南京长江大桥正桥人行道铺装改造提升研究

娄 松， 杨 浩

(1.中铁大桥局武汉桥梁特种技术有限公司， 武汉 430205； 2.桥梁结构健康与安全国家重点实验室， 武汉 430034)

近年来，国内早期建设的上下层式公铁两用钢桁梁桥如南京长江大桥、九江长江大桥等因服役多年公路正桥混凝土桥面板出现诸多病害而逐渐进入维修改造期，多将原混凝土桥面板更换为正交异性钢主梁，同时对桥面铺装等附属设施进行改造更新[1-4]。目前，对钢桥面车行道铺装技术的研究已比较深入，常用的解决方案和材料已趋于稳定，而对人行道铺装技术系统的研究和工程应用相对较少[5-9]。本文依托南京长江大桥桥面改造工程，探讨文物桥梁钢桥面人行道铺装方案设计、铺装工程实施，供类似工程参考。

1 工程概况

1.1 旧桥状况

南京长江大桥于1968年通车，是长江上第一座由中国自行设计和建造的双层式铁路、公路两用桥梁，是中国桥梁建设的重要里程碑。公路正桥主要由钢纵梁和轻质陶粒混凝土桥面板组成，全长1 576 m。至2016年桥梁已运营48年，桥面混凝土板表面出现开裂及保护层碳化剥落、伸缩缝下方钢构件(横梁、K撑杆件、铆钉)锈蚀、钢纵梁腹板疲劳开裂等病害，若该病害继续发展，将影响公路及下方铁路运营安全，需进行整体维修改造。

1.2 公路桥面改造方案

针对原混凝土桥面板容易出现病害并逐年累积、桥面伸缩缝多(5道大型伸缩缝、45道小型伸缩缝)、原结构体系在车辆重载作用下钢纵梁局部应力集中等主要问题，采用正交异性钢主梁整体更换原混凝土桥面板，并对栏杆、路灯、桥头建筑等附属设施进行维修改造，重新铺设人行道铺装。

1.3 原人行道铺装特点

南京长江大桥桥面系拆除前，正桥及桥头建筑区域均采用混凝土板面层涂抹砂浆+红缸砖贴面的铺装方式，红缸砖横向17块，规格为11 cm×11 cm×1 cm，跟随人行道同步断缝。使用近50年后，局部有红缸砖脱落，更换痕迹明显。铺装面层红缸砖表面抗滑移性能较差，雨水天气尤为突出，因大量勾缝的存在，行车舒适性(针对非机动车)较差，人行道铺装如图1所示。

图1 桥面拆除前人行道铺装

2 钢桥面人行道铺装方案设计

2.1 人行道铺装改造方案考虑因素

南京长江大桥已成为文物桥梁[10]，人行道铺装改造需保持其文物属性，满足“修旧如旧”的要求，保证改造后人行道铺装外观贴合原桥风貌。此外，钢桥面板因工作温度高、荷载作用下变形大、铺装层受力模式复杂(出现负弯矩)、服役环境复杂(长江之上)、遇水锈蚀等特点，对铺装材料、结构设计、施工技术要求极高[11]。

针对钢结构人行道铺装，需解决以下2方面的问题：1) 铺装面层与钢板的粘结保障；2) 铺装面层与钢板的协调变形。

2.2 人行道铺装改造思路及原则

人行道铺装改造设计方案总体上遵循保持文物属性、对钢结构的适应性、耐久性的原则，铺装设计总体思路：1) 综合考虑大桥的文物属性，颜色(红色)与改造前一致；2) 粘结层材料对钢材和铺装材料具有良好的粘结性能；3) 铺装具有一定的变形适应能力；4) 人行道铺装及粘结层的使用寿命应不低于10年；5) 人行道及粘结层材料的修补和更换施工应简单快捷。

2.3 人行道铺装改造方案比选

2.3.1 工程案例调研

为保证钢桥面铺装质量，针对6座典型桥梁人行道铺装结构展开实地调研，结果如表1所示。通过调查得知，耐涂ET(焦油改性环氧树脂砂浆)类铺装结构整体较薄，使用过程中会逐渐褪色并出现裂缝、剥落等病害；环氧树脂类薄层铺装颜色种类较多，外观较为美观，投入使用较少出现各种病害；沥青材料类铺装投入使用后出现了反射裂缝、剥落等病害，铺装面层可喷涂不同颜色封浆，但容易褪色。综合来看，环氧树脂类薄层铺装性能更好。

表1 钢桥面人行道铺装结构调查

2.3.2 人行道铺装改造方案

为还原改造前人行道外貌，结合钢桥面人行道铺装材料及铺装结构类型的工程应用情况，经过反复研究论证，提出了以下3种铺装方案。方案 1～方案3的比较如表2所示，铺装结构如图2所示。

表2 3种方案比较

(a) 方案1—改性环氧砂浆铺装

(b) 方案2—橡胶板铺装

(c) 方案3—改性环氧树脂薄层铺装

1) 方案1：改性环氧树脂+红缸砖

选择改性环氧砂浆主要是其具有高强高韧性的特点，既能起到很好的模量过渡和应力吸收作用，又能降低铺装的层间应力，同时提高了铺装层与钢桥板的整体受力[12]。此外，改性环氧砂浆具有良好的韧性，能经受住钢板面反复变形产生的疲劳破坏。改性环氧砂浆孔隙率小，抗渗强，也能起到很好的防水防腐效果，铺装结构如图2(a)所示。

2) 方案2：橡胶板+红缸砖

橡胶板具有良好的防水性、防滑性、追随变形能力[13]，且不仅铺设方便,还可采用先预制后拼装施工。安装前，在工厂提前将红缸砖嵌入橡胶层，现场拼装简单快捷；其次橡胶板的刚度低，可减少因铁路、公路高频震动而对铺装材料和铺装结构的损坏，铺装结构如图2(b)所示。

3) 方案3：改性环氧树脂薄层

改性环氧树脂薄层具有重量轻、高韧性、抗滑性好、外观美(可选择红色)的优点。铺装结构层采用高强度集料，粘结层采用改性环氧树脂，粘结层通过其聚合物的网络结构体可将集料牢牢地粘结基面，形成高强度的铺装结构。采用的改性环氧树脂克服了普通环氧树脂的硬脆性及耐候性差的缺点，兼具强度、柔韧性，大幅提升了铺装的耐久性[14]，铺装结构如图2(c)所示。

2.3.3 人行道铺装方案试验研究

1) 足尺试验

按照实际桥面人行道尺寸，选择一节间长度制作3块钢结构试件，横截面宽2.36 m，纵向长8 m。将3种铺装方案在钢结构试件上进行试铺，以检验人行道铺装设计方案的合理性、铺装的施工工艺，各方案施工工艺如表3所示。

通过对施工过程的观察和研究，发现各方案存在以下特点：(1) 方案1：由于水性环氧改性水泥砂浆固化时间较短，红缸砖粘贴时机不易掌握，贴砖难以达到平整、美观的效果；(2) 方案2：橡胶材料粘接过程修边不易控制，红缸砖边角处附有黑色橡胶材料，致使美观不足；(3) 方案3：改性环氧树脂固化时间与温度有关，温度越高，固化时间越短，有效操作时间越少，施工过程中需严格控制改性环氧树脂涂布后撒布陶瓷颗粒的时间，不易操控。

2) 静载试验

试件由钢板和2个高10 cm的倒T型横梁组成，钢板尺寸为500 mm×250 mm×12 mm，按照上述施工工艺，在钢结构试件上铺设3种铺装方案，每种方案制作3块试件。采用万能试验机加载，加载中心为钢板中心位置。试验温度控制在0 ℃，加载速率控制为1 mm/min，静载试验结果如表4所示。

由表4可知：方案1，加载至6.6 kN时红缸砖即开裂，说明整个铺装结构刚度太大，不能随着钢板变形；当持续加载，红缸砖因应力集中突然发生开裂，出现脆性破坏，铺装整体力学性能较差；方案2，加载至12.95 kN时红缸砖开裂，且橡胶板脱层，承载力较前者提高了96.2%，说明橡胶板具有一定的延展性，能随钢板产生一定的变形，但是当橡胶板变形过大之后，粘结层的粘结力无法支撑橡胶板继续变形，发生了脱层；方案3，最高加载至22.27 kN时铺装不发生脱层、开裂，承载能力较前者提高了72%，说明使用聚氨酯改性环氧树脂作为粘结层，环氧树脂经过聚氨酯改性之后，柔韧性、强度大幅提升，陶瓷颗粒能够在树脂强劲的粘结力作用下形成整体，随钢板协同变形而不发生脱层、开裂，力学性能较优。

表3 人行道铺装方案施工工艺

表4 人行道铺装静载试验结果

2.3.4 人行道铺装方案比选

结合多座桥梁调研资料，重点考虑工程实施可靠性高、桥面病害率低、技术成熟、典型案例可参考价值高等因素，并遵循文物桥梁“修旧如旧”的原则，提出了以工程病害率、成熟程度、施工可控性、后期维养、是否忠实原外观、造价等6项评价指标[15]，对3种方案进行综合评定，结果如表5所示。

由表5可知，方案3虽不能完整复原桥梁的红缸砖铺装外观，但是在工程病害率、成熟程度、施工可控性、后期维养、造价方面更具有优势，综合性能较优。综合考虑，最终采用改性环氧树脂薄层作为南京长江大桥正桥人行道铺装实施方案。

3 南京长江大桥人行道铺装方案实施

3.1 人行道铺装试验段施工

为了检验各材料指标、工序控制、材料用量，在正式施工前进行了实桥25 m长的人行道试验段预铺设。

1) 指标检测

施工前检测聚氨酯改性环氧树脂、红色陶瓷颗粒、封层低粘度树脂技术性能指标，结果均满足设计要求；待铺装体系成型后检测其技术性能指标，结果均满足设计要求。

表5 人行道铺装方案比选

2) 施工工艺

3) 确定材料用量

防腐防水层树脂用量0.5 kg/m2，下层铺装树脂用量1.5 kg/m2，上层铺装树脂用量2.5 kg/m2，封层低粘度树脂用量0.8 kg/m2。

3.2 人行道铺装施工控制要点

南京长江大桥人行道改性环氧树脂薄层施工中主要解决钢桥面板基面处理、骨料撒布均匀性、各工序之间的协调配合、工序间隔时长控制等问题，同时兼顾施工效率，并保证施工质量。

人行道边部手工打磨区域提前于抛丸施工区域完成，有效防止了人员走动和打磨灰尘引起的二次污染。打磨完成后采用自回收式抛丸机对验收合格的桥面进行抛丸处理，抛丸除锈达到清洁度Sa2.5级、粗糙度50 μm～100 μm。

改性环氧树脂摊铺后，撒布骨料的间隔时间过长会导致树脂固化而失活，为了缩短骨料摊铺时间，采用半自动化施工工艺：将改性环氧树脂各组分(聚氨酯改性环氧树脂、固化剂)、搅拌机、泵机等材料装载在卡车上，用导管连接泵机将搅拌后的改性环氧树脂输送至桥面，再用带齿瓦刀刮劈均匀，待其形成厚度均匀的薄膜。当一节段施工区域的树脂施工完成后，采用自主研制的喷洒机同步跟随卡车满布撒布骨料，2道工序之间紧密衔接，如图3所示。

(a) 同步摊铺树脂与骨料

(b) 喷洒机撒布骨料

封闭层低粘度树脂采用无气喷涂技术施工，无气喷涂利用柱塞泵形式的增压泵将树脂增压，然后经高压软管输送至无气喷枪，最后在无气喷嘴处释放液压、瞬时雾化后喷向铺装表面。

3.3 人行道铺装性能效果

南京长江大桥钢桥面人行道铺装使用2年多来，未出现掉粒、裂缝、脱层等病害，整体表现优良，铺装表面平整、表面构造良好，行走较为舒适，如图4所示。

人行道改造后外观大幅提升，保住了原桥风貌，与桥梁本身融为一体。

铺装与钢板粘结性能、铺装三点弯曲试验、铺装防滑性、铺装弯曲试验、铺装车辙试验、铺装复合梁疲劳试验结果表明，各项指标均满足设计及规范要求。

图4 改性环氧树脂薄层铺装整体效果

4 结束语

1) 针对南京长江大桥人行道铺装特点和性能要求，开展了文物桥梁钢桥面人行道铺装方案调研、设计及比选，最终采用综合性能更优的环氧树脂薄层方案。

2) 施工过程中对施工工艺进行改进和优化，采用喷洒机自动摊铺骨料，减少了传统人工摊铺不均匀引起的质量缺陷，提高了施工效率，并保障了施工质量。

3) 该桥钢桥面人行道铺装施工过程及应用效果显示，该桥实施质量达到了改造目标。