钢桥面铺装层组合结构性能研究

李洪军， 丁庆军， 赵明宇

(1.湖北交通职业技术学院 道桥系， 湖北 武汉 430079； 2.武汉理工大学 材料科学与工程学院， 湖北 武汉 430070)

钢桥面铺装层组合结构性能研究

李洪军1，2， 丁庆军2， 赵明宇2

(1.湖北交通职业技术学院 道桥系， 湖北 武汉 430079； 2.武汉理工大学 材料科学与工程学院， 湖北 武汉 430070)

针对钢桥面铺装层普遍存在的推移、拥包、车辙、开裂等耐久性问题，提出“剪力钉+钢筋网+高韧性轻质混凝土下层+高粘高弹防水粘结应力吸收层+高粘高弹SMA磨耗层” 的高耐久铺装层组合结构，对小比例尺铺装组合结构模型的高温稳定性能、层间粘结性能和疲劳性能进行了研究，成功应用于枝城长江大桥维修加固工程，研究结果表明，高耐久铺装层组合结构具有优异的粘结抗剪性能、高温稳定性能与抗弯拉疲劳性能，研究成果可为我国钢桥面铺装领域提供技术支撑。

钢桥面铺装； 组合结构； 高温性能； 粘结性能； 疲劳性能

1 概述

钢结构桥梁具有自重轻、架设方便、跨越能力大等优点，在市政工程与跨江越海等大跨径结构中被广泛采用。桥面铺装是铺覆在钢梁表面的一层具有保护桥梁结构、分布车轮集中荷载、满足行车功能的材料结构[1]。由于钢结构的变形性大，其桥面铺装普遍采用韧性好的沥青混凝土。但钢板与沥青混凝土两种材料的材性(弹性模量、热导和热膨胀等)差异大，在环境温度和行车载荷变化较大时，铺装结构极易变形，产生车辙、滑移、拥包、开裂、坑槽等病害[2]，需要修补，造成交通不便和经济损失，因此，钢桥面铺装材料的耐久性问题是大型桥梁建造的关键技术和世界性难题。

目前，钢桥面铺装主要有三种形式：双层SMA沥青混凝土、浇筑式沥青混凝土、环氧沥青混凝土。其中，双层SMA沥青混凝土在夏季高温环境下，与钢板的粘结性能差[3]，极易出现推移、拥包的病害，目前已较少采用；传统浇筑式沥青混凝土具有与钢板追从性好、粘结强度高、抗疲劳性能好的优点，但其高温稳定性能(尤其在夏季高温、车辆重载的服役条件下)仍存在不足的问题；环氧沥青混凝土与钢板粘结强度高、高温稳定性好，作是一种优性能优异的钢桥面铺装材料，然而，由于其施工工艺复杂难控，成本高，在普通钢箱梁桥面的应用并不广泛。

本论文依托湖北枝城长江大桥维修加工工程，根据桥梁结构特点及当地气候与行车特征，采用“剪力钉+钢筋网+高韧性轻质混凝土下层+高粘高弹防水粘结应力吸收层+高粘高弹SMA磨耗层”的技术思路，优化开发出高粘高弹改性沥青，针对该铺装组合结构的小比例尺试件的疲劳性能、高温稳定性能、粘结抗剪性能进行研究，并实现铺装方案的工程应用。

2 组合构件的设计制备及试验测试方法

2.1 组合构件设计与制备

① 钢结构的设计。

试验选取钢板尺寸550×150×14 mm。面积选取550×150 mm，主要考虑一方面面积足够设置剪力钉及钢筋网，另一方面便于混凝土层及沥青层的成型。剪力钉焊接在钢板上，绑扎钢筋网。按设计尺寸加工若干不同剪力钉间距、不同剪力钉高度、不同剪力钉直接，不同钢筋网直径与网格间距的钢结构试件。

② 混凝土层的设计与制备。

钢结构试件放长550×150×150 mm的非标试模中中，按设计混凝土层厚度浇筑污泥陶粒高韧性混凝土，振捣、抹平后终凝后脱模按标准养护至28 d。

③ 高粘高弹防水粘接应力吸收层的设计与制备。

应力吸收层铺设前应对混凝土面层进行预处理，保证混凝土板的清洁，在应力吸收粘结层铺装前必须保证水泥混凝土面层清洁和干燥，确保其表面没有浮灰，防止应力吸收粘结层出现起皮、脱粘等病害。

采用新型高粘高弹改性沥青，并撒布粒径为9.5～13.2 mm预拌碎石，沥青撒布量为(2.2±0.2)kg/m2，预拌碎石用量为14～16 kg/m2，撒铺面积约占铺装面积的70%～85%，且撒铺均匀不得堆积。

试验组合构件应力吸收层的制备，提前将沥青加热至180 ℃，石料加热至190 ℃，采用人工涂刷高粘度沥青，碎石洒铺量占铺装面积85%左右，铺设完后立即碾压。

④ 高粘高弹SMA面层的设计与制备。

进行面层SMA-16配合比设计，选取油石比6.2%，聚酯纤维掺量为0.45%。新型高粘高弹改性SMA制备过程控制集料加热温度180～190 ℃，沥青加热温度选取165～175 ℃，混合料拌和温度选取175 ℃，采用车辙成型机对拌合好的SMA混合料进行碾压成型。采用游标卡尺精确测试高粘SMA-16的厚度，保证原设计尺寸。

2.2 试验方法

① 高温稳定性能测试。

按照铺装层组合结构设计方案成型车辙试件，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的要求进行60 ℃动稳定度的测试。

② 层间抗剪性能测试。

按2.1的步骤成型组合构件，使用MTS万能试验机，进行构件拉拔和抗剪试验。构件拉拔性能测试见图1。构件抗剪性能测试见图2。

图1 构件拉拔性能测试Figure 1 Component drawing performance test

图2 构件抗剪性能测试Figure 2 Member shear performance testing

③ 疲劳试验参数确定。

结合东南大学钱振东教授等针对环氧沥青混凝土疲劳试验的相关研究成果，常温20 ℃下，桥面行车超载100%时铺装层最大拉应变接近700 με，因此，本文选取控制沥青层处于700 με下进行循环疲劳加载，加载波形利用MTS自行控制的无间歇的正弦波循环应力比选取0.5，加载频率取10 Hz，加载至1 000万次后自动停止。

小比例模型试件与加载形式如图3所示。

图3 组合结构模型Figure 3 Composite structure model

3 高耐久钢桥面铺装层组合结构性能

3.1 铺装组合结构的高温稳定性能

桥面铺装层高温稳定性不足易导致车辙[3]。在钢板导热系数大、夏季环境气温高的情况下，钢桥面的桥面的高温稳定性能更加重要[4]。由表1可知：本结构的高温稳定性能明显高于普通的双层SMA结构，其原因如下：首先，本结构下层采用高韧性轻质混凝土，自身在高温下不会变形，同时在钢板与沥青混凝土间起到隔绝温度的作用，使本方案的沥青混凝土的服役温度低于双层SMA结构，；其次，本结构采用高粘高弹沥青制备的SMA材料具有较高的内部黏聚力，因此，整体结构的高温稳定性能得到了明显提升。

表1 组合结构动稳定度试验结果Table1 Compositestructuredynamicstabilitytestresults(60℃)结构类型车辙深度/mm动稳定度/(次·mm-1)试验值平均值试验值平均值本结构12986228115812276013610212246065普通双层SMA结构20133015253222862850206523122920

3.2 铺装组合结构的层间粘结性能

防水粘结层的主要作用就是加强铺装层与混凝土板的粘结[5，6]。桥面防水粘结体系的抗拔、抗剪性能优劣，将影响铺装层使用性能。组合结构的拉拔试验结果如表2、表3所示。

表2 粘结强度试验结果Table2 Adhesivestrengthtestresults试验条件试验温度/℃结构类型粘结强度/MPa强度降低率/%标准试验条件浸水车辙之后25本结构076/063171标准试验条件浸水车辙之后25普通双层SMA结构032021343

表3 剪切强度试验结果Table3 Shearstrengthtestresults试验条件试验温度/℃结构类型抗剪强度/MPa强度降低率/%标准试验条件浸水车辙之后25本结构165/15651标准试验条件浸水车辙之后25普通双层SMA结构093/055409

从方案设计的铺装层组合结构浸水、温度等荷载作用后的粘结强度和抗剪强度来看，苛刻的试验条件对普通双层SMA的粘结抗剪性能影响较大，而本方案的强度下降幅度不大，因为高粘高弹沥青在上下层间粘度较大，水分对防水粘结应力吸收层的剥落能力有限，因此其性能并未出现明显下降。由表2和图4可知：本方案结构层粘结强度是普通双层SMA的2.4倍，经过浸水车辙之后粘结强度降低17%，粘结强度是普通双层SMA的3倍。由表3和图5可知：本方案结构层剪切强度是普通双层SMA的1.8倍，经过浸水车辙之后剪切强度降低5.1%，粘结强度是普通双层SMA的2.8倍。此外，本方案加入防水粘结应力吸收层后，其层间粘结、抗剪性能得到显著增加，因此，在下层与钢板采用剪力钉形成结构性链接的基础上，上下面层防水粘结应力吸收层提供足够的抗剪能力，最大程度的避免桥面铺装层出现推移、拥包的病害。

图4 粘结强度Figure 4 Bond strength

图5 剪切强度Figure 5 Shear strength

3.3 铺装组合结构的疲劳性能

3.3.1 结构参数对疲劳性能的影响

① 剪力钉间距。

针对不同剪力钉间距(300、400、500 mm)进行疲劳性能测试，按照设计方案成型试块，连通MTS的应变控制软件，调控荷载保持该处应变峰值为700 με进行循环加载。组合结构疲劳试验，测得的疲劳次数见表4。

表4 不同剪力钉间距下抗弯拉疲劳寿命Table4 Theflexuralfatiguelifeondifferentshearstudsspaced编号在下列剪力钉间距(mm)下的疲劳次数/万次3004005001>1000>10008252>1000>1000743平均>1000>1000784

由上表测得的疲劳次数可知对于本方案设计的铺装层组合结构体系，剪力钉间距<400 mm时，间距变化对疲劳寿命影响不大。剪力钉间距>400 mm时，疲劳次数降低。剪力钉的间距直接关系到整体铺装层在受力情况下的荷载分布，剪力钉间距过大，不利于铺装层整体协调变形，导致疲劳次数呈降低趋势。固剪力钉间距宜选取300～400 mm。

② 剪力钉高度和铺装层厚度。

选取剪力钉间距400 mm，剪力钉高度占铺装层厚度的90%～95%，剪力钉高度45、75、95 mm对应浇筑不同的混凝土铺装厚度5、8、10 cm，对比不同污泥陶粒高韧性混凝土铺装厚度对整体铺装层组合结构疲劳性能的影响。结果见表5。

表5 不同剪力钉高度下的抗弯拉疲劳寿命Table5 Thepullfatiguelifeondifferentshearstudsheight剪力钉高度/mm疲劳次数/万次平均值/万次45>1000>1000>100075>1000>1000>100095>1000>1000>1000

由表5可知：剪力钉高度变化对铺装层组合结构抗弯拉疲劳性能并无影响，剪力钉高度45、75、95 mm下疲劳次数均达到1 000万次以上，疲劳性能十分优异。从桥面整体承重及经济性方面考虑，剪力钉高度宜选取45 mm。

③ 剪力钉直径。

剪力钉直径的大小不仅关系到焊接工艺的可操作性，而且影响到铺装层受力作用下的协调变形。选取剪力钉间距400 mm，铺装厚度50 mm下，研究不同剪力钉直径对铺装层组合结构疲劳性能的影响，见表6。

表6 不同剪力钉直径下的抗弯拉疲劳寿命Table6 Thepullfatiguelifeondifferentshearstudsdiameter剪力钉直径/mm疲劳次数/万次12>100014>100016>1000

由表6可知：剪力钉直径变化对铺装层组合结构抗弯拉疲劳性能并无影响，剪力钉直径12、14、16 mm下疲劳次数均达到1 000万次以上。剪力钉直径选取过小(<12 mm)影响焊接工艺，易出现脱焊等质量问题，直径选取过大(大于16 mm)经济性相对较差。综合考虑施工质量、疲劳性能与经济性，剪力钉直径宜选取12～16 mm。

④ 钢筋网直径与网格间距。

钢筋网绑扎于焊接合格的剪力钉上，剪力钉与钢筋网共同构成骨架，提高了下面层混凝土抗推移能力，同时使荷载作用于钢桥面的应力得以均匀传递，进而提高铺装层与钢桥面协同变形能力和铺装层抗疲劳特性能，选取合适的钢筋网直径与网格间距至关重要。研究不同钢筋网直径下、不同网格间距下铺装层组合结构的抗弯拉疲劳性能，见表7、表8。

表7 不同钢筋网直径下的抗弯拉疲劳寿命Table7 Thepullfatiguelifeondifferentsteelmeshdiameter钢筋网直径/mm网格间距/mm疲劳次数/万次581012100×100704868>1000>1000

表8 不同网格间距下的抗弯拉疲劳寿命Table8 Thepullfatiguelifeondifferentgridspacing钢筋网直径/mm网格间距/mm疲劳次数/万次1050×50>1000100×100>1000150×150851

由表7，表8可知：铺装层组合结构抗弯拉疲劳性能随着钢筋网直径增大而提高，减小网格间距可提高铺装层组合结构抗弯拉疲劳性能。铺装层整体结构刚度提升，剪力钉与钢筋网构成的桥面抗推移骨架致密，提高铺装层与钢桥面协同变形能力和抗弯拉疲劳性能。同时钢筋网直径过大提高了铺装整体的静荷载，网格间距过小不利于污泥陶粒高韧性混凝土浇筑、振捣。因此，钢筋网宜选取直径Ф10、网格间距100 mm×100 mm。

3.3.2 不同铺装层组合结构抗弯拉疲劳性能对比

采用铺装层设计方案“钢板+钢筋网+剪力钉+污泥陶粒高韧性混凝土+新型高粘高弹防水粘结应力吸收层+新型高粘高弹改性SMA-16”依次浇筑轻质高强高韧性水泥基工程复合材料、新型高粘高弹防水粘结应力吸收层、新型高粘高弹改性SMA-16成型铺装层组合结构构件。其中结构参数选取如下：钢板(14 mm)、钢筋网(直径Ф10、网孔为100 mm×100 mm)、剪力钉(间距400 mm，高度45 mm，直径Ф16 mm)、污泥陶粒高韧性混凝土(厚度50 mm)、新型高粘高弹防水粘结应力吸收层、新型高粘高弹改性SMA-16(厚度50 mm)。针对目前国内疲劳性能优异的桥面铺装材料-浇筑式沥青混凝土与环氧沥青混凝土，分别与重庆交科院研究的浇筑式沥青的疲劳试验方法及疲劳寿命及东南大学环氧沥青研究成果进行对比，如表9所示。

表9 铺装结构疲劳试验Table9 Pavementstructurefatiguetest指标本设计铺装层组合结构浇筑式沥青混凝土环氧沥青混凝土试验温度/℃202020加载频率/Hz101010加载方式3点加载5点加载3点加载加载点距支点/mm150125150应变水平700με钢板平面尺寸/mm550×150700×200380×100钢板厚度/mm141414疲劳寿命/万次>1000>1000>1000

由表9可知：虽然不同铺装结构试验设计与指标控制略有差别，采用的铺装层组合结构疲劳性能优异，达到1 000万次以上能达到环氧沥青混凝土及浇筑式沥青混凝土同一极佳的抗弯拉疲劳性能层次。

4 工程应用效果

本方案在湖北枝城长江大桥桥面维修工程中成功进行应用，枝城长江大桥采用钢桁架架设正交异性钢板的桥面结构形式，图6为本方案施工应用效果，在火车、重载汽车双重荷载的作用下，服役使用至今，未发生任何病害。

(a) 剪力钉焊接

(b)钢筋网绑扎

(c) 高韧性轻质混凝土

(d) 防水粘结应力吸收层

(e) 高粘高弹改性SMA

(f) 铺装效果图6 本方案施工应用效果

5 结语

通过理论分析与试验模拟，对新型高耐久性桥面铺装组合结构进行研究，并提出了“剪力钉+钢筋网+污泥陶粒高韧性混凝土+新型高粘高弹防水粘结应力吸收层+新型高粘高弹改性SMA磨耗层”这一新的桥面铺装组合结构设计，该桥面铺装有很好的高温稳定性能、结构层间的粘结强度和剪切强度、耐久性和疲劳性能，可在很大程度上降低各类铺装病害的发生率，能提高桥面铺装的使用性能和寿命。

[1] 王瑞.我国大跨径桥梁钢桥面铺装材料应用现状[J].交通标准化，2014(01)：92-96.

[2] 程庆，王大明，吴春颖.钢桥面沥青铺装层病害及成因分析[J].公路工程，2010，35(3)：112-115.

[3] 陈仕周，张华.钢桥面 SMA 铺装技术的研究与发展[J].公路交通科技，2004，21(10)：5- 8.

[4] 王民，张华.钢桥面铺装特点及设计要求综合分析[J].世界桥梁，2013(01)：39-42.

[5] 孟丛从.鄱阳湖大桥桥面铺装防水粘结层试验研究[J].世界桥梁，2011(02)：57-60.

[6] 陈磊磊，钱振东，王建伟，等.武汉天兴洲公铁两用长江大桥钢桥面环氧沥青混凝土铺装设计与施工[J].桥梁建设，2011(1)：79-82.

Research on Composite Structure Performance of Steel Bridge Deck Pavement

LI Hongjun1，2， DING Qingjun2， ZHAO Mingyu2

(1.Department of Road & Bridge Engineering， Hubei Communications Technical College， Wuhan， Hubei 430079， China； 2.College of Materials Science & Engineering， WUT， Wuhan， Hubei 430070， China)

For the ubiquitous problem of steel deck pavement durability，like transposition，upheaval，rutting，cracking，It is put forward that "shear studs+ steel mesh+high toughness lightweight concrete underlayer+ high viscosity high elastic waterproof bonding stress absorb layer+ SMA high viscosity high elastic wear layer"，which is a highly durability pavement composite structure.High temperature stability，the interlayer adhesion and fatigue properties of the small-scale pavement composite structure model are investigated and successfully applied in ZhiCheng Yangtze river bridge reinforcement maintenance engineering.The results show that composite structure of high durability pavement has excellent shear adhesion properties，high temperature stability and flexural fatigue properties.The research results provide technical support for the field of steel bridge deck.

steel bridge deck； composite structure； high temperature properties； adhesion properties； fatigue properties

2015 — 05 — 08

湖北省交通科技项目(101-611310901)

李洪军(1976 — )，男，湖北孝感人，硕士，副教授，从事高性能混凝土、道路桥梁材料研究。

U 443.33

A

1674 — 0610(2016)06 — 0188 — 06