鹅公岩大桥钢桥面翻修方案论证与优化设计

付 斌 王 民 吴文军

(1.重庆交通大学，重庆 400074;2.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 400060)

0 引言

重庆鹅公岩长江大桥是主城区快速路系统中的东西主干道。西起成渝高速公路出口处的九龙坡区大公馆，东与渝黔高速公路相连。重庆鹅公岩长江大桥长1 022 m，主桥为210 m+600 m+210 m的门型双塔柱三跨连续加劲钢箱梁悬索桥。桥面有效桥宽32.5 m(行车道 26.5 m)，双向六车道，两侧为人行道，2000年12月建成通车。该桥属于我国早期建设大跨径钢桥之一，钢桥面顶板厚度仅12 mm，大桥建设初期采用双层高粘度改性沥青SMA结构:无机富锌底漆+高粘改性沥青(撒2.36 mm～4.75 mm预拌碎石)+35 mm铺装下层SMA10+39 mm铺装上层SMA13。截止2012年年底，使用超过12年，未进行整体翻修，是目前钢箱梁桥中桥面铺装使用寿命最长的。

由于早期钢桥面铺装技术不成熟，加之重载交通快速增长等因素，运营四年时，桥面局部开始出现微裂缝，并逐步扩展，随即进行了快速处治。之后几乎每年都需要对桥面进行不同面积的修补，病害主要表现为横纵向裂缝、网裂、推移、坑洞等。2011年对大桥铺装使用情况进行调查和评定，根据JTG H20-2007公路技术状况评定标准，大桥上下游钢桥面铺装路面状况评价指标(PCI)分别为43.1和41.2，属于差的技术等级，亟需处治[1]。进入2012年夏季，桥面病害发展迅速，根据重庆智翔公司维修统计记录，两个月(7月，8月)累计破损(钢板裸露)15处～20处，面积150 m2～200 m2，维修8次。

鉴于钢桥面铺装整体失稳，随时面临崩溃性的破坏，考虑通行安全及保护结构，桥梁管理单位组织设计及养护单位，开展桥面铺装方案论证及翻修设计。

1 桥面破坏成因分析

针对鹅公岩大桥桥面铺装所出现的病害(裂缝、推移等)，结合使用环境、温度、交通荷载等影响因素，对其成因进行分析，主要有以下几方面:

1)钢桥面板刚性不足。

鹅公岩大桥钢板较薄，只有12 mm，桥面系刚度不足，在重载交通的作用下，桥面板极易产生较大变形。桥面铺装层跟随钢桥面产生这种大幅度的反复弯曲变形，使得沥青混凝土性能衰退，变形逐渐超出了沥青混凝土所能容许的变形范围，沿U形肋方向产生了严重的纵向开裂。在U形肋和横隔板、纵腹板顶部产生疲劳裂缝与荷载的大小，钢板的厚度及U形肋的间距及开口大小直接相关。

2)环境温度恶劣。

桥面环境温度过高，夏季持续高温时间长，6月～9月内气温长时间30℃以上，甚至超过40℃，致使路面温度达到60℃，受沥青混凝土与钢箱梁的吸热、储热效应，导致桥面铺装温度较高，在如此高温下车辆荷载对沥青混凝土铺装结构的损伤效应更大。如果沥青铺装层没有很好的高温稳定性，在超载车辆的作用下，桥面铺装将很快被破坏。

3)交通量大，重载车辆多。

鹅公岩大桥的日交通量约11万辆～12万辆，且存在重载车和超重车，远远超出了桥面原设计交通量6.5万辆/d的通行能力。这种超负荷的交通量，进一步加大了桥面铺装随从钢桥面板的变形幅度和次数，大大增加了铺装层产生开裂破坏的可能性。

4)早期铺装材料(方案)性能有限。

桥梁设计之初对钢桥面铺装使用的温度、荷载条件等掌握不充分，造成早期桥面铺装材料性能有限，当桥梁通车后，遇到使用温度较高，车辆荷载不断增加，特别是重车超载增多时，桥面铺装容易发生疲劳病害。

2 钢桥面初步设计方案

钢桥面铺装设计不同于常规道路，加之大桥建设早，钢桥顶板刚度较小，因此对铺装材料的综合性能要求非常高。同时，考虑维修工程建设特点，制定了钢桥面铺装翻修需遵循的基本原则:1)对环境与交通的适应性;2)铺装材料和技术先进性;3)铺装结构的耐久性;4)交通组织可行性;5)铺装方案成熟性。

基于以上几项基本原则，提出了三种钢桥面行车道铺装方案，结构组成依次见图1～图3。

图1 铺装方案一结构简图

图2 铺装方案二结构简图

图3 铺装方案三结构简图

1)铺装方案一(浇筑式沥青混凝土GA+SMA):桥面铺装设计总厚度75 mm，结构组成为:38 mm高弹沥青SMA10+35 mm浇筑式沥青混凝土(GA10)+2 mm防水粘结层。

钢板一般会发生锈蚀，为保护桥梁结构的耐久性，在去除旧铺装层后，对桥面进行清洁、干燥处理，然后进行喷砂除锈，喷砂除锈清洁度达到Sa2.5级，即“非常彻底的喷砂除锈，钢材表面无可见的油脂、污垢、氧化皮、铁锈和油漆涂层等附着物，任何的痕迹应仅是点状或条纹状的轻微色斑”;同时要求钢桥面板喷砂除锈后粗糙度达到 50 μm ～100 μm。

防水粘结层采用的是甲基丙烯酸树脂防水体系，其是一种专门针对钢桥面防水而开发的材料，是桥面铺装结构中的重要组成部分，对桥面防水、防腐起保护作用，并承接铺装层，起粘结作用。该体系由防腐底漆、甲基丙烯酸树脂涂料、二阶反应性粘结剂构成，主要功能是防护钢材结构，并承接桥面的沥青混凝土结构面层。该材料最大的特点是除了具有较好的防腐性、泌水性和粘结效果之外，还具有优良的柔韧性，在正交异型钢桥面板上，能很好的适应其结构特性，在荷载反复作用下性能不衰变。经过大量实验验证和工程验证[2]，该类体系具有优异的防水性和耐久性，在国外，使用寿命甚至已达30年而未重新铺设。

铺装下层(保护层)采用孔隙率小于1%的浇筑式沥青混凝土(GA10)，该混合料结构形式为悬浮密集型，细集料多，沥青含量高，在高温下经特殊搅拌工艺拌制后，混合料呈现自流状态，经摊铺整平后，形成密实且不透水的铺装层，整体上具有很好的抗疲劳性能和耐久性。同时，为了提高浇筑式沥青混凝土与上部铺装层之间的结合力和整体抗剪强度，在浇筑式沥青混凝土摊铺后，同步撒布预拌碎石。

铺装上层选用高弹改性SMA10[3]，主要考虑到面层功能性要求，对铺装面层的综合性能要求较高，要具有良好的高温稳定性、抗滑性能、低温抗裂性、平整度、抗疲劳性能等，还要空隙率小、水稳性好，因此选用高弹改性SMA10作为面层结构。

铺装下层(GA10)、防水粘结层以及填缝料等构成该桥的桥面铺装结构的防排水系统。

2)铺装方案二(双层环氧沥青混凝土EA10):铺装总厚度50 mm，环氧富锌漆 +环氧粘结剂 +25 mm环氧沥青混凝土(EA10)+25 mm环氧沥青混凝土(EA10)。

桥面去除原铺装层后，对桥面进行清洁、干燥处理，然后进行喷砂除锈。

铺装结构上下层均采用孔隙率小于3%的环氧沥青混凝土(EA10)，环氧沥青混凝土属于反应型树脂混凝土，成型后强度极高，具有优良的力学性能、高温性能、低温抗裂性和抗疲劳性能等，可以满足我国对高温重载交通的使用要求。同时施工过程中对拌合温度要求严格(121℃～128℃)，在拌和时必须严格控制温度。

3)铺装方案三(FRP结构):铺装总厚度70 mm，粘结层厚度为3 mm，环氧砾石层为7 mm，铺装上下层采用SMA10。

该方案根据重庆城投公司主持的《钢桥面铺装新结构与材料关键技术研究》课题阶段性研究成果提出。在钢桥面喷砂除锈后，喷涂防水粘结层。

防水粘结材料采用FRP材料，FRP即纤维强化塑料，一般用玻璃纤维增强不饱和聚酯、环氧树脂与酚醛树脂基体，俗称玻璃钢。因其质量轻、耐腐蚀性和憎水性等性能优良，是一种比较理想的防水粘结材料。FRP防水粘结层通过人工涂刷实现的，涂刷厚度为3 mm，分三次涂刷完毕，每次涂刷间隔时间约为8 h。

环氧砾石层由粒径7 mm～9 mm的碎石嵌入在FRP结构层上，待环氧砾石完全嵌入FRP结构层中，然后在上部施工高弹改性沥青SMA10。该结构设计空隙率为3.0%～4.0%，具有良好密实性和整体性，相对于普通改性沥青而言，具有更好的抗开裂能力和耐疲劳能力。

3 铺装方案论证

对三种典型铺装方案，结合大桥使用条件，从技术性能、施工工艺、交通组织、使用寿命、工期等内外因素方面综合对比分析，为重庆鹅公岩大桥推荐最适宜翻修方案。

3.1 技术性能

对三种铺装方案的技术性能进行对比分析，见表1。

表1 铺装组合结构性能对比

铺装方案一防水、协调变形能力、疲劳耐久性较优，热稳性略差;方案二高温抗重载能力、疲劳性能和粘结性优异，防水性略差;方案三抗剪性能较优，疲劳性能与随从变形能力较差。

3.2 施工及交通组织管理

从表2三种铺装方案施工交通组织与工艺要求对比分析结果可以看出，铺装方案一对设备有特殊要求，环境适应能力强;方案二对施工环境及工艺要求较高，工期最长，施工交通组织难度大[4];方案三施工工艺较为简单，但其中关键环节对环境提出了特殊要求，非机械化施工工序质量可靠度低。

表2 铺装组合结构施工组织与工艺对比

3.3 经济及应用情况

根据桥区原材料供货情况，结合实体工程使用寿命及运营养护情况，对建设费用及使用情况进行分析，见表3。

表3 典型铺装方案寿命及经济成本对比

铺装方案一早期建设费用最低，后期养护成本最低，实体应用工程多;方案二早期建设费用和后期养护费用都较高，应用工程多;方案三缺乏实桥工程案例，无法对其养护费用进行预估。

3.4 综合分析

总而言之，三种方案各具特点，其优缺点可简要归纳为以下几点:

1)铺装方案一(浇筑式+SMA):主要优点是铺装体系完善，综合性能优，特别是耐久性，良好的协调变形能力在12 mm钢板上适应性更强，实桥成功案例多，工期有保障;主要缺点是高温抗重载能力要弱于环氧沥青混凝土。

2)铺装方案二(双层环氧混凝土):最大优点是整体强度高;主要缺点是对施工环境条件要求极高，对于翻修工程，施工周期太长。

3)铺装方案三(FRP结构):最大优点是FRP结构在理论上有一定的补强加劲作用;主要缺点是无防腐层、FRP与沥青层之间缺乏有效粘结层，目前尚无实桥成功案例。

根据技术性能、施工工艺、交通组织、工期、经济等因素分析结果，对三种方案进行综合排名，依次为:方案一、方案二、方案三。

4 结语

根据典型方案综合论证意见，推荐铺装方案一(甲基丙烯酸树脂体系+浇筑式沥青混凝土+高弹改性沥青SMA)作为重庆鹅公岩大桥钢桥面行车道翻修方案。

同时，针对鹅公岩结构特点及早期病害，结合设计要求，建议对推荐方案进行深化设计，编制施工图设计文件。

1)浇筑式沥青混凝土采用聚合复合改性沥青，相对于早期的天然沥青复合改性沥青，所形成的浇筑式沥青混凝土在保证高温稳定性的基础上，具有更强的粘韧性及变形能力。

2)铺装面层采用高弹体改性沥青，综合高温稳定性及疲劳耐久性要求，优化高弹体改性沥青性能，以适应鹅公岩大桥的交通荷载和结构特点(12 mm)以及早期病害，提升铺装层抗疲劳开裂及极限应变能力，遏制疲劳裂缝早期发生。

3)针对柔性支撑体系刚性不足、混合料压实困难的问题，采用水平振动压路机，有效改善SMA混合料的压实效果，保障路面的高温稳定性及泌水性。

4)强化施工过程质量控制，细化关键控制环节，确保施工质量达到设计目标。

[1] 招商局重庆交通科研设计院有限公司.重庆鹅公岩长江大桥钢桥面铺装翻修方案论证书[R].重庆:招商局重庆交通科研设计院有限公司，2012.

[2] 王 民，伍朝晖，李玉龙.重庆菜园坝长江大桥钢桥面铺装设计与应用[J].公路交通科技(应用技术版)，2008(9):127.

[3] 郝增恒，张肖宁，盛兴跃，等.高弹改性沥青在钢桥面铺装中的应用研究[J].公路交通技术，2010(4):25.

[4] 徐 伟，张肖宁，涂常卫.虎门大桥钢桥面铺装维修方案研究与工程实施[J].公路，2010(10):86.