论钢箱梁顶板疲劳裂缝的补强加固方法

论钢箱梁疲劳裂缝的补强加固方法

张志宏

1、问题的提出

国内早期建造的大跨径钢箱梁桥桥面钢板较薄，通常只有12mm厚，钢桥面铺装层多采用SMA等模量较低的沥青混凝土材料，经十几年运行后，许多大桥不仅钢桥面铺装出现了较为严重的推移开裂病害，而且钢箱梁顶板、U肋和横隔板等钢结构也出现了许多疲劳裂缝，严重影响了大桥的结构安全。目前，这些桥梁还承担着繁重的干线交通任务，完全封闭交通对钢桥面铺装层及钢结构进行彻底的修复是不现实的，许多业主单位迫切需要一种简单有效的施工技术和方法，在不中断交通的情况下能对破损的桥面铺装进行修复，同时也能有效的对开裂的钢结构进行补强加固，使大桥的安全使用寿命得以延长。

2、钢箱梁裂缝的原因分析和解决问题的思路

纵观这些钢箱梁的裂缝情况可知，裂缝的主要形态可分为两类，一类是钢箱梁顶板与U型加劲肋或纵隔板交接处的纵向疲劳开裂，另一类是横隔板与U型加劲肋焊接处的竖向开裂。

造成顶板与U型加劲肋或纵隔板结合处纵向疲劳断裂的主要原因是沉重的车轮荷载使顶面钢板局部产生了较大的弯曲变形，使得顶板与U肋结合处的疲劳应力幅过大，因而引发钢板的早期疲劳断裂。造成横隔板与U肋焊接处的竖向开裂的主要原因是，车辆活载使得较宽的钢箱梁在两侧拉索（吊索）之间发生了整体的横向弯曲变形，致使钢箱梁内部的横隔板与U肋焊接处出现了较大的拉应力，因而出现竖向的撕裂拉开。

依据组合结构的内力按刚度分配的法则可知，通过提高铺装层材料的模量（刚度）可以有效地减小顶板与U肋交界处的疲劳应力幅。但提高铺装层模量对改善钢箱梁横向整体弯曲的贡献甚微，需另觅技术途径减少横隔板与U肋焊接处的竖向撕裂问题。本文关注的重点是如何提高钢桥面铺装层的力学性能，同时又能通过提高铺装层的刚度，减小顶板与U肋间疲劳应力幅。至于横隔板与U肋焊接处的竖向撕裂问题，则可以通过在钢箱梁内部横隔板位置施加横向预应力的办法予以解决，抵消掉撕裂处的拉应力。这种做法几乎不增加多少结构的恒重，在施工操作上也简单可行，本文在此不作详细讨论。

显而易见，在不改变铺装厚度的情况下，问题的焦点是寻找一种简单的施工技术和关键材料，能使桥面铺装的质量大幅改善，同时又能使桥面铺装的模量比原来的沥青铺装有大幅度的提高，进而使钢板的疲劳应力幅减少到不发生疲劳开裂的程度。

近年来逐渐流行的ERS和ERE钢桥面铺装技术为解决上述问题提供了启示。ERS铺装的关键材料是树脂沥青混凝土(Resin Asphalt)，其RA混合料可以在常温下施工并固化，且具有较高的强度和模量。特别是由ERS派生出的ERE铺装结构，其铺装主体完全由树脂沥青混凝土构成，其综合刚度更大一些。用ERE铺装替代原有的SMA沥青混合料铺装则有可能实现即改善铺装又能补强钢板的工程愿望。

3、ERE铺装的原理

在钢板抛丸除锈后，在钢板表面上涂布一层树脂沥青胶结料并撒布3-5mm单粒径小碎石，使之固化后将钢板完全封闭，形成可靠的防水粘结层（EBCL）。该EBCL胶结料由环氧树脂和石油沥青（A组分）和常温固化剂和石油沥青（B组分）构成，当A、B组分混合后，环氧树脂、固化剂连同石油沥青发生复杂的交联固化反应，生成不可逆转的固态树脂沥青胶结料。该胶结料与钢板的粘结强度≥10MPa/25℃，足够约束铺装层不发生剪切滑动。

在EBCL界面上铺筑的树脂沥青混合料（RA）具有很高的强度和稳定性，纵使夏季高温和超重载也不能使其产生任何车辙或开裂破坏。RA混合料能够在常温下施工并快速固化，这种材料特性给桥面维修操作带来许多便利。采用ERE铺装更换破损的旧桥面可以逐车道进行，无需全桥封闭交通，每车道更换施工仅需1-2周即可重新恢复交通。RA混合料孔隙率很小，完全不透水，可防止钢桥面铺筑发生水损害。最后在RA混合料顶面再做一层EBCL罩面的目的是为了使钢桥面铺装具有均匀的外观和粗糙抗滑的性能，这种铺装结构就是ERE铺装。杭州湾跨海大桥钢桥面曾采用ERE铺装方式进行维修获得了良好的应用效果。

4、RA混合料与SMA混合料的模量试验和对比

用ERE铺装替代普通沥青混凝土铺装能否起到对钢板的补强作用的关键是两种铺装的“弹性模量”有多少差异。以往的桥面钢板与沥青铺装组合体系的受力计算多依赖于某一种假定的沥青混合料的“弹性模量”，但关于如何合理的确定“弹性模量”进行结构计算，业界的相关研究较少，因而计算结果有很大的局限性。

沥青混凝土的模量与环境温度紧密相关，温度高则沥青粘度降低，沥青混合料的模量值迅速减小。另外，沥青混合料的模量还与荷载的频率和持续时间紧密相关，沥青混合料受力时其变形响应的滞后效应对模量值的确定也有很大影响。一般钢箱梁桥梁工作的温度区间为-15-65℃，在此区间内，沥青混合料的模量值变化剧烈，较低温度时，混合料呈现出一定的弹性特征。温度较高时，沥青混合料受力产生塑性蠕变的特征则充分显现。用不同的测试方法测得的不同温度以及荷载频率下的模量，可得到众多的模量值结果，彼此相差巨大，无法被计算“合理采用”。我们需要研究对比不同材料在不同工况下的模量变化规律，使得依据模量的结构计算结果真实可信且偏安全。

鉴于出现钢板疲劳断裂的情况多见于早期SMA铺装的钢桥面，以SMA混合料作为参照物与树脂沥青混合料RA进行不同工况不同试验方法的模量对比具有实际的工程意义。

4.1 混合料的抗压破坏模量

马歇尔试件圆柱体抗压破坏模量汇总结果（T0713、T0714）MPa

小梁弯曲劲度模量汇总结果（T0715、T0728）MPa

4.3混合料的动态模量

常规RA10混合料动态模量数据

增强型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：若以施加相同的荷载控制，SMA混合料的变形会更加充分，模量值还要偏小一些。

4.4模量差异原因的分析

从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、耐高温能力和韧性等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。在小梁弯压状态下，RA胶结料因其强度和韧性使得RA混合料小梁能够承受更大的弯压荷载和挠度而不发生过早断裂，因而表现出更高的模量和更大的极限变形能力，即便温度较高时，RA混合料小梁仍能承担一定的弯曲荷载。而SMA混合料在温度较高时模量迅速减小，小梁甚至无需加载，在自身重量下也会持续发生弯曲。这是由沥青材料的高温流变特性决定的。

在低温及快速荷载状态下进行动态模量试验时，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，试验所得的SMA混合料与RA混合料的模量差异并不明显，两者相差仅约1-2倍。但在高温和慢速荷载状态下，沥青类的SMA混合料的蠕变特性则表达的相对充分，其动态模量值大幅降低，而RA胶结料经固化反应后成为不可逆转的固体材料，其混合料的温度蠕变特性大幅降低，故两者的模量差异也越发明显。极端情况下，两者的动态模量差异可达80倍。

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，我们可以选取10hz频率下的动态模量作为计算模量，忽略冬季极低温时RA与SMA的模量差异，重点考察春秋和夏季的气候条件下铺装层模量变化对钢板疲劳应力幅的影响。

依据上述的模量研究，湖北交通设计院以军山大桥用ERE铺装替代原SMA铺装为背景进行结构受力计算，得出钢箱梁各位置疲劳应力幅的减少情况，见表5-1。

表5-1  应力幅减小幅度表

由表中的数值可知，用RA混合料替代沥青类的SMA混合料可使钢板的疲劳应力幅减少约40%左右，依据应力幅和钢材的疲劳寿命曲线估算，这种幅度的疲劳应力幅减少可使钢板的疲劳断裂寿命延长至少约30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，用ERE铺装替代SMA对减少钢板疲劳应力幅的作用则更加明显。

钢桥面铺装自身受车辆荷载冲击和自然条件老化等多种因素影响，其使用寿命是有限的，一段时间后，钢桥面铺装总需要进行一定的维修或更换，若维修或更换的周期能达到15-20年已属十分优秀。当采用ERE铺装更换SMA铺装使钢板延长的寿命超过了铺装层自身寿命时，本文所述的用铺装补强现有钢箱梁薄弱顶板的愿望已经实现了。

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，有效降低钢板与U肋处的疲劳应力幅，延长钢板疲劳开裂的使用寿命，而且施工操作相对简单，维修代价低廉。

在满足结构使用需求的前提下，没必要一味地追求铺装材料或结构的高性能而大幅增加施工困难和造价。钢桥面铺装及相应的维修技术还应重点考虑工程造价、施工便捷以及后期养护维修方便等方面的需要。

ERE铺装可常温方便施工、快速恢复交通等特点对大桥维修施工十分有利。

* RA13油石比为7.7%，RA10油石比为7.5%，

4.2.2  RA混合料的拌合生产和摊铺碾压施工

常温施工的RA混合料可由JS750水泥强制式搅拌机进行拌合生产。摊铺碾压与常规的沥青混凝土施工类似，但常温施工使摊铺施工更为方便，所不同是RA混合料密实度的获得主要依赖胶轮压路机，光轮压路机仅仅是用于消除胶轮的碾压痕迹。

ERE铺装最终的表面平整度主要依赖RA混合料顶面的平整度控制。针对不可消除的压路机压痕，可在RA混合料固化后用人工打磨机将凸凹部分磨平，并用三米直尺检测打磨效果。顶面EBCL抗滑层罩面施工时，强调喷砂机连续均匀的行走，保持打掉的RA厚度均匀一致。另外，控制EBCL胶结料刮涂的数量一致和碎石撒布量一致也是十分必要的。

五、研究结论

采用ERE铺装进行钢桥面铺装维修可以有效提高铺装层的刚度，减少钢板的疲劳应力幅。ERE铺装具有良好的高温稳定性，能够有效抵抗重车荷载，其常温施工的特点可使现场管理和质量控制都相对简便。总结军山桥ERE铺装的施工经验对其它类似桥梁的桥面铺装有重要参考价值。

3 原因分析和讨论

上述结果清晰地表明，层间防水沥青在温度高的时候因粘度下降变软，使层间抗剪能力削弱。沥青越多，影响越甚；当上面层SMA摊铺时，混合料的高温使界面撒布沥青融化，进入了铺装层底部的混合料中，使得上面层SMA混合料底部呈现蠕动滑移状态，也影响了铺装层的抗剪稳定。简单的计算可以发现，若界面撒布1.0kg/㎡的热沥青，相当于提高了上面层混合料约17%的用油量。（油石比从6.0%提高到7.0%）因此，特别是当铺装上面层较薄（一般均不超过100px）、重载车较多的夏季高温时节，这种因撒布沥青可能引起的桥面铺装剪切稳定问题亦应引起工程技术人员的高度注意。

4 结论

桥面铺装防水固然是必要的，但设置沥青类层间防水粘结层时还应慎重考虑铺装层的界面剪切问题，对于高温且重载流量大的桥面薄层铺装来说，选用实际洒布量小的改性乳化沥青作为层间粘结材料，从抗剪安全角度讲可能会比较适合。