论钢结构桥梁设计新规范对桥面铺装性能指标的影响

论钢箱梁设计新规范对钢桥面铺装技术指标的影响

张志宏（宁波天意钢桥面铺装技术有限公司）

1、钢桥面铺装技术要求的现状及存在的问题

国内大跨径钢桥面沥青混凝土铺装曾被视为是桥梁界的一项工程难题，各种不同的铺装技术流派对钢桥面铺装为什么会破坏的理解不同，所采用的工程材料也不相同，因而各流派形成了各自的“铺装技术规范”。这些“规范及技术要求”彼此间不能相互解释，有些指标缺少必要的理论分析支撑，经不起三盘两问，某些技术要求挂一漏万，缺少逻辑上的严谨与闭合，“铺装规范”的严肃性和可信性也因此大打折扣。造成这种现象的主要原因之一是，过去的钢结构设计规范对钢桥面铺装要求缺少必要的约束，导致了“铺装规范”与大桥的结构分析相对脱节，铺装技术指标纷乱。大桥的结构设计人员对这种非弹性铺装领域的技术争执往往缺少深入的研究，因“铺装规范”标准各异，大桥设计人员在比选铺装设计方案时往往十分困惑，许多时候只能照抄某一种“被批准的规范”作为桥梁的施工图设计，或将铺装技术方案留待某个课题组进行专项研究，最后由领导和专家组另行审查确定。

新出版的公路钢结构桥梁设计规范对钢桥面铺装提出了新的要求，就某些重要的指标做出了明确的限制，结合新规范的要求，本文仅就钢桥面铺装应具有哪些主要技术指标以及如何合理的确定这些技术指标进行讨论。

2、钢箱梁设计新规范出台对铺装材料的模量提出了新的要求

国内早期建造的钢箱梁顶板较薄，经十几年大流量重载交通的运行，现在发现，许多大桥的钢箱梁顶板在轮迹带附近的U型加劲肋或纵隔板位置都出现了纵向的疲劳断裂裂缝。显然，这种纵向疲劳断裂与钢板在该位置的横向弯拉疲劳应力幅有紧密关系。此次出台的设计新规范在14.0.6条规定，钢板与铺装合成后的钢桥面铺装在U肋间的挠跨比D/Ｌ不应大于1/1000，这实际上相当于对该位置钢板的疲劳应力幅的最大值提出了明确的限制要求。

钢箱梁在某一横断面顶面钢板的横向弯拉应力σ，必定与作用在铺装层上的车轮荷载P的大小成正比，与铺装层的截面抵抗距W₁和铺装层的模量E₁以及钢箱梁顶板的截面抵抗距W₂和钢材的弹性模量E₂成反比。在计算荷载P和铺装层厚度h选定之后，限定钢板的弯拉疲劳应力幅σ不得大于某一最大值，则意味着，设计者要么提高铺装层的弹性模量E₁，要么就要增加钢箱梁顶板的厚度，以提高钢板的截面抵抗距W₂。当钢箱梁顶板的厚度也被选定时，P、W₁、W₂和E₂ 等值都是确定的常量，σ仅与E₁有关系，即铺装层的弹性模量值E₁必定是一个不得小于多少的确定值。换句话说，铺装层的材料特性就此有了“弹性模量”的约束，从事铺装的技术人员不能再像以往那样依照个人的理解及好恶自由地选择钢桥面铺装的材料。这是钢结构设计新规范对铺装材料的技术要求带来的主要约束和影响之一。

（组合构件示意图）

3、钢桥面铺装的界面防水粘结层

钢桥面铺装安全与否的第一个关键要素是界面防水粘结层对上（铺装层）对下（钢板）的牢固粘结，即保证铺装层与钢板组成一种计算意义上共同受力的组合结构。在此约束下，铺装层与钢板在界面交界处的变形必定是连续的，不能出现相对位移（剪切滑移）或脱层。同时，防水粘结层还应具有可靠的防水功能，防止钢板发生锈蚀以及铺装层发生水损害。

因此，对界面粘结材料的强制性要求应该是，在钢桥面铺装任何使用温度区间内（或-20~70℃），其界面粘结材料对钢板的粘结力必须≥依据结构受力计算所得的界面剪力+安全储备（包括一定程度的超载）。当前结构计算的一般共识认为，铺装的界面剪力一般为0.5MPa左右，在不利荷载和温度的组合下，铺装界面的剪应力有可能达到或超过1.0MPa。因此，新规范在14.0.12条规定，防水粘结层与钢板的拉拔强度（60℃）不宜低于1.75 MPa，其背后的逻辑依据是，在夏季高温季节，钢桥面不可能封闭交通，防水粘结层即使在最不利的高温状态下也应保持对钢板足够的粘结力。过去某些“铺装规范”对防水粘结材料只规定了常温（25℃）下的粘结强度指标，但对高温状态下防水粘结材料应具有的最低粘结强度却没有制定强制性的要求，其逻辑上的缺失是，夏季高温季节钢桥面需要封闭交通吗？

至于防水粘结材料自身的可变形能力（胶结料断裂伸长率）新规范并未进行具体规定。但合理的理解是，胶结料的断裂伸长率必须≥钢板的极限变形能力+一定程度的安全储备。其逻辑依据是，在界面处变形连续的约束下，界面胶结料不可能离开钢板的约束自由伸缩变形，而钢板的极限变形能力则受制于胡克定律。以Q345钢材为例，当钢材的使用应力达到345 MPa时，其极限应变值约为1650X10^-6，即约0.165%。若钢板的变形超越了这一极限，钢箱梁结构则处于流变垮塌的状态，钢桥面铺装也就失去了存在的意义。因此，界面胶结料自身的断裂伸长率若大于10%或20%，即百倍于钢材的极限变形，其可变形能力已足够满足钢箱梁任意变形的需要了。过去，某些“铺装规范”片面的要求界面粘结材料的断裂伸长率需≥130%，在理论上即不能被证明是充分必要的，也不能证明≤130%必定会导致铺装破坏，作为“规范”在逻辑上缺乏应有的严谨。事实上，要求断裂伸长率≥130%是某种特定粘结材料自身所具有的变形特性，并非是为满足钢箱梁铺装受力变形必须要具备的特征。

在满足粘结强度和变形能力的前提下，界面胶结料的其它特性，例如防水能力、对钢板的亲和性、耐候能力、施工方便的和易性以及铺装层开裂后界面材料安定性等要求也应进行规定。然而，无论其它性能何等重要，均不应对胶结料的粘结强度和最低可变形性的强制要求构成实质性的更改。设置钢桥面铺装防水粘结层材料的性能指标应遵守这些强制规定和相应的逻辑关系，不应任意制定。

4、钢桥面铺装的结构功能层

钢桥面铺装一般是多层结构，其结构组成一般包括界面防水粘结层、铺装结构功能层和表面行车功能层。各层结构设置的目的不同，承担的任务不同，使用的关键材料可能相同也可能有所不同。铺装的结构功能层通常是指去掉了表面行车功能层剩余的钢桥面铺装部分，该结构功能层在铺装体系中发挥着承上启下的作用，即承担着综合防水、分担车轮荷载的功能，又作为表面行车功能层的支撑平台，是铺装体系的主体结构。在组合结构受力计算时，这部分结构应计取模量参加计算。这样的规定主要是基于计算偏安全的考虑，因为，在夏季高温状态下，表面行车功能层的沥青类铺装材料的模量值会极度降低，不宜取值参加受力计算。

在以往的铺装规范中，该铺装结构功能层材料的基本特性要求由各流派自己制定，并不考虑材料特性与钢箱梁结构的照应关系。例如某种铺装混合料，除了施工的和易性要求外，其综合力学性能的要求只有高温动稳定度和低温弯曲极限应变两个指标，而且其动稳定度要求仅仅是≥300或500次/mm（60℃），甚至远远低于常规沥青混凝土部颁规范≥3000次/mm的基本要求。动稳定度这个必要指标的取值是否充分满足了承担车辆荷载的需要？与现行沥青混凝土道路规范的巨大差距如何解释？这些存疑都未能在其“规范”中找到相应的解答，更谈不上铺装层材料性能与照顾钢箱梁受力的相关关系了。支持某混合料这样规定的唯一解释是，过去英国人和日本人等也是这样做的。然而，这种解释掩盖了每座桥梁在钢箱梁结构、气候条件、车辆荷载等诸多方面的个性化差异，逻辑推演上过于粗糙。此次钢结构桥梁设计规范在14.0.13条明确规定，钢桥面铺装层的动稳定度（60℃，0.7MPa, 60min）不应小于3000次/mm。此规定至少在逻辑上规避了与现行沥青混凝土道路规范的直接冲突。

以笔者的观点，依据钢箱梁新规的要求，铺装结构功能层至少还应包括以下几个重要的基本要求：

1） 马歇尔稳定度和流值

选择马歇尔试验作为重要的技术指标之一并非是马歇尔试验多么科学。但不可否认，马歇尔试验最为广大工程技术人员所熟知，工地日常施工最容易可快速获得试验结果。马歇尔试验另一项十分有益的功能是马歇尔稳定度压力曲线图，由该曲线图不仅可以大致判断混合料试件的弹性模量（斜率），更可以知道铺装材料的“内聚能”（曲线下的面积），由此可判断外来车辆荷载欲破坏铺装层所需要做的功。由压力曲线图可见，树脂沥青混合料（RA）与SMA混合料在“内聚能”方面存在巨大差异。

混合料的“流值”本质上是描述试件受力下的变形特征，当铺装结构功能层材料的“流值”不劣于普通沥青混合料的规范规定时，其变形能力当无需置疑。

马歇尔试件稳定度曲线图

2） 铺装混合料的孔隙率和不透水性

铺装混合料的不透水性当然应是钢桥面铺装的最重要指标之一。表达铺装层是否渗水最直观的指标是混合料的设计孔隙率，尽管铺装层是否存在贯通空隙（渗水）与铺装层的厚度有关，但任何用于铺装结构功能层的混合料孔隙率大于2%或3%时都要小心渗水导致铺装层发生水损害的问题。

3） 混合料的水稳定性

混合料的水稳定性试验包括浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比，描述的是铺装混合料在长期浸水或冻融状态下应具有的稳定性。因为钢桥面铺装混合料的空隙率相对更小，水对试件的影响应当更小一些，其技术要求总应该比道路用的沥青混凝土的规定要高一些。

4） 抗车辙能力（动稳定度）

动稳定度试验描述的是铺装混合料在高温下抵抗车轮荷载保持自身形状不发生较大变化的能力。在夏季高温季节，铺筑在钢板上的混合料承受的环境温度会达到或超过60℃，一般认为，这个环境温度比普通道路沥青路面的环境温度大约高10℃左右。现行沥青混凝土道路规范规定，优质道路沥青混凝土应≥3000次/mm（60℃）。作为钢桥面铺装重要的结构功能层其混合料的动稳定度要求总应该更高一些，例如，应≥5000次/mm（70℃）。

5） 低温弯曲适应变形的能力

小梁低温弯曲试验（T 0715）描述的是铺装混合料应具有的低温极限变形能力，防止铺装层因变形能力不足导致铺装失去随从钢板的变形能力进而出现开裂。钢桥面铺装混合料应达到普通道路沥青混凝土相同的低温变形能力恐怕应是最起码的要求，即应≥2800X10^-6。在其它技术要求满足的前提下应当追求更好的低温变形能力。需要强调的是，弯曲极限应变的试验方法和表述应该统一，某些铺装混合料有时用≥8000 X10^-6的结果彰显其优良的低温变形能力，其实这是一种故意的误导，因为该结果是按日本宽梁试验方法获得的，若按国标T 0715的小梁试验方法，其极限应变值只有约3000 X10^-6。

6） 铺装混合料在不同温度及荷载频率下的动态模量

混合料的动态模量反映的是粘弹性材料在瞬时车轮荷载作用下的变形及响应情况。不同的环境温度以及不同的荷载频率（荷载持续时间）对动态模量试验结果影响很大，其极端的动态模量数值可相差近百倍。以往的结构计算结果之所以有很大的局限性，皆是因为采用了一个假定的沥青混合料的模量值，忽视了动态模量在不同温度及荷载频率下的巨大差异。在进行铺装组合构件受力分析时，设计人员应了解不同铺装材料在不同工况下的动态模量，依据桥梁的使用工况正确的选择所用的计算动态模量值。需要指出，沥青类粘弹性铺装材料在高温、重载、慢速下的动态模量值通常是很低的，这与钢桥面铺装在重载车道上坡路段最容易发生破坏的现象是相当吻合的。若为了延缓钢箱梁顶板的疲劳开裂而限制钢板的疲劳应力幅σ时，铺装混合料模量相应的最小值也就受到了限制。若铺装材料的动态弹性模量不能满足结构受力的计算要求，则需要考虑增加钢箱梁顶板的厚度，以求钢板的计算疲劳应力幅被限定在规定的范围以内。

7） 混合料的耐疲劳能力

防止钢桥面铺装出现疲劳开裂进而引起渗水脱层等病害是需要格外关注的另一个重要问题。用薄钢板与铺装层组成小梁组合构件进行弯曲疲劳试验可比较真实的描述铺装混合料在受弯状态下的耐疲劳性能。铺装层的试验疲劳寿命不仅与自身的材料性能有关，更与小梁弯曲疲劳试验时承受的应变（挠度）大小直接相关，采用不同的控制应变值进行疲劳试验可导致疲劳寿命次数呈现指数级的差异。应采用何种应变进行疲劳试验取决于设计者对钢板疲劳应力幅的考虑。一般认为，出于尽快结束疲劳试验的需要，试验控制应变一般不宜小于300X10^-6。

由以上的分析可知，作为钢桥面铺装的结构功能层混合料应受多种技术要求的制约，不应片面的强调某一方面的特性而忽视其它方面的性能要求。以往的钢桥面铺装之所以容易出现多种病害，许多时候是因为缺少对铺装材料性能的综合约束。

5、表面行车功能层

表面行车功能层的作用是为桥面铺装提供平整舒适的外观和行车安全所需的粗糙抗滑性能。当以相对廉价的沥青类材料作为表面功能层时，钢桥面铺装设计已经引入了长寿命路面的概念，即，当表面功能一定程度的丧失时，可以及时更换铺装的表层结构，以低廉的代价换取铺装整体更长久的使用寿命。铺装表面功能层的沥青混合料需优于现行道路沥青混合料的技术要求应是起码的最低要求，在此无需赘述。

6、未雨绸缪，改进铺装材料的性能，适应新规范对铺装的要求

在国家公路钢结构桥梁设计新规范出台启用之际，国内各主要铺装技术流派当结合新规的要求重新审视自己钢桥面铺装的某些技术要求和规定，改进铺装材料的某些特性，补充试验确定铺装材料的模量和耐疲劳性能，研究钢箱梁顶板厚度与铺装材料性能的相关关系，使未来的钢桥面铺装适应新规的要求。这种努力和改进，无论最终的结果如何，都将有力的推动我国钢桥面铺装技术的进一步提高。

                                                           2016/06/10

2510

4845

5614

约1倍

15℃

102

1449

1677

约15倍

30℃

12

413

566

约40倍

55℃

5

388

514

约80倍

RA和SMA在不同温度下的弯模量变化趋势

4.3混合料的动态模量

  常规RA10混合料动态模量数据

SMA13混合料动态模量数据

*本动态模量对比试验是按控制加载应变获取的。提示：若按相同加载荷载控制，SMA混合料的变形会更加充分，模量值还要偏小一些。

 RA10和SMA-13动态模量对比柱状图

4.4 模量差异原因的分析

从静态弯压模量试验的结果可知，RA混合料比SMA混合料模量大很多，造成这种差异巨大最主要的原因是RA混合料采用树脂沥青（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。所以，RA混合料比SMA混合料具有更高的模量和更好的耐高温能力。在小梁弯拉状态下，混合料的模量是依据荷载和测量挠度的规范公式计算的。当温度较高时，SMA混合料小梁甚至无需加载，在自身重量下也会持续发生弯曲，表明基于弹性理论的小梁弯曲计算公式已经不能适用，所测得的挠度已经失真，计算所得的弯模量也失去了应有的真实。在同样状态下，RA混合料明显优于SMA混合料。

当动态模量试验时，在低温及高频荷载状态下，SMA混合料受力变形的滞后效应来不及充分表达，骨料间断级配造成的骨架支撑作用使其弹性特征表现充分，因此，SMA混合料与RA混合料的模量差异并不明显，两者相差仅约一倍左右。但当温度升高且荷载频率降低时，沥青材料的蠕变特性则表达的相对充分，因RA混合料没有这一明显的温度蠕变特性，故两者的模量差异也越发明显。极端情况下，两者的模量差异也接近80倍，这与小梁弯曲的试验结果是近似的。

5、依据模量差异计算钢板的疲劳应力幅

基于车辆荷载运行时车轮对铺装层加载的瞬时性，采用动态弹性模量计算组合结构的内力相对合理。出于计算简捷和计算结果偏安全的考虑，我们可以忽略冬季低温时RA与SMA的模量差异，关注的重点可集中于春秋和夏季的气候条件。依据长江中下游广大地区春秋季节和夏季高温季节黑色沥青路面的地表温度实测情况，可选取15℃和55℃作为春秋常温和夏季高温的代表温度，选取10hz频率下的模量作为计算模量值。可以假定，春夏季节占一年的一半，夏季高温占一年的四分之一，据此将不同温度下模量差异导致的钢板疲劳寿命差异折算成自然年。

在15℃常温时，RA混合料的动态模量约为24000 MPa， SMA混合料相应的动态模量约为11153 MPa，两者相差约2.1倍。在55℃高温时，RA混合料的动态模量3680 MPa，SMA混合料相应的模量为412 MPa，两者相差约8.9倍。

 用RA混合料替代原SMA混合料更换钢桥面铺装，维持70mm铺装总厚度不变，公规院的林道锦博士用有限元方法计算的钢板与U肋相接处的疲劳应力幅减少了？%。长沙理工大学的赵峰军教授用叠层梁简化公式计算的疲劳应力幅减少了？%。两者相差并无本质差别。依据钢材的应力幅与疲劳寿命关系公式计算，钢箱梁顶板的疲劳断裂寿命可因此延长？年。需要指出，在高温重载慢速条件下，SMA混合料的蠕变特性更加明显，两者的模量差异更大，计算结果更有利于ERE铺装。

6、结论

用ERE铺装替换沥青类的铺装可以有效地提高铺装层的模量，降低钢板与U肋处的疲劳应力幅，延长钢板疲劳开裂的使用寿命。在满足结构使用需求的前提下，钢桥面铺装及相应的维修技术还应重点兼顾工程造价、施工便捷和后期的养护维修方便等方面的需要，可常温施工并较快固化的树脂沥青混合料材料值得重点关注。

参考文献

1） 动态模量试验结果由江苏交科院李宁博士提供。

2） 静态弯压试验模量试验由宁波天意钢桥面铺装技术公司南海军工程师提供。

算例图

钢箱梁横断面图

斜拉桥钢箱梁顶板厚12mm、U肋厚6mm，横隔板厚8mm。全桥共设四条纵腹板，横隔板标准间距为3米，钢箱梁总长为962m，净宽33.5m，总宽38.8m。铺装厚度70mm。