军山长江大桥ERE试验段研究总结报告京港澳高速武汉军山长江大桥 ERE冷拌环氧树脂钢桥面铺装试验段 研 究 总 结 报 告 湖北京珠高速公路管理处 中南安全环境技术研究院有限公司 宁波天意钢桥面铺装技术有限公司 湖北省交通规划设计院 2016年7月 目 录 1 项目背景及试验段方案论证1 1.1 军山长江大桥概况1 1.2 养护现状及病害发展情况2 1.3 国内外钢箱梁、桥面铺装研究应用现状7 1.4 钢桥面铺装维修试验段方案论证12 2 军山长江公路大桥交通量与车辆轴载观测分析15 2.1 历年交通量统计分析15 2.2 车型分布与轴载分析16 2.3 小结19 3 ERE冷拌树脂铺装体系路用性能综合对比分析20 3.1 RA树脂沥青混凝土简介20 3.2 RA树脂沥青混凝土与SMA路面路用性能对比20 3.3 界面粘结性能对比23 3.4 模量对比研究25 4 钢桥面铺装力学响应研究32 4.1 钢桥面铺装结构计算参数与力学分析模型32 4.2 路面结构应力对比分析35 4.3 钢箱梁应力对比分析36 5 冷拌环氧树脂ERE铺装试验段设计与施工44 5.1 试验段路段特点44 5.2 试验段铺装方案设计44 5.3 施工工艺与质量控制要求48 6 ERE试验段应力监测与运行现状后评估58 6.1 ERE桥面铺装结构应力实测对比分析58 6.2 运行现状及后评估67 6.3 小结68 7 研究结论与建议69 7.1 研究结论69 7.2 建议70 京港澳高速公路武汉军山长江公路大桥 冷拌环氧树脂钢桥面铺装试验段研究总结报告 1 项目背景及试验段方案论证 1.1 军山长江大桥概况 1.1.1 地理位置与气候特点 武汉军山长江公路大桥位于武汉关上游 28公里处，北岸蔡甸区军山镇，南岸江夏区金口乡，大桥于1998年12月开工建设，2001年12月建成通车，是国家干线公路网中“一纵一横”两条高速公路主干道—京港澳高速公路（G4）和沪渝高速公路（G50）共用的跨越长江的一座特大型高速公路桥梁，是接南纳北、承东启西的重要枢纽，同时也是国家重要的交通战备工程之一。 军山长江大桥所处湖北省武汉市位于长江中下游平原，江汉平原东部，是国家区域中心城市（华中）、副省级市和湖北省省会。武汉市属北亚热带季风性（湿润）气候，具有常年雨量丰沛、热量充足、雨热同季、光热同季、冬冷夏热、四季分明等特点。年平均气温15.8℃ -17.5℃，极端最高气温41.3℃（1934年8月10日），极端最低气温为-18.1℃（1977年1月30日），年降水量l150毫米~1450毫米；降雨集中在每年6月-8月，约占全年降雨量的40％左右。 1.1.2 桥梁原设计概况 （1）主桥及钢箱梁设计情况 军山长江大桥主桥为五跨（48+204+460+204+48=964m）连续双塔双索面半漂浮体系钢箱梁斜拉桥。桥面纵坡为3%，横坡为2%。（全桥断面图见下图） 图1.1.2-1 武汉军山长江大桥断面图 大桥钢箱梁，截面为全焊流线型扁平箱，单箱三室结构，桥面板为正交异性板，净宽33.5m，总宽38.8m，顶板厚12mm，U肋厚6mm，横隔板厚8mm，标准间距为3m，部分受力集中段进行了加强设计。（钢箱梁横断面图见下图）。 图1.1.2-2军山大桥钢箱梁横断面图 军山长江大桥原设计时速120km/h，双向六车道，设计日均通行车流量15000~20000车次。 （2）桥面设计情况 军山长江大桥主桥钢箱梁桥面原设计面层采用7.5cm双层改性沥青SMA，面层与钢箱梁粘结采用溶剂型防水粘结剂，原路面结构如下： 表1.1.2-1 原设计桥面铺装结构 上面层3.5cmSMA-13 下面层4cmSMA-10 防水粘结层溶剂型防水粘结剂+2.36~4.75mm预拌碎石 图1.1.2-3原设计桥面铺装结构图 1.2 养护现状及病害发展情况 1.2.1 钢桥面铺装养护现状及病害发展 由于军山桥2001 年建成通车后，交通量迅速增长，运营3 年后（2003年）桥面即出现了较大面积推移、车辙、坑槽、开裂等病害，2003~2004年京珠高速公路管理处采用原设计方案对钢桥面多次组织中修，维修面积共计约15000m2，2005年维修约10000 m2。 2010 年在总结前期养护经验的基础上，采用“橡胶环氧砂浆+双层SMA”铺装结构方案（以下简称ESS），对全桥铺装进行大修，更换铺装层面积约29000 m2。 表1.2.1-1 2010年军山桥大修铺装结构 上面层4.0cm SMA-13（高弹改性沥青） 下面层 缓冲层3.0cm SMA-10（高弹改性沥青） 应力吸收层 粘接层GF-2防水粘接层 过渡层5 mm橡胶改性环氧砂浆过渡层+5~8mm单级配碎石 粘接层GF-1防水粘接层 图1.2.1-1 钢桥面大修铺装方案图 从2010年大修后桥面铺装养护情况来看，目前的方案实际使用效果较好，大修方案相对原设计方案较成功主要有几方面原因： ①采用环氧沥青代替原设计溶剂型粘结剂，较好解决了与钢板粘结问题，提高高温条件下防水粘结层与钢板的粘结抗剪强度。 ②设置橡胶环氧砂浆过渡层，较好解决了桥面铺装与钢板粘结，对于保持桥面铺装与钢板的连续受力、变形有较好效果。 ③SMA采用高弹改性沥青，具有相对更好的路用性能及抗疲劳性能。 但随着军山桥重载交通量的持续增加，近年来桥面铺装不可避免的出现了越来越多的车辙、推移、坑槽病害。 图1.2.1-2 现有桥面铺装病害（车辙、坑槽等） 上述病害产生的主要原因有以下几点： ①军山大桥是我国建造比较早的一座钢箱梁桥，钢板较薄，只有12mm。是京港澳高速和沪渝高速公用的一座长江公路桥梁，日交通量很大，且其中50%以上为重型车。在这种超负荷的交通荷载作用下，桥面板更容易产生较大变形。桥面沥青铺装层随着钢桥面产生这种大幅度的反复弯曲变形，更容易产生疲劳开裂。 ②长时间的重载作用，局部路段环氧砂浆过渡层可能存在脆裂与脱层的问题，导致钢桥面与铺装层之间受力、变形不连续，沥青层很容易在反复的重载车辆作用下发生层间剪切破坏，从而出现脱落、坑槽。 ③大桥主桥桥面有3%的纵坡，重载车辆在上坡过程中车速降低，轮胎与沥青面层作用时间增加，根据沥青混合料的“时温等效”原理，作用时间的增加更容易加剧沥青面层的剪切破坏，从而产生车辙。 ④钢桥面模量与沥青混凝土模量相差很大，沥青混凝土及其层间防水粘结层承受较大的拉应力和剪应力，其更容易发生层间剪切破坏。 ⑤钢桥面对温度的导热性好，夏季钢箱梁温度可能高达60~70℃，虽然采用高弹改性沥青SMA，但是受沥青材料自身性质影响，高温条件下，混合料各项性能迅速衰减，更容易产生剪切变形（车辙、推移）。 1.2.2 钢箱梁养护现状及病害发展 军山大桥2006年首次在定期检查中发现钢箱梁裂缝病害，裂缝数量为3条，均为U肋与顶板焊缝。 2007年钢箱梁裂缝病害数量为450条（于当年完成维修处治）。 2010年钢箱梁裂缝病害数量新增1894条（于当年完成维修处治）。 2013年钢箱梁裂缝数量新增583条，2014年12月，钢箱梁裂缝病害增至2682条。 2015年3月，在复核检查中发现箱梁内电缆托架钢板与U肋焊接处存在裂缝共计1561条。经最终复核确认，钢箱梁裂缝病害共计5324条（见下表）。 表1.2.2-1 2015年钢箱梁裂缝数量分类统计表 序号病害类型数量（单位条）长度（单位mm） 1U肋裂缝1517317255 2横隔板裂缝1602132209 3U肋与面板角缝633159044 4纵隔板与面板角缝2245 5面板裂缝91010 6托架U肋焊接处裂缝1561 合计5324 图1.2.2-1钢箱梁横隔板、U肋裂缝 根据2014年定期检测及2015年钢箱梁裂缝统计情况，钢箱梁裂缝病害规律有如下特点： 1）裂缝主要类型及比例 各类型裂缝所占比例如下图。 图1.2.2-2钢箱梁各类型裂缝所占比例 根据调查统计情况，钢箱梁裂缝病害中横隔板裂缝、U肋裂缝（绝大部分发源于U肋与横隔板交界处）、托架U肋焊接处裂缝比例各占约30%，U肋与面板角缝（构件连接处裂缝）占比约10%。 2）裂缝在钢箱梁中的横向分布 由于照明电缆托架与U肋焊接处裂缝的位置相对固定，重点分析横隔板裂缝、U肋裂缝（绝大部分发源于U肋与横隔板交界处）、U肋与面板角缝（构件连接处裂缝）三类裂缝在钢箱梁的横向分布情况，如下图。 图1.2.2-3 钢箱梁各类裂缝的横向分布情况 裂缝病害的横向分布主要呈现以下特征： 一是裂缝病害主要集中在重车行驶的行1、行2车道上； 二是裂缝主要集中分布在车辆行驶轮迹带对应的U肋及横隔板上，特别是第15号、42号U肋附近最为密集（行2车道范围内）。 钢桥面铺装以及钢板开裂之所以频繁发生的主要原因有： ①军山桥的钢箱梁同我国其它早期建设的钢箱梁一样，其顶板厚度为12mm，U肋厚度6mm，横隔板厚度8mm，偏薄。现有重载交通的流量和轴重超过了设计能力，较薄的钢板在重载反复作用下出现早期的疲劳断裂。 ②高温重载下SMA铺装模量较小、不仅自身容易出现车辙推移病害，而且对分担钢板疲劳应力的贡献较少，钢板承担的疲劳应力幅过大。 近年来，对钢箱梁裂缝的维修一直是军山桥养护的重点，维修方案为裂缝尖端部位打止裂孔及对裂缝采用CO2保护工艺焊接，从目前状况来看，维修方案效果一般。 1.3 国内外钢箱梁、桥面铺装研究应用现状 1.3.1 钢桥面铺装研究应用现状 目前，在国外钢桥面铺装工程中应用比较广泛、且成熟的材料主要有改性沥青SMA、浇筑式沥青混凝土、环氧沥青混凝土。 国内对钢桥面铺装技术研究起步较晚，早期设计的钢桥面铺装以双层改性沥青SMA路面为主。国内于2000年左右引进了浇注式、环氧沥青钢桥面铺装等钢桥面铺装技术，并在后续新建桥梁中获得了大规模的推广；随着国内对钢桥面铺装技术研究的不断深入，从铺装层材料及结构入手，国内也先后自主开发了国产环氧沥青钢桥面铺装技术。截止目前主要形成了以环氧沥青、复合浇注式和双层改性沥青SMA为主体的主流铺装体系。 表1.3.1-1 钢桥面主流铺装方案 钢 桥 面 主 流 铺 装 方 案 双层SMA沥青砼高粘度改性沥青SMA 高弹性改性沥青SMA 环氧树脂粘结体系 浇筑式沥青砼英国浇筑式沥青混凝土 德国浇筑式沥青混凝土 日本浇筑式沥青混凝土 环氧沥青砼美国环氧沥青混凝土 日本环氧沥青混凝土 国产环氧沥青混凝土 （1）双层改性沥青SMA铺装体系 国内2000年以前设计建造的大跨钢桥，桥面铺装大多设计采用双层改性沥青SMA，具有代表性的桥梁有厦门海沧跨海大桥、宜昌长江公路大桥、武汉军山长江大桥、武汉白沙洲长江大桥、上海卢浦大桥等。 该铺装体系由于SMA施工技术成熟，质量可控，早期桥梁中被广泛采用；但是由于铺装层与钢板间粘结较差，SMA自身密水性及抗变形能力不足，许多桥梁通车后两三年内铺装层就出现了严重的推移、裂缝、坑槽病害。 后续应用时对铺装体系进行了部分改良，以军山桥为代表的部分项目通过采用环氧沥青粘结剂、设置橡胶环氧砂浆过渡层的方式较好解决了桥面钢板防水及铺装层与钢板的粘结问题，但是在高温、重载作用下SMA铺装自身热稳性及疲劳性能不足，制约了该铺装体系的进一步应用。 2005年以后新建的重载、大跨钢桥中几乎没有在采用此铺装体系。 （2）浇筑式铺装体系 国内于2000年左右引进以德国、日本为代表的高温拌和浇注式沥青混合料（Guss asphalt）及以英国为代表的沥青玛蹄脂混合料（Mastic asphalt）浇筑式钢桥面铺装体系。具有代表性的桥梁有江阴长江大桥、安徽安庆长江大桥、重庆朝天门长江大桥、南京长江四桥、泰州长江大桥、马鞍山长江大桥等。 浇筑式铺装体系主要优点是：混合料空隙率接近零，具有优良的防水、抗老化性能，无需设置防水层；抗裂性能强，对钢板的追从性较好。 其主要缺点是：高温稳定性差，易形成车辙；且施工需要专用设备，包括专用摊铺机和高温拌和运输cooker车，施工组织较为复杂；施工时混合料的温度达到220~240℃以上，对桥梁的影响不容忽视。浇注式钢桥面铺装技术适用于夏季温度不太高的国家和地区，如德国、英国、北欧等一些国家，浇注式钢桥面铺装技术在日本的应用也较为广泛。 图1.3.1-1 浇筑式沥青混凝土施工 近年来，为了改善早期浇筑式沥青混凝土高温稳定性不足的问题，逐步发展形成SMA+GA、EA+GA的复合浇筑式铺装体系。 （3）环氧沥青铺装体系 环氧沥青由环氧树脂和沥青成分组成，属于热固性材料。由于其优良的物理力学性能，在国内外钢桥面铺装中得到了广泛的应用。国内应用具有代表性的桥梁有：南京长江二桥、三桥、润扬长江大桥、阳逻长江大桥、杭州湾跨海大桥、天兴洲长江大桥、鄂东长江大桥、西堠门跨海大桥等。 环氧沥青混合料铺装层主要优点是：铺装强度高、整体性好、高温时抗流塑和永久变形能力很强，低温抗裂性能好；具有很好的抗疲劳性能；具有较好的抵抗化学物质侵蚀的能力。 主要缺点是：环氧沥青价格较高，配制工艺比较复杂，环氧沥青铺装工后表面光滑，宏观构造深度小，雨天行车安全性相对较差，此外，环氧沥青混凝土病害修复较困难。 目前，国内常采用环氧沥青混合料有：以美国Chemco system公司、日本TAF为代表的进口环氧沥青和以东南大学、宁波天意公司为代表的国产环氧沥青。其中美国、日本、东南大学环氧采用中高温固化剂，环氧沥青混合料的拌和、摊铺和碾压需要保持较高的温度（美国、东南大学环氧沥青为110℃~120℃，日本TAF环氧沥青为170℃~180℃）。 首先，铺装层施工过程中热固性环氧沥青粘结剂喷洒再钢板上后无法固化，上层混合料摊铺时减少防止运料车的车轮粘连对防水粘结层的破坏，必须要采用专用设备分幅施工，但是此工艺仍然无法彻底避免混合料摊铺机履带在行走过程中对防水粘结层的损伤，并且后期分幅施工交界处容易产生纵向裂缝。 其次，同样由于钢板防水粘结剂常温无法固化，上层混合料铺装完成后，防水粘结剂与混合料融会为一体，无法形成独立的防水粘结层状体系。当铺装层产生开裂时由于独立的防水层或防水粘结层存在缺陷，路表水分更容易深入钢板表面，导致钢板锈蚀与铺装层脱空。 再次，采用中高温环氧固化剂的环氧沥青混合料，铺装完成后需要30~45天的养护时间来完成化学反应，开放交通速度慢。 图1.3.1-2中高温环氧沥青分幅施工与后期裂缝 宁波天意公司环氧沥青采用常温固化剂，环氧沥青铺装在常温下施工和固化，3天左右可达规定强度，较快恢复交通，并且能够形成独立防水粘结层，减少后期钢板锈蚀几率。 1.3.2 大跨径桥梁钢箱梁设计发展现状 上世纪80年代钢箱梁桥梁技术进入我国，2000年左右钢箱梁在桥梁建设中的应用，特别是大跨径斜拉桥/悬索桥中的应用获得了快速发展，国内先后设计建造了以西陵长江大桥为代表的大跨径钢箱梁悬索桥和以军山长江大桥等为代表的斜拉桥。 通过查阅相关研究文献，国内许多早期设计建造的大跨径钢箱梁已经出现了钢板疲劳裂缝问题，疲劳裂缝的程度与桥梁交通量、重载率以及钢箱梁的设计参数有直接关系。目前疲劳裂缝产生原因、加固维修措施等已经成为钢箱梁设计、研究领域的热点和前沿。随着近年来研究、应用的不断深入，国内大跨径钢箱梁桥设计建造呈现出以下趋势。 1）钢箱梁顶板厚度逐渐增加。 2001年建成通车的军山桥钢箱梁顶板厚度大部分为12mm，由于顶板厚度对钢箱梁整体刚度影响很大，增加顶板厚度能显著减少其他构造细节的应力幅，减少钢板疲劳开裂风险，近年来新设计建造的类似大跨径钢箱梁顶板厚度由12mm逐步增加为18mm。 2）U肋厚度逐渐增加。 军山桥U肋厚6mm。 U肋厚度对减小U肋与顶板焊缝处应力效果较显著，国内类似钢箱梁U肋厚度由6mm增加为8mm。 3）横隔板厚度增加。 军山桥横隔板厚度8mm。横隔板对抵抗箱梁扭转和畸变作用很大，其厚度对减小横隔板处应力影响非常显著，国内类似钢箱梁横隔板厚度由8mm逐渐增加为16mm。 4）横隔板间距缩短。 军山桥横隔板间距3m。横隔板间距对横隔板处应力和U肋应力影响显著，但减小横隔板间距，桥梁恒载增加显著。国内类似钢箱梁桥横隔板间距有3~4m逐渐减小为2.5m。 表1.3.2-1 国内大跨径桥梁钢箱梁设计发展趋势 桥梁名称通车时间顶板厚度mmU肋厚度mm横隔板 厚度mm间距m 西陵长江大桥199612682.54 虎门大桥199712684 宜昌长江大桥200112684 军山长江大桥200112683 南京长江三桥2005148103.75 阳逻长江大桥200714683.2 珠江黄埔大桥2008168103 苏通长江大桥2008148104 杭州湾跨海大桥2008148103.75 荆岳长江大桥2010168123 鄂东长江大桥2010168123 泰州长江大桥2012168103.2 马鞍山长江大桥2014148123.2 港珠澳大桥在建188162.5 国内大跨径钢箱梁桥设计建造发展趋势表明，从现在研究的角度来看，军山桥钢箱梁钢板设计相对较薄，随着沿线经济社会的发展，重载交通流量的持续增大，其钢板疲劳开裂将越来越严重，需要采取措施对其进行加固补强。 1.4 钢桥面铺装维修试验段方案论证 1.4.1 试验段方案的选取原则 本项目桥面铺装试验段选择何种铺装体系需要根据项目使用特点、区位气候条件、交通条件综合决定。 （1）防水粘结层应具有足够的粘结抗剪强度及可变形性能 荷载作用下，桥面铺装层与桥面板要共同承受行车荷载作用而变形；夏季高温及冬季低温条件下，铺装结构层以及桥面板也会产生不同的伸缩变形，这使得各结构层界面粘结处（包括钢桥面板）会产生一定的弯拉应力和剪切应力，导致层间界面拉裂或者剪切破坏。因此，要求防水粘结层能够保证铺装层与桥面板之间具有良好的粘结强度，并在荷载以及水的作用下，性能不发生衰变或衰变幅度很小。 同时，由于荷载作用下，防水粘结层与桥面钢板顶面的受力是连续的，产生的微变形也是基本一致的；因此，为了保证铺装层不发生脱层/滑移破坏，要求防水粘结层自身的可变形性能应该超过钢板的材料变形能力。 （2）桥面铺装层应具有良好的追随变形能力及抗疲劳开裂性能 目前，开裂是钢桥面铺装最为常见的病害之一，在交通荷载作用下，桥面铺装层要随同桥面板变形而产生反复的挠曲变形，特别是在U肋和横隔板顶部对应的铺装表面，将产生反复弯曲应力（应变）而发生疲劳开裂。军山桥交通量大、重载车多，钢箱梁桥面铺装顶部产生的负弯距区拉应变较大，对桥面铺装抗极限变形能力及疲劳变形能力提出了苛刻要求。因此，要重点考虑铺装层具有的较好随从变形能力和疲劳抗裂性能。 （3）铺装层要具有良好的抗重载能力 军山桥现有铺装方案相比原设计已经较好的解决了沥青铺装层与钢板的粘结问题，目前存在的病害主要是车辙、推移等热稳性病害，是SMA沥青铺装层高温重载条件下，抗车辙、抗变形能力不足导致的。因此，在试验段方案选择时应针对性强调铺装层自身具有良好的抗高温、重载能力。 （4）铺装层应能更多分担钢箱梁钢板疲劳应力 随着交通量的持续增加，根据近年来养护维修情况统计，军山桥钢箱梁钢板开裂问题日益突出，并有进一步发展的趋势，严重威胁桥梁的结构安全。 依据同一受力体系，内力按刚度分配的力学分析基本原理，铺装层刚度越大，荷载作用下受力越大，相应对钢箱梁钢板疲劳应力的分担越多。而且钢板开裂原因的初步分析认为，导致钢板裂缝出现的原因之一是，高温重载下SMA铺装模量很小，钢板承担的疲劳应力幅过大。 因此，本项目选择试验段方案时，不仅应考虑铺装层自身路用性能及对钢桥面变形的适应能力，更应该要求铺装层具有较高的刚度，力求在不改变桥面标高、不增加桥梁恒载的条件下，改善钢箱梁受力状态，延缓裂缝的进一步发生发展。 （5）施工方便对交通影响小 考虑到军山桥地理位置重要，交通量大，试验段应选择施工工艺成熟简单，质量安全可控，对交通影响较小的方案。 1.4.2 钢桥面铺装维修试验段方案的提出 根据对国内外钢桥面铺装应用现状的研究，前述三种主流铺装体系中双层SMA铺装体系已经基本不用。 浇筑式沥青混凝土高温稳定性差，面对军山桥24000辆/每天、超过50%以上的重载交通量及武汉地区夏季长时间高温气候条件，后期使用过程中容易产生严重车辙问题；而且该方案需要专用施工设备，施工组织较为复杂，施工时混合料的温度达到220~240℃以上，对桥梁结构存在不良影响，同时，由于浇筑式沥青混合料模量较低，也无法对军山桥钢箱梁起到补强作用。 环氧沥青混凝土铺装强度高、整体性好、高温抗永久变形能力很强，低温抗裂性能好；具有很好的抗疲劳性能，并且由于环氧铺装刚度较大，能在一定程度上改善钢箱梁受力状态。同时，由于军山桥交通运输繁忙，养护维修时无法长时间封闭交通或者占道施工，因此中高温环氧固化体系不适用。 最后，综合考虑各种桥面铺装路用性能、施工工艺及对本项目的适应性，提出采用冷拌环氧树脂混凝土铺装技术作为军山桥钢桥面维修试验段方案（下文简称ERE方案）。 其典型结构是EBCL＋RA08＋RA13+EBCL，其中底层EBCL作为防水抗滑粘结层；RA08作为铺装整体化层、刚度过渡层、隔温层；顶层EBCL作为表面功能层具体方案为： 表1.4.2-1 军山桥钢桥面铺装维修试验段方案 表面抗滑层EBCL树脂沥青抗滑罩面层 上面层4cm厚RA13树脂沥青混凝土 粘结层RA树脂沥青粘结层 下面层3cm厚RA08树脂沥青混凝土 粘结层RA树脂沥青粘结层 防水粘结层 过渡层EBCL胶料、其上撒布3~5mm粒径碎石 2 军山长江公路大桥交通量与车辆轴载观测分析 为全面、实时掌握军山大桥运营状态的变化，科学地评定大桥运营期的整体性能和安全性，保证结构在设计服务期内安全耐久地运营，2011年京珠管理处建立了军山桥智能健康监测系统，并利用该系统对军山桥交通量、车辆类型、轴重、车重等信息进行跟踪监测。本报告将依据上述健康监测系统数据并结合管理处历年交通统计，分析军山桥交通量及组成特点，为后续有限元计算分析提供基础数据。 2.1 历年交通量统计分析 根据管理处交通量统计，军山桥2005~2014年交通量情况如下： 表2.1-1 2005-2014年军山大桥历年日均车流量汇总表 年份日均车流量（辆）较上年同期增幅（%）货车日均车流量（辆）货车占比 2005年11,875 2006年12,8638.32%8,61166.94% 2007年13,7126.60%9,42568.74% 2008年12,136-11.49%8,29768.37% 2009年18,04448.69%12,59669.81% 2010年14,912-17.36%9,32662.54% 2011年14,081-5.57%7,89856.09% 2012年14,3281.75%7,58652.95% 2013年17,91425.03%10,61059.23% 2014年23,96133.76%13,45756.16% 注：2008年开始对京港澳高速武汉段进行加铺罩面，2010年对全桥进行铺装层大修，部分车辆分流，交通量增长率有所降低。 图2.1-1 2005~2014年日均交通量统计 从上述结果看出，2005年以来除个别年份由于路段施工造成车辆分流影响，军山长江大桥交通量保持稳定增长趋势，特别是近两年日交通量快速增长。其中2013、2014年年增速均超过25%，2014年日均交通量23961次/天，所有年份日均交通量中货车占比均超过50%。从2014年起实际交通量已经大大超过了原设计日均交通量15000-20000次/天。 2.2 车型分布与轴载分析 依据桥梁健康监测系统，对军山长江大桥2011年9月~2014年8月近3年的连续车辆监测数据进行统计分析。首先对全桥交通流量的车型分布规律进行了整体统计，分别统计各种车型车辆总数及其占总交通流量的比例。 2.2.1 车型分析 图2.2.1-1 武汉军山长江大桥总体车型分布统计图 由上图可见，从全局看总体交通流量中，F型车（两轴小客车）的比例最大，达到43%；载货车辆（包括A、B、C、D、E型车即两轴、三轴、四轴、五轴和六轴车）合计占总交通流量的53.8%，半数以上的交通流量由货运车辆构成，并且E型车（六轴及以上大货车）比例最大，达到总交通量的27.2%；D型车（五轴）占比1.8%。重型车辆比例高，是军山桥交通流构成的显著特征。 值得注意的是，军山桥原设计车辆荷载及钢箱梁疲劳验算荷载为汽车-超20，即公路-I级。其主要技术指标为五轴车（后轴为双联轴），而军山桥实际重载货车以六轴车（后轴为三联轴）为主（27.2%），五轴车仅占1.8%。 a五轴车（后轴为双联轴） b六轴车（后轴为三联轴） 图2.2.1-2规范车型与军山桥典型车型 由于钢箱梁横隔板间距为3m，多联轴的轴间距为1.4m，多联轴在横隔板之间的叠加效应，导致六轴车后三轴的作用位置与荷载分布与五轴车后两联轴有较大差别，会导致后期钢箱梁的疲劳行为与原设计产生较大差别；这也可能是虽然军山桥自2014年起交通量才超过原设计，但是从2007年起钢箱梁裂缝就快速增加的原因之一。 2.2.2 车重分析 实际研究分析中，采用实测数据统计比例，以充分考虑重载车辆对桥梁的不利影响。 图2.2.2-1车辆总重分布区间柱状图 由上图可见，在不区分车型的情况下，全体车重样本整体呈现双峰分布特征：总重小于20kN的小型轻载车辆在总体交通量中所占比例最大，为41.2%；200kN以上的重载车辆，合计占据总交通流量的33.2%，其中车重500kN以上的重载车辆占比超过15%，此结果与前述车型构成比例中重载车辆比例高，≥6轴大货车占载货车数量比例最大的结论吻合。 2.2.3 轴重分析 （1）各轴重分布情况 按照不同的车辆轴重区间统计车轴数量分布，分析各轴重区间车轴占总轴数的比例如下。 图2.2.3-1车辆轴重区间频数柱状图 由上图可见，轴重超限（≥140kN）的车轴占总轴数的1.3%，虽然占总轴数比例不大，但是由于军山桥交通量大，其绝对数量很大，而重载货车是造成桥面铺装层破坏、钢箱梁产生疲劳损伤、开裂的主要因素。 （2）轴重超限车辆车型 同时，对轴重超限车的车型进行了统计分析，获得了轴重超限车辆的车型数量分布比例情况。 图2.2.3-2 轴重超限车车型分布图 由上图可见，轴重超限车辆中E型车（≥6轴大货车）数量占据了绝大多数，其比例达到轴重超限车总数量的70.7%；其次为C型车（4轴大货车），占总数的10.7%；再次为B型车（3轴大货车），占总数的8.4%；其余车型超限车比例均不超过样本总数的5%。 （3）大型货车轴重超限率 图2.2.3-3 五轴车轴重超载分布图 图2.2.3-4 六轴车轴重超载分布图 由上图，通常五轴轴重超限在30%以内，且数量非常少，六轴车轴重超载在30%以内，即单轴轴重通常小于180kN。 2.3 小结 交通量、车辆轴载观测与交通流空间分布观测分析表明： ①近年来，军山桥交通量呈快速增长趋势，2014年日均交通量约24000辆，远远超过原设计交通量。 ②全部交通量汇总货车占比超过50%，且以六轴重载货车为主占比27.2%，五轴车仅占1.8%，实际重载交通车型与原设计有较大差别。 ③货车总重≥500kN车辆占全部交通量的15%以上，轴重超限（≥140kN）的车轴占总轴数的1.3%（主要为六轴车），虽然占总轴数比例不大，但是由于军山桥交通量大，其绝对数量很大，是造成桥面铺装层破坏、钢箱梁产生疲劳损伤、开裂的主要因素。 3 ERE冷拌树脂铺装体系路用性能综合对比分析 为了研究用ERE试验段方案逐步替代SMA进行军山桥的铺装维修究竟会获得怎样的效果，需要对不同的铺装方式以及材料特性进行对比分析。本章将从混合料路用性能（马歇尔、车辙、低温弯曲、动/静态模量等）、界面粘结抗剪强度等多角度对比研究钢桥面铺装各结构层材料性能。 表3-1 三种对比铺装层路面结构与材料 结构层位原设计现有路面试验段方案 上面层3.5cmSMA-134.0cm SMA-13 （高弹改性沥青）4cmRA13 树脂沥青混凝土 粘结层改性乳化沥青改性乳化沥青树脂沥青粘结剂 下面层4cmSMA-103.0cm SMA-10 （高弹改性沥青）+橡胶沥青应力吸收层3cmRA08 树脂沥青混凝土 粘结层—GF-2防水粘接剂 （溶剂型）树脂沥青粘结剂 过渡层溶剂型防水粘结剂+预拌碎石5 mm橡胶改性环氧砂浆过渡层+碎石5 mm环氧沥青EBCL胶料+ 3~5mm粒径碎石 防水粘 结层溶剂型防水粘结剂GF-1防水粘接层 （环氧沥青类） 3.1 RA树脂沥青混凝土简介 采用环氧树脂沥青作为钢桥面铺装层混合料胶结料及界面粘结材料，是ERE试验段方案与SMA铺装方案之间的主要/关键区别。SMA混合料胶结料是改性石油沥青，ERE铺装是环氧树脂沥青。 与常规热固性环氧沥青铺装相比，ERE铺装体系下的树脂沥青采用常温固化剂，胶结料可以在常温条件下发生交联固化反应，因而树脂沥青及混合料可以在常温条件下进行拌合及摊铺碾压施工。 树脂沥青分为A和B两个组分。A组分主要由环氧树脂和石油沥青混合构成，B组分主要是沥青和固化剂组成的混合物。将A和B两组分混合后，环氧树脂中的环氧基与固化剂中的胺基连同沥青中的多环混合芳烃等物质一起发生复杂的交联固化反应，生成均匀相的树脂沥青胶结料。树脂沥青中的长链大分子由稳定的化学键连接，其固化物不同于石油沥青，是不可再熔融的固体材料。不仅自身强度和粘结能力比改性沥青大幅提高，而且从根本上改变了石油沥青随温度提高自身迅速变软的特性。同时树脂沥青因为有石油沥青等柔性材料的加入而具有一定的可变形特性，可以满足钢桥面铺装追随钢箱梁变形的使用需要。 3.2 RA树脂沥青混凝土与SMA路面路用性能对比 3.2.1 马歇尔稳定度对比 马歇尔稳定度是目前沥青混合料设计及质量控制最重要的指标，能够最直接的反映混合料的物理力学性能。采用相同条件下的马歇尔试验可评价树脂沥青混凝土与SMA沥青混凝土的力学性能。 目前规范对马歇尔试验的最高温度要求为60℃，但是考虑到武汉地区夏季高温条件下，桥面铺装表面温度可能超过60℃，因此，将对比试验温度设定为70℃。 表3.2.1-1 RA与SMA混合料的马歇尔稳定度和流值的对比 项目RA混合料SMA混合料 马歇尔稳定度 kN（ 70℃）566.0 流值 0.1mm3128 上述结果可以看出： 在70℃的试验温度下，RA混合料马歇尔稳定度56 kN是SMA混合料的9倍以上，其力学性能显著优于传统SMA混凝土，为钢桥面铺装抵抗重载车轮荷载，不产生车辙病害提供了最基本的力学性能保证。同时，RA混合料的流值（混合料受力下的最大可变形值）与常规的沥青混合料基本一致，这一可变形特性保证了ERE铺装具有追随钢箱梁自由伸缩和弯曲变形的能力。 图3.2.1-1 压力、时间变形曲线 根据马歇尔试验受力与变形曲线图，曲线下的面积代表混合料的内聚能量，对比的图形表明，RA的内聚能比SMA混合料大几十倍，即ERE铺装在车辆荷载作用下产生破坏时所需要的能量比SMA大几十倍，对于重载交通量巨大的军山桥来说，这一特性十分重要。 3.2.2 水稳定性及耐腐蚀性能对比 对于沥青混合料而言通常用残留稳定度及冻融劈裂试验结果评价其抗水损坏的能力，而混合料内部的空隙特征对其水稳定性有较大影响，当空隙率较大、内部联通空隙较多时，混合料更容易在水的冻融循环作用下发生膨胀变形损坏。 （1）RA、SMA混合料空隙率对比 沥青混合料在体积参数设计时必须要考虑保持一定的空隙率，以便在高温时能容纳多余的自由沥青，即混合料需要防止出现饱和状态而导致混合料高温泛油和变软，规范对于SMA混合料的设计空隙率要求3~4.5%。 RA混合料因采用树脂沥青作为拌合用胶结料，树脂沥青固化后是有一定强度和变形能力的固体材料，不再是沥青类的粘稠液体，不会因升高温度重新回到熔融状态。因此，树脂沥青的这一特性使得RA混合料的空隙率可以设计的非常小，通常只有1%。RA混合料空隙率的降低使得水分渗入桥面内部的几率大大减少，铺装体系发生水损坏的几率大大降低。 （2）水稳定性及耐腐蚀性能 RA、SMA混合料残留稳定度、冻融劈裂强度比试验结果如下。 表3.2.2-1 残留稳定度、冻融劈裂试验强度比试验结果 项目SMA混合料RA混合料试验方法 残留稳定度81%94.8%T0709-2011 冻融劈裂试验强度比87%102.5%T0729-2000 试验结果表明，RA混合料的残留稳定度、冻融劈裂试验强度比都显著优于SMA混合料，在规范规定试验条件下，RA混合料的性能几乎没有明显衰减。由于RA混合料空隙率很小，水分难以进入混合料内部，因此浸水和冻融循环对RA混合料性能的影响微弱。 同时，树脂沥青胶结料经交联固化反应后，不再是单纯的沥青材料。该树脂沥青难溶于柴油、硫酸、盐水等化学材料，因此，固化后的RA铺装层耐腐蚀性能优良。 而SMA混合料的胶结料仍然是沥青材料，该改性沥青可以被柴油、机油等溶剂充分溶解，因此SMA路面对化学污染的敏感性较高。同时，由于SMA混合料内部存在一定的空隙，在浸水状态时，在车轮压力作用下地表水可在混合料内部自由进出，加速沥青油膜、细集料的剥离。当冰冻时，混合料中的积水变成冰，体积膨胀，会对混合料骨架结构造成破坏，影响SMA混合料的综合性能。 3.2.3 高温抗车辙性能对比 车辙、推移是SMA钢桥面铺装体系最为常见、严重的病害类型。因此，优良的高温抗车辙性能对于评价军山桥钢桥面铺装维修方案的效果十分重要。军山桥桥面铺装原设计采用70℃动稳定度评价混合料的高温性能。 表3.2.3-1车辙动稳定度对比 项目RA树脂沥青混合料原设计 SMA混合料要求现有路面 SMA混合料要求备注（JTG D64-2015） 动稳定度 次/mm（70℃）≥20000≥3000≥500060℃，≥3000 高温状态下，沥青材料的粘度（劲度）随温度升高而降低，沥青混合料的各项力学性能衰减较大，抵抗车辆荷载的能力明显降低；而RA混合料采用的是树脂沥青，固化后沥青材料的高温流变特性显著降低，70℃高温的动稳定度高达≥20000次/mm，高温抗车辙能力是SMA混合料无法比拟的。 3.2.4 低温变形性能对比 规范采用-10℃小梁弯曲试验评价混合料的低温抗裂性能，试件尺寸长250mm，宽30mm，高35mm，跨径200mm。通过实测对比分析RA树脂沥青混合料与SMA混合料的低温抗裂能力。 表3.2.4-1低温弯曲试验结果 项目SMA混合料RA混合料JTG D64-2015 -10℃小梁低温弯曲破坏应变×10-633006100≥3000 RA树脂沥青胶结料的弹韧特性使得混合料在小梁低温弯曲时不容易发生断裂，其低温极限变形能力得以明显增加；试验结果表明，RA混合料极限应变值相比SMA混合料提高约一倍，能使钢桥面铺装体系具有更优良的低温抗裂能力。 3.3 界面粘结性能对比 3.3.1 各铺装体系界面粘结材料介绍 铺装层与钢板的粘结、抗剪强度及变形性能是军山桥桥面铺装维修方案成败的核心，也是保证铺装体系耐久性、提高桥面使用寿命的关键。 （1）原设计铺装界面粘结材料 根据原设计文件，钢板喷砂除锈后采用溶剂型粘结剂作为封闭层，防水粘结层由溶剂型粘结剂和撒布2.36~4.75mm的基质沥青预拌碎石共同组成。 （2）现有路面铺装界面粘结材料 根据2010年军山桥铺装大修设计文件，钢板喷砂除锈后涂刷环氧沥青防水粘结剂，并施工5 mm橡胶改性环氧砂浆过渡层、撒布5~8mm单级配碎石共同组成界面粘结层。其中，橡胶环氧砂浆过渡层，主要由环氧树脂、固化剂、多组分改性剂组成，水泥以及砂为填充料。 （3）ERE铺装体系的界面粘结材料 ERE铺装采用EBCL防水抗滑层作为铺装界面。EBCL涂层的粘结材料是树脂沥青（环氧树脂和沥青的化合物），其主要特点是既有环氧树脂对钢板的超强粘结能力又有沥青材料的变形特性，树脂沥青可以在常温下施工并快速固化。表面撒布3~5mm碎石与树脂沥青粘结牢固，共同形成一种防水、防腐、与钢板粘结牢固且表面粗糙抗滑的铺装界面结构，约束铺装层不发生推移滑动，也可防止应变集中造成铺装层开裂。 图3.3.1-1固化后的EBCL防水抗滑界面 3.3.2 界面粘结材料性能试验 结合收集到的相关设计文件指标及室内试验，对比分析军山桥不同铺装体系的界面粘结性能。 表3.3.2-1 各铺装体系界面主要性能对比 试验项目单位技术标准/实测值备注 （JTG D64-2015） ERE试验段EBCL界面原设计溶剂型防水粘结界面现有路面环氧砂浆界面 对钢板拉拔强度（25℃）MPa≥10/18≥1.2/1.2≥3.3/-≥7 对钢板拉拔强度（70℃）MPa≥3/3.4无要求/＜0.1≥3/-60℃拉拔强度≥1.75；抗剪强度≥0.3； 对钢板剪切强度（70℃）MPa≥1/3.2无要求/＜0.1/ 胶膜断裂伸长率（25℃）%≥20/37// 胶膜拉伸断裂强度（25℃）MPa≥10/11.2// 抗压强度（25℃）MPa//≥20/- 抗折强度（25℃）MPa//≥4/- 柔韧性mm//≤2/- 从上表所列主要性能指标来看： ①由于各铺装体系界面粘结材料不同，相应的技术指标的选取也不同。 ②从“对钢板拉拔强度”这一共同指标来看，EBCL界面与橡胶环氧砂浆界面相比界面粘结性能略优，并相对原设计及设计规范大幅提高。 ③军山桥最初的双层SMA铺装界面采用溶剂型粘结剂，对钢板的粘结强度在高温状态下不足0.1MPa，不能满足军山桥夏季高温重载运行条件下的界面抗剪需要，这是初期的SMA铺装破坏的必然原因。在2010年军山桥路面大修时，防水粘结界面改变为环氧砂浆，其对钢板的高温粘结能力大幅提高，虽然铺装的主体仍然是双层SMA混合料，但使用效果已有较大改善。 3.4 模量对比研究 根据军山桥的实际养护运营情况，钢箱梁裂缝病害迅速发展原因的初步分析结果，除了由于桥梁建设时间较早，钢板厚度较薄的客观原因以外，沥青在高温重载时的软化使得SMA铺装层模量变小，铺装层结构对车轮荷载的分担很小，容易加剧钢板的疲劳损伤。 按照同一体系中，不同模量的组合结构的受力按结构刚度进行分配的力学原理；理论上，通过提高桥面铺装刚度，特别是夏季高温时的刚度，能够使铺装层承担更多的应力，降低钢板的疲劳应力幅，改善钢板受力作用。材料的刚度通常用弹性模量来衡量，本小节分析研究了动态模量、静态抗压回弹模量，并为后续有限元计算提供参数。 3.4.1 静态抗压回弹模量 目前，国内沥青路面设计基于弹性层状体系理论，路面结构设计参数采用静态抗压回弹模量，虽然与钢箱梁桥面受力体系及实际受力状态不同，但是能在一定程度上反映路面结构层的材料特性。 分别成型RA、SMA混凝土试件，采用T0713-2000规定的试验方法，测试不同温度条件下，两种路面材料的抗压回弹模量，结果见下表。 表3.4.1-1 RA、SMA混合料静态抗压回弹模量 55℃30℃15℃5℃ RA10回弹模量（MPa）1105184543777704 抗压强度（MPa）15.728.932.658.3 SMA13回弹模量（MPa）798116221384725 抗压强度（MPa）2.24.26.616.6 图3.4.1-1 RA和SMA静态抗压回弹模量、抗压强度对比图 根据抗压回弹模量试验计算公式， 式中： —相应于第5级荷载（0.5P）时的荷载压强； —时间轴心高度； —相应于第5级荷载（0.5P）时经原点修正后的回弹变形 P—试件抗压强度。 从试验结果可以看出： ①各种温度条件下，RA树脂沥青混合料静态回弹模量约为SMA的1.5倍；而抗压破坏强度高温时（30/55℃）约为SMA的6倍，低温时（15/5℃）约为SMA的4倍。 ②从抗压回弹模量计算公式表征的物理意义可以看出，RA树脂沥青混凝土在各种温度下，不仅具有很高的抗压破坏强度，而且具有良好的回弹变形能力，这对适应军山桥高温重载的铺装使用环境有重要的现实意义。 ③试验过程中55℃高温时SMA13混合料已经由弹性变形转入塑性变形阶段，混合料的回弹性质大为降低，而RA混合料仍处于弹性变形阶段；因此，高温时SMA的回弹模量仅可供研究参考。 3.4.2 动态模量 由于行驶的车辆对路面施加的是动态荷载，路面结构在动态荷载和静态荷载的力学性状具有较大差异，因此，路面设计时采用静态模量本身存在一定的缺陷。目前国内外越来越多的采用动态模量来表征路面材料在动荷载作用下的特性。 动态模量是在特定的加载方式与一定的加载频率下的动态响应，能反映动态荷载作用下路面的受力状态，因此，有关动态模量的研究对于路面结构设计具有非常重要的意义。我国在研的沥青路面新设计体系也将把动态模量作为基本材料设计参数。 （1）动态模量试验结果 参照规范T0738-2011单轴压缩动态模量试验，分别在5℃、25℃、55℃三种温度、0.1 Hz~25 Hz六个加载频率条件下测试RA、SMA两种路面铺装材料的动态模量，结果如下。 表3.4.2-1 SMA13混合料动态模量试验 频率 温度25 Hz10 Hz5 Hz1 Hz0.5 Hz0.1 Hz 5℃模量（MPa）2174319217.516881.512891.511252.57670.5 相位角（°）14.016.318.621.223.828.5 25℃模量（MPa）4198308924001213922.6483 相位角（°）31.2633.9435.236.6735.4733.18 55℃模量（MPa）534412.123279.574.652 相位角（°）40.1640.7539.4834.0232.1928.77 表3.4.2-1 RA10混合料动态模量试验 频率 温度25 Hz10 Hz5 Hz1 Hz0.5 Hz0.1 Hz 5℃模量（MPa）29132.527940.527237.525139.52405822293.5 相位角（°）2.03.33.95.15.77.6 相比SMA1.3倍1.5倍1.6倍2.0倍2.1倍2.9倍 25℃模量（MPa）2370720046.5174631282211046.57952 相位角（°）11.915.017.319.319.417.9 相比SMA5.6倍6.5倍7.3倍10.6倍12.0倍16.5倍 55℃模量（MPa）3972.53680.53286285927632452.5 相位角（°）14.79.411.58.37.511.1 相比SMA7.4倍8.9倍14.2倍36.0倍37.0倍47.2倍 *数据来源：委托江苏交科院的专项试验。 图3.4.2-1 5℃ RA10和SMA-13动态模量对比图 图3.4.2-2 25℃ RA10和SMA-13动态模量对比图 图3.4.2-3 55℃ RA10和SMA-13动态模量对比图 图3.4.2-4 温度变化对RA混合料的影响 图3.4.2-5 温度变化对SMA混合料的影响 ①RA树脂沥青混凝土、SMA沥青混凝土随着试验温度的升高或者加载频率的降低，动态回弹模量均呈下降趋势。 ②SMA对试验条件变化的敏感性非常高、模量衰减更快，55℃高温时动态模量仅约为常温的10%，低温时的1%。 ③5℃低温条件下，RA与SMA动态模量差距较小，分别是SMA的1.3~2.9倍。随着试验温度的升高，两者差距逐渐增加，25℃常温时，RA是SMA的5.6~16.5倍；55℃高温时，RA是SMA的7.4~47.2倍。 （2）试验结果的原理及影响 1）SMA混合料 石油沥青的粘度与温度紧密相关。冬季低温时，沥青胶结料呈固体状态，粘度（劲度）很大。夏季高温时，沥青迅速变软，表现出明显的流塑特性。SMA的模量也因为这种塑性流变特征，使得混合料受力和变形关系不仅与荷载的大小有关，还与温度以及荷载持续作用时间有关。 外界环境温度越低，沥青混凝土越呈现明显的弹性材料特征。相反，温度越高，沥青沥青混凝土的流塑特性越明显，其动态模量明显降低，抵抗外部荷载的能力也越低。 另一方面，当荷载作用于沥青混合料时，其变形响应与弹性材料不同，一部分变形在受力时瞬时发生（弹性变形）；而另一部分变形则表现出一定的滞后效应，即随着荷载作用的时间加长，这种滞后效应才得以充分显现。 当荷载作用的时间很短时，其变形的滞后效应来不及显现，沥青混合料的非弹性特性并不能充分表达。反应到沥青路面上，沥青混凝土动态模量的这个特性则表现为，冬季、轻载、快速的荷载对沥青铺装破坏影响较小；而在夏季高温时节，慢速重载的车辆荷载会对路面造成显著的车辙或推挤变形，在重载车繁忙军山桥上坡路段（荷载作用时间延长）该病害情况会尤为明显。 2）RA混合料 RA混合料采用环氧沥青作为胶结材料，当环氧树脂与固化剂连同石油沥青一起发生交联固化化学反应后，胶结料中的大分子以共价键的方式织连成空间网络结构，其固化物呈不可逆转的固体胶结料状态，其断裂强度、耐高温能力和韧性与普通石油沥青相比已发生了根本性的改变。在工程意义上，RA混合料远比SMA混合料具有更好的耐高温承载能力。 动态模量试验时，在低温、高频荷载状态下，SMA混合料受力变形的滞后效应来不及充分表达，其混合料间断级配造成的骨架支撑作用使其弹性特征表现充分，导致二者模量差异并不明显。但当温度升高、荷载频率降低时，沥青材料的蠕变特性越来越明显，而RA混合料则不明显，故二者的模量差异随着温度的升高以及荷载频率的降低也越发明显。因此，在高温、慢速重载条件下， RA混合料钢桥面铺装不容易发生车辙和剪切蠕变破坏。 基于上述试验结果，冬季低温时RA与SMA两者模量差异对钢箱梁受力状态的影响较小，而夏季高温时ERE铺装突出的高模量优势，就可能改善钢箱梁受力状态，降低钢板疲劳应力幅，延长疲劳寿命。 4 钢桥面铺装力学响应研究 在前期试验研究的基础上，运用ABAQUS大型三维有限元软件建立军山桥钢桥面铺装模型，分析不同铺装体系在车辆荷载作用下的力学响应。 4.1 钢桥面铺装结构计算参数与力学分析模型 4.1.1 结构计算参数 （1）路面材料参数 关于结构层材料动态模量的取值，参考国内外研究结论，采用10Hz时的动态模量作为计算模量。参考第三章材料综合性能试验结果，计算过程中两种铺装结构相应材料参数如下。 表4.1.1-1 ERE试验段参数 结构层厚度 /cm动态模量/MPa泊松比 5℃25℃55℃ 上面层427940.520046.53680.50.35 下面层327940.520046.53680.50.35 防水粘结层0.527940.520046.53680.50.35 钢板-2100000.3 表4.1.1-2 原SMA路面参数 结构层厚度 /cm动态模量/MPa泊松比 5℃25℃55℃ 上面层419217.53089412.10.35 下面层319217.53089412.10.35 过渡层0.527940.520046.53680.50.35 钢板-2100000.3 注：橡胶环氧砂浆过渡层模量参照RA环氧树脂沥青。 （2）荷载面积与大小 为分析荷载对桥面结构受力的影响，拟采用100kN、140 kN、180 kN这3种荷载对计算模型进行加载，模拟超重载的作用（货车后轴数分为两轴和三轴）。 计算采用双轮组荷载，轮胎之间的间距为319.8mm，每个轮胎宽度200mm，长度随荷载变化，结合国内已有研究成果，具体取值如表所示。 表4.1.1-3 荷载面积参数 轴载kN100140180 单轮接地面积cm2352432512 单轮宽Lcm202020 单轮长Hcm17.621.625.6 图4.1.1-1 车轮荷载尺寸示意图 在车辆的行驶过程中，路面除了承受轮胎传来的竖向压力外，还要承受轮胎传来的水平方向上的力，该水平力可按下式计算： 式中：——每个车轮的水平力； ——每个车轮的竖向压力； ——水平力系数。 对于水平力系数取值的研究早在1982年交通部《公路柔性路面设计方法及指标的研究》和1986年建设部《城市道路柔性路面设计方法及指标的研究》两个科研项目中进行了研究，采用随车仪器测定水平力系数，在车轮正常行驶或者制动、启动的情况下，水平力系数不大，一般<0.17，但是在紧急制动、转弯（转弯半径较小）或者上坡（坡度较大）时，水平力系数可以达到0.5，甚至更高，峰值趋近于路面的摩擦系数。 《城市道路设计规范》中规定，通常情况下，取=0.2，紧急制动时取=0.5比较合适。在本章的研究中，水平力系数取=0.2。因此，参考以上研究，本计算中轴载与水平力、压力的对应关系如表所示。 表4.1.1-4 荷载参数 轴载kN 100 140 180 竖向应力MPa 0.71 0.81 0.879 水平切应力MPa 0.142 0.1620.176 4.1.2 有限元模型 （1）基本尺寸 模型如图所示，桥面顶板厚14mm/12mm；横隔板厚8mm，横隔板高1500mm，横隔板间距为3000mm；U肋上口宽300mm，下口宽180mm，高260mm，厚度为6mm，U肋间距为600mm，纵腹板，厚10mm，全桥2条，位于第2车道与第3车道间。模型横向取13个U肋宽度共7.8m，大于两个车道（便于U肋的模板建立），结构顺桥向为长度12米，4个横隔板区域。ERE铺装中由于EBCL很薄，且材料性质与上层RA相似，不单独建模；原SMA路面铺装中橡胶环氧砂浆，单独建模，厚度5mm。 图4.1.2-1 有限元模型 （2）边界条件 横隔板底端采用固定端约束，桥面板及铺装层约束纵横向平动自由度。 （3）加载位置 荷载的横向位置：根据标线在行1车道表面的分布位置，模拟车辆轮迹带与U肋的位置关系（如下图）。 图4.1.2-2 荷载横向位置示意图 荷载的纵向位置：分为货车后两轴与三轴两种方式，模拟军山桥实际交通量中的六轴大货与五轴大货。后三轴轮载对称于横隔板两侧，后两轴车一个轮作用在横隔板上，另一个轮作用于跨中。 4.2 路面结构应力对比分析 计算分析荷载为后三轴货车时，ERE试验段、原SMA路面（以下简称ESS）两种铺装体系中相应结构层最大拉应力、剪应力。 （1）有限元计算结果 表4.2-1 后三轴荷载下ERE铺装受力状态（MPa） 温度RA树脂沥青混凝土 轴载100 kN轴载140 kN轴载180 kN 最大拉应力剪应力最大拉应力剪应力最大拉应力剪应力 5℃1.7411.1062.4521.4983.3582.133 25℃1.5910.97152.2431.3253.0561.963 55℃0.73630.64151.0470.8531.3931.033 表4.2-2 后三轴荷载下ESS铺装受力状态（MPa） 温度SMA沥青混凝土 轴载100kN轴载140 kN轴载180 kN 最大拉应力剪应力最大拉应力剪应力最大拉应力剪应力 5℃1.5470.95052.231.32.9571.6645 25℃0.64350.6150.9170.8061.8040.97 55℃0.18240.3170.24260.388150.29910.448
图4.2-1 140kN 25℃铺装层最大拉应力（左边ERE、右边SMA）
图4.2-2 140kN 25℃铺装层最大剪应力（左边ERE、右边SMA） （2）结果分析 ①两种铺装体系中，RA、SMA结构层最大拉应力、剪应力随温度的上升而降低；随荷载的增加而增加。 图4.2-3 两种铺装体系最大拉应力与剪应力 ②RA、SMA结构层的最大拉应力出现在铺装层上表面，最大剪应力基本出现在铺装层与钢板粘结界面/结构层底部；5℃低温时，RA、SMA最大拉应力、剪应力基本相当，随着温度的升高，RA结构层最大拉应力大于SMA。 ③RA树脂沥青混凝土由于其结合料已经与石油沥青有本质的区别，其物理力学性能受温度的影响更小，因此，即便其结构层受力更大，但是仍能满足使用性能要求。 4.3 钢箱梁应力对比分析 分别计算了荷载为货车后三轴与后两轴，ERE试验段、原SMA路面（以下简称ESS）两种铺装体系中顶板、U肋、横隔板上部过焊孔（上圆角）、下部应力释放孔（下圆角）部位的最大等效应力。 4.3.1 后三轴计算结果 表4.3.1-1 后三轴荷载下ERE铺装钢箱梁最大等效应力（MPa） 轴载温度顶板U肋与顶板 焊接U肋与横隔板焊接横隔板 上圆角下圆角 轴载100kN5℃6.6788.4517.1546.05 25℃6.9749.318.7148.61 55℃13.0715.5731.8664.23 轴载140kN5℃9.08312.4623.7563.92 25℃10.8813.3825.9967.59 55℃18.7122.0744.890.52 轴载180kN5℃11.1714.9331.6384.21 25℃13.0116.3834.2789.01 55℃26.3329.0357.44118.6 表4.3.1-2 后三轴荷载下ESS铺装钢箱梁最大等效应力（MPa） 轴载温度顶板U肋与顶板 焊接U肋与横隔板焊接横隔板 上圆角下圆角 轴载100kN5℃6.989.3418.7948.72 25℃12.7715.432.6565.31 55℃24.6821.7147.481.56 轴载140kN5℃9.38412.725.5468.37 25℃18.2422.6345.5791.77 55℃33.6631.0866.67114.6 轴载180kN5℃15.0816.3634.2888.86 25℃25.1227.2457.43119.3 55℃41.9140.2183.37148.9 图4.3.1-1 横隔板应力分布 图4.3.1-2 顶板应力分布 4.3.2 后两轴计算结果 表4.3.2-1 后两轴荷载下ERE铺装钢箱梁最大等效应力（MPa） 轴载温度顶板U肋与顶板 焊接U肋与横隔板焊接横隔板 上圆角下圆角 轴载100kN5℃6.9567.8413.6136.43 25℃7.2598.5415.0538.44 55℃11.311.6325.3950.26 轴载140kN5℃9.40811.1519.0951.36 25℃9.82311.9821.1154.24 55℃15.1216.5335.9271.62 轴载180kN5℃11.6713.8124.9866.6 25℃12.1815.2727.5870.37 55℃19.2421.1345.7392.87 表4.3.2-2 后两轴荷载下ESS铺装钢箱梁最大等效应力（MPa） 轴载温度顶板U肋与顶板 焊接U肋与横隔板焊接横隔板 上圆角下圆角 轴载100kN5℃7.2618.1315.1538.56 25℃11.0711.7726.0751.07 55℃21.1814.0538.3162.75 轴载140kN5℃9.77611.721.254.12 25℃14.8616.5136.3971.79 55℃28.719.6753.2488.21 轴载180kN5℃12.1115.1827.770.33 25℃18.3321.1846.4693.37 55℃35.4124.0667.15114.6 4.3.3 计算结果分析 1）军山桥钢箱梁U肋与横隔板交界处容易产生局部应力集中；随着车辆轴重的增加，U肋、横隔板的最大等效应力均显著增大。超重载对钢板造成的疲劳损伤更大，这与裂缝主要集中在重载车道的情况一致；同一轴重条件下横隔板的应力大于U肋的应力，表明横隔板相比U肋更容易产生疲劳开裂，这与全桥横隔板开裂更多、更严重的特点基本一致。 2）由于RA树脂沥青混凝土具有更高的动态模量，ERE铺装体系相比SMA路面能够降低荷载作用下钢箱梁顶板、横隔板、U肋的最大等效应力。以后三轴计算为例： 表4.3.3-1 ERE铺装相比原SMA路面最大等效应力减少幅度 荷载温度顶板（%）U肋与顶板焊接 （%）U肋与横隔板 焊接（%）横隔板（%） 上圆角下圆角 100kN5℃4.33%9.53%8.73%5.48% 25℃45.39%39.61%42.70%25.57% 55℃47.04%28.28%32.78%21.25% 140kN5℃3.21%1.89%7.01%6.51% 25℃40.35%40.87%42.97%26.35% 55℃44.41%28.99%32.80%21.01% 180kN5℃25.93%8.74%7.73%5.23% 25℃48.21%39.87%40.33%25.39% 55℃37.17%27.80%31.10%20.35% 平均值-32.89%25.07%27.35%17.46% 通过两种铺装结构应力分析，可得出初步结论：采用ERE试验段铺装相比原路面结构能使U肋与顶板焊接处应力减小25.07%，U肋与横隔板焊接处应力减小27.35%，横隔板下部应力释放孔应力减小17.46%，顶板应力减少32.89%。 3）ERE铺装体系下，钢板应力幅的减少对缓解钢箱梁疲劳损伤（特别是温度升高时）延缓疲劳开裂有一定改善效果。 以（55℃、140kN）为例初步估算，采用ERE铺装体系相比原SMA路面，相同荷载作用下，各构造细节处疲劳损伤度降低幅度及疲劳寿命提高如下。 表4.3.3-2 高温条件下ERE铺装相比原SMA路面疲劳损伤度 部位疲劳损伤度降低幅度疲劳寿命提高 顶板82%4倍 U肋与顶板焊接64%2倍 U肋与横隔板 焊接（上圆角）69%2倍 横隔板下圆角51%1倍 4）由于军山桥钢箱梁横隔板间距为3m，多联轴的轴间距为1.4m，多联轴在横隔板之间存在叠加效应； 图4.3.3-1 后三轴与后两轴对横隔板的作用示意图 以（ESS、55℃、140kN）为例初步估算，后三轴对钢箱梁作用的应力幅比后两轴货车平均增大约32%，原设计车型为后两轴（五轴车）与军山桥实际交通组成差别较大，加之超重载车流量大，导致后期钢箱梁实际疲劳损伤与原设计产生较大差别。 表4.3.3-3 ESS铺装后两轴与三轴应力幅对比（ESS、55℃、140kN） 轴载顶板U肋与顶板 焊接U肋与横隔板焊接横隔板 上圆角下圆角 后两轴28.719.6753.2488.21 后三轴33.6631.0866.67114.6 三轴比两轴增加百分比17.28%58.01%25.23%29.92% 应力幅平均增幅32.61% 4.3.4 典型细节疲劳寿命估算 以军山桥钢箱梁最典型，数量最多的横隔板下圆角开裂为例，结合有限元计算、交通量与车辆轴载统计分析，初步估算该细节处疲劳寿命。 （1）交通量取值 根据近年来日均交通量统计资料，本项目2011~2014年日均交通量17571辆/天。 统计年日均交通量/辆 2011年14,081 2012年14,328 2013年17,914 2014年23,961 平均17,571 （2）50t以上重载车型与数量 由于超重载货车对钢板的疲劳开裂影响最大，为了便于计算，仅考虑50t以上重载货车对该构造细节的疲劳损伤。 ①根据“车辆总重分布区间图”，车重500kN以上的重载车辆占比超过15%，计算得到50t以上货车的日均交通量，并依据五轴车与六轴车在交通流量中的比例关系，估算各自数量。 50t以上车辆组成数量/辆合计/辆 50吨以上货车中五轴车数量1722776 50吨以上货车中六轴车数量2604 ②参照现行规范及实际车辆情况，拟定五轴车与六轴车的轴载组成。 编号车辆类型轴载组成数量合计 1五轴30+120+120+140+140=5501722776 辆 2六轴40+80+80+100+100+100=5001356 340+80+80+140+140+140=6201248 （3）每条行车道重车数量 根据现场调查，重载车辆主要分布于双向4条行车道中（其中中间行车道略多），由于初步估算仅探究该构造细节的平均疲劳寿命，因此暂不考虑4条车道中车辆数量的细微差别；每条行车道重车数量为：五轴车550型43辆，六轴车500型339辆，六轴车620型312辆。 （4）不同车型对钢板的应力幅 根据前述有限元计算结果，不同车型对钢板的应力幅如下： 轴载类型ESS路面/MPaERE铺装/MPa 5℃25℃55℃5℃25℃55℃ 五轴550型54.1271.7988.2151.3654.2471.62 六轴500型48.7265.3181.5646.0548.6164.23 六轴620型68.3791.77114.663.9267.5990.52 （5）疲劳损伤估算 结合应力幅有限元计算结果，先分别计算每种车型、不同温度（低温、常温、高温）时的疲劳损伤度；然后计算全部重载车型的积累疲劳损伤度。 根据Palmgren-Miner线性疲劳累积损伤理论： ①在相同的应力幅值作用下，每一次循环加载对结构造成的疲劳损伤都是相同的； ②不同应力水平的及其发生的次数所导致钢构件内部的疲劳损伤可进行线性累加。 参考《公路钢结构桥梁设计规范》、Eurocode3规范的疲劳曲线方程： 应力循环所引起的疲劳损伤为： 式中：n为的作用次数，N为与对应的疲劳寿命，、可通过查表确定。 图4.3.4-1 正应力幅疲劳强度曲线与正交异性钢桥面板细节类别 在此基础上依据Miner线性疲劳累积损伤理论可变荷载作用下细节的疲劳损伤为： 不同车型每天的疲劳损伤计算如下： ESS路面ERE铺装 5℃25℃55℃5℃25℃55℃ 五轴车550型9.95445E-062.32346E-054.31020E-058.50783E-061.00208E-052.30700E-05 六轴车500型5.95705E-051.37699E-042.68178E-044.49410E-055.89011E-051.30980E-04 六轴车620型1.45301E-043.51377E-046.84265E-041.18736E-041.40384E-043.37213E-04 累计损伤度2.14826E-045.12310E-049.95545E-041.72184E-042.09306E-044.91263E-04 （6）寿命预估 根据武汉市的气候特点，假设一年中低温季节4个月、常温4个月、高温4个月，初步估算该交通量下的疲劳寿命：原SMA路面钢箱梁下圆角疲劳寿命约7年，ERE路面钢箱梁下圆角疲劳寿命约12年。 5 冷拌环氧树脂ERE铺装试验段设计与施工 5.1 试验段路段特点 经过现场实地调查，选择主桥京珠向K1186+323~K1186+413右行车道，共90m，为此次ERE维修方案试验段，试验段主要特点如下： 1）试验段位于行1车道，超重载车流量大； 2）试验段桥面存在3%的纵坡，起点位于主桥伸缩缝附近，重车冲击作用较大，终点接近主塔纵坡坡顶，车辆行驶速度降低，对路面作用时间延长； 3）该路段原沥青路面已经出现了连片坑槽、车辙病害。 5.2 试验段铺装方案设计 根据ERE铺装体系材料试验、有限元分析成果结合国内其他工程应用实例，设计单位于2015年8月完成了《军山长江大桥钢桥面铺装试验段方案》设计，具体结构组合设计及相应材料技术参数要求如下。 5.2.1 试验段铺装结构组合 ERE树脂沥青组合体系钢桥面维修铺装方案，典型结构是EBCL＋RA08＋RA13+EBCL，其中底层EBCL作为防水抗滑粘结层；RA08作为铺装整体化层、刚度过渡层、隔温层；顶层EBCL作为表面功能层。 1）首先铣刨旧桥面沥青混凝土，并将钢板表面进行喷砂除锈处理，要求清洁度达到Sa2.5级，粗糙度达到80~120µm。 2）然后洒布一层0.9~1.1kg/m2的EBCL（环氧粘结碎石抗滑层），它是由EBCL胶料和在其上撒布的3~5mm粒径的碎石共同组成。 3）然后再洒布一层0.4~0.6kg/m2的RA树脂沥青粘结层。 4）摊铺3cm厚冷拌环氧树脂沥青混凝土RA08（Resin Asphalt）。 5）将RA08表面采用精细铣刨拉毛/抛丸打毛0.5cm，增加表面粗糙度。 6）RA13与RA08层间洒布一层0.4~0.6kg/m2的RA树脂沥青粘结层。 7）摊铺4cm厚的RA13冷拌环氧树脂沥青混凝土。 8）RA13层固化后对表面进行抛丸处理，随后在其上成型树脂沥青抗滑罩面层，胶料涂布量为1.3~1.5kg/m2，撒布2-4mm碎石约2.5~3.5kg/m2和1-2mm碎石约1.5~2.5kg/m2碎石，撒布量按总4~6kg/m2，罩面层养生固化后开放交通。 图5.2.1-1 ERE树脂沥青试验段铺装方案 5.2.2 铺装层材料参数及性能要求 （1） EBCL材料设计参数 EBCL抗滑层由EBCL胶料和在其上撒布的3~5mm粒径的碎石共同组成。EBCL胶料及3~5mm碎石的技术要求指标见下表。 表5.2.2-1 界面粘结用胶结料（EBCL胶结料）技术要求 性能指标技术要求试验方法 拉拔强度（70℃）≥3MPaASTM D 638 拉拔强度（25℃）≥10MPaASTM D 638 剪切强度（70℃）≥3MPa斜剪试验 指干时间（25℃）10h≥t≥1h指干法 固化速度（25℃，≤72h）≥3MPa拉拨试验 胶膜断裂伸长率（25℃）≥20%直接拉伸试验 胶膜断裂强度（25℃）≥10MPa直接拉伸试验 流动性目测不流淌 高温稳定性 （180℃/1h）外观应无气孔、鼓包、分解、变质现象 质量损失≤1% 表5.2.2-2 碎石技术要求 指标单位标准值 表观相对密度 不小于t/m32.60 坚固性（＞0.3mm部分） 不大于%12 砂当量 不小于%60 棱角性(流动时间) 不小于S30 小于0.075mm的含量（水洗法） 不大于%1 吸水率 不大于%2.0 EBCL集料选用洁净、干燥、坚硬、无风化的玄武岩或辉绿岩石料。 （2）RA树脂沥青粘结层设计要求 表5.2.2-3 RA树脂沥青粘结层的设计要求 试验项目单位技术要求试验方法 指干时间（25℃）h≥8.0指干法 固化时间（25℃）h≤72混合料稳定度试验 断裂伸长率（25℃）%≥50直接拉伸试验 胶膜断裂强度（25℃）MPa≥1.0直接拉伸试验 洒布量kg/m20.4~0.6称重法 外观均匀性-满布目测 （3）RA混合料主要材料技术要求 树脂沥青是组成RA混合料的重要材料，RA胶料由A、B按一定比例混和组成，A＋B反应后生成树脂沥青。 1）集料 RA树脂沥青混凝土宜采用洁净、干燥、无风化、无杂质的优质火成岩集料，集料规格有0~3mm，3~5mm，5~10mm，10~13mm四种，技术指标不低于高速公路沥青路面上面层石料技术要求，具体见下表。 表5.2.2-4 粗集料技术要求 项目单位技术指标试验方法 石料压碎值%≤26T 0316 洛杉矶磨耗损失%≤28T 0317 磨光值PSV≥42T 0321 视密度t/m3≥2.60T 0304 吸水率%≤2.0T 0304 坚固性%≤12T 0314 细长扁平 颗粒含量1#料 2#料%≤12 ≤18T 0312 软石含量%≤3T 0320 水洗法 ＜0.075mm 含量1#料 2#料 3#料%≤1 ≤1 ≤3T 0310 表5.2.2-5 细集料技术要求 指标单 位标准值 表观相对密度 不小于t/m32.60 坚固性（＞ 0.3mm部分） 不大于%12 砂当量 不小于%60 棱角性（流动时间） 不小于S30 吸水率 不大于%2.0 2）填料 填料宜采用石灰岩或岩浆岩中的强基性等憎水性石料经磨制的矿粉，不应含泥土杂质和团粒，要求干燥、洁净，其质量应符合下表的技术要求。 表5.2.2-6 矿粉质量要求 指标单位标准值 表观相对密度 不小于t/m32.50 含水量 不大于%1 粒度范围 < 0.6mm < 0.15mm < 0.075mm% % %100 90~100 75~100 外观无团粒结块 亲水系数<1 塑性指数<4 3）RA拌和用胶结料 表5.2.2-7 拌合RA胶结料技术要求 性能指标技术要求试验方法 黏度（25℃）1Pa.s-3Pa.sT0619-2011 指干时间（25℃）≥8h指干法 固化时间（25℃）≤72h- 胶膜断裂伸长率（25℃）≥100%直接拉伸试验 胶膜断裂强度（25℃）≥2MPa直接拉伸试验 固化速度（25℃，72h）RA混合料 ≥30kN/60℃马歇尔试验 高温稳定性 （180℃/1h）外观应无气孔、鼓包、分解、变质现象 质量损失≤1% 4）RA级配及油石比 表5.2.2-8 RA13混合料级配 通过率范围筛孔尺寸（mm）油石比 13.29.54.752.361.180.60.30.150.075℅ 上限10085685038282015127~9 下限906838241510754 表5.2.2-9 RA08混合料级配 通过率范围筛孔尺寸（mm）油石比 9.54.752.361.180.60.30.150.075℅ 上限100856753402820127~11 下限100554432231596 5）RA纤维技术要求 表5.2.2-10 聚酯纤维技术要求 项目指标试验方法 纤维类型束状单丝— 纤维直径10~25μmGB/T 10685 纤维长度6±1.5 mmGB/T 14336 抗拉强度≥5 00 MPaGB/T 3916 断裂伸长率≥ 15%GB/T 3916 耐热性（210℃ ，2h）体积无变化烘箱（210℃ ，2h） 6）RA混凝土性能指标 表5.2.2-11 RA树脂沥青混凝土性能要求 试验项目技术要求试验方法 3天马歇尔稳定度 kN（ 70℃）≥4050次击实 流值 0.1mm20-40T 0702 击实孔隙率 %0~2T 0702 车辙动稳定度 次/mm（70℃）≥10000T0719 水稳定性:残留马歇尔稳定度 %≥90T0790 冻融劈裂试验残留强度比 %≥90T0729 -10℃低温弯曲极限应变 ×10-6≥5000T0728 5.3 施工工艺与质量控制要求 5.3.1 试验段施工工艺 5.3.1.1旧桥面铺装铣刨挖除及钢板除锈施工 （1）旧桥面铺装铣刨挖除施工 1）铣刨+人工施工方法 根据旧桥面铺装的厚度情况，为避免全深度机械铣刨铲伤钢板，采用机械和人工相结合的方式铲除旧桥面铺装。首先用铣刨机铲除上部一定厚度的铺装，再用人工铲除剩余部分。在用铣刨机铲除过程中，应严格控制铣刨深度，尽量避免铣刨机刀头铣伤钢板；人工铲除时，宜采用扁铲，铲子尽量放平，减少铲子对钢板的损坏。旧桥面铺装应彻底铲除干净（含旧桥面防水粘结层），铲除的旧桥面铺装应安排专门车辆运至指定废弃场地或再生利用堆料场。 2）挖掘机+人工施工方法 采用挖掘机挖掘，在挖掘机斗前端焊接已加工好的钢板（钢板尺寸600mm*200 mm *14 mm），钢板前端做斜角，这样更有利清除旧桥面铺装层。如果挖掘机对钢板表面的粘结层未清除干净，使用人工拿扁钳一点一点搓，如果局部部位还是很难清理，我部技术人员采用火烤的方式加热清理，用火时注意安全，煤气灌离火枪放在1m之外。火烤时火枪不能对一个点烤，这样对钢板不利，火枪左右摆动边烤边用扁钳铲除。最后，再用人工用扁钳搓一遍，这样连续铲除3遍，才能保证下一道工序的实施。 3）施工注意事项（安全、钢板保护、尽快下一道） ①施工现场配备安全专员对人员与车辆进行安全警示，避免出现安全事故。 ②铣刨、挖除、人工清理时都应该避免损伤钢板，如出现损伤钢板必须进行修复后才能继续施工。 ③清理出来的钢桥面应尽快进行下一道工序的实施，避免钢板长时间暴露在空气再度锈蚀。 （2）钢桥面板清洗施工 挖除结束后，应先用刚性纤维刷或钢丝刷除掉钢板表层上的松散物（不包括油和油脂），再用小铲刮掉附着在钢板表面上的较厚的油和油脂，然后对局部受油污污染的部位采用碱性清洗剂（如磷酸三钠等）清洗，并用清水冲洗干净。铺装清扫完毕后，采用高压鼓风机将桥面吹干净。其他应满足《涂装前钢材表面预处理规范》（SY/T 0407-2012）的要求。 （3）抛丸除锈施工 1）原材料的配置 喷砂除锈采用金属混合磨料(70%钢丸和30%钢砂)，磨料必须清洁（不含油、杂物）、干燥，其性能符合YB/T 5149-1993、YB/T 5150-1993的要求，粒度和形状满足抛丸处理后对表面粗糙度的要求。所用磨料应是清洁干燥的，不可被有机物沾污。 2）环境要求 抛丸作业环境的要求应满足下表规定。 表5.3.1-1抛丸作业环境要求 项目名称技术要求 环境温度5~40℃ 空气相对湿度≤90% 钢板表面温度≥空气露点温度＋3℃ 空气露点实测 3）抛丸施工方法 ①采用多台抛丸机并行直线连续抛丸的方式，每次行走距离不超过50m，往返多次，直至将整个需除锈范围抛丸完毕；抛丸处应互相搭接5~10mm。在进行最后一遍抛丸除锈时，应换用清洁干燥磨料，禁止使用回收磨料。 ②经抛丸处理后的钢板表面清洁度必须达到Sa2.5级要求，粗糙度要求控制在80~120μm范围内。 ③对无法用回收式真空抛丸机抛丸的边角处及桥面的凹坑等部位，应用手提式真空抛丸机或电动打磨进行补充处理，以使该部位的清洁度与粗糙度满足设计要求。 ④对于已经抛丸结束，未涂刷EBCL胶料的钢表面，必须采用适当的保护措施，尽快报验进入涂刷工序。对于在规定的时间内未涂刷EBCL胶料的，应根据实际情况予以重新处理，达到规定的要求方能进行涂刷作业。 4）施工质量检评标准 表5.3.1-2防腐涂装施工质量检评标准 项目检查频度质量要求或允许偏差检查方法 除锈 等级清洁度6点/1000m2Sa2.5级标准图谱 粗糙度80~120μm粗糙度仪 5.3.1.2 EBCL施工工艺 （1）一般要求 抛丸施工结束后宜立即开始EBCL层施工，防止抛丸处理后钢板表面发生锈蚀。EBCL层施工时要求天气干燥、气温不得低于10℃，有雾、下雨或相对湿度大于90％时不得施工。施工过程中要注意安全、保持清洁，施工过程禁止吸烟。操作人员要穿防护衣和鞋套。 （2）EBCL层施工 首先将存在于桥面的尘埃、杂物等清除干净，然后仔细清洁洒布作业面，确保作业面干净、无污染。 EBCL胶料由A、B两组分组成，两组分要严格按照比例进行混和，混和完毕后采用电动搅拌机搅拌均匀，然后在60min以内采用人工方式涂布于钢板表面，涂布要求均匀、无堆积、无流淌，EBCL层未固化以前严禁一切人员和机械进入。 EBCL施工采用画方格网人工刮涂方式涂布于钢板表面，涂布要求均匀、无堆积、无流淌，涂布量为0.9~1.1kg/m2；EBCL涂布完毕后在胶料表面机械撒布一层3~5mm粒径碎石，单粒径碎石洒布要求干燥、清洁、均匀、无堆积，碎石撒布量为2.5~3.5kg/m2，使之与EBCL胶料一起固化，形成粘结牢固的EBCL抗滑表层。（用于铺装表面抗滑层时胶料用量及碎石撒布量按设计要求调整） （3）EBCL层施工检测 EBCL施工过程中要严格控制EBCL胶料各组分的比例，配料过程中要设置专人进行复核。 EBCL涂布量采用方格网法进行涂布量控制，即确保每一方格内的计算涂布量（体积法称量）均匀涂布于该方格内，并做好记录。 EBCL的碎石撒布量应先做好标准样板，碎石洒布要求达到满布面积的80％，施工时参照标准样板控制验收，碎石撒布由碎石撒布机机械撒布完成。 EBCL施工过程中成型EBCL胶料拉剪试件和拉拔试件，与桥面板EBCL同等条件养生，检测胶料的拉剪强度和拉拔强度。 （4）EBCL施工过程中的主要注意事项 ①EBCL为环氧材料，施工过程中要注意安全，施工过程禁止吸烟。 ②操作人员要穿防护衣和鞋套。 ③施工时要求天气干燥、气温不得低于10℃，有雾、下雨或相对湿度大于90％时不得施工，所以在施工时应做好天气的观测和必要的防措施。 ④EBCL施工结束后，立即用专用清洗液将各种量具和涂刷工具清洗干净，以备下次施工时用。 ⑤接头部位施工可以在第二天喷砂处理时打去部分EBCL，形成干净面，然后进行施工。 ⑥EBCL施工过程中成型EBCL胶料拉剪试件和拉拔试件，与桥面板EBCL同等条件养生，检测胶料的拉剪强度和拉拔强度。 5.3.1.3 RA混合料施工工艺及其层间界面处理 （1）层间界面处理（精细铣刨/抛丸打毛） 铺装体系中上、下层RA结构层间，宜采用精细铣刨拉毛/抛丸打毛工艺增加界面粗糙度，精细铣刨/抛丸过程中，应控制处理深度，不得造成下层RA08表面松散，处理后应将界面彻底清理干净，防止形成夹层。 （2）RA混合料施工工艺 RA胶料在一定的温度和时间的条件下它具有改性沥青的特性，因此可以按沥青混凝土的方法进行拌和、摊铺和碾压施工。为保证RA之间的粘结可靠，施工前应在RA08顶面涂刷一层RA胶料，然后再进行RA13混合料的摊铺。RA胶的涂布量约0.4-0.6kg/㎡。 1）RA混合料的拌和 RA混合料采用JS750树脂沥青专用拌和机进行生产，拌和机设置应在施工现场附近，一般不超过1km，这样可以有效减少RA混合料的运输距离，提高生产效率并保证混合料有效摊铺碾压时间。条件允许情况下拌和场可设在引桥上。 RA混合料主要由胶料和集料混合组成，生产流程主要包括：集料的称量，胶料的称量混合以及混合料拌和三个阶段，拌和流程图见下图： 图5.3.1-1 RA混合料拌和流程图 ①RA混合料使用0~3mm，3~5mm，5~10mm，10~13mm四种（RA08为三种）粒径的集料，根据配合比设计结果，将两种集料分别置于拌和机四个冷料斗中，根据一盘混合料中所占重量分别放料至称量斗进行称量。 ②RA胶料由A、B两种组分组合而成，将两组分按照每一拌锅所需用量，分别称量完毕后，用电动搅拌机进行搅拌，搅拌时间不少于2min，然后提升至拌锅平台上，待干拌结束后直接倒入拌锅内。纤维的添加按照每盘料所用质量分别用包装袋装好直接在胶料搅匀时投入当中。 ③集料在拌锅内干拌一定时间后，加入胶料进行拌和。根据JS750树脂沥青专用拌和机试拌效果初步确定：RA混合料干拌时间控制在5s，湿拌75s，一锅料控制在80s左右。 2）混合料装料和运输 每车的装运量应根据拌和场地与施工现场的距离、与摊铺速度匹配原则确定。拌和完毕的RA混合料直接放入运料卡车，装料时先装卡车尾部后装卡车前部，保证先生产的混合料先摊铺。 3）混合料摊铺和碾压 桥面摊铺施工采用一台或多台摊铺机全幅施工，摊铺速度控制在3~5m/min，摊铺厚度采用走滑靴的方式进行控制，保证RA混合料最小厚度满足设计要求。混合料采用胶轮碾压，碾压2~4遍。碾压采用分段控制，碾压长度要与每车料摊铺长度一致，严禁压路机到已碾压完毕的混合料上停放。每段碾压时间不宜过长。碾压由低到高，紧跟慢压。碾压过程中严禁洒水、柴油、废机油等混和液。为防止粘轮，统一采用植物油涂刷压路机轮胎表面。摊铺、碾压过程中安排专人及时将已硬化、结团的混合料清除出去；摊铺结束后及时用专用清洗液清洗摊铺机、压路机上粘连的混合料，避免RA胶料完全固化后无法清洗。 摊铺时遇雨应立即停止作业，并清除未压实成型的混合料，遭受雨淋的混合料应予以废弃。碾压成型尚未固化的混合料要及时用彩条布进行覆盖，并根据地形做采取排水措施，保证未完全固化RA层不受水浸泡。 RA混合料随着放置时间的增加，混合料空隙率可能变大，试件的可成型性变差。因此现场施工时间控制在120min以内为宜。 5.3.2 ERE试验段质量控制要点 由于此次军山桥ERE铺装试验段长度较小，现场施工工艺组织及质量管理相对容易，后续大规模推广时相关施工条件更为复杂；通过此次试验段施工总结，后续大规模推广时以下几点宜重点关注。 （1）界面处置及EBCL施工 军山桥地处京珠重要的跨江通道，基本不具备完全封闭交通进行施工的可能性，桥面铺装维修施工只能在边通车边施工的状态下进行。建议维修半幅桥面分两次进行更换，每次施工宽度1.5~2个车道，施工接缝放置在中间行车道的中间位置和紧急停车带位置（避开重车轮迹带），尽可能减少车轮对施工接缝造成破坏。 当旧路面挖除完成后，首先应查找钢箱梁顶板的裂缝并进行焊接补强修复，恢复钢箱梁顶板结构的完整性。然后再开始抛丸除锈作业。当钢板抛丸除锈完成，钢板表面持清洁无尘，应立即进行EBCL胶结料的刮涂和碎石撒布施工，施工时尽可能避免EBCL施工及固化前遇雨。 （2）RA混合料的拌合与摊铺施工 当EBCL界面固化后，应尽快组织RA混合料的拌合与摊铺施工。RA混合料在常温下拌合，摊铺碾压施工与普通沥青混凝土类似，无需专用的运输和摊铺设备。在夏秋季节，RA混合料一般2~3天即可固化达到规定强度。 RA混合料的摊铺宽度为1.5~2个车道。在中间车道的接缝处，RA摊铺宽度不能超过EBCL的边界，而且当RA混合料摊铺碾压后，应尽快将边缘塌陷和松散的RA混合料从EBCL界面上切割清除，使EBCL界面露出不少于30cm的宽度，以便下一幅RA混合料的施工接缝落在完整的EBCL界面上，减少RA层施工接缝开裂渗水引发钢板锈蚀的可能性。 同时，军山桥的RA混合料摊铺厚度为7~7.5cm，宜分两层铺筑，每次铺筑厚度为3~4cm。两层RA之间宜采用抛丸处置，并增设一层EBCL界面，确保两层之间连接可靠。该EBCL中间层可以有助于防止一旦RA混合料产生裂缝后，裂缝从表面贯穿至钢板。 此外，为改善ERE铺装后期的行车舒适性， 应时刻关注RA混合料施工平整度。 （3）顶面EBCL抗滑表层施工 顶面EBCL的意义在于，提高铺装层顶面的抗滑粗糙性，保证行车安全，使铺装表面均匀一致，外观美观。其施工要点与钢板粘结界面的EBCL基本相同，区别仅仅是撒布的碎石不完全是3~5mm的单一颗粒，而是由1~3和2~4mm粒径混合组成，碎石撒布量也应做到超量全覆盖，固化后将未粘结的多余碎石扫除掉。 （4）维修施工纵向接缝处置 鉴于军山桥不可中断交通的特点，如果在纵向施工接缝处不进行特殊助理，接缝处必将成为铺装的最薄弱环节。因为EBCL防水粘结界面在接缝处也是断开的，并不能保证接缝处开裂的地表水不接触桥面钢板。 正确的处理方式是，当一幅ERE铺装完成后，下一相邻幅施工时，必须将上一幅已施工的ERE铺装的RA混合料边缘切除5~10cm，但保留EBCL防水粘结界面不能切除，以便与另一幅施工的EBCL防水粘结层连续相接，防止界面断开渗水。 另外，RA混合料的纵向施工接缝应与EBCL界面的接缝错开5~10cm，且当两幅RA混合料接缝时，在先前施工固化的RA层边缘处应预先粘贴具有大变形能力的树脂沥青止水带，利用RA混合料施工碾压形成的侧向压力将止水带挤紧，防止接缝渗水。 5.3.3 试验段现场施工 2015年8月宁波天意钢桥面铺装技术有限公司完成了军山长江大桥冷拌环氧树脂ERE钢桥面铺装维修试验段施工，桩号京珠向K1186+323~K1186+413右行车道。现场施工情况如下。 图5.3.3-1 原桥面铺装层车辙、坑槽病害
图5.3.3-2 原桥面铺装层铣刨 图5.3.3-3 喷砂除锈、EBCL防水抗滑粘结层施工
图5.3.3-4 冷拌RA08混合料施工 图5.3.3-5 RA顶面处理 图5.3.3-6 铺装体系抗滑表层施工 6 ERE试验段应力监测与运行现状后评估 6.1 ERE桥面铺装结构应力实测对比分析 采用冷拌环氧树脂ERE铺装体系作为军山桥钢桥面维修试验段方案的初衷：一是，利用冷拌环氧树脂沥青混凝土优良的物理力学性能、路用性能（抗车辙、抗变形开裂、疲劳性能等），满足军山桥夏季高温及交通量大、重载率高的严酷使用条件；二是，利用ERE铺装高温条件下仍然具有较高刚度/模量的材料力学特性，减少重载作用下钢箱梁的疲劳应力幅，改善钢板受力状态，延长疲劳寿命。 因此，本节通过在钢箱梁内部主要构造细节处粘贴应变片，实时监测记录重载车辆通过时的钢板应变，对比研究不同铺装体系中钢板应力应变情况，进一步对比分析ERE铺装对钢箱梁应力的改善效果。 6.1.1 钢箱梁应变实测分析方案 根据前期军山桥钢箱梁裂缝的现场调查与统计，钢板开裂主要有以下几种：①横隔板与U肋焊接处上部过焊孔边缘部位横向/斜向开裂，②U肋/横隔板应力释放孔边缘横向/斜向开裂，③U肋与顶板焊接部位开裂等。 钢箱梁受力的有限元计算分析也表明，军山桥钢箱梁横隔板上部过焊孔、U肋与横隔板相交焊缝处容易产生应力集中现象。 因此，在分析有限元计算结果、钢箱梁病害调查的基础上，制定应变监测实施方案。 （1）应力对比监测分析原理 理论上，当同一车辆先后通过ERE试验段及相邻原路面时，对应断面相应点位的应变差异，才能反映ERE相比原路面铺装对钢箱梁受力的改善作用；但是由于钢箱梁应力影响线较短，车辆行驶过程中轮迹带在一定范围内横向分布，车轮荷载作用位置的轻微偏差就容易对应变监测的数据产生较大影响；因此，实际监测时无法确保对应断面相应点位的受力环境完全一致。 为了使应变监测结果具有较高的可信度及参考价值，对比断面选择时应尽量靠近使其有近似的受力环境，同时，通过扩大应变监测样本数量，弥补部分应变测量精度的影响，并通过计算分析ERE试验段和原路面铺装钢箱梁的应力幅谱，对比研究两者的差异。 （2）监测断面的选择及点位布置 通过对比ERE试验段桩号、原桥钢箱梁设计图并结合现场实地调查，确定ERE试验段末端位于钢箱梁29#横隔板上方，行车道轮迹带大致位于第9号、12号U肋上方。应变监测断面为ERE试验车道与纵向相邻的原结构路段，见下图。 图6.1.1-1军山长江大桥半幅断面示意图（单位：mm） 监测范围为ERE试验段下第27号横隔板及27号~28号横隔板之间的跨中区域；为了减少行车轮迹带偏移对测量结果的影响，就近选择（相隔12m）原路面结构下第31号横隔板及30号~31号横隔板之间的跨中区域，共计4个断面。 图6.1.1-2 纵向断面图 （3）应变监测过程 军山桥钢箱梁受力应变监测工作分为两个阶段进行： 1）2016年3~4月第一阶段监测，在预定4个断面内，共选取48个点位粘贴应变片，现场照片如下： 图6.1.1-3第一阶段应变监测 2）2016年5月第二阶段监测，根据对第一阶段监测结果的研究分析，优化监测方案，重点针对第11、12号U肋附近。 ①第二阶段应变片粘贴 试验共设采集组两组，每组6个测点，为使采集数据更加准确，同一个测量需粘贴3个不同方向的应变片（ERE试验段应变片编号为Y、原路面结构编号为Z）。测点布置示例如下图。 图6.1.1-4 27#横隔板北京侧Y1-Y3应变花粘贴示意图 图6.1.1-5 12#U肋腹板应变花粘贴示意图 图6.1.1-6第二阶段应变监测 ②贴片位置统计 各点应变花具体粘贴位置如下表所示： 表6.1.1-1 应变片具体布置位置表 序号ERE试验段原路面 编号构件粘贴位置编号构件粘贴位置 1Y1横隔板27#横隔板北京侧，12#U肋右侧下缘角中部，紧贴应力释放孔Z1横隔板31#横隔板北京侧，12#U肋右侧下缘角中部，紧贴应力释放孔 2Y2横隔板27#横隔板北京侧，11#U肋左侧下缘角中部，紧贴应力释放孔Z2横隔板31#横隔板北京侧，11#U肋左侧下缘角中部，紧贴应力释放孔 3Y3横隔板27#横隔板北京侧，12#U肋右侧上缘角中部，紧贴应力释放孔Z3横隔板31#横隔板北京侧，12#U肋右侧上缘角中部，紧贴应力释放孔 4Y4横隔板27#横隔板珠海侧，12#U肋左侧上缘角中部，紧贴应力释放孔Z4横隔板31#横隔板北京侧，12#U肋右侧下缘角中部，紧贴应力释放孔 5Y5U肋 腹板27#横隔板北京侧,与12#U相交处，紧靠上缘角应力释放孔下端Z5U肋 腹板31#横隔板珠海侧,与12#U相交处，紧靠上缘角应力释放孔下端 6Y6U肋 腹板27#横隔板珠海侧,与12#U相交处，紧靠上缘角应力释放孔下端Z6U肋 腹板31#横隔板北京侧,与12#U相交处，紧靠上缘角应力释放孔下端 注：为防止部分应变片在测试过程中损坏，其中4、6号点设置为备份点，数据只做采集，不分析。 6.1.2 数据采集与处理 （1）数据采集 采用100Hz高速应力应变采集分析系统进行监测与数据采集，该系统每秒采集应变数据100个。 表6.1.2-1应变采集系统技术指标 测量点数每个数据采样箱可测16个通道 每个测试系统最多可控制8个数据采集箱(即128个通道) 每台计算机最多可控制32个测试系统(即4096个通道) 采样速率1、2、5、10、20、50、100（Hz）/通道 应变计灵敏度系数1.0~3.0自动修正 应变测量满度值±50000με；分辨率0.5με 系统示值误差不大于0.5％±3με 时间漂移小于3με/4h 温度漂移小于1με/℃ 图6.1.2-1第二阶段应变数据采集 以1号应变片为例，数据实时采集如下图。 图6.1.2-2 Y1应变1号点数据实时采集 图6.1.2-3 Z1应变1号点数据实时采集 由于每秒数据采集量巨大，过程长的采集时间会造成仪器失真，因此，第二阶段应变采集时间为3h。 （2）数据处理 通过Spectrum_Str_Amplitude（SSA）数据处理程序对采集的数据进行分析，根据应变花实测应变经滤波后求解应力幅谱。 ①输入应变采集仪excel数据文件： ②材料参数输入 6.1.3 应变监测数据对比分析 （1）对比分析方法 1）应力谱直方图 已有文献表明, 疲劳寿命对于应力幅非常敏感。因此，利用记录的应变数据进行疲劳寿命评估。在得到应变传感器所记录的每天的应变时程数据后，可采用以下步骤获得测试周期的应力谱： ①将应变时程数据乘以钢材的弹性模量得到应力时程数据。 ②找出应力时程曲线中的峰值和谷值。 ③对应力峰值和谷值序列进行雨流计数法处理。在计数后，需要将应力幅划分为若干区段, 将应力幅对应的循环数归并为若干应力幅等级，得到的直方图即为应力谱。 2）损伤度 根据Palmgren-Miner线性疲劳累积损伤理论： ①在相同的应力幅值作用下，每一次循环加载对结构造成的疲劳损伤都是相同的； ②不同应力水平的及其发生的次数所导致钢构件内部的疲劳损伤可以通过以下公式进行线性累加： 式中： D——结构的损伤率； ——应力幅作用的次数； ——疲劳强度曲线“S-N”中对应的疲劳寿命或用做常幅应力循环试验的疲劳破坏次数。 同样，参考《公路钢结构桥梁设计规范》、Eurocode3规范的疲劳曲线方程： 应力循环所引起的疲劳损伤为： 式中：n为的作用次数，N为与对应的疲劳寿命，在此基础上依据Miner线性疲劳累积损伤理论可变荷载作用下细节的疲劳损伤为： （2）计算结果 由于受仪器监测精度等外部因素影响较大，在绘制应力谱时，低于1MPa 的应力循环被舍弃。以下列举第1、2、3、5点的应变谱直方图分析（Y为ERE试验段、Z为原路面结构）。 图6.1.3-1左边原SMA路面、右为ERE试验段 （1号点位于横隔板处，12#U肋右侧下缘角中部，紧贴应力释放孔） 通过不同路面结构条件下，对应构造细节处应力幅谱图，可以发现：在同样的测试时间历程下，原SMA路面应力幅最大值为36.72MPa，ERE试验段应力幅最大值为35.98MPa；同时，ERE试验段下的钢结构应力幅整体呈减小趋势，相应的应力幅谱呈“向小应力幅区压缩”趋势。 基于Miner法则疲劳累积损伤理论，利用上述测试时段内数据可对比得到改造后的损伤度降低幅度为33.92%。综合判断为改造后钢结构受力性能改善较明显。
图6.1.3-2左边原SMA路面、右为ERE试验段 （2号点位于横隔板处，11#U肋左侧下缘角中部，紧贴应力释放孔） 在同样的测试时间历程下，原SMA路面应力幅最大值为18.60MPa，ERE试验段应力幅最大值为14.94MPa；同时，ERE试验段下的钢结构应力幅整体呈减小趋势，相应的应力幅谱呈“向小应力幅区压缩”趋势。 基于Miner法则疲劳累积损伤理论，利用上述测试时段内数据可对比得到改造后的损伤度降低幅度为47.06%。 图6.1.3-3左边原SMA路面、右为ERE试验段 （3号点位于横隔板处，12#U肋右侧上缘角中部，紧贴应力释放孔） 在同样的测试时间历程下，原SMA路面应力幅最大值为13.72MPa，ERE试验段应力幅最大值为13.58MPa；同时，ERE试验段下的钢结构应力幅整体呈减小趋势，相应的应力幅谱呈“向小应力幅区压缩”趋势。 基于Miner法则疲劳累积损伤理论，利用上述测试时段内数据可对比得到改造后的损伤度降低幅度为71.79%。
图6.1.3-4左边原SMA路面、右为ERE试验段 （5号点位于U肋腹板处，与12#U相交处，紧靠上缘角应力释放孔下端） 在同样的测试时间历程下，原SMA路面应力幅最大值为18.98MPa，ERE试验段应力幅最大值为16.42MPa；同时，ERE试验段下的钢结构应力幅整体呈减小趋势，相应的应力幅谱呈“向小应力幅区压缩”趋势。 基于Miner法则疲劳累积损伤理论，利用上述测试时段内数据可对比得到改造后的损伤度降低幅度为56.94%。 6.2 运行现状及后评估 目前ERE钢桥面试验段已经运行11个月，总体情况良好，没有出现车辙、推移、裂缝等病害表现，见下图。
图6.2-1 ERE试验段运行情况 试验段运行相关指标检测如下： 表6.2-1 ERE试验段运行情况检测 检测项目检测结果备注 表面状况表面无裂缝、坑槽、推移目测 渗水系数不渗水T0971 平整度1mmT0931 构造深度1.2mmT0961 车辙深度2mm三米直尺 钢箱梁下部裂缝试验段范围内无新增裂缝其他路段出现裂缝164条 现场检测表明，钢桥面铺装各项性能指标均满足规范及使用要求，参考管理处调查结果，试验段范围内钢箱梁无新增裂缝，其他路段出现裂缝164条。 6.3 小结 军山桥于2015年8月完成了ERE试验段施工，目前已经运行约1年，从现场情况来看，总体情况良好，没有出现车辙、推移、裂缝等病害。现场路面渗水、车辙、构造深度等检测指标均良好。 2016年3~6月分两阶段采用贴应变片的方式，对ERE试验段和原SMA路面钢箱梁应力应变情况进行实测对比分析，结果表明，ERE试验段下的钢结构应力幅整体呈减小趋势，相应的应力幅谱呈“向小应力幅区压缩”趋势。不同构造细节处钢板疲劳损伤度分别降低约34%~71%。 7 研究结论与建议 7.1 研究结论 1、相比原设计，军山桥现有橡胶环氧砂浆双层SMA铺装体系取得了较好效果；但受限于沥青材料自身性能限制，近年来出现了一定车辙、推移、坑槽病害。同时，军山桥建设较早、钢板厚度较薄、桥面铺装夏季高温模量很低，近年来钢箱梁在超重载的作用下陆续出现了疲劳开裂，并有进一步发展的趋势，需要采取措施对其进行加固补强。 2、军山桥现有交通量已远超原设计交通量，货车占比超过50%，六轴重载货车占比27.2%，五轴车仅占1.8%，实际重载交通车型与原设计有较大差别。总重≥500kN的货车占全部交通量的15%以上，是造成桥面铺装层破坏、钢箱梁产生疲劳损伤、开裂的主要因素。 3、通过试验对比研究了SMA与冷拌环氧树脂沥青RA的性能。 ERE铺装体系具有优良的物理力学性能、路用性能显著优于SMA铺装，能够满足军山桥夏季高温及交通量大、重载率高的严酷使用条件；高温55℃、10Hz时，RA混凝土动态模量是SMA的8.9倍，更有助于减少重载条件下钢箱梁的疲劳损伤。试验段已经运行11个月，总体情况良好，没有出现车辙、推移、裂缝等病害。 4、有限元计算分析了正交异性钢桥面受力特点，研究论证了提高铺装层模量对减少钢板疲劳损伤的可行性。 ①钢箱梁U肋与横隔板交界处容易产生局部应力集中；超重载对钢板造成的疲劳损伤更大，这与裂缝主要集中在重载车道的情况一致；同一轴重条件下横隔板的应力大于U肋的应力，表明横隔板相比U肋更容易产生疲劳开裂，这与全桥横隔板开裂更多、更严重的特点基本一致。 ②针对军山桥典型裂缝横隔板开裂，采用ERE试验段铺装相比原路面结构能使横隔板下圆角应力平均减小17.46%。高温时钢板疲劳损伤度降低51%，疲劳寿命提高1倍。综合考虑重载车型、数量与季节温度，初步估算军山桥原SMA铺装横隔板下圆角疲劳寿命为7年，采用ERE铺装后疲劳寿命为12年。 5、钢箱梁应变监测分析验证了ERE铺装对钢箱梁补强思路的正确性与有效性。 钢箱梁应变实测分析表明，ERE试验段下的钢结构应力幅整体呈减小趋势，相应的应力幅谱呈“向小应力幅区压缩”趋势，不同构造细节处钢板疲劳损伤度分别降低约34%~71%，与有限元计算结果基本吻合。 6、摸索出了一套针对军山桥钢桥面维修的施工工艺与质量控制手段，有如下特点：①7.5cm桥面宜分两层铺筑，中间采用抛丸/精铣刨处置，并增设一层EBCL界面，确保两层之间连接可靠；②纵向接缝应避开重车轮迹带，相邻路面施工时，须将边缘混合料切除5~10cm，但保留EBCL防水粘结界面，防止后续界面断开渗水。 7.2 建议 1、建议采用ERE冷拌环氧树脂铺装体系作为后续军山桥大中修养护维修方案，从桥面铺装角度对钢箱梁进行补强，弥补钢箱梁钢板厚度较薄的问题，延缓疲劳裂缝产生与发展。 2、仅采用ERE铺装，尚不能完全保证高温、超重载时横隔板应力幅降低到安全范围，建议同时采用其他钢箱梁裂缝综合加固处治措施。
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施工技术总结
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