常温状态下重庆长江鹅公岩大桥钢桥面铺装层温度分析

常温状态下重庆长江鹅公岩大桥钢桥面铺装层温度分析

重庆长江鹅公岩大桥是重庆二环路快速道路上的一座重要桥梁。西接重庆高速公路入口，经大官殿、谢家湾、长江穿越重庆，东接重庆黔黔公路4000公里，全长7.28公里。主桥全长1022米，主桥全长600米，为钢箱梁结构。因其上部桥面板远期还考虑有轨道交通,因而成为受力较为复杂的桥梁之一。其引道桥桥面共有46085m2,故在作好钢桥面铺装设计的同时,对引道桥桥面铺装也应予以重视。1铺设和使用钢桥面材料1.1虎林市虎林市公岩大桥交通量特征根据重庆市客货运输的增长情况及鹅公岩大桥交通量的构成,对鹅公岩大桥的交通量作出预测,见表1。从表1可以看出,重庆长江鹅公岩大桥的交通量是特别大的,这对钢桥面铺装结构层的设计提出了更高的要求。1.2广东嫌犯桥面铺装层温度特性重庆位于四川盆地东部,具有典型的亚热带大陆性气候。受四川盆地的影响,重庆夏季闷热潮湿,冬季温暖湿润。根据重庆市气象局多年的观测资料,重庆地区年平均气温为22℃,年平均最高气温为25℃,8月平均气温达30℃,2月平均气温为5.6℃,极端最高气温为44℃,极端最低气温为-4℃。根据广东虎门大桥钢桥面铺装层各层位的温度测试结果分析,在密闭钢箱梁的桥面铺装层中,钢桥面铺装使用温度与气温和日照时间长短有极大的关系。通常情况下,铺装层表面温度较日最高温度高28～31℃,而钢桥面板温度较铺装层表面温度低4～5℃。因而,结合重庆地区的气候特点,预计重庆长江鹅公岩大桥钢桥面铺装层的使用温度范围在-4～75℃之间。1.3钢桥面铺装使用条件采用有限元分析,常温状态下对重庆长江鹅公岩大桥正交异性桥面板进行了荷载作用下,裸板表面和铺装表面的应力、应变分析计算,并对钢桥面板的纵向加筋肋在荷载作用下的相对挠度及曲率半径进行了计算。其中,采用《公路桥涵设计通用规范》(JTJ021-89)中汽车超-20级作为计算荷载,计算结果如表2和表3所示。根据计算结果,裸板加载条件下纵向U形加劲肋间相对挠度<0.4mm,曲率半径>20m,满足铺装对正交异性板结构设计的要求。根据钢桥面铺装使用条件分析,基本可确定重庆长江鹅公岩大桥钢桥面铺装使用条件如下:在标准轴荷载条件下,铺装表面最大拉应变约为200～300με;行车轮迹附近U形加劲肋顶面铺装最大拉应变约为100～150με。2钢桥面地板结构2.1重庆长江虎林段的sma10水铺装在总结以前钢桥面铺装经验的基础上,结合重庆长江鹅公岩大桥钢桥面的特定条件,形成了重庆长江鹅公岩大桥钢桥面铺装方案。如图1。行车道钢桥面板喷砂除锈达到Sa2.5级后,喷60～100μm富锌底漆,然后在其上作防水粘接层,防水粘接层由0.8～1.2mm粘接剂和其上撒布2.36～4.75mm的预拌沥青碎石组成,它们和铺装下层SMA10构成钢桥面铺装的防水隔离层。铺装下层SMA10(包括防水层)厚37mm,设计空隙率为2.5%～3.0%,具有良好密实性和整体性。铺装上层SMA13厚33mm,设计空隙率为3.5%～4.5%,具有较好的热稳性、抗裂性和较强的变形能力,同时在人行道路缘与行车道铺装结合部位预留缝并填入热灌型填缝料(高弹性沥青类填缝料)。在行车道铺装边缘纵向设置螺旋排水管,并将水排入集水槽中。铺装下层和防水粘接层以及螺旋排水管等构成重庆长江鹅公岩大桥钢桥面铺装结构的防排水系统。铺装下层使用较硬的改性沥青(型号Y-2)和较小空隙率(2.5%～3.0%)的混合料,保证铺装具有良好的热稳性及密水性。铺装上层(厚3.3cm)的SMA13则使用弹性较好且变形能力优良的改性沥青(型号X-3)和粗骨料嵌挤良好的级配(空隙率3.5%～4.5%)以保证铺装层的热稳性、抗裂性及表面抗滑性能。在铺装上、下层之间,采用改性乳化沥青粘层(0.4～0.6L/m2),以保证铺装上、下层的整体性。防水粘接层上撒布的预拌碎石,在其上层的SMA10混合料高温摊铺与碾压成型过程中,已嵌入SMA10混合料中,形成整体。铺装成型后,该层不独立存在,在靠近边缘栏杆路缘20cm范围内不撒布预拌碎石。2.2保护材料的比选2.2.1材料的筛选与组合用于钢桥面板防锈喷涂的材料主要有:无机富锌漆、有机富锌漆、热喷金属锌、四氧化三铅防锈漆、溶剂沥青橡胶粘着材料等。针对重庆长江鹅公岩大桥钢桥面铺装工程的具体情况,其钢桥面防护主要从无机富锌漆、热喷金属锌、溶剂沥青橡胶3种防锈材料中择优选取。无机富锌漆、热喷金属锌、溶剂沥青橡胶3种材料与钢板的附着力试验结果见表3。由表3可知,热喷金属锌、无机富锌漆与钢板结合较好,溶剂沥青橡胶与钢板结合较差。为了比较钢板表面3种防护涂装即无机富锌漆、热喷金属锌、溶剂沥青橡胶的防锈效果,进行了在重庆气候条件下的室外暴露试验。在人为破伤涂层的试样表面上每天洒一次5%的盐水,观察并记录试样表面变化,结果见表4。室外暴露试验结果表明,3种防护涂装以热喷金属锌防锈效果最佳,无机富锌漆次之,溶剂沥青橡胶最差。另外,在剪切试验和耐气候粘接试验后,发现B方案(涂溶剂沥青橡胶)的钢板表面已生锈,其余几种方案的钢板表面都未生锈,也表明溶剂沥青橡胶对钢板表面的防护能力较差。2.2.2经济分析(1)无机富锌漆防腐无机富锌漆方案和溶剂沥青橡胶方案的工程造价相近,工期相当(约40d),无机富锌漆防锈能力大大优于溶剂沥青橡胶,热喷金属锌防腐性能更优良,但相应造价较高(为无机富锌漆的2.5～3倍),工期亦较长(约60d)。(2)施工单位及施工时间从防锈、粘接和抗剪切等性能试验的结果来分析,溶剂沥青橡胶方案的综合性能差,维护和翻修的频率和费用较高(维护和翻修时,桥面钢板需重新清洗和彻底进行喷砂处理,费用高,施工时间长),效益差。采用无机富锌漆方案有较好的综合性能,效益较好,但铺装翻修时易造成漆膜被损坏,一般需重新对钢板进行喷砂和防护处理。采用热喷金属锌方案具有卓越的防锈性能和强度,粘接和疲劳性能也最好,故使用寿命会更长,而维护和翻修时,桥面钢板通常可不重新进行防锈处理,可减少桥面钢板喷砂除锈和防护涂装的费用,缩短维护和翻修施工时间。因此,从长期效益方面考虑,热喷金属锌方案比无机富锌漆方案要好,溶剂沥青橡胶方案不可取。2.2.3热喷金属锌方案从试验结果看,溶剂沥青橡胶方案难以达到理想的防锈效果,且防锈和防油污染管理较难。无机富锌漆方案和热喷金属锌方案则各有所长:无机富锌漆造价低,工期较短,防锈性能稍差,维修养护费用较高;热喷金属锌防锈性能卓越,强度高,但工期比无机富锌漆要长,造价较高。总之,考虑热喷金属锌施工条件较为苛刻,施工设备要求较高,工期长,造价高等因素,在重庆鹅公岩大桥钢桥面板防锈涂装采用富锌底漆方案。3地板材料、混合材料的组成和性能要求3.1防护材料重庆长江鹅公岩大桥钢桥面防护材料采用富锌底漆,其技术要求如表5。3.2沥青的粘接剂性能防水粘接层由满布0.8～1.2mm的粘接剂及在其上撒布(满布)的一层预拌沥青碎石层组成,具有连接富锌底漆与铺装层的粘接作用,同时具有较高的强度、一定的低温变形能力及在常温下具有较高的硬度。该材料在75℃以下使用温度范围内均具有良好抵抗剪切变形的能力。预拌沥青碎石采用硬质碎石与用量为0.5%～0.8%的AH-70号石油沥青在180～200℃温度下拌和而成。粘接剂性能必须满足表6中的性能要求。预拌碎石质量要求如表7所示。3.3沥青路基质沥青应满足《公路沥青路面施工技术规范》要求,铺装上层及铺装下层改性沥青技术要求如表8和表9。3.4充填材料选择选用卵石破碎石料作为重庆长江鹅公岩大桥钢桥面铺装用碎石。粗集料、细集料及矿粉应满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTJ032-94)中的表C.8、表C.11及表C.12中的要求。特别强调粗集料的1∶3细长扁平颗粒含量必须<15%,1∶5细长扁平颗粒含量应<5%;洛杉矶磨耗损失应<30%;粗集料磨光值≥42(BPN);且颗粒破碎面不少于两个,卵石原材料备料时应选粒径≥10cm的卵石。集料分级规格如下。(1)9.5～13.2mm:13.2mm通过量100%及小于9.5mm的集料含量均≤10%。(2)4.75～9.5mm:大于9.5mm含量小于15%,小于4.75mm集料含量≤10%。(3)2.36～4.75mm:2.36～4.75mm粒径含量≥80%。(4)0～2.36mm:大于2.36mm含量≤15%。钢桥面铺装中不使用天然砂。施工中应保持矿粉干燥无结团,结团的矿粉不得直接使用。3.5纤维胶带纤维采用进口纤维产品。纤维生产厂家应提供纤维产品质检报告。3.6装装量不同时长丝管结合力的能力在铺装下层完工后,在其上涂布一层改性乳化沥青,涂布量为0.4～0.6kg/m2,增强铺装上、下层的结合力。改性乳化沥青采用SBR改性重交通70号或50号沥青,改性乳化沥青性能应满足部颁施工规范的要求。3.7混合料级配确定根据重庆卵石破碎石料的具体情况,设计出铺装下层(保护层)使用SMA10级配,铺装上层(面层)使用SMA13级配,上、下层SMA混合料级配应满足表10中要求。铺装下层沥青用量(油石比)范围为5.5%～7.0%,铺装上层为6.0%～7.0%。均需现场进行配合比设计并检验性能后确定,设计混合料性能需满足表11中的技术要求。纤维用量为混合料质量的0.4%～0.5%。3.8填充缝纫机材料填缝料采用高弹性沥青类填缝料,用于填筑铺装纵缝等部位,达到封水防水的目的。3.9螺旋管采用Ф12mm或Ф18mm的螺旋排水管,由不锈钢金属材料或其他不锈蚀材料制成,有伸缩性及弹性。4桥面铺装结构重庆长江鹅公岩大桥引道桥桥面铺装结构分为两部分:一是东西引道立交桥桥面铺装;二是主桥引桥。其中东西引道立交桥为箱梁结构,原设计桥面铺装结构为:8cm钢纤维混凝土调平层+6cm中粒式沥青混凝土铺装层;主桥引桥为简支T梁结构,原设计桥面铺装结构为:9cm钢纤维混凝土调平层+6cm中粒式沥青混凝土铺装层。4.1应该考虑的因素是雨棚桥桥面设计中应考虑的因素(1)面铺装结构设计由于水渗透入水泥混凝土桥面板中会导致钢筋的锈蚀,引起桥面板的开裂,因而在桥面铺装结构设计时从如下方面考虑防水:一是从水泥混凝土桥面板本身去考虑,如在水泥混凝土桥面板上喷洒水泥混凝土防水剂等;二是从铺装材料去考虑,减少铺装材料的孔隙率,以减少雨水的渗入;三是设置较完善的排水措施,使桥面板上的水尽快排出。(2)面沥青混凝土铺装层厚度调整方案重庆长江鹅公岩大桥水泥混凝土调平层原设计平均厚度为8～9cm,后在桥面沥青混凝土铺装层厚度调整为8cm的条件下,为保证桥面铺装层标高不变,将水泥混凝土调平层减薄2cm,如果水泥混凝土调平层不能满足最小厚度的要求或与水泥混凝土桥面板粘接不牢固,则有可能给沥青混凝土铺装层带来损害。(3)青sma混合料铺装重庆长江鹅公岩大桥桥面铺装工程表层全部采用5%SBS改性沥青SMA混合料铺装,将原设计6cm沥青混凝土改为4cm改性沥青中粒式沥青混凝土+4cm改性沥青SMA混合料,这样即有利于沥青混凝土层的施工,也有利于延长桥面铺装层的使用寿命。4.2混凝土调平层防水剂由于上述原因,引道桥桥面铺装结构如图2。在水泥混凝土桥面沥青混凝土层施工时,桥面板需干净、干燥,再喷洒0.2～0.3L/m2的水泥混凝土防水剂。因桥面水泥混凝土调平层原设计为钢纤维水泥