王滔 方彪 王民 周乐

重庆市智翔铺道技术工程有限公司 重庆市桥面铺装工程技术研究中心

摘 要： 为指导瓯江北口大桥上层桥钢桥面铺装实施，针对桥梁结构特点、区域外部环境、运营阶段交通环境、施工工期安排等因素，提出了3种行车道铺装方案，通过方案论证，确定行车道采用3.5 cm GA10+3.5 cm高弹改性沥青SMA10的铺装方案，并对其正交异性钢桥面铺装体系刚度进行了验算，对组合结构性能进行了验证。结果表明该方案各项性能指标均满足实桥服役性能要求;优化确定了中央分隔带采用7.2 cm GA10铺装方案，其厚度比行车道高0.2 cm。同时提出了钢桥面铺装材料关键控制指标:改性沥青用基质沥青10℃延度≥30 cm、聚合物改性沥青软化点≥90℃、GA用矿粉0.075 mm筛孔通过率为85%～95%及亲水系数<0.8%、5 mm～10 mm规格集料的4.75 mm筛孔通过率为0%～10%。

关键词： 桥梁工程;钢桥面铺装;浇注式沥青混合料;高弹改性沥青SMA;设计;

作者简介： 王滔(1989—)，男，四川省南充市人，硕士，高工，从事桥梁与隧道路面铺装技术工作。E-mail:wangtao913@qq.com。;*王民(1979—)，男，陕西省宝鸡市人，博士，研究员，主要从事沥青路面结构与材料方面的研究工作。E-mail:panda9496@163.com。;

基金： 重庆市科技创新领军人才支持计划项目(CSTCCXLJRC201902);重庆市技术创新与应用发展专项重点项目(cstc2019jscx-fxydX0038);

瓯江北口大桥是温州市连通南北的重要通道，是甬台温高速公路复线(宁波至东莞国家高速公路)的重点节点工程，对缓解甬台温高速公路交通压力、改善行车条件，以及推进长江三角洲地区经济发展、加快浙江省东南沿海港口建设和海洋经济发展等具有重大意义[1,2]。

瓯江北口大桥工程全长7 913 m，其中跨瓯江主桥2 090 m，采用主跨2×800 m的3塔4跨双层钢桁梁悬索桥，如图1(a)所示。大桥钢桥面板参与主桁共同受力，其中顶板厚16 mm,U形加劲肋厚8 mm、上口宽30 mm、下口宽188 mm、高280 mm、标准间距600mm，标准10 m节间顺桥向间隔(3.33+3.34+3.33) m设一道倒T形横梁[1,2,3]。上层桥公路等级为高速公路，双向6车道，设计车速为100 km/h，设计荷载为公路-I级;下层桥公路等级为一级公路，双向6车道，设计车速80 km/h，设计荷载为公路-I级，如图1(b)所示。

图1 瓯江北口大桥 *载下**原图

Fig.1 Oujiang Beikou Bridge

1 钢桥面铺装方案论证及性能验证

1.1 钢桥面铺装使用特点及性能要求

根据瓯江北口大桥上层桥的桥梁结构特点、区域外部环境、运营阶段交通环境、施工工期安排等，提出钢桥面铺装使用性能要求，如表1所示。

1.2 钢桥面铺装方案论证

瓯江北口大桥上层桥钢桥面铺装初步设计厚度为6.5 cm，综合考虑UHPC组合结构厚度高，温拌环氧及冷拌树脂类铺装(ERS、ERE、ECO)费用高、施工难度大等因素，难以满足该项目使用特点及性能要求。结合我国钢桥面铺装典型结构及应用现状[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]，为提升组合结构的协调变形能力，降低行车荷载作用下层间剪应力及磨耗层表面弯拉应变，保障桥面铺装的使用耐久性，初步推荐了3.5 cm GA10+3.5 cm高弹改性沥青SMA10、3.0 cm热拌EA10+3.0 cm热拌EA10、3.0 cm热拌EA10+3.5 cm高弹改性沥青SMA10三种铺装方案。从技术性能、施工条件、应用情况、经济成本等方面进行分析，各方案的优点和不足之处如表2所示。

表1 钢桥面铺装使用特点及性能要求 *载下**原图

Table 1 Application characteristics and performance requirements of steel bridge deck pavement

表2 各铺装方案综合性能对比分析 *载下**原图

Table 2 Comparative analysis of the comprehensive performance of paving schemes

从表2可以看出，双层热拌EA方案成本高、后期养护难度大，热拌EA+SMA方案存在类似风险，与GA+SMA方案相比优势不明显。综合瓯江北口大桥上层桥使用条件及耐久性质量目标，选择了目前应用规模大、技术成熟，且质量可靠度高的钢桥面铺装结构，即3.5 cm GA10+3.5 cm高弹改性沥青SMA10铺装方案。

1.3 正交异性钢桥面铺装体系刚度验算

对正交异性钢桥面板刚度验算时，采用钢桥面板顶面最不利荷载位置处的最小曲率半径R、纵向加劲肋间相对挠度Δ两项指标进行评价，其计算公式如下[17]:

式中:KR为布载差异曲率半径修正系数，按公式(3)计算:

式中:b为纵向加劲肋板间距，取300 mm;d为验算荷载单轮横向接地宽度，取200 mm;Δ0为两端固结梁在均布荷载作用下跨中产生的挠度理论值，mm，按公式(4)计算:

式中:p为验算荷载的接地压力值，标准验算荷载取0.81 MPa;Ei为钢桥面顶板或铺装材料的弹性模量，i=1、i=2、i=3依次对应钢桥面顶板、保护层、磨耗层的弹性模量，分别取2.1×105MPa、500 MPa、350MPa;hi为钢桥面顶板或铺装结构层的厚度，i=1、i=2、i=3依次对应钢桥面顶板、保护层、磨耗层的厚度，分别为16 mm、35 mm、35 mm;kt为理论计算的荷载折减系数，取0.5;Kμ为动载系数，取1.3;KΔ为挠度布载差异修正系数，按公式(5)计算:

针对3.5 cm GA10+3.5 cm高弹改性沥青SMA10铺装方案，采用上述公式对正交异性钢桥面板刚度进行验算，结果如表3所示。

从表3验算结果可以看出，纵向加劲肋间相对挠度Δ远小于0.4 mm，最小曲率半径R均远大于20 m，表明3.5 cm GA10+3.5 cm高弹改性沥青SMA10铺装方案满足行车荷载作用下的基面刚度要求。

1.4 钢桥面组合结构性能验证

对3.5 cm GA10+3.5 cm高弹改性沥青SMA10铺装方案组合结构性能进行验证，其中动稳定度和五点弯曲疲劳试件按照铺装实际层次和厚度成型，拉拔黏结强度和剪切强度试件包括钢板、防腐层、防水黏结层和保护层。各项性能指标测试及计算结果如表4所示。

表3 行车道钢桥面铺装方案刚度验算结果 *载下**原图

Table 3 Stiffness check results of steel bridge deck pavement scheme for roadway

表4 行车道钢桥面铺装方案组合结构性能验证结果 *载下**原图

Table 4 Performance verification results of combined structure of steel bridge deck pavement scheme for roadway

2 钢桥面铺装方案优化设计

2.1 行车道

表3验算结果和表4验证结果表明，推荐的3.5cm GA10+3.5 cm高弹改性沥青SMA10铺装方案满足瓯江北口大桥上层桥钢桥面铺装使用要求。结合行业规范及以往工程经验[9,11,12,13,17]，对铺装方案进行优化设计，具体铺装结构参数如图2(a)所示。

2.2 中央分隔带

中央分隔带无行车功能，只考虑密水性和耐久性;同时，为了避免中央分隔带积水，确定中央分隔带铺装厚度比行车道铺装厚度高0.2 cm，即采用MMA防水体系+7.2 cm GA10铺装方案，具体铺装结构参数如图2(b)所示。

图2 瓯江北口大桥上层桥钢桥面铺装结构 *载下**原图

Fig.2 Steel deck pavement structure of upper bridge of Oujiang Beikou Bridge

2.3 防排水构造

瓯江北口大桥钢桥面板横坡为2%、纵坡≤2.5%，桥面铺装采用等厚摊铺工艺，路表水通过横坡和纵坡流向踢脚挡板槽口，并通过检修道外侧截流槽排出。

为了便于层间水排出，桥面铺装边缘与踢脚挡板接触的部位设置15 mm～25 mm宽的预留缝，在接缝底部防水层上表面铺设Φ10～Φ12螺旋排水管(在踢脚挡板槽口底部打孔，螺旋排水管穿过所打孔，将水排至检修道，通过截流槽排出)，再填充粒径3 mm～5 mm碎石，高度45 mm±5 mm，最后将填缝料填充在碎石上部并与沥青路面顶面平齐，如图3所示。

待SMA施工完成后，在中央分隔带护栏附近的SMA表面涂刷20 cm宽的改性乳化沥青，避免后期服役过程中雨水下渗导致层间脱层破坏。

瓯江北口大桥钢桥长2 090 m,GA与SMA均难以单幅一次性铺筑完成。GA存在横向和纵向施工缝，为使铺装层之间形成良好的结合及防水，在浇注式沥青混合料的纵、横向施工缝侧面粘贴沥青贴缝条。SMA采用双机联铺工艺，单幅分2次铺筑，横向施工缝设置在中塔中心线位置，横向施工缝涂刷改性乳化沥青，用量为0.30 kg/m2～0.70 kg/m2;待SMA施工完成后，在中塔中心线及左右各5 m处进行人工切缝(缝宽4 mm～6 mm、深35 mm)，如图4所示，然后填充填缝料并与路面齐平，避免后期服役过程中施工缝开裂及雨水下渗。

图3 路缘侧防排水示意 *载下**原图

Fig.3 Diagram of curb side waterproof and drainage

2.4 铺装材料关键控制指标

为保障及提升瓯江北口大桥上层桥钢桥面铺装施工质量，在行业标准要求的基础上[17]，通过性能优化研究，对部分材料的关键控制指标提出了更高要求。

图4 磨耗层SMA横缝设置示意 *载下**原图

Fig.4 Diagram of cross seam setting of wearing layer SMA

1)为提升GA的低温性能和高温稳定性，结合料采用聚合物改性沥青，且软化点不低于90℃。

2)为保障组合结构的低温抗裂性能及疲劳耐久性能，聚合改性沥青和高弹改性沥青加工时，采用SK或壳牌或埃索或其他品牌进口基质沥青，且基质沥青10℃延度不低于30 cm。

3)为保障矿粉与沥青结合料的黏附性，矿粉的亲水系数小于0.8%,0.075 mm筛孔通过率为85%～95%，使波动幅度变化控制在10%以内，以保证GA性能的稳定。

4)为减少混合料拌和生产过程中出现溢料，粗集料采用玄武岩或辉绿岩，且S12(5 mm～10 mm)规格集料的4.75 mm筛孔通过率为0%～10%。

5)为保障粗集料颗粒的规整性及洁净，保障混合料质量，GA、SMA用粗集料的针片状颗粒含量(混合料)分别不高于15%、12%，水洗法<0.075 mm颗粒含量分别不高于1.0%、0.8%。

6)为保障磨耗层高温稳定性的同时，兼具良好的疲劳抗开裂性能，高弹改性沥青SMA10的70℃动稳定度不低于3 000次/mm、-10℃极限破坏应变不低于3.0×10-3。

3 结束语

本文结合瓯江北口大桥主桥上层桥使用要求，对钢桥面铺装进行了优化，主要结论如下:

1)进行钢桥面铺装设计前，应结合桥梁结构特点、区域外部环境、运营阶段交通环境、施工工期安排等，针对钢桥面铺装使用特点及性能要求，提出该桥钢桥面铺装优化设计方案，并通过方案论证确定钢桥面铺装方案;同时，应对正交异性钢桥面铺装体系刚度进行验算，对组合结构性能进行验证。

2)为保障混合料的低温抗裂性能及疲劳耐久性能，改性沥青用基质沥青10℃延度宜不低于30cm;为保证GA性能的稳定，矿粉0.075 mm筛孔通过率宜为85%～95%;为减少混合料拌和生产过程中出现溢料的情况，5 mm～10 mm规格集料的4.75mm筛孔通过率宜为0%～10%。

3)当大跨径钢桥单幅SMA在1 d内无法完成铺筑时，宜在钢桥面应力集中部位设置横向施工缝;待SMA施工完成后，在横向施工缝处进行人工切缝，并填充填缝料，以免后期服役过程中施工缝开裂及雨水下渗。

4)为避免雨水通过边缘构造物四周渗入铺装层内部引发脱层病害，钢桥面中央分隔带宜采用浇注式沥青混合料、沥青砂胶等;同时，为避免中央分隔带积水，中央分隔带铺装厚度宜比行车道铺装厚度高0.2 cm。

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