马鞍山长江公路大桥钢桥面铺装设计指标分析

詹成根，王 民，张 昭

（1.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 400060；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067）

马鞍山长江公路大桥位于安徽省马鞍山市，2013年12月31日投入使用，是合常高速公路的重要组成部分，大桥按全封闭、全立交6车道高速公路标准设计，设计车速为100km／h。该桥长36.274km，其中跨江主体工程长11.209km，分为北引桥、左汊主桥、江心洲引桥、右汊主桥及南引桥。左汊主桥（K6＋920～K9＋080）全长2 160m，主跨为2×1 080m三塔两跨悬索桥，在同类桥梁中位居世界第一［1］。该桥具有跨径大、桥面铺装受力复杂等特点。通过对比，分析钢桥面铺装设计指标，选择合理钢桥面铺装结构形式，制定钢桥面铺装方案的技术指标要求，是钢桥面铺装研究需要解决的核心问题。

1 钢桥面铺装使用条件对比分析

通过调查研究，借鉴舟山西堠门大桥、贵州北盘江大桥、泰州长江大桥及南京长江四桥4座大桥的使用条件和设计指标［2－5］，对比分析，确定马鞍山长江公路大桥钢桥面铺装设计控制指标。4座大桥使用条件参数见表1。

表1 调研大桥钢桥面使用条件对比分析Table 1 Operation conditions of the studied steel bridge deck

从表1中4座大桥与马鞍山长江公路大桥钢桥面使用条件相比较可以看出：

1）桥梁结构和桥面系参数

4座大桥与马鞍山长江公路大桥均为悬索桥，最小主跨跨径636m，最大主跨跨径1 650m，其中泰州长江大桥的跨径分布与马鞍山长江公路大桥的相同。从桥面系参数来看，4座大桥的顶板厚度以14mm为主，与马鞍山长江公路大桥的相同；5座大桥的加劲肋参数局部存在着微小的差异，总体相差不大。因此，选取该4座与马鞍山长江公路大桥结构条件相近的桥梁作为桥面铺装设计指标参照目标，是合理且可行的。

2）气候条件

4座大桥所在区域年平均温度在15～17℃之间，其年最高温度和年最低温度与马鞍上长江公路大桥的气候条件相差不大。马鞍山长江公路大桥的桥区年降雨量为1 053mm，小于西堠门大桥和贵州北盘江大桥的，但接近于泰州长江大桥和南京长江四桥的。

3）交通荷载情况

预测马鞍山长江公路大桥的即年交通量为22 254辆／日，其中货车比例可以达到50%［1］。与4座大桥相比较，马鞍山长江公路大桥的日交通量和货车所占比例要略高于其他桥梁的。

综上所述，所选4座大桥结构特性、气候条件及交通荷载条件与马鞍山长江公路大桥相差不大，以此作为马鞍山长江公路大桥钢桥面铺装设计参考依据，借鉴意义重大。

2 钢桥面铺装控制性指标分析

通过搜集4座大桥钢桥面铺装结构体系设计中的控制性指标［2－6］，分析各项控制性指标间的差异，具体见表2。

从表2中可以看出：

1）舟山西堠门大桥和贵州北盘江大桥通车时间较早，使用时间已达到4～5年，桥面铺装使用情况良好。泰州长江大桥和南京长江四桥通车时间较晚，桥面铺装使用性能还有待考证。

2）在检验结构疲劳耐久性上，既有五点加载方式，也有三点加载方式。加载控制模式有采用应力加载，也有应变加载。但总体来看，结构疲劳耐久性都非常优良。

表2 大桥铺装方案选择控制指标Table 2 Control index of the bridge pavement scheme selection

3）面层铺装材料有环氧沥青EA、改性沥青SMA及改性沥青AC。环氧沥青EA在采用的400με应变水平条件下具有优良的耐久抗开裂性能。改性沥青AC在400με条件下疲劳次数达到100万次不开裂，改性沥青SMA在1 000με应变水平下疲劳次数达到100万次不开裂。

4）在结构整体性上，舟山西堠门大桥和贵州北盘江大桥采用的试验温度为25℃，泰州长江大桥和南京长江四桥借鉴日本相关试验规范，试验温度采用20℃。在抗剪切性能试验方法上也存在一定的差别，主要分为压剪和直剪两种。从指标来看，防水结构的粘结强度相差不大，主要区别在于剪切强度。采用压剪试验方法所得到的指标要大于采用直剪所得到的指标。

5）环氧沥青EA为刚性材料，具有优良的高温抗重载性能［7］。因此，舟山西堠门大桥和泰州长江大桥组合结构的动稳定度都较大，完全能满足实际需求。贵州北盘江大桥和南京长江四桥的铺装层材料都是柔性的沥青混合料，其受温度的影响较大，但组合结构的动稳定度要求达到大于3 000次／mm。

6）尽管低温试验的条件不同，但铺装结构的低温抗裂性能都非常好。在特定的试验温度下，组合梁的低温应变都超过了8 000με。

7）从路用性能来看，桥面铺装要求不渗水或渗水系数≤80mL／min。路面抗滑性能因为检测方法的不同，在指标上也不统一。

综上所述，4座大桥因采用的试验方法或试验条件存在着差异，导致指标也不统一，在制定马鞍山长江公路大桥设计指标时，应注意这些差异。

3 马鞍山长江公路大桥钢桥面铺装方案设计目标

根据4座大桥使用条件和设计指标对比分析，并借鉴国内其他大跨径钢桥面铺装技术的设计要求，制定了马鞍山长江公路大桥钢桥面铺装设计组合结构技术要求，见表3。

从表3中可以看出：

1）铺装结构耐久性表征的是钢桥面铺装在实际应用过程中的完整性，保证铺装结构在重复荷载作用下不发生开裂和脱层等病害。根据交通荷载在桥面铺装上的作用次数，确定铺装层重复荷载加载次数≥100万次。

2）桥面铺装在面层容易出现负弯矩，面层材料极易出现疲劳开裂。因此，面层材料需要具有良好的疲劳耐久性。根据交通荷载在铺装层上的作用次数，通过四点弯曲试验，提出面层材料在一定应变条件下的疲劳次数≥800万次。

3）防水粘结层与沥青铺装层层间是整个铺装层的薄弱环节，在使用过程中，受荷载的重力和水平力的作用，极易出现脱层。通过4座大桥铺装结构的结合强度指标和理论计算值，按照一定的安全系数推算，铺装结构的25℃粘结强度≥1.0MPa，25℃剪切强度≥1.5MPa（压剪）。

表3 马鞍山长江公路大桥钢桥面铺装方案设计目标Table 3 Design goals of highway bridge steel deck plate paving in Maanshan Yangtze River

4）马鞍山长江公路大桥预测交通量大，且货车比例较大，同时，钢箱梁的储热功能导致桥面铺装层的使用温度稍高于大气温度。因此，桥面铺装必须具有较好的抗车辙性能。结合早期大量调查和研究资料表明，在低温时，铺装温度略高于气温；高温时，铺装面层温度比气温高20～25℃（太阳直射状态下，约在13∶00～15∶00时段），铺装底面和钢桥面板温度比气温高15～20℃。由此气温条件分析得知，马鞍山长江公路大桥钢桥面沥青铺装层的工作温度范围为－15～70℃。提出70℃动稳定度达到2 500次／mm时，桥面铺装能更好地满足实际需要。

5）钢桥面铺装体系属于柔性体系，在荷载作用下，铺装层会发生较大的变形。铺装材料具有较大弯拉应变时，可以通过自身变形吸收因外力作用产生的内应力，保证铺装层不会开裂。通过4座大桥低温抗裂指标和实际试验值，推算铺装结构低温极限应变≥8 000με。

6）面层铺装材料采用具有一定空隙的沥青混凝土，如：环氧沥青EA设计孔隙率为1.5%～3.0%，改性沥青SMA设计孔隙率为3.0%～4.0%等［8－10］。当结构体系渗水系数≤80mL／min时，外界水分通过连通空隙难以进入铺装内部。

7）应用结果表明，铺装层表面构造深度≥0.8mm时，可以给行驶车辆提供粗糙的行车界面，保证在恶劣天气下行车的安全。

4 结论

1）研究分析马鞍山长江公路大桥钢桥面铺装使用条件和铺装方案对大跨径悬索桥的适用性，为该桥铺装方案的选择提供了支撑。

2）根据实桥使用条件和建设目标，在已有研究成果和应用基础上，通过类似使用条件的多种大跨径悬索桥钢桥面铺装设计目标分析，确定了马鞍上长江公路大桥钢桥面铺装应达到的设计指标。

3）研究成果对钢桥面铺装设计与施工技术指标的制定，对改善钢桥面铺装的结构性能和提高钢桥面铺装的使用寿命具有重要的意义。

（References）：

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