钢箱梁桥面铺装优化设计

万 俊，丁庆军，胡方杰，高荣雄

(1.武汉市政工程设计研究院有限责任公司， 湖北 武汉 430015； 2.武汉理工大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430070； 3.华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074)



钢箱梁桥面铺装优化设计

万 俊1，丁庆军2，胡方杰3，高荣雄3

(1.武汉市政工程设计研究院有限责任公司， 湖北 武汉 430015； 2.武汉理工大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430070； 3.华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074)

本文结合国内外大跨径钢箱梁桥面铺装的常用方案及其使用效果，提出传统铺装方案存在的主要问题。利用三阶段力学分析方法研究活载作用下钢箱梁桥面铺装的应力分布特点，提出钢箱梁桥面铺装的控制应力，分析控制应力随钢桥面板厚度、铺装层厚度等因素的变化规律。结合工程实例武汉市黄浦大街—金桥大道快速通道工程L32联大跨连续钢箱梁，提出了新型的钢箱梁桥面铺装方案：采用轻质高韧混凝土作为刚性下面层的铺装方案。该方案主要特点有：以轻质高韧混凝土代替沥青混凝土为铺装层下面层，在钢桥面板焊接剪力件，设置集防水、粘结、应力吸收功能于一体的高粘高弹改性沥青功能过渡层。利用局部模型对该方案进行受力性能分析，结合室内试验结果，表明本方案理论上可行。

钢箱梁桥面铺装； 轻质混凝土； 应力分析； 高粘高弹改性沥青

1 问题的提出

因其技术难度与复杂性，大跨径正交异性钢箱梁桥面铺装一直受到国内外学术界与工程界的重视，但钢桥面铺装技术并未得到较好的解决。目前，国内的钢箱梁桥面铺装普遍采用浇注式沥青与环氧沥青这两种基本结构形式相同但所取材料不同的铺装体系。

我国于二十世纪90年代引进了浇注式沥青铺装体系。目前我国使用该种铺装体系的桥梁具有代表性的是江阴长江大桥及香港青马大桥等[1]。江阴长江大桥于1999年正式建成通车，但仅过了数月，其钢箱梁铺装层表面出现严重的纵向裂缝及车辙等病害。2003年，江阴市对该桥进行翻修，但收效甚微[2～4]。

环氧沥青铺装目前造价最为昂贵，在国外的应用效果良莠不齐。美国本富兰克林大桥采用浇注式沥青作为铺装层表面层，环氧沥青作为铺装层的防水粘结层，其实际效果糟糕，病害严重[5]；澳大利亚西门桥桥面铺装脱层导致钢桥面板磨损[6]；加拿大A Murray Mackay桥的病害原因是钢板锈蚀，而引起这一现象的直接原因是环氧沥青铺装层结构密实度严重不足[7]。引进国内后，环氧沥青铺装在南京长江二桥取得了良好使用效果，自2002年起，国内的钢箱梁桥普遍采用该种铺装体系。如2005年通车的润扬长江大桥、2007年通车的阳逻长江大桥、2009年通车的武汉天兴州长江大桥等[8]。

不过，许多工程即便采用环氧沥青铺装，早期病害依旧频繁发生。环氧沥青铺装造价昂贵、施工技术要求较高，一旦超载严重，容易产生病害。

钢箱梁桥面铺装存在的主要问题为铺装层与钢板之间粘结性能差，铺装层容易产生推移、拥包，沥青混凝土自身抗车辙与抗疲劳性能差等。针对问题国内外开展了大量研究，但仍未找到适合我国地域广阔、交通量巨大、超载问题突出等国情的钢箱梁桥面铺装方案。

2 钢箱梁桥面铺装活载应力分析

本文研究基于武汉市黄浦大街—金桥大道快速通道工程L32联钢箱梁。该联为100+150+100 m三跨变截面连续钢箱梁，桥面宽26～34.3 m，位于武汉市中心城区。

钢箱梁桥面铺装的受力特点与普通桥面铺装具有很大不同，铺装层与钢箱梁桥面板共同工作、协调变形，其受力既与整桥结构有关，也受到桥面板局部正交异性板体系的影响。由于加劲肋的局部加强作用，正交异性板在活载作用下的应力应变有很明显的局部特征，因而钢箱梁桥面铺装的各类型病害都与该体系受力变形的局部性有很大关系[9]。

以U形加劲肋钢箱梁典型截面、典型钢箱梁桥面铺装为例建立模型分析其在活载作用下应力规律。典型钢箱梁截面如图1：

图1 U形加劲肋钢箱梁典型截面

典型钢箱梁桥面铺装如图2：

图2 典型钢箱梁桥面铺装

根据三层次模型理论，钢箱梁桥面铺装受力分析所需模型从大到小为：整体结构；钢箱梁局部结构；有纵横加劲构造的钢桥面板。一方面由于工作量太大，另一方面受限于目前计算机的硬件性能，通过建立整桥模型来进行钢箱梁桥面铺装受力分析并不现实。因此，目前所采用的三层次模型理论是从整体到局部层层代入简化分析，即：将从整桥模型中得到的力和变形作为边界条件约束局部结构模型，再从局部模型中剥离出正交异性板体系进行精细分析[10]。

首先采用较大的网格建立整桥模型。整桥模型采用梁单元，计算结果表明整桥纵桥向最大应变不超过120个微应变，该应变对材料疲劳破坏的贡献很小。由于正交异性板的局部效应很强，根据圣维南原理，在局部静力作用下，桥面铺装的受力状态主要与桥面板局部结构有关，受整桥影响较小。因此，在本文中，对于桥面铺装的分析将不计入整桥结构作用，仅采用有限元软件对桥面铺装和桥面板进行局部分析，采用的模型大小为：横向包括8条加劲肋，纵向包括4块横隔板[11]。

桥面铺装层与钢箱梁桥面板整体共同受力、协调变形。在进行受力分析时作以下假设：(1)正交异性板及桥面铺装层自重不计；(2)桥面铺装层是各向同性材料且受力变形是完全弹性的；(3)桥面铺装层与钢桥面板之间的接触是连续且刚性的。

有限元模型中桥面铺装层采用SOLID65单元，其它结构如钢桥面板、横隔板、加劲肋等均采用壳单元SHELL63进行建模分析。计算参数如表1所示：

表1 有限元模型计算参数

计算模型如图3所示：

图3 计算模型

计算得出结构的部分关键性指标：铺装层与钢桥面板接触面横向剪应力、铺装层表面横向拉应力等。计算云图如图4、5所示：

图4 铺装层与桥面板接触面横向剪应力/MPa

图5 铺装层表面横向拉应力/MPa

从图4、5的计算结果可以看出，桥面铺装体系应力应变局部特征明显。在以车轮荷载为中心，横向2500 mm，纵向4500 mm的范围内，铺装层应力应变波动明显。在车轮荷载作用中心附近，应力应变达到极值，而在该范围以外，应力应变趋近于零。这也说明了模型计算范围的选择是合理的。同时可以发现，铺装层表面的弯拉应力、应变以及铺装层与钢桥面板接触面的剪应力都在车轮荷载作用处的加劲肋顶部达到峰值。为更加准确地研究铺装层中的应力分布，图6将铺装层与钢桥面板接触面的横、纵向剪应力以及横、纵向弯拉应力分别绘出进行比较。

图6 铺装层与钢桥面板接触面应力分布

从图6可以看出，在铺装层与钢桥面板接触面，横、纵桥向弯拉应力最大值接近，横桥向剪应力远远大于纵桥向剪应力。在横桥向坐标中，从0.175开始，每增加0.35的距离为加劲肋所在处，如坐标0.525、0.875、1.575等。从横桥向剪应力分布图中可以发现，剪应力极大值均出现在加劲肋支承点处，而极小值则出现在两加劲肋之间。横桥向剪应力分布与加劲肋布置具有很明显的对应关系。

铺装层表面应力分布如图7所示，从图7可以看出，铺装层表面的横桥向弯拉应力大于纵桥向弯拉应力，这说明横桥向弯拉应力为铺装层表面的控制应力。并且，最大弯拉应力均出现在加劲肋支承点处，最大弯压应力出现在两加劲肋之间。

图7 铺装层表面应力分布

总体分析得出，桥面铺装层控制应力为横桥向弯拉应力及铺装层与钢桥面板接触面的横桥向剪应力。

为进一步了解铺装层与钢桥面板组成的正交异性体系的受力特征，通过改变计算参数进行受力分析。改变的参数包括钢桥面板厚度、铺装层厚度、加劲肋间距、横隔板间距、沥青弹性模量等，其他材料参数仍按表1取值。以铺装层表面最大拉应力和钢桥面板与铺装层接触面最大剪应力为分析指标，计算结果如图8～12所示。

图8 控制应力与钢桥面板厚度变化曲线

图9 控制应力与铺装层厚度变化曲线

图10 控制应力与加劲肋间距变化曲线

图11 控制应力与横隔板间距变化曲线

图12 控制应力与沥青弹性模量变化曲线

从图8可以看出，钢桥面板厚度与铺装层应力关系几乎呈线性变化，说明钢桥面板作为桥面铺装的直接承重构件，其刚度直接影响铺装层的受力状况。

从图9可以看出，铺装层厚度与铺装层表面最大拉应力成线性关系，随着厚度的增加，最大拉应力减小。在由桥面铺装层钢桥面板组成的复合截面中，钢板弹性模量远远大于沥青弹性模量，沥青厚度增加对整个截面的抗弯惯性矩影响很小，中性轴上移也很小。根据平截面假定，沥青的最大和最小正应力应该发生在距离中性轴最远和最近的位置，即沥青层表面和底面。因此，随着沥青层厚度的增加，沥青层表面与中性轴距离增大，在截面弯矩不变的情况下，沥青层最小拉应力(即压应力)增大，沥青层最大拉应力减小。剪应力与铺装层厚度并非成线性关系，通过数据拟合可以得出呈二次变化。

从图10可以看出，加劲肋的间距与控制应力变化不是线性的，从横桥向来看，U肋与桥面板及铺装层组成类似于连续梁的结构，其对桥面板和铺装层的支撑作用与间距并不是简单的一次关系。随着间距的减小，单轮荷载会进入下一对加劲肋之间，从而分担荷载的作用，因此总体上铺装层应力随着间距的减小而变小，但并不是线性变化。

图11是控制应力与横隔板间距的变化曲线。在荷载一定的情况下，将桥面纵向整体看作连续梁模型，随着横隔板间距的增大，相同截面的弯矩会增大，控制应力也随之增大，且几乎为线性变化。从变化幅度来看，横隔板间距变化对控制应力有着很明显的影响。

从图12可以看出，控制应力对沥青弹性模量的变化非常敏感，两者关系呈二次变化。沥青弹性模量增大会使整体刚度增大，变形减小，但无法判断应力是否增大，需要综合其他因素进行分析。

综合以上分析结果，加劲肋间距及沥青弹性模量的变化对铺装层应力的影响较为复杂，影响因素较多，需要综合分析。其他因素对铺装层应力的影响在一定范围内基本呈线性。从经济等角度出发，各参数取值需要合理选取。

3 钢箱梁桥面铺装优化设计

对于钢箱梁桥面铺装，铺装下面层材料与钢桥面板模量相差越大，接触面剪应力就越大，而沥青与钢材弹性模量相差几个数量级。因此，传统钢箱梁桥面铺装普遍存在界面抗剪能力差的问题。

为解决该问题，基于桥面铺装材料模量梯度设计方法，本文提出了新的桥面铺装体系：采用高性能SMA(Stone Mastic Asphalt)作为上面层，轻质混凝土作为刚性下面层并设置钢筋网，钢桥面板上设置剪力钉来加强与刚性下面层连接的新型桥面铺装方案，如图13所示。剪力钉及钢筋网的设置能够加强轻质混凝土下面层与钢桥面板之间的相互约束，提高两者共同受力、协调变形的能力，从结构上提高铺装层与钢桥面板之间的抗剪能力；采用高粘度改性沥青制备高性能SMA面层，并采用高粘高弹改性沥青制备集防水、粘结、应力吸收为一体的粘结层。该新型桥面铺装体系各层桥面铺装材料弹性模量呈梯度变化，能够大大降低桥面铺装的层间剪应力及拉应力，显著提高使用寿命，具备优良的行车舒适性及安全性。

图13 新型铺装结构示意

基于轻质混凝土刚性下面层的钢箱梁桥面铺装方案与目前国内外流行的铺装方案相比，具有以下两方面特点：

(1)材料

高韧性轻集料混凝土是表观密度在1950 kg/m3以下、隔热性能良好的新型建筑材料。桥面铺装下面层采用该材料具有如下优点：

a.重量轻：其容重只有普通水泥混凝土及沥青混凝土的70%～80%，能够有效降低钢箱梁恒载，或在恒载不变的情况下增加下面层厚度。

b.韧性高：通过添加聚合物和钢纤维来显著提高轻集料混凝土的韧性，改善其脆性，从而有效提高其抗疲劳性能。

c.变形性能良好：由于轻集料的内养护作用，轻集料混凝土的干缩和自收缩较普通混凝土小，可有效防止因钢板和混凝土变形不一致而产生的裂缝。

d.结构致密：轻集料混凝土致密的结构使得其抗渗性能明显优于沥青混凝土，有益于钢桥面板的防腐。

e.隔热性能良好：轻质混凝土的集料空隙率高，具有良好的隔热性能，能够有效延阻热量在钢桥面板和桥面铺装层之间的传递，从而提高桥面铺装层的高温稳定性。

(2)结构

该铺装体系最大的特点是将目前常用的沥青混凝土下面层替换为高韧性轻质混凝土。根据材料弹模梯度设计原理[12]，一定范围内，铺装层弯拉应力、铺装层与钢桥面板之间剪应力均随弹模比n(n=E铺装层/E钢板，E为材料的弹性模量)的增大而减小。基于以上特性，首先在钢桥面板(弹性模量210 GPa)上焊接剪力钉、绑扎钢筋网，然后浇筑与钢板具有较好追从性的高韧性轻质混凝土作为铺装下面层(弹性模量约为25～28 GPa，韧性指数η30>25，厚度5～8 cm)，上面层为SMA-13高粘度改性沥青混凝土(弹性模量1.2～1.8 GPa，厚度4～5 cm)，从而形成弹性模量呈梯度变化的复合结构铺装层。在轻质混凝土下面层中，剪力钉与钢筋网构成桥面抗推骨架，在提高下面层高韧性轻质混凝土抗滑移能力的同时，使行车荷载作用于钢桥面的各向应力均匀传递，进一步提高了铺装层与钢桥面板之间的协同变形能力和抗疲劳性能。在桥面铺装上、下面层间热洒采用高粘高弹改性沥青制备而成的防水粘结应力吸收层(沥青洒铺量控制在1.8～2.2 kg/m2，同时撒布粒径为9.5～13.2 mm的碎石层)，显著提高了轻质混凝土下面层与沥青铺装上面层之间的界面粘结强度和抗剪强度，同时能有效防止水的渗透造成剪力钉、钢筋网以及钢箱梁顶板锈蚀。此外，在下面层混凝土出现裂缝之后，应力吸收层能够在一定程度上吸收裂缝应力集中处的不均匀应力，延缓裂缝发展，并阻止裂缝向上扩展。

目前，该新型钢箱梁桥面铺装体系适用于中、小跨径钢箱梁，大跨径钢箱梁的使用效果尚未得到检验。对于小跨径钢箱梁，轻质混凝土铺装下面层也可采用普通钢纤维混凝土代替。

武汉市黄浦大街—金桥大道快速通道工程L32联钢箱梁桥面铺装如采用环氧沥青铺装，造价将非常昂贵，且施工作业面受限，施工质量难以保证。因此，设计采用上述新型铺装方案：刚性下面层采用6 cm厚轻质高韧混凝土，粘结层采用1 cm厚高粘高弹改性沥青防水粘结应力吸收层，上面层采用4 cm厚高粘度改性沥青SMA-13。

选取由钢箱梁桥面铺装与钢桥面板组成的局部正交异性板体系进行分析。有限元模型假定及参数如前文，上面层沥青混凝土及下面层轻质混凝土的模拟均采用实体单元SOLID65，钢筋网采用整体建模，在实体单元中考虑配筋率；剪力钉的模拟采用PIPE20单元。其余各参数详见表2所示。有限元模型示意图如图14所示。

表2 模型材料参数

图14 桥面铺装有限元模型

部分计算结果云图如图15～18所示：

图15 铺装层横向弯拉应力云图

图16 上下面层接触面剪应力云图

图17 下面层与钢桥面板接触面剪应力云图

图18 弯沉变形云图

主要指标计算结果如表3所示：

表3 主要计算结果

根据前文钢箱梁桥面铺装活载应力分析，选取面层最大拉应力、层间最大剪应力及弯沉作为设计指标，与前文计算结果进行对比如表4所示：

表4 设计指标对比

桥面铺装表面纵横向拉应力大小与裂缝的产生有着直接关系。轻质混凝土铺装层表面拉应力小于普通钢箱梁桥面铺装，且远小于高强轻质钢纤维混凝土的抗拉强度5.1 MPa。因此，采用轻质混凝土作为桥面铺装下面层满足钢箱梁桥面铺装对材料抗拉强度的要求。

对于层间最大剪应力，新型铺装方案轻质混凝土下面层与钢桥面板接触面的层间最大剪应力为1.376 MPa，普通铺装方案层间最大剪应力发生在沥青与钢桥面板接触处，为1.960 MPa，这是因为轻质混凝土的弹性模量比沥青大一个数量级，随着模量比的增大，层间剪应力会减小。这体现了基于材料模量梯度设计理论的轻质混凝土铺装方案在结构方面的优越性。此外，轻质混凝土铺装方案在桥面板上设有剪力钉和钢筋网，其抗剪性能优于普通铺装方案。在实际使用过程中，轻质混凝土铺装脱层、推移等病害发生较少，使用效果良好。

值得一提的是，江西六国曾经历过一场“黑天鹅”事件。2015年江西六国在开展化肥保兑仓业务时，被吉林天马及其法定代表人、副总经理等采取欺骗手段非法骗取和占有连本带息合计约6831万元资金，由于可回收金额不确定，江西六国出于谨慎性考虑2015年对该款项全额计提坏账准备。为挽回损失，江西六国向公安机关报案，吉林天马法定代表人、副总经理被批捕，2016年3月公安机关将案件移交检察院，2016年12月当地检察院向当地人民法院提起刑事诉讼，案件正在审理中，尚未终审。

路面弯沉反映了路面各层的整体刚度，且该指标测量方便，应用广泛。虽然钢箱梁桥面铺装不同于一般的刚性或柔性路面，铺装层下面是正交异性板结构，但是弯沉仍然能够反应钢箱梁桥面铺装的局部刚度，也能反应铺装层的使用性能。由于剪力钉和钢筋网的存在，轻质混凝土桥面铺装弯沉较小。同时，高强、高韧轻质混凝土的采用，也使钢箱梁桥面铺装的整体刚度和使用性能得到显著提升。

4 力学性能试验

4.1 轻质高韧性混凝土力学性能试验

桥面铺装下面层采用轻质混凝土，由于刚性下面层受力环境的复杂性，对轻质混凝土的性能提出较高要求，具体指标如表5所示：

表5 轻质混凝土性能要求

通过在轻质混凝土中掺入聚合物、钢纤维等外加剂，使用复合增韧技术制备出轻质高韧混凝土。轻质混凝土力学性能试验参照规范《轻骨料混凝土技术规程》进行。试件尺寸如表6所示：

表6 轻质混凝土力学性能试件尺寸

轻质混凝土弯曲韧性试验采用10 t压力机，加载速度为0.05 mm/s。试验图片如图19所示：

图19 轻质混凝土弯曲韧性试验

通过对掺入不同含量钢纤维的混凝土进行弯曲韧性试验，得出轻质混凝土中钢纤维的最佳掺入量，试验结果如图20所示。

图20 钢纤维混凝土韧性指数曲线

由图20可以看出，随着混凝土中钢纤维含量的增加，混凝土韧性指数变大，韧性增强效果明显。对于轻质混凝土，钢纤维的掺入将使密度变大，过大掺入量会增加自重且成本很高，因此推荐钢纤维掺入量为0.6%～1.0%。

对不同强度等级的轻质高韧混凝土进行力学试验，得出其力学性能指标如表7所示：

表7 轻质混凝土力学性能指标

4.2 高粘沥青SMA-13力学性能试验

桥面铺装上面层SMA-13采用高粘高弹改性沥青进行制备，通过试验，得出其各项性能指标如表8所示：

表8 SMA-13性能指标

图21 SMA-13抗剪试验

综合分析试验结果，新型桥面铺装方案中两种关键材料的各项性能指标均能满足有限元理论分析中最不利条件下的受力要求。

5 结 论

(1)分析了典型的钢箱梁桥面铺装结构。通过有限元软件ANSYS建模分析活载作用下钢箱梁桥面铺装及钢桥面板局部体系应力分布特点，确定钢箱梁桥面铺装的控制应力为横桥向弯拉应力及铺装层与钢桥面板接触面的横桥向剪应力，并深入分析了控制应力与铺装层厚度、钢桥面板厚度等的关系。

(2)提出了新型的钢箱梁桥面铺装方案：基于轻质混凝土刚性下面层的桥面铺装方案。这种新型铺装结构能够显著提高上面层的耐磨性能、抗车辙能力、钢桥面板与铺装层接触面的抗剪能力以及下面层的抗裂性能、强度和高温稳定性等，同时能够提高铺装层与钢桥面板共同工作的能力和桥面铺装整体刚度。

(3)利用有限元模型得出轻质混凝土铺装方案各应力理论计算值，与一般钢箱梁桥面铺装方案进行对比分析。基于材料模量梯度设计原理的复合结构铺装方案在铺装层应力及弯沉等技术指标上优于一般铺装方案，理论上完全满足要求。

(4)对轻质混凝土铺装方案中的两种关键材料：轻质高韧性混凝土和高粘度改性沥青SMA-13的性能进行试验，结果表明各项性能均满足最不利条件下的受力要求。

目前，该铺装方案已在武汉市黄浦大街—金桥大道快速通道工程L32联钢箱梁得到成功应用。该工程已通车五年，L32联钢箱梁桥面铺装运营状况良好，暂未发现任何病害。

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Optimization Design for Steel-box Girder Bridge Deck Pavement

WANJun1,DINGQing-jun2,HUFang-jie3,GAORong-xiong3

(1.Wuhan Municipal Engineering Design and Research Institute Co Ltd, Wuhan 430015, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 3. School of Civil Engineering and Mechanics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

This thesis puts forward the main problems existing in the traditional paving plan based on the using effect of the commonly used scheme of long-span steel box girder bridge deck pavement in the domestic and overseas. The stress distribution of steel-box girder deck under live load has been studied and put forward the control stress of steel box girder deck and then analyzed the variation between the control stress and the factors such as the steel deck thickness and pavement layer thickness by using three stage mechanical analysis methods. A new steel deck pavement scheme has been proposed: the pavement program uses lightweight high-ductile concrete as a rigid layer, based on engineering example:L32 unit of long span continuous steel box girder projects of Jinqiao Road. The main features of the program are that: the pavement below layers are lightweight high-ductile concrete instead of asphalt concrete, and the steel deck plate has welded shear parts of high-elasticity high-viscosity modified asphalt intermediate layer which has the function of water proof, cementation, stress-absorbing.By the mechanical analysis to this program and the combination of the laboratory test results, the program is theoretically possible.

steel-box girder bridge deck; lightweight concrete; stress analysis; high-elasticity high-viscosity modified asphalt

2016-01-26

2016-03-18

万 俊(1980-)，男，江西南昌人，高级工程师，硕士，研究方向为桥梁工程(Email: 12004599@qq.com)

U443.33

A

2095-0985(2016)05-0006-08