武荆高速公路东西湖互通钢箱梁桥面铺装病害分析及养护方案

2015-12-21陈忠华郭洪军

交通科技 2015年4期

关键词：装层互通钢箱梁

陈忠华　成　猛　郭洪军

(湖北省交通规划设计院　武汉　430051)

武荆高速公路东西湖互通钢箱梁桥面铺装病害分析及养护方案

陈忠华成猛郭洪军

(湖北省交通规划设计院武汉430051)

摘要针对武荆高速公路东西湖互通E匝道钢箱梁桥面铺装出现的严重推移、拥包病害，分析其产生的原因，进行了有限元模拟计算，提出合理的养护方案，并对施工后的使用效果进行观测。实践证明，该养护方案有效解决了该钢箱梁桥面铺装病害问题。

关键词钢箱梁桥面铺装病害有限元防水粘结层

由于钢桥具有建造周期短、跨越能力大、适合于工业化制造、便于运输、构件易于修复和更换等诸多优点，因此被越来越多地采用。但由于钢桥面铺装的特殊性及钢桥面铺装技术的限制，钢桥面早期损害现象比较普遍，目前钢桥面铺装技术在我国公路建设中，成为一个热点、难点问题。

武荆高速公路东西湖互通是武汉外环、京珠高速和武荆高速的连接线，于2010年5月正式通车，其中E匝道有2座钢箱梁桥，桩号分别为EK0+782～EK1+012和EK1+285～EK1+395。通车3年后，钢桥面铺装层发生了严重推移、拥包病害，现针对该桥病害发生的特点及产生的原因，提出合理的养护方案，并对施工后的效果进行观测总结。

1　原桥面铺装层设计

原设计钢桥面铺装层按双层SMA沥青混凝土设计，总厚度80mm，上下铺装层均采用40mm细粒式改性沥青混凝土SMA-13。粘结层和防水层的结构为：钢箱梁桥表面抛丸处理后，设置环氧富锌漆涂层，涂布2层反应型防水粘结层，每层用量为0.1～0.2L/m2，最后施工桥面2层沥青混凝土。钢桥面铺装结构见图1。

图1　原设计钢桥面铺装结构示意图

2　桥面铺装层病害描述及原因分析

对武荆高速公路东西湖互通E匝道现场调查发现，该钢箱梁桥面出现了严重的推移、拥包病害，并且发现发生推移的沥青混凝土较松散，颜色枯黄，粘结力明显较低。

通过分析，桥面发生推移、拥包病害的主要原因有以下4点。

(1) 防水粘结层失效。对桥面发生病害的路段进行开挖，发现整个桥面铺装的粘结层均已失效，铺装层与钢桥面不能组成一个共同受力整体，防水粘结层已经破坏，粘结材料完全脱落，部分钢板裸露且发生锈蚀。

当防水粘结层发生破坏后，沥青混凝土铺装层的受力状态逐渐由连续变为滑动，内部最大剪应力急剧增大，当最大剪应力超过沥青混凝土的抗剪强度时，铺筑层即发生剪切推移病害。防水粘结层失效是钢桥面发生推移病害的主要原因之一。

(2) 沥青混合料抗剪强度差。通过对发生推移的沥青混凝土仔细观察发现，混合料颜色枯黄，并且很松散。分析认为，沥青混凝土中沥青用量偏少，拌和不均匀，导致混凝土的粘结力较差，混凝土的抗剪强度也较差，这也是钢桥面发生剪切推移病害的主要原因之一。

(3) 钢桥面喷砂除锈处理效果不佳。施工防水粘结层前，采用抛丸工艺对钢箱梁桥表面进行处理，由于钢桥面材质较硬且施工可能存在问题，造成钢箱梁桥面的清洁度和粗糙度不满足设计要求，降低了防水粘结层的抗剪强度。

(4) 原桥面未设置排水设施。由于原桥面未设置排水设施，雨水渗入沥青混凝土后，未能及时排出，最终聚集在沥青层底部，在动水压力的作用下，防水粘结层逐渐被破坏，造成桥面铺装层发生推移病害。

3　水平力系数对剪应力的影响

武荆高速公路东西湖互通E匝道的钢桥处于曲线段，水平力荷载主要有2种类型：一种是由车辆的启动和制动产生的；另一种是车辆在转弯过程中产生的，称之为横向水平力。弯道处的铺装层将在2种水平力共同作用下产生结构响应。结合东西湖互通E匝道钢箱梁桥的实际情况，采用了有限元分析方法，模拟分析钢桥面铺装与钢板的层间受力情况。

我国现行最新的公路沥青路面设计规范[1]中规定的标准轴载以BZZ-100表示，采用的是单轴双轮组荷载100kN，轮胎压力为0.7MPa。对于水平力系数取值的研究早在1982年交通部《公路柔性路面设计方法及指标的研究》和1986年建设部《城市道路柔性路面设计方法及指标的研究》2个科研项目中进行了研究，采用随车仪器测定水平力系数，在车轮正常行驶或者制动、启动的情况下，水平力系数f不大，一般小于0.17，但是在紧急制动、转弯(转弯半径较小)或者上坡(坡度较大)时，水平力系数f可以达到0.5，甚至更高，峰值趋近于路面的摩擦系数[2]。《城市道路设计规范》(GJT37-90)中规定，通常情况下取f=0.2，紧急制动时取f=0.5比较合适[3]。为考虑桥面铺装受力的最不利状况，在本研究中，水平力系数取0.5。根据钢桥的平面曲线和设计车速进行计算，获得横向水平力系数一般为f=0.05～0.2，因此考虑横向水平力系数为0～0.3。钢桥面铺装与钢板层间水平剪应力计算结果见表1[4]。

表1不同纵、横向水平力系数下粘结层层底最大剪应力MPa

横向水平力系数纵向水平力系数0.10.20.30.40.50.00.2590.2830.3010.3300.3550.10.2890.3120.3360.3600.3840.20.3180.3410.3650.3890.4120.30.3470.3750.3940.4180.442

由表1可见，水平力系数对桥面铺装粘结层的最大剪应力有很大影响，较高的水平力系数将使粘结层应力维持在一个较高的水平。当横向水平力系数从0增加至0.3，纵向水平力系数从0.1增加至0.5，最大剪应力增加了70.6%。

考虑1.5倍的超载，汽车在正常行驶状态下(纵向水平力系数f=0.2)、速度40km/h(横向水平力系数f=0.05)行使时，桥面铺装将产生0.446MPa的剪应力；如果考虑1.5倍的超载和紧急制动，将产生0.554MPa的剪应力。

以上分析表明，结合武荆高速东西湖互通E匝道钢桥面铺装的使用环境(-5～60 ℃)，在保证一定安全系数的前提下，桥面铺装防水粘结层的抗剪强度必须满足0.5MPa，才能有效保证桥面铺装在实际使用过程中不易产生破坏。

4　养护设计方案

针对桥面沥青铺装层发生的严重推移病害，采用重点增强防水粘结层粘结力及防水能力，然后加铺沥青混凝土的方法进行处理，同时增设桥面排水措施，桥面铺装结构见图2。

图2　钢桥面铺装层养护结构图

具体养护方案如下。

(1) 桥面处理。铣刨桥面铺装层沥青混凝土，并将钢板表面进行喷砂除锈处理，要求清洁度达到Sa2.5级，粗糙度达到50～100μm。

(2) 防腐层。喷砂除锈后4h内涂刷环氧富锌漆，厚度50～100μm。

(3) 防水粘结层。防水粘结层由柔性环氧树脂防水粘结层和反应型防水粘结剂组成。在环氧富锌漆达到设计要求的结合力后，进行柔性环氧树脂防水层施工：第一层涂刷200～300g/m2柔性环氧树脂，撒布300～400 g/m2的0.3～0.6 mm碎石；第二层涂刷400～600 g/m2柔性环氧树脂，撒布500～800 g/m2的1.18～2.36 mm碎石。柔性环氧树脂固化并检验合格后，涂刷反应型防水粘结剂。粘结剂用量为：300～500 g/m2。

(4) 缓冲层。缓冲层主要由橡胶沥青应力吸收层组成，橡胶沥青应力吸收层材料的用量为橡胶沥青800～1 500g/m2，碎石8～10 kg/m2。

(5) 铺装层。摊铺3.5cm厚的SBS改性沥青SMA-13上面层+3.5cm厚的SBS改性沥青SMA-13下面层。沥青层间洒布PCR改性乳化沥青0.3～0.6kg/m2作为粘结层。

(6) 桥面排水。铺筑上、下面层沥青混凝土时，匝道桥内侧防撞墙处增设10cm×7cm排水明沟，以排出路表水及沥青混凝土内部层间水。匝道桥伸缩缝内侧边部开槽，便于将排水明沟的水排出桥外。