钢桥面的铺装研究

1. 项目背景 1.1. 研究背景

我国自九十年代初开始修建大跨径钢桥，同时对钢桥面铺装技术也展开了系列研究工作。已有的资料表明，无论国内还是国外，对桥面铺装技术的研究大都集中在铺装材料的改性研究方面，钢桥面铺装的设计多以经验为主，对钢桥面铺装体系破坏的力学机理研究不够深入。

正交异性钢桥面板以其自重轻、极限承载力大、适用范围广等优点目前已广泛应用于大跨径公路桥梁钢箱梁。由于其复杂的几何构造形式，轮载作用下独特的受力性能，导致其上的铺装层受力复杂。从已经建设并投入使用的大跨径桥梁钢桥面铺装的使用情况来看，不管铺装是何种形式，或多或少均存在着一定的问题，国内外道路工作者对此进行了大量的调查研究，认为仅仅从铺装材料和结构形式上对沥青铺装层进行调整并不能从根本上解决出现的问题，应该从桥梁的结构特性入手，分析铺装层受力与桥梁结构的内在联系，才能够从力学的高度来研究铺装层的工作状态，最终找到解决问题的方法。

我国建设大跨径钢桥的有20年左右的历史，已建成大跨径钢桥100余座，但我国幅员辽阔，山川河流较多，分布较广，因此，大跨径钢桥的建设在我国方兴未艾。从大跨径钢桥在我国建设的背景及前景来看，我国目前和今后很长一段时间内，还将建设一大批跨江、跨河、跨海、跨湖的大桥。因此，对大跨径钢桥的桥面铺装的力学研究将对我国大跨径钢桥铺装层的设计、建设等产生深远的影响，有必要对其进一步研究。

1.2. 研究必要性

（1）钢桥面铺装仍是世界尚需解决的一个技术难题

钢桥面铺装是大跨径桥梁建设的关键技术之一，大跨径桥梁正交异性钢桥面变形大，铺装层薄、剪应力大所带来的铺装技术问题一直是一个世界性难题。

我国大跨径钢桥的研究已有20年历史，积累了不少经验，但我国幅员辽阔，有些地区气候条件恶劣，加之重载超载车辆较多，钢桥面铺装早期病害严重，铺

装失败的例子很多。

（2）桥面铺装问题解决的前提是明确铺装层的受力状态及特点

造成钢桥面铺装早期病害的原因有很多，其中最主要的对于正交异性钢桥面铺装的认识不够，钢桥面铺装问题的解决，需要从力学机理、材料组成、铺装结构设计和工程施工等方面综合研究，其前提是必须明确铺装层的受力状态及特点，钢桥面铺装力学响应研究有利于优化铺装体系结构及材料设计。

（3）目前国内外尚未没有普遍有效的桥面铺装设计理论与方法

近年来，广大研究人员对钢桥面铺装受力状态进行了力学分析和计算，并提出了以各种参数作为控制指标的沥青混凝土桥面铺装层的设计方法。但是现有大部分的研究要么是仅考虑了桥面铺装系统，要么是将车辆、钢桥结构和桥面铺装系统分开考虑。事实上，在受到车辆荷载作用时，车辆、桥梁结构和桥面铺装的振动是一个相互影响、相互耦合的过程。

本项目拟从桥梁整体结构入手，分析铺装层在车辆荷载作用下的力学特性，揭示沥青铺装层的受力特性与桥梁结构特性、铺装层材料性质，以及荷载特性等因素之间的关系，从而为铺装层的材料和结构设计提供理论依据。同时，在满足桥梁设计的同时，对桥梁结构特别是钢箱梁结构作一些微调，使得铺装层处于更加有利的受力环境中，从而减少铺装层的破坏，使得大桥建设更加经济。

2. 项目前期工作基础

2.1. 国内外研究现状

2.1.1

钢桥面铺装结构与材料

各国铺装工程师对桥面铺装层的材料以及结构进行了一系列的研究。美国修建大跨桥梁最早，桥面结构一般采用桁架式加劲梁和钢筋混凝土结构，承受恒载能力强，其铺装层一般采用80mm左右的环氧热碾压沥青，它具有只需常规机械铺筑的技术、良好的路面行车性能以及强度高的特点，但是也存在铺装初期强度低，维护时间长，开放交通晚、易出现早期开裂等缺点；英国自赛文桥开始，桥面铺装材料一般是浇注式沥青混凝土，1952年英国道路研究试验室进行了大规模试验后得出结论认为为了减轻自重，桥面浇注式沥青混凝土铺装厚度38mm为最佳厚度，英国于1964年建造福斯桥时，即将38mm列入规范；日本自70年代

末开始修筑大跨悬索桥，进入90年代以后，日本在本州岛与四国岛之间规划建造17座大跨悬索桥，1997年已全部完工。日本悬索桥的主梁结构虽然采用美国传统技术，即高大的桁架式加劲梁，而桥面系统则引进欧洲浇注式沥青混凝土作为双层结构的下层，主要考虑到浇注式沥青混凝土具有良好的密封防水性能以及良好的抗震能力，但是日本认为浇注式沥青混凝土抗变形能力及抗滑能力不理想，因此双层结构的上层仍采用改性沥青密级配混合料，以确保足够的强度、抗车辙能力和抗滑能力。常用的结构为40mm浇注式沥青混凝土下层，40mm改性沥青密级配上层，总厚度为80mm。由于各国在材料研究方面投入了大量的人力及资金，材料和铺装层结构的设计日趋完善，但是由于各国的设计方法往往是与其国情紧密结合的经验性方法，适用性不广，如果生搬硬套，势必会造成一定的经济损失。如1997年由英国设计施工的香港青马大桥，通车仅四个月，就开始全面整修。又如，由德国设计的曼谷大桥，不到三个月，桥面铺装就损坏不能使用。

其次，各国工程师也从力学理论的高度上对铺装层在车载作用下的响应进行了分析。日本在这方面的研究和实践工作开展的较早，还制定了相应的钢桥面的铺装技术规范和标准，并建议了某些钢桥面板参数在结构设计中的推荐值（加劲肋间距、横梁间距等），通过在200-800米之间不同跨径的钢桥面板上进行桥面铺装的实践，取得了一些成功和失败的经验教训。日本工程学界十分重视对钢桥面板和铺装层的应力、应变研究，日本学者小西一郎所著的《钢桥》第一分册中就系统地介绍了钢桥面板的结构形式、计算分析理论等详细内容，其计算方法主要是采用解析法，把正交异性钢桥面板看成是支承在刚度无穷大的主梁上的、按等间距排列的弹性横肋上的正交异性连续板。至于从桥面铺装的角度对钢桥面板的受力状态进行研究的日本学者多田宏行将钢桥面板简化成平面应力状态来处理，而忽略其正交异性的结构特征，且一般不考虑铺装对钢桥面刚度的组合作用，而仅仅考虑铺装层对车轮荷载的分散作用。因此，目前还没有成熟的应用有限元方法对钢桥面板进行系统的分析。

综观各国的研究内容可以发现，目前对铺装理论的研究往往多从材料方面入手，着重于材料性质的改善，而很少从结构的高度来进行研究。即使作了一定的研究，也只是通过试验手段或者近似的理论计算得到的一些感性认识。当环境条