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正交异型钢桥面板铺装体系使用寿命因素分析

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摘要：桥面铺装指的是为保护桥面板和分布车轮的集中荷载，用沥青混凝土、水泥混凝土、高分子聚合物等材料铺筑在桥面板上的保护层。又称车道铺装，其作用是保护桥面板防止车轮或履带直接磨耗面，保护主梁免受雨水侵蚀，并借以分散车轮的集中荷载。常用的桥面铺装有水泥混凝土，沥青混凝土两种铺装形式。在不设防水层的桥面上，也有采用防水混凝土铺装的。桥面铺装层直接承受行车荷载、梁体变形和环境因素的作用，其变形和应力特征与主梁及桥面板结构型式密切相关。近十年来，我国加快了大跨径钢桥的建设步伐，这些桥梁几乎都采用正交异性钢桥面板和沥青铺装体系作为桥面系。但是由于没有经验和成熟的设计理论，正交异性钢桥面板上沥青铺装层在运行一到两年后，会出现横向或纵向裂缝，并逐步扩展。到目前为止，我国正交异性钢桥面铺装设计与施工还未完全取得成功，仍是大跨径钢桥急待解决的关键技术之一。

关键词：正交异性钢桥面板；沥青铺装体系；影响因素；使用寿命

1正交异性钢桥面的定义和发展历史

正交异性钢桥面结构由横向横隔梁、纵向加劲肋及其共同支撑的桥面板组成，桥面结构纵横两个方向弹性性能不同，同一方向不同位置桥面刚度也存在差异，这些因素形成了正交异性钢桥面板的刚度及变形的不均匀性，这种桥面板刚度特点也对桥面铺装性能提出了更高的要求。正交异性钢桥面前期的发展动力主要是二战后德国重建大跨径桥梁，当时钢材短缺，而正交异性钢桥面具有节省钢材的优点。

2正交异性钢桥面板的力学特性

2.1构造特点

在大跨径的桥梁建设中，常采用箱形截面正交异性钢桥面板。它的构成部分主要是顶、底板，腹板和加劲构件。顶板一般厚度不小于10cm，并用密布的纵肋及垂直于纵肋的分布较疏的横肋来加劲；腹板沿长度方向需设置焊接或栓接的竖向接头，沿高度方向随尺寸设水平接头或采用整块钢板，其厚度在10～36cm间变化；底板一般也设有纵、横肋，横肋与顶板横肋位置一致，以组成横向连接系，纵肋布置间距较顶板间距大。此外，箱梁还应设有一定数量的横隔板或横框架以保证其整体作用，一般间隔10m～15m设置，跨中和支点截面必设。

2.2力学特性

正交异性板钢箱作为加劲梁，梁高底矮，如同机翼一样，空气动力性能好，横向阻力小，大大减小了塔的横向力；抗扭刚度大，顶板直接作桥面板，恒载轻，主缆截面可以减小，从而降低用钢量和造价。正交异性钢桥面板既承受车轮局部荷载，又与纵、横肋组成桥面结构，同时又形成钢箱梁的顶板，因此力学作用复杂，一般将其分为三个结构体系来计算，最后将应力叠加。第一结构体系指将桥面板作为箱梁顶板的体系，按闭口薄壁杆件分析应力。

2.3沥青铺装体系的结构形式

钢桥面铺装的使用条件比较恶劣，其对高温稳定性、抗疲劳开裂性、对钢板变形的追从性、层间粘接特性及完善的防、排水体系等均有极高的要求，否则对铺装层的正常工作状态不利。从减轻桥梁自重、经济和行车舒适性等方面考虑，大跨径钢桥一般采用薄层沥青混凝土铺装层。

2.4影响铺装体系使用寿命的因素分析

沥青铺装层必须为车辆提供长期稳定、平整的行车表面。但由于正交异性钢桥面板的柔度大，易产生较大的局部变形，在行车荷载、风载、温度变化等因素的影响下，其受力和变形远较公路路面或机场道面复杂，因而对钢桥面的受力状态、铺装材料的基本强度、变形稳定性能、疲劳耐久性、抗腐蚀性、水稳性、高温稳定性、低温抗裂性、粘接性、抗滑性、施工工艺等等均有更高要求。

3结构理论与设计

从现有的结构分析方法看，主要是用三维等参元模型进行分析，目前较多采用的是三维八结点和二十结点单元。对于不设防水层的情况，可以借鉴复合路面的处理方式。对于设防水层的情况，实际施工中防水层的厚度在2～5mm之间，一般约为3mm。由于防水层的厚度很薄，有的学者将其简化为一种接触条件来处理。桥面铺装层是一种特殊的路面结构，如何合理简化荷载模型，以及如何进行横向和纵向布载，也直接关系到计算结果的精确程度。

3.1粘结层性能

因水平摩擦系数不同，粘结层为滑动状态比连续状态的铺装层水平方向应变峰值高15％～34％。因此，粘结层结构可靠的粘结性能不仅保证铺装层粘附于桥面板，而且可以改善铺装层结构内部的应力应变状态。粘结层结构是保证铺装层可靠性的一个关键环节，应从设计、材料、施工等方面来满足粘结层的性能要求。

3.2防水层的设置

目前在保证铺装层具有完善的防水系统条件下，取消防水胶层可避免层间接合强度不足的问题，经常采用的防水粘结材料是0.8～1.2mm的热熔型和溶剂型两种，热熔型粘结材料以沥青、聚合物和树脂等构成，实践表明溶剂型粘结材料难以达到粘结牢固的效果，所以目前防水