江东大桥ERS钢桥面铺装维修方案研究

陈正发,单　岗,刘燕燕

(浙江顺畅高等级公路养护有限公司,杭州　310051)



江东大桥ERS钢桥面铺装维修方案研究

陈正发,单岗,刘燕燕

(浙江顺畅高等级公路养护有限公司,杭州310051)

摘要：江东大桥是国内跨径最大的自锚定式悬索桥，大桥采用了国内自主研发的ERS铺装技术，由于江东大桥钢箱梁顶板较薄，在高温重载等极端使用条件下经过5年的运营，桥面铺装局部出现了较为严重的车辙、推移和开裂病害。根据力学分析结果和结合铺装现场破损状况，提出了有针对性的分方向铺装养护维修方案，在保证桥梁结构安全的基础上建议适当增加铺装厚度，改善铺装受力。结合钢桥面铺装养护施工特点，从原铺装挖除、EBCL层施工、RA05层及SMA13层施工等关键工序入手，提出了有针对性的关键施工工艺。研究成果为国内类似钢桥面铺装养护项目提供了良好的借鉴。

关键词：江东大桥;ERS钢桥面铺装;病害调研;力学分析;养护方案设计中图分类号:U443.33?

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1671-234X.2016.01.002

文章编号：1671-234X(2016)01-0007-06

0引言

江东大桥位于杭州下沙经济技术开发区和萧山区之间，主桥采用空间缆自锚式悬索桥，主跨为420 m钢箱梁桥，大桥于 2008年12月26日建成通车。江东大桥与杭州绕城高速下沙大桥临近，主要解决杭州市下沙片区与江东片区的交通联系，规划定位为城市桥梁，桥梁设计过程中主要考虑以城市交通、轻型交通为主，对重载交通考虑不多。江东大桥主桥钢箱梁采用了14 mm厚顶板，考虑到与现有城市原有交通路网的衔接，大桥两侧均设置了近3%的长大纵坡。江东大桥钢桥面铺装采用了6.0 cm 厚ERS钢桥面铺装，铺装由EBCL层+2.0cmRA05层+4.0cmSMA10层组成，见图1所示。

图1　江东大桥钢桥面铺装设计图

江东大桥自2008年建成通车，经过5年运营，桥面铺装局部破损较严重，出现推移性车辙，个别位置出现坑槽病害，特别是下沙往萧山方向。

(1)下沙至萧山(上游)方向钢桥面铺装出现了较为严重的路面车辙和变形，局部路段还出现了严重的推移开裂。

(2)萧山至下沙(下游)方向钢桥面铺装EBCL层和RA05层基本完好，SMA10表面出现一些车辙。

1病害调研及分析

1.1高温车辙病害

ERS钢桥面铺装主要由RA05和SMA两层铺装层组成，其中RA05层作为一种反应性材料，与环氧沥青类材料性能相当，具有较高的强度，一般不会发生车辙病害。江东大桥ERS钢桥面铺装车辙病害主要发生在铺装表面SMA层。ERS铺装面层采用了4cm高粘改性沥青SMA10作为表面功能层，提升了铺装整体的行驶舒适性和安全性。但江东大桥在使用过程中发现，在高温重载的使用条件下铺装层出现了明显的高温性能不足现象，出现了较为严重的车辙和推移病害。SMA与RA之间的界面出现了一定程度的滑移，标线错位，见图2所示。

图2　铺装高温病害

高温重载是SMA层出现较为严重车辙病害的主要因素。江东大桥钢桥面铺装实测温度超过70℃，在此条件下沥青本身已经开始软化，在重载作用下铺装层出现高温车辙病害是必然的。

江东大桥与下沙大桥临近，原设计以市内轻型交通为主，但在实际运行过程中，由于大桥一直没有收费，导致杭州绕城高速经下沙大桥过江的车辆特别是重载货车，纷纷从杭州绕城高速下沙出口出高速经江东大桥过江，导致江东大桥的超载重载一直非常严重。下沙与江东地区近年来的大建设，也产生了大量的建材和渣土运输车辆，对桥面系造成了非常严重的损坏，具体见图3。

图3　江东大桥重载交通严重

图4　铺装开裂病害

1.2开裂病害

开裂是钢桥面铺装最主要的病害类型[1]，特别是对树脂类铺装材料，开裂也是江东大桥钢桥面铺装出现的另一种主要病害。开裂病害的类型主要有两种：一是由于SMA10层与RA05层之间粘结强度不足，SMA层自身在荷载作用下拉裂，出现月牙形裂缝；其二是轮迹带位置在行车荷载作用下出现了纵向疲劳裂缝。

桥面铺装安全与否的第一要素是界面结构和材料的安全可靠[2]。ERS钢桥面铺装在RA05与SMA10之间采用了改进的沥青类粘结层，粘结强度较一般的乳化沥青和热喷改性沥青有明显提升，但是在70℃条件下，强度依然无法满足有效约束SMA10层的要求，导致铺装层出现月牙形裂缝。ERS钢桥面铺装解决了钢板与铺装层的粘结问题，但在RA05层与SMA10层的粘结方面还有待提升。特别是在重载作用下，荷载增加与界面剪应力增加成线性关系(见表1)，加速了铺装的破坏。

为了提高钢箱梁的刚度，钢箱梁内部设置了大量的纵横向加劲肋，在荷载作用下，加劲肋顶面受较大的弯拉应变，导致铺装层沿轮迹带出现纵向疲劳裂缝，室内铺装结构和材料设计时按照设计荷载考虑疲劳寿命，但现场实际荷载远高于设计荷载，导致铺装疲劳寿命按照10的n次方倍数衰减出现疲劳开裂。

表1　重载对铺装受力的影响

1.3坑槽网裂

江东大桥钢桥面铺装另一类病害是网裂和坑槽(见图5)，施工缺陷、裂缝的进一步发展是坑槽网裂形成的主要原因。首先是铺装上下面层施工过程中的缺陷，在行车荷载的作用下逐步反射至铺装表面形成网裂或者坑槽，施工的缺陷可能出现在下面层RA05层中，也可能出现在铺装上层的SMA10层；其次是铺装层出现开裂后，水渗入裂缝中，在车辆荷载作用下，铺装层局部发生损坏。

图5　铺装坑槽及网裂

2养护方案设计

ERS作为组合式钢桥面铺装结构，受力特性复杂，因此本文对ERS钢桥面铺装结构进行力学性能分析，主要考虑RA05下面层及SMA13上面层厚度变化对铺装结构力学性能的影响，计算过程中以原铺装结构2.0cmRA05层+4.0cmSMA层作为标准结构，分别变化RA05层的厚度或者SMA层的厚度，计算各层的最不利受力状态。

选取2.0cm、2.5cm、3.0cm三种RA05层厚度及3.5cm、4.0cm、4.5cm、5.0cm四种SMA13层厚度，分析RA05及SMA13厚度变化对铺装结构力学响应的影响。根据国内外钢桥面铺装力学计算的结果，铺装层的横向拉应力/拉应变是导致铺装层出现开裂的最重要因素[3]，因此本文选取铺装层不同层位的横向最大拉应力σ及最大拉应变ε为力学分析指标。力学分析结果见图6所示。

图6　力学分析结果

(1)SMA13厚度对铺装各层力学响应影响显著。各层最大拉应力及最大拉应变均随SMA13厚度增大而减小，随着SMA13厚度由3.5 cm增大到5.0 cm，各层最大拉应变分别减小约23.1%(SMA层底)、24.3%(RA05层顶)、24.7%(RA05层底)及16.5%(EBCL层顶)。

(2)RA05厚度变化对RA层底及EBCL层顶最大拉应力和层底最大拉应变影响显著。随着RA05厚度由2.0 cm增大到3.0 cm，RA05层底及EBCL层顶最大拉应力分别减小约30.6%及26.27%，最大拉应变分别减小约27.91%及19.39%。

考虑增加SMA13层及RA05层厚度可有效优化ERS铺装结构受力性能，保护EBCL层，结合铺装结构整体强度要求，建议首先考虑增大RA05厚度。为提高原SMA结构的耐高温及抗车辙能力，建议在铺装上层采用骨架结构更好的SMA13并添加抗车辙剂，提高抗车辙动稳定度。综上结合桥面铺装力学分析结果及原铺装厚度，推荐4.0cmSMA13+2.5cmRA05及4.5mSMA13+2.0cmRA05两种结构方案供选择。

根据现场铺装病害状况，上游(下沙至萧山方向)全部铣刨重铺，上游铺装结构方案采用40mmSMA13+25mmRA05+EBCL，结构图见图7所示；下游(萧山至下沙方向)保留原RA05层，铣刨挖除现有的破损桥面4.0cm厚SMA10层，将部分损坏的RA05修复(或部分重置)，然后重新铺筑改性沥青SMA13上面层，下游铺装结构方案采用45mmSMA13+20mmRA05+EBCL，结构图见图8所示。

图7　上游ERS钢桥面铺装结构图

图8　下游ERS钢桥面铺装结构图

3关键施工工艺

3.1施工工序

江东大桥ERS钢桥面铺装养护施工流程见图9所示，主要包括原铺装铣刨清理、钢板喷砂除锈、EBCL层施工、RA05层施工和SMA13层施工几个关键工序。

3.2质量控制要点

(1)旧桥面铺装铣刨

SMA上面层采用铣刨机铣刨，考虑到铺装厚度较薄，铣刨过程中需要保证铣刨的厚度和均匀性。RA05及EBCL层是环氧类材料， RA05层强度高，EBCL与钢板附着力较大，建议先加热再铲除。RA表面加热温度宜控制在180℃～220℃左右，使钢板表面温度达到100℃左右后，可以保证RA、EBCL层快速有效铲除。残余EBCL层建议采用小型加热设备加热后，采用扁平铲进行人工清理，残留EBCL可采用抛丸方式清理。

(2)环氧碎石防水层(EBCL)

为保证铺装层与钢板之间的粘结作用，喷砂除锈后立即均匀涂布EBCL防水粘结层并撒布碎石，施工过程中，特别是钢板喷砂除锈结束后至EBCL胶料刮涂时间段内应保持清洁、防止污染。

(3)冷拌改性树脂混凝土(RA05)

为保证EBCL和RA05之间良好的粘结性能，在EBCL顶面涂布一层树脂沥青，增加RA05与EBCL层的粘结性，同时填充RA05底部的空隙。

RA05层施工时应严格控制施工时间，在RA胶料反应时间范围内完成摊铺、碾压，保证压实度，防止出现死料现象，对于已反应结团的RA05混合料应人工清除[4]。

RA05表面应采用合适的方法进行表面毛糙化处治，如可以采用撒碎石、机械压坑等方式，提高界面的抗剪切效果。

(4)高粘改性沥青混凝土(SMA13)

RA05养生固化后，涂布高性能改性沥青粘结层，提高RA05与SMA13之间的粘结性能。SMA13施工过程中应保证级配油石比的稳定、保证摊铺温度和压实度，必要时考虑振荡压路机或胶轮压路机，确保SMA不渗水。

4结语

针对江东大桥钢桥面铺装上下游双向病害发展状况不同，提出了充分利用原有铺装层分方向设计，病害严重段落全部铣刨重铺ERS组合式铺装，良好段落铣刨铺装上面层SMA10层然后重铺高温性能更优的高粘改性沥青SMA13的维修方案。并于2013年10月，江东大桥参照该方案完成了ERS钢桥面铺装养护施工，经过2年多的运营，目前总体效果良好。

图9　ERS施工流程图

参考文献:

[1]周晓华，宗海，童义和,等. 环氧沥青混凝土钢桥面铺装层病害分析[J].公路交通科技:应用技术版，2006，(3):105-108.

[2]张志宏.关于钢桥面沥青混凝土铺装层界面抗剪问题的研究[J].公路，2003, (12):5-9.

[3]潘友强，郭忠印.大跨径连续钢箱梁钢桥面铺装设计[J].同济大学学报:自然科学版，2013，41(6):840-847.

[4]潘友强，张志祥，曹荣吉.ERS钢桥面铺装关键技术研究[J].江苏交通科技，2012,(5)：11-13.

Research on Maintenance of ERS Steel Deck Pavement for Jiangdong Bridge

CHEN Zheng-fa ,SHAN Gang,LIU Yan-yan

(Zhejiang Shunchang Advanced-grade Highway Maintenance co.ltd ,Hangzhou 310051,China)

Abstract:Jiangdong Bridge is the longest self-anchored suspension bridges in China. The bridge adopted the domestic independent technology of ERS which is composed of EBCL,2.0cm thickness of RA05 and 4.0cm thickness of SMA10. Jiangdong Bridge has been operating for 5 years since it opened to traffic. Due to the extreme climate of high temperature and heavy load conditions, early damages appear seriously in steel bridge deck pavement. The paper presents the ERS maintenance technique based on the pavement distress and mechanical analysis of Jiangdong Bridge. As the main load bearing layer, the thickness of RA05 layer needs to be raised to improve its mechanics and protect other structure layers. Meanwhile, the high temperature anti-rutting performance of SMA13 layer should be improved. The paper also presents the deck pavement maintenance construction technology of the Jiangdong bridge based on the key procedures which are removing the original pavement, EBCL layer construction, RA05 mixture and SMA13 mixture construction.

Key words:Jiangdong Bridge;ERS steel deck pavement;pavement distress;mechanical analysis;maintenance design

收稿日期：2016-03-21

作者简介：陈正发(1962-)，男，浙江桐庐人，教授级高工，E-mail：czf@hz.cn。