“拥包”和“推移”等世界性难题。1、一种铺装层材料与钢箱梁桥面协同变形的结构设计方法。通过对钢箱梁桥面铺装的理论研究，提出解决材质间弹性模量性能差异大，界面抗剪性能差的梯度设计理念，并结合诸多工程经验，在本课题组提出的“剪力件与钢筋网＋高韧性轻集料混凝土＋沥青混凝土”结构的基础上，改善高韧性轻集料混凝土和沥青混凝土间的界面粘结状况和表面层沥青混凝土的性能，提出了一种铺装层材料与钢箱梁桥面协同变形的结构设计方法。2、高韧、高耐久性、高强轻集料混凝土材料的设计与制备技术。采用轻集料浸渍增韧与混凝土复合改性技术，制备出与钢箱梁桥面板协同变形的抗压强度为50～70MPa，抗折强度大于7.0MPa，韧性指数η30大于25，90d干缩率小于2.8×10-4，抗渗等级达大于P18，抗冻等级大于F300，疲劳荷载寿命大于300万次的高强、高韧、高耐久轻集料混凝土。3、集防水、粘结、应力吸收功能于一体的高粘高弹改性沥青功能过渡层材料开发。通过分析上述的铺装材料的方式，依据要求，结合钢箱梁桥面高性能轻集料混凝土和沥青铺装层的特点，开发出一种集防水、粘结、应力吸收功能于一体的过渡层材料。采用SBS、橡胶粉、增粘、增韧、增容多组分复合改性技术，开发出过度层材料与混凝土的粘结强度0.9MPa，25℃界面抗剪强度0.6MPa，组合结构疲劳大于200万次的功能过渡层材料。4、集高抗剪、高粘结强度的高性能桥面铺装材料的开发和制备技术。针对面层材料耐久性差的特点，采用高抗剪、高粘结强度的高粘SMA沥青混凝土材料作为面层，通过沥青材料的设计方法的优化及材料的开发，制备了70℃动稳定度大于5000次/mm、70℃钢板与混合料的界面剪切强度达到0.8MPa以上的高抗剪、高粘结强度的SMA混合料。5、高韧性轻质混凝土钢箱梁桥面铺装材料的设计与制备、铺装结构组合设计、施工工艺于一体的成套技术。优化了桥面剪力件焊接工艺及加筋网的布设工艺、剪力件焊接的质量评价方法、高强、高韧性轻集料混凝土的拌和、泵送、浇筑、养护等施工工艺及质量控制技术、高粘高弹改性沥青制备及防水应力吸收层施工技术、高粘SMA面层设计及施工关键指标控制，编制了《XX大道L32联钢箱梁桥面铺装施工技术指南》。

四、该项目与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较1、混凝土技术对比分析从表14可以看出，本技术研制出的C50轻质高韧性混凝土较普通钢纤维混凝土、钢纤维轻集料混凝土、轻集料混凝土在工作性能上都有较大的提高，混凝土坍落度经时损失小，适宜于长距离泵送；表观密度较C50普通钢纤维混凝土减轻了32%，满足了钢箱梁桥面铺装对铺装层料提出的承载力要求；30d韧性指数达到28，韧性较C50普通轻集料混凝土提高了20多倍，较钢纤维混凝土的韧性也有一定的提高；干缩率较小，抗渗等级较普通混凝土有大幅度提高。因此，采用课题组研制的C50高韧性轻质混凝土非常适合作为桥面铺装层材料。表14C50轻质混凝土技术对比性能单位本技术C50钢纤维轻集料混凝土C50轻集料混凝土C50钢纤维混凝土表观密度Kg/m31900200018502500坍落度0hCm221012181h20681428d抗压强度MPa63.961.760.261.128d抗弯强度MPa8.77.64.68.8韧性指数η30\28221.262390d干缩率×10-42.23.63.53.0抗渗等级\P16P12P8P11疲劳荷载次数万次30010050150弹性模量Gpa32363538可泵性可泵性好不可泵送可泵性差可泵性差2、面层降噪、抗滑性能比较分析表15各种面层铺装材料性能对比测试指标混凝土AC-13EASMA-13空隙率/%/4.461.83.35冻融劈裂强度比/%/91.179391.53动稳定度/次/mm/4953120008854构造深度/mm很小0.510.631.15摆值/BPN/535562噪声水平/dB79~8476~8078~8272~76从表15可以看出，比较国内外常用的几种路面材料，高粘SMA-13的构造深度最大，达1.15mm，具有较好的抗滑能力；其噪声水平为74~78dB，较水泥混凝土路面降低了5~8dB，较AC、EA等沥青混凝土路面也降低了3~4dB，表明高粘SMA-13作为桥面铺装面层材料，具有良好的抗滑、降噪效果，提高桥面行车舒适性和安全性。三、技术经济对比分析国内外目前普遍采用的钢箱梁桥面铺装方案有双层SMA沥青混凝土、双层环氧沥青混凝土。SMA是由沥青结合料与少量的纤维稳定剂、细集料以及较多的填料（矿粉）组成的沥青玛蹄脂填充于间断级配的粗集料骨架的间隙，组成一体的沥青混合料，具有热稳性优良，抗滑耐磨耗、抗裂性及密水性均较优良，主要缺点是混合料与钢板之间的结合不良，易出现钢板与铺装层之间结合不良的问题，国内众多桥梁（XX军山大桥、白沙洲大桥）采用双层SMA沥青混凝土进行铺装，均出现一年一修的局面。环氧沥青混凝土采用改性环氧树脂沥青配制的混合料，在钢板与混凝土之间使用热固化性树脂作为粘接剂，能够显著提高钢板与铺装层之间的粘结性能，高温时车辙与推移现象明显减少，已用于南京长江二桥等多座桥梁。然而该方案材料和技术均来自国外，铺装费用较高，且对环境的温湿度要求非常严格，作业面大，表面构造深度小，抗滑性能差。以跨径140m、宽25m，已通车使用15年的XX市绕城公路东西湖C匝道钢箱梁桥为例，由于其坡度较大（横坡达7%），若采用普通SMA铺装，可能会维修15次。依此来计算，采用双层SMA钢箱梁桥面铺装技术的总造价为918.75万元，采用双层环氧沥青混合料技术的总造价为490万元，而采用本项目开发的钢箱梁桥面铺装技术总造价仅为143.5万元，相比双层普通SMA方案可节约工程造价近775.25万元，而且具有良好的桥面耐久性，可以避免频繁维修造成的交通堵塞及其产生的社会影响。另外，对铺装方案进行抗剪和抗疲劳性能试验结果表明，其抗剪强度和抗疲劳特性均优于环氧沥青混凝土。因此，根据材料的试验结果和实际工程的使用情况，推测“剪力件+钢筋网+高韧性轻集料混凝土+SMA”铺装方案，其使用年限将会达到或者超过环氧沥青混凝土方案，且其造价较环氧