正交異性板大跨徑鋼箱梁橋面鋪裝病害分析

正交異性板大跨徑鋼箱梁橋面鋪裝病害分析

近年來，中國在橋梁建設(shè)中越來越多地采用了重量輕的異鋼橋板，而不是普通的鋼筋混凝土橋面板。但是,到目前為止未取得耐久的成功技術(shù)。即將或正在修建的正交異性板大跨徑鋼箱梁橋有近30座,已經(jīng)動工的包括武漢長江三橋、南京長江二橋、宜昌長江大橋及重慶鵝公巖長江大橋等,而這些大橋一般采用瀝青混凝土橋面鋪裝,因此,鋼箱梁的瀝青混凝土橋面鋪裝技術(shù)急需解決。本文以廣東肇慶馬房大橋兩次橋面鋪裝的使用情況的調(diào)查結(jié)果為基礎(chǔ),分析鋼橋面瀝青鋪裝出現(xiàn)病害的主要原因,為鋼橋面鋪裝的設(shè)計與方案選擇提供成功與失敗的經(jīng)驗和教訓(xùn)。1第二次鋼橋面鋪裝方案的基本情況馬房大橋為一座公鐵兩用橋,位于廣東省肇慶市四會縣境內(nèi),橫跨北江,其上部結(jié)構(gòu)為各自分體并列置于同一橋墩上,其中,公路橋為14孔跨徑64m的正交異性板雙箱簡支鋼梁橋,全長919.6m,行車道寬9m,兩側(cè)各設(shè)1.5m的人行道。鋼橋面板縱向加勁肋為開口“L”型肋,間距300～325mm,橫向加勁肋每2m一道。1984年12月馬房大橋竣工通車,但是第一次瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)在通車不到3個月,就開始出現(xiàn)許多橫、斜與弧形裂縫,以及坑槽、中央分道線扭曲等病害。隨著交通量的增加以及自然環(huán)境因素的影響,病害日益擴大,鋪裝層出現(xiàn)縱向和網(wǎng)狀開裂,進而導(dǎo)致嚴(yán)重坑槽與鋼板裸露,補不勝補,嚴(yán)重影響了鋼橋的使用壽命和行車安全。1989年,為尋求解決橋面鋪裝的病害問題,肇慶市公路局與同濟大學(xué)等單位合作,開展了“正交異性鋼橋面板新鋪裝層試驗研究”的研究項目,并于1989年11月22日完成了60m長、4.5m寬、總面積288m2的試驗段。試驗段經(jīng)過20個月的使用,除箱梁腹板頂上鋪裝層表面出現(xiàn)微裂縫外,其他均完好無損。因此,根據(jù)試驗段鋪裝方案,于1992年9月完成全橋14孔的瀝青鋪裝層的大面積翻修重鋪工作。同時,由上海鐵道學(xué)院完成橋面鋪裝疲勞承載力的試驗分析。試驗段至今已使用10年時間,目前除在縱向加勁肋位置出現(xiàn)縱向的表面開裂,以及部分車轍與推移以外,使用情況良好。因此,第二次鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)方案是一比較成功的結(jié)構(gòu)。但是,大面積鋪裝的其他路段,出現(xiàn)了松散、推移、車轍與坑洞等損壞,嚴(yán)重的地方整個鋪裝結(jié)構(gòu)完全脫落,露出鋼板,已經(jīng)過多次養(yǎng)護維修,仍然難以滿足正常行車的要求。2山東云杉鋪設(shè)不良原因分析2.1鋪裝層問題馬房大橋的第一次鋼橋面瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)見圖1。根據(jù)對第一次橋面鋪裝使用情況的調(diào)查結(jié)果分析,造成病害的主要原因包括以下幾方面:①鋼橋面板防銹漆為二度環(huán)氧鋁粉漆,固化后形成干脆性漆膜附著于鋼板上,附著不牢,在輪載與環(huán)境溫濕的反復(fù)作用下,以及鋼橋面板反復(fù)變形作用下,漆膜與鋼板面分離脫殼,導(dǎo)致鋪裝層與鋼板剪切分離。②粘結(jié)層采用環(huán)氧煤焦油,而煤焦油是一種揮發(fā)性物質(zhì),施工過程中由于瀝青混凝土攤鋪溫度在100℃以上,造成未固化的環(huán)氧煤焦油爆發(fā)性揮發(fā),溶解鋪裝層瀝青,甚至還滲透到二度防銹漆中,實際鋪裝結(jié)構(gòu)中已無明顯的粘結(jié)層,加上鋪裝層開裂與防銹層分離,雨水直接滲到鋼板上,導(dǎo)致鋼板銹蝕。③橡膠瀝青混凝土鋪裝層材料配合比設(shè)計存在缺陷,加上該橋為簡支結(jié)構(gòu),跨中撓度大,造成跨中鋪裝層橫向疲勞開裂。同時,縱向加勁肋為開口“L”型肋,肋頂負(fù)彎矩較大,從而導(dǎo)致鋪裝層沿縱向加勁肋頂面及肋與肋之間的縱向開裂。又由于鋪裝層與鋼橋面板處于分離狀態(tài),在雙向車輛的水平力作用下,使這些各自形成的縱橫向裂縫牽拉形成斜向或弧形裂縫,以及網(wǎng)狀開裂。另一方面,鋪裝層的熱穩(wěn)性差,難以滿足本地高溫時間長的氣候條件,在行車荷載作用下,鋪裝層向車道外側(cè)橫向推移,從輕微隆起逐步擴展到起拱、破裂、松散,進而堆積成縱向長壟條狀,而下面呈空殼狀。④伸縮縫為單端固定滑板式構(gòu)造,跨間平坦性極差,出現(xiàn)嚴(yán)重跳車,引起伸縮縫前端1m范圍內(nèi)鋪裝層受沖擊開裂,導(dǎo)致坑洞和凹槽。⑤鋼箱梁每跨64m,分三段用夾板及高強螺栓緊固拼接,拼接處夾板與高強螺栓共厚36mm,故接頭處的鋪裝層厚度僅為3cm左右,從而引起橋面彈性模量的前后差異,形成行車跳動和水平?jīng)_擊作用,導(dǎo)致產(chǎn)生與伸縮縫處類似的病害。⑥鋪裝層于1984年11月中旬到12月中旬施工,1985年元旦交付使用,鋪裝層尚未完全密實成型,就遇廣東的低溫陰雨的惡劣氣候,雨水滲透使瀝青混合料粘附力下降,導(dǎo)致鋪裝層沿裂縫處松散脫落,并迅速擴大為坑槽,鋼板出露。2.2車橋鋪裝層存在的問題馬房大橋的第二次鋼橋面瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)見圖2。根據(jù)對第二次橋面鋪裝使用情況的調(diào)查結(jié)果分析,造成病害的主要原因包括以下幾方面:①大面積施工采用人工炒拌混合料的方法,控制不良,對拌和溫度缺乏嚴(yán)格的控制,造成溫度過高而導(dǎo)致瀝青的早期老化,影響了瀝青混合料的耐久性,從而形成龜裂和網(wǎng)裂。同時,人工攤鋪難以對攤鋪溫度嚴(yán)格控制,造成混合料壓實不充分,導(dǎo)致橫向推移和車轍。另外,施工時采用邊開放交通邊施工的方法,交通干擾大,影響施工質(zhì)量。②雖然在1987年對全橋伸縮縫進行了全部更換和加固,但是,伸縮縫仍然采用普通埋頭螺栓固定的滑板伸縮裝置,在行車荷載的沖擊作用下,螺栓滑牙脫落,滑板松動。同時鋼梁結(jié)構(gòu)偏柔,水平位移較大,造成伸縮縫兩側(cè)特別是錨固端的鋪裝層出現(xiàn)嚴(yán)重松散和推移,甚至露出鋼板。③通過對馬房大橋收費站交通資料的分析,機動車晝夜平均車次從1991年的9326車次到1999年的19465車次,平均增長率為10.7%,并且超載和重載現(xiàn)象也非常嚴(yán)重,這是造成鋪裝層出現(xiàn)病害的一個重要原因之一。同時,渠化交通造成鋪裝層沿輪跡方向出現(xiàn)較嚴(yán)重的車轍,導(dǎo)致鋪裝層向兩側(cè)橫向推移,形成坑槽、油包和波浪,嚴(yán)重影響行車的平穩(wěn)性。④鋼梁縱向加勁肋頂鋪裝層仍然產(chǎn)生縱向開裂,但裂縫深度未到鋼板表面,表明此次鋪裝的粘結(jié)層牢固。同時,鋼梁拼接處由于螺栓頂部鋪裝層偏薄,在行車作用下仍然產(chǎn)生推移而露出螺帽。另外,鋼梁偏柔,振動大,在各跨跨中均出現(xiàn)了鋪裝層縱向推移,而形成窩狀。⑤鋪裝層兩側(cè)排水不暢,加上本地雨水充沛,近20年來平均年降雨量為1678.1mm,雨水長期滯留在橋面兩側(cè),造成邊緣鋪裝層產(chǎn)生水損害,從而出現(xiàn)松散和剝落,影響了鋪裝層的耐久性。⑥鋪裝層瀝青混合料的集料針片狀含量過大,有的達到40%,一般都在20%～30%之間,難以滿足橋面鋪裝用集料的要求。比較馬房大橋前后兩次鋼橋面瀝青鋪裝的使用情況,可以看出,第二次鋪裝已使用10年,其使用效果明顯優(yōu)于第一次鋪裝?，F(xiàn)場鉆芯進行拔拉試驗表明,鋼板未出現(xiàn)銹蝕,拔拉破壞均出現(xiàn)在雙層鋪裝之間的界面,因此,第二次鋪裝的防銹層和粘結(jié)層方案是比較成功的技術(shù),滿足鋼橋面鋪裝的技術(shù)要求。雖然大面積施工由于主客觀原因,鋪裝層出現(xiàn)了較多的病害,但試驗段也不失為一較成功的方案,不過,還存在油石比過大、結(jié)構(gòu)偏柔、集料形狀差等缺點,有待進一步改進。同時,試驗段還進行了其它技術(shù)措施的嘗試,例如,在鋼板頂面平焊抗剪鋼筋,雙層鋪裝層間設(shè)鋼絲網(wǎng)加強等,這些措施使用效果的調(diào)查表明,與未采取這些措施的鋪裝段相比,沒有明顯的差別。因此,這些措施也有待深入試驗和研究。3主要關(guān)鍵技術(shù)從廣東肇慶馬房北江大橋前后兩次鋼