正交异性板大跨径钢箱梁桥面铺装病害分析

正交异性板大跨径钢箱梁桥面铺装病害分析

近年来，中国在桥梁建设中越来越多地采用了重量轻的异钢桥板，而不是普通的钢筋混凝土桥面板。但是,到目前为止未取得耐久的成功技术。即将或正在修建的正交异性板大跨径钢箱梁桥有近30座,已经动工的包括武汉长江三桥、南京长江二桥、宜昌长江大桥及重庆鹅公岩长江大桥等,而这些大桥一般采用沥青混凝土桥面铺装,因此,钢箱梁的沥青混凝土桥面铺装技术急需解决。本文以广东肇庆马房大桥两次桥面铺装的使用情况的调查结果为基础,分析钢桥面沥青铺装出现病害的主要原因,为钢桥面铺装的设计与方案选择提供成功与失败的经验和教训。1第二次钢桥面铺装方案的基本情况马房大桥为一座公铁两用桥,位于广东省肇庆市四会县境内,横跨北江,其上部结构为各自分体并列置于同一桥墩上,其中,公路桥为14孔跨径64m的正交异性板双箱简支钢梁桥,全长919.6m,行车道宽9m,两侧各设1.5m的人行道。钢桥面板纵向加劲肋为开口“L”型肋,间距300～325mm,横向加劲肋每2m一道。1984年12月马房大桥竣工通车,但是第一次沥青铺装结构在通车不到3个月,就开始出现许多横、斜与弧形裂缝,以及坑槽、中央分道线扭曲等病害。随着交通量的增加以及自然环境因素的影响,病害日益扩大,铺装层出现纵向和网状开裂,进而导致严重坑槽与钢板裸露,补不胜补,严重影响了钢桥的使用寿命和行车安全。1989年,为寻求解决桥面铺装的病害问题,肇庆市公路局与同济大学等单位合作,开展了“正交异性钢桥面板新铺装层试验研究”的研究项目,并于1989年11月22日完成了60m长、4.5m宽、总面积288m2的试验段。试验段经过20个月的使用,除箱梁腹板顶上铺装层表面出现微裂缝外,其他均完好无损。因此,根据试验段铺装方案,于1992年9月完成全桥14孔的沥青铺装层的大面积翻修重铺工作。同时,由上海铁道学院完成桥面铺装疲劳承载力的试验分析。试验段至今已使用10年时间,目前除在纵向加劲肋位置出现纵向的表面开裂,以及部分车辙与推移以外,使用情况良好。因此,第二次钢桥面铺装结构方案是一比较成功的结构。但是,大面积铺装的其他路段,出现了松散、推移、车辙与坑洞等损坏,严重的地方整个铺装结构完全脱落,露出钢板,已经过多次养护维修,仍然难以满足正常行车的要求。2山东云杉铺设不良原因分析2.1铺装层问题马房大桥的第一次钢桥面沥青铺装结构见图1。根据对第一次桥面铺装使用情况的调查结果分析,造成病害的主要原因包括以下几方面:①钢桥面板防锈漆为二度环氧铝粉漆,固化后形成干脆性漆膜附着于钢板上,附着不牢,在轮载与环境温湿的反复作用下,以及钢桥面板反复变形作用下,漆膜与钢板面分离脱壳,导致铺装层与钢板剪切分离。②粘结层采用环氧煤焦油,而煤焦油是一种挥发性物质,施工过程中由于沥青混凝土摊铺温度在100℃以上,造成未固化的环氧煤焦油爆发性挥发,溶解铺装层沥青,甚至还渗透到二度防锈漆中,实际铺装结构中已无明显的粘结层,加上铺装层开裂与防锈层分离,雨水直接渗到钢板上,导致钢板锈蚀。③橡胶沥青混凝土铺装层材料配合比设计存在缺陷,加上该桥为简支结构,跨中挠度大,造成跨中铺装层横向疲劳开裂。同时,纵向加劲肋为开口“L”型肋,肋顶负弯矩较大,从而导致铺装层沿纵向加劲肋顶面及肋与肋之间的纵向开裂。又由于铺装层与钢桥面板处于分离状态,在双向车辆的水平力作用下,使这些各自形成的纵横向裂缝牵拉形成斜向或弧形裂缝,以及网状开裂。另一方面,铺装层的热稳性差,难以满足本地高温时间长的气候条件,在行车荷载作用下,铺装层向车道外侧横向推移,从轻微隆起逐步扩展到起拱、破裂、松散,进而堆积成纵向长垄条状,而下面呈空壳状。④伸缩缝为单端固定滑板式构造,跨间平坦性极差,出现严重跳车,引起伸缩缝前端1m范围内铺装层受冲击开裂,导致坑洞和凹槽。⑤钢箱梁每跨64m,分三段用夹板及高强螺栓紧固拼接,拼接处夹板与高强螺栓共厚36mm,故接头处的铺装层厚度仅为3cm左右,从而引起桥面弹性模量的前后差异,形成行车跳动和水平冲击作用,导致产生与伸缩缝处类似的病害。⑥铺装层于1984年11月中旬到12月中旬施工,1985年元旦交付使用,铺装层尚未完全密实成型,就遇广东的低温阴雨的恶劣气候,雨水渗透使沥青混合料粘附力下降,导致铺装层沿裂缝处松散脱落,并迅速扩大为坑槽,钢板出露。2.2车桥铺装层存在的问题马房大桥的第二次钢桥面沥青铺装结构见图2。根据对第二次桥面铺装使用情况的调查结果分析,造成病害的主要原因包括以下几方面:①大面积施工采用人工炒拌混合料的方法,控制不良,对拌和温度缺乏严格的控制,造成温度过高而导致沥青的早期老化,影响了沥青混合料的耐久性,从而形成龟裂和网裂。同时,人工摊铺难以对摊铺温度严格控制,造成混合料压实不充分,导致横向推移和车辙。另外,施工时采用边开放交通边施工的方法,交通干扰大,影响施工质量。②虽然在1987年对全桥伸缩缝进行了全部更换和加固,但是,伸缩缝仍然采用普通埋头螺栓固定的滑板伸缩装置,在行车荷载的冲击作用下,螺栓滑牙脱落,滑板松动。同时钢梁结构偏柔,水平位移较大,造成伸缩缝两侧特别是锚固端的铺装层出现严重松散和推移,甚至露出钢板。③通过对马房大桥收费站交通资料的分析,机动车昼夜平均车次从1991年的9326车次到1999年的19465车次,平均增长率为10.7%,并且超载和重载现象也非常严重,这是造成铺装层出现病害的一个重要原因之一。同时,渠化交通造成铺装层沿轮迹方向出现较严重的车辙,导致铺装层向两侧横向推移,形成坑槽、油包和波浪,严重影响行车的平稳性。④钢梁纵向加劲肋顶铺装层仍然产生纵向开裂,但裂缝深度未到钢板表面,表明此次铺装的粘结层牢固。同时,钢梁拼接处由于螺栓顶部铺装层偏薄,在行车作用下仍然产生推移而露出螺帽。另外,钢梁偏柔,振动大,在各跨跨中均出现了铺装层纵向推移,而形成窝状。⑤铺装层两侧排水不畅,加上本地雨水充沛,近20年来平均年降雨量为1678.1mm,雨水长期滞留在桥面两侧,造成边缘铺装层产生水损害,从而出现松散和剥落,影响了铺装层的耐久性。⑥铺装层沥青混合料的集料针片状含量过大,有的达到40%,一般都在20%～30%之间,难以满足桥面铺装用集料的要求。比较马房大桥前后两次钢桥面沥青铺装的使用情况,可以看出,第二次铺装已使用10年,其使用效果明显优于第一次铺装。现场钻芯进行拔拉试验表明,钢板未出现锈蚀,拔拉破坏均出现在双层铺装之间的界面,因此,第二次铺装的防锈层和粘结层方案是比较成功的技术,满足钢桥面铺装的技术要求。虽然大面积施工由于主客观原因,铺装层出现了较多的病害,但试验段也不失为一较成功的方案,不过,还存在油石比过大、结构偏柔、集料形状差等缺点,有待进一步改进。同时,试验段还进行了其它技术措施的尝试,例如,在钢板顶面平焊抗剪钢筋,双层铺装层间设钢丝网加强等,这些措施使用效果的调查表明,与未采取这些措施的铺装段相比,没有明显的差别。因此,这些措施也有待深入试验和研究。3主要关键技术从广东肇庆马房北江大桥前后两次钢