钢桥 从白沙洲大桥看钢桥面铺装.docx

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钢桥从白沙洲大桥看钢桥面铺装

中南大学

土木工程专业《钢桥》课堂报告（本科）

题目科

从白沙洲大桥看钢桥面铺装

学科

钢桥

学生姓名

刘神斌

指导教师

周智辉

学院

土木工程学院

专业班级

土木1210

学生学号

1208121408

2015年3月18日

从白沙洲大桥看钢桥面铺装问题及解决方法

摘要：

白沙洲大桥桥面屡修屡坏，以之为例，寻找钢桥面容易有铺装问题的原因，从铺装材料，施工与环境，钢桥面刚度等方面进行讨论分析，并就几个关键问题进行论述。

关键词：

白沙洲大桥、桥面铺装、钢桥面、刚度、施工、规范、国外经验。

一、概述

经济的飞速发展促进也要求了与之相适宜的现代公路系统，各种大跨度的悬索桥与斜拉索桥越来越多，而这些大跨度桥梁为了增大跨度需要减少自重，所以大多采用钢箱梁或钢桁架结构，并且在正交异性板上做沥青铺装供车辆行驶。

对柔性桥梁钢桥面上的沥青铺装进行设计与施工一直是一项难度比较高的技术。

而在这种桥面上行驶的舒适性、安全性和耐久性已成为评价桥梁工程质量的一项主要指标。

这一技术也面临着以下问题：

钢箱梁体作为沥青铺装层的承载体自身的刚度存在欠缺，沥青铺装层与光滑的钢桥面面之间不能很好地结合。

在行车荷载的反复作用下，负弯矩处的沥青铺装层更加容易开裂。

高温季节，钢板传热快，会加剧沥青铺装层出现车辙的程度。

钢桥面对防腐的要求高，对沥青铺装层的裂缝要求更加严格。

对我国已建的多座大桥如：

江阴长江大桥、武汉白沙洲大桥、虎门大桥、军山大桥等的使用状况来看，相当数量的大桥的铺装层都在防水粘结层出现了破坏。

二、铺装结构

2.1、基本资料

白沙洲大桥全长3586米，主跨是斜拉桥，长1078米，其中钢箱梁段长904米。

钢箱梁标准阶段长12米，其间用50cm宽的连接板用高强螺栓连接。

桥面板顶宽29米，桥面纵坡

3.0%，横坡

1.5%。

人行横道宽24.5米，两侧为检修道。

2.2、气候

武汉市位于江汉平原东部，长江中游与长江、汉水交汇处，属亚热带湿润季风气候，雨量充沛、日照充足，四季分明。

气温最高气温大部分时候在37-39度，湿度往往较大。

冬季的平均气温在一般在1-3度，有寒潮或雨雪时常常在0度以下。

2.3、载荷

根据武汉市城市综合交通规划研究院提供的资料归纳得下表。

白沙洲大桥日交通量达7.8万辆。

其中大型车31980辆，比例达41%。

体现了过境车辆，重车比例大的特点，对于铺装高温车辙、疲劳开裂的影响，必须给予认真考虑。

2.4、原铺装方案

由白沙洲大桥的设计方案归纳得下表。

表二白沙洲大桥原桥面铺装结构设计方案

铺装结构层

铺装方案

铺装上面层

厚度30mm，SMA-13

铺装下面层

厚度40mm，SMA-1、改性乳化沥青洒布量为0.3-0.5L/

防水粘结层

厚度0.8-1.2mm，改性乳化沥青粘结层，预拌沥青碎石

防锈层

厚度0.5-1.0mm,环氧富锌底漆

钢板

厚度12mm,喷砂除锈Sa2.5

2.5、开裂成因分析

对桥面破坏出进行破除处理后发现，破坏位置主要位于铺装底层与防水粘结层之间，且两层之间已完全脱开，在正对裂缝处的环氧富锌漆防锈层均呈现出白色粉末状，这足以证明沥青混凝土铺装层与钢板之间是因粘结力的丧失而脱粘的。

这主要是由于在光滑的钢桥面板上进行沥青混凝土铺装时，高温条件下的现有防锈层和防水粘结层材料的粘结强度和抗剪强度偏低，易老化，抗挠曲变形能力差，伴随着交通载荷和钢板挠动变形的疲劳作用，在桥面局部刹车时，产生的剪切强度超过其极限抗剪强度，导致上下层之间发生脱粘，从而造成滑移和脱落

。

2.5、修改后的铺装方案

表三白沙洲大桥修改后的桥面铺装结构设计方案

铺装结构层

铺装方案

铺装上面层

厚度30mm，SMA-13

铺装下面层

厚度40mm，SMA-10、快裂型改性乳化沥青为0.4-0.6L/

防水粘结层

厚度2-3mmHBW高强度界面胶，均匀撒布粒径2.36-4.75mm的玄武岩2.5-3.5kg/

防锈层

厚度0.5-1.5mm，HBW高强度界面胶

钢板

厚度12mm,喷砂除锈Sa2.5

根据该桥面铺装修复方案，顺利实施了武汉白沙洲大桥的桥面铺装，并对桥面修复部位进行了多次重载车辆的急刹车试验，铺装层均未出现推移开裂现象。

经长期监测，桥面修复至今，修复部位还未出现任何开裂

。

三、桥面刚度

对正交异性钢桥面板的刚度，日本本四联络桥桥面铺装设计标准规定，在加铺铺装层后纵肋间局部挠度

曲率半径

。

经设计单位计算，钢桥面板裸板的肋间最大挠度0.236mm；曲率半径位27.1m，仅裸板数据已能满足要求。

加铺铺装层后因铺装与钢板的组合作用，刚度还有相当大的增强。

这说明白沙洲大桥钢桥面板的刚度是足够的

。

四、铺装施工

铺装方案的实施可以分为对钢桥面板的处理和铺装层粘结层的处理以及SMA层的铺设。

钢桥面铺装层与钢板之间的防水粘结层一直以来是桥面铺装破坏的症结所在，所以粘结层的耐久性直接影响了桥梁的使用寿命。

4.1、钢桥面板的处理

除锈应达到GB8923-88标准Sa2.5级（非常彻底的喷射或抛射除锈，钢材表面会无可见的油脂、污垢，氧化皮、铁锈和油漆涂层等附着物，任何残留的痕迹应仅是点状或条纹状的轻微色斑。

）为此，我们需要专业的除锈机进行除锈。

喷砂前检查桥面板的外观并对结构焊缝、焊瘤、焊渣等缺陷部分进行打磨修补，对桥面板上油污、盐分及其他脏物进行彻底清除，最后用高压水枪冲洗整个桥面板，直至无杂物、无尘、无油污为止。

干燥后开始喷砂。

在4小时内喷涂钢板除锈漆，以防止钢板的重新锈蚀。

4.2、粘结层的处理

粘结剂的撒布是整个钢桥面施工的关键工序。

粘结材料在施工前应充分溶化，搅拌均匀，升温至规定温度。

用沥青洒布车均匀撒布，撒布厚度控制在0.8-1.2mm。

在本次粘结剂的撒布施工作业中，由于纱布温度和机械方面的原因，未能均匀撒布，最后不得不采用溶剂型粘结剂进行人工补涂而造成了不必要的浪费

。

4.3、SMA层的铺设

采用了一台美国制造的PF5100型摊铺机。

在摊铺作业开始前熨平板预加热到150摄氏度，防止在起始部位发生熨平板粘料将铺装层表面拉毛而形成质量缺陷。

规定摊铺机行走的速度尽量放慢，铺装下层摊铺速度不超过1.3m/min，普涨上层不超过1.5m/min

。

五、各国经验

5.1、外国经验

日本、美国以及欧洲等国在钢桥面铺装方面已经积累了20多年的经验。

德国采用双层浇筑式沥青混凝土铺装；日本采用下层浇筑式上层改性沥青混凝土的双层铺装；英国采用单层浇筑式沥青混凝土（沥青玛碲脂），表面嵌入防滑碎石。

美国则多采用环氧沥青混凝土铺装。

5.2、中国经验

我国早期多采用引进外国技术，但是浇筑式沥青混凝土的高温性能毕竟有限，难以适应南方炎热天气。

而我国的重庆交通科研设计院从1995年开始着手开发双层改性沥青SMA的钢桥面铺装技术，其目的是为了充分发挥改性沥青SMA的高度抗车辙性能与良好的抗裂、抗滑与耐久性，也有所建树。

桥名

采用技术

技术所属国

使用结果

香港青马大桥

浇筑式铺装技术

英国

基本成功

南京长江二桥

环氧沥青混凝土技术

美国

基本成功

虎门大桥

双层改性沥青SMA技术

中国

严重热稳定性问题

宕石大桥

双层改性沥青SMA技术

中国

基本成功

白沙洲大桥

环氧沥青混凝土技术

3美国

严重热稳定性问题

六、小结

桥面铺装虽然在桥梁中所占体积不大，但是他对交通以及桥梁的耐久性都影响巨大，所以要在做桥面铺装时采取一定的措施来延长桥面铺装的使用寿命。

（1）、增加铺装层的厚度，可以控制裂缝，提高刚度。

（2）、引进国外技术加之改进来适应中国南方的炎热天气。

（3）、开发新的材料来满足钢桥桥面对铺装层的要求。

（4）、各工序紧密配合与协调，特殊部位要精工细作。

【1】丁庆军、刘小星等.白沙洲大桥钢桥面铺装修复方案设计与施工【B】公路.2006.

【2】曾勇.武汉白沙洲大桥钢桥面铺装设计与施工【B】公路.2001.

【3】曾勇.武汉白沙洲大桥钢桥面铺装设计与施工【B】公路.2001.

【4】余叔藩.武汉白沙洲大桥钢桥面沥青铺装设计与施工中外公路.2002.

附一、剪力滞：

1.1、剪力滞的定义

当结构处于水平力作用下时，主要反应是一种应力不均匀现象，柱子之间的横梁会产生沿着水平力方向的剪切变形，由此引起弯曲时远离肋板的翼板的纵向位移滞后于肋板附近的纵向位移，从而使得翼缘框架中各柱子的轴力不相等：

远离腹板框架的柱轴力越来越小，翼缘框架中各柱轴力呈抛物线形，同时腹板框架中柱子的轴力也不是线性规律。

当翼板与腹板交接处的正应力大于按初等梁的计算值，称为正剪力滞，反之为负剪力滞。

1.2、框筒结构的剪力滞后：

框筒结构有单筒和束筒之分，单筒是梁柱在平台内侧形成的闭合体，束筒是在平台内侧形成的多个闭合体。

无论单筒和束筒，腹板框架承担绝大部分剪力而翼缘框架承担绝大部风弯矩，它们之间通过框筒束联系，如果角柱很弱，则达不到上述效果。

由于梁的弹性变形，在侧向荷载的作用下，截面并不保持为平面，角柱处轴向变形为最大，离角柱越远的各柱轴向变形为最小，这种现象称为剪力滞后。

简单的说的话，墙体上开洞形成的空腹筒体又称框筒，开洞以后，由于横梁变形使剪力传递存在滞后现象，使柱中正应力分布呈抛物线状，称为剪力滞后现象。

剪力滞后现象使框筒结构的角柱应力集中。

1.3、剪力滞后与有效分布宽度

在箱梁中，肋处的剪力流向板中传递过程，有剪力滞后现象，称之为剪力滞效应，剪力滞概念与有效分布宽度相同，前者用不均匀应力表示，后者用一等效板宽表示。

其实，剪力滞效应和T型梁的有效分布宽度是同一回事，都是由于腹板的剪力流使得上翼缘的应力分布不均匀。

只是T型梁用有效宽度来简化这一现象。

在桥梁的箱型截面中这一现象较突出，但当跨宽比较大或者截面腹板惯性矩与翼缘惯性矩之比较小时尤其严重，一定要考虑。

高层和这个类似，高层倒小与桥梁的箱型截面其实一回事。

有效分布宽度由于开口截面，剪力滞多用于封闭截面。

剪力滞有正剪力滞与负剪力滞之分。

剪力滞影响结构设计，需将设计值提高。

剪力滞的概念是一般狭窄翼缘的剪切扭转变形不大，其受力性能接近于简单梁理论的假设，而宽翼缘因这部分的变形的存在，而使远离梁肋的翼缘不参予沉弯工作，也即受压翼缘上的压应力随着离梁肋的距离增加而减少，这种现象就成为“剪力滞后”，简称剪力滞效应。

为了使简单梁理论能够用于宽翼缘梁的分析，故对翼缘定出个“有效翼缘宽度”翼缘的有效宽度为假设的翼缘宽度，沿其宽度上受均匀压缩，其压缩值如同在同样的边缘剪力作用下的实际翼缘的受载边缘数值一样。

另外，有效宽度可以视为理论的翼缘宽度，改理论翼缘承受具有均匀应力的压力。

该均匀应力与原型宽翼缘处的应力峰值相等，而且总压力值相等。

附二、看邵旭东、黄振宇、肖礼金、李嘉的《钢桥的超高性能轻型组合桥面体系-攻克钢桥的主要技术瓶颈》PPT（共计27张）的感悟：

钢桥面极易损坏与钢结构易出现疲劳开裂是钢桥面的两个公认难题，也制约了钢桥的发展。

纵横向裂缝破坏、脱层及推移破坏、抗槽破坏和车辙破坏都是钢桥面铺装病害，。

其中车辙破坏可造成轮迹处铺装层厚度减薄，削弱了面层迹路面结构的整体强度，从而引发其他病害。

钢桥面的刚度小，施工质量、构造细节处欠缺，高温、超载都是钢桥面系的常见病害的主要原因。

加大面板厚度与改进构造细节是解决钢桥面疲劳问题的常规思路，但无法根治。

轻型组合钢桥面可以彻底解决钢桥面铺装易损难题，在虎门大桥，广东肇庆马房桥上的应用均取得了成功。

附三、有效宽度

我国的GB50017中对板件宽厚比的限制取用两种原则：

1）板件的局部屈曲临界应力大于等于构件的整体稳定临界应力。

2）板件的局部屈曲临界应力大于等于钢材屈服应力。

通常对工字形截面和T形截面构件采用前者，而对箱形截面构件采用后者。

当腹板的高厚比超过限值时，可以采用有效截面的概念进行计算；当翼缘的宽厚比（自由外伸长度与厚度之比）超过限值时，规范无规定。

CECS102中，亦仅对工字形截面构件腹板在局部屈曲利用屈曲后强度时的有效宽度进行了规定。