摘 要
依托某在建大跨径钢箱梁悬索桥工程，对不同铺装体系力学形为、层厚及环氧树脂黏结层用量进行了系统研究。研究结果表明：“下层EA+上层改性SMA”体系在车轮荷载作用下，纵横向拉应力、竖向挠度及层间剪应力均处于较低水平，综合力学性能较优；铺装层厚度增大后，铺装体系各应力控制指标均有不同程度的减小，有利于铺装层受力；层间剪切性能对环氧树脂黏结料的用量并不敏感，而层间拉拔性能随环氧树脂用量的变化有较明显的差异，且拉拔强度随着环氧树脂用量的增大呈先增大后减小的趋势；当用量为0.5kg/㎡~0.7kg/㎡时，层间剪切强度和拉拔强度值均较高，综合铺装结构剪切性能和拉拔性能，环氧树脂用量在0.6kg/㎡~0.7kg/㎡范围内为宜。
关键词
钢桥面铺装|环氧沥青混凝土|正交异性钢桥面板|力学形为|黏结层
钢桥面铺装是由钢桥面板和沥青混凝土铺装层共同组成的桥面系统，是桥梁行车体系的重要组成部分，受到境内外学术界与工程界的高度重视[1-3]。良好的桥面铺装不仅为高速行车提供行驶安全性与舒适性保证，同时也为钢桥面板提供可靠的防护[4]。相比于其他位置的铺装结构，钢桥面铺装不具备类似半刚性基层那样稳定的支撑，不但要承受车辆轮载的频繁冲击作用，而且还需要追随钢桥面板的反复变形，工作条件十分苛刻。
钢桥面铺装可以将行驶车辆荷载作用力传递到钢桥面板上及桥梁主体结构上，起到传递和分散汽车荷载的作用，为了使桥面铺装能够有效发挥其正常功能，需将桥面铺装与桥面板作为一个整体来进行考虑，因此所选桥面铺装材料的性能需满足相关技术要求，且需和桥面铺装力学行为分析结果相匹配[5]。
同时，铺装层之间的有效黏结是影响钢桥面铺装体系耐久性的关键因素之一。相关研究表明，钢桥面板纵向加劲肋及横隔板顶面的局部应力和应变水平较高[6]。在轮载作用下，雨水等会通过上层铺装的疲劳裂缝下渗，造成铺装层出现开裂、脱层、坑槽、推移等一系列病害最大剪应力，进一步导致下层铺装及钢桥面板的损坏。因此分析轮迹带范围内纵横向加劲肋与钢桥面板连接处上方的铺装层应力、应变与变形特征及上下铺装层间应力水平，对于钢桥面铺装结构设计技术标准的制定与铺装层混合料的选型有重要的意义。
1工程背景概况
以某在建跨江大桥钢桥面铺装为研究对象，该桥为双塔单跨吊钢箱梁悬索桥，主缆跨径布置为(340+1038+305)m。钢箱梁采用流线型扁平整箱断面，全宽39.6m，梁高3.0m，标准梁段长16m，主体结构材质采用Q345QD。全桥顶板厚度采用16mm和18mm。顶板采用8mm厚U肋加劲，U肋上口宽300mm，下口宽180mm，高300mm，间距600mm。横隔板采用实腹式结构，纵桥向间距为3.2m。大桥立面布置见图1。
2受力形为研究
钢桥面铺装的使用条件与普通路面存在较大差异，其受力、变形特性受到桥型结构、支撑结构与外界环境等多因素的耦合影响[7]。为准确把握该大桥钢桥面铺装的受力变形特性，建立了正交异性钢桥面铺装数值模型。根据钢桥面铺装的基本特点与假定，计算钢桥面铺装在最不利荷载下的响应，确定铺装体系的力学控制指标值，以此作为该大桥铺装材料研发、性能提升与结构设计技术要求的理论基础。
钢桥面铺装的主要病害表现为纵向及横向的断裂损伤，并逐步发展为大范围坑槽破坏，严重影响行车的安全性。车辆荷载作用下，钢桥面铺装结构存在较多受力敏感区域，如轮迹带范围、纵向加劲肋与横隔板等结构极易导致铺装结构的应力集中现象，从而造成铺装结构或黏结体系的极限破坏或疲劳开裂[8，9]。根据铺装体系的受力特征与病害类型，将钢桥面铺装体系的力学控制指标分为以下几类。
(1)铺装层横向拉应力：车辆作用于纵向加劲肋上方时，由于加劲肋的支撑作用导致桥面板局部变形，产生横桥向拉应力，进而出现沿纵桥向的裂缝病害。
(2)铺装层纵向拉应力：车辆作用于横隔板上方时，由于横隔板的支撑作用导致桥面板局部变形，产生纵桥向拉应力，进而出现横桥向的裂缝病害，与纵向裂缝进一步发展为网状裂缝、坑槽等严重病害。
(3)铺装层竖向位移：车辆作用导致铺装结构竖向变形，过大的竖向位移表明铺装体系刚度较小，不利于应力扩散，将加剧正交异性钢桥面板的疲劳病害。
(4)铺装体系层间剪应力：车辆荷载作用下，由于铺装体系结构层间的刚度差异导致相对位移最大剪应力，出现层间剪应力，并造成层间断裂剥离，对铺装结构整体性能极为不利。
2.1计算模型
鉴于本节仅评估不同铺装结构的材料属性与厚度变化对受力特征的影响，且桥梁总体受力(第一体系)对桥面铺装影响较小，故建立钢箱梁局部模型获得典型荷载下，各模型计算结果的相对关系即可。根据该桥钢箱梁的设计参数，建立有限元模型，模型中钢板采用板单元模拟，桥面铺装采用实体单元模拟。计算荷载采用标准轴载0.707MPa进行加载，双轮荷载转换为双矩形荷载进行模拟，模型在两端固结。计算模型见图2，模型中采用的各类材料具体力学参数见表1。
2.2不同铺装体系受力分析
选定横隔板顶部附近的横向计算荷位作为计算荷位，分别对“下层GA+上层改性SMA(结构1)”、“下层EA+上层改性SMA(结构2)”、“双层EA(结构3)”、“双层SMA(结构4)”典型铺装结构的钢桥面铺装数值模型进行荷载响应计算[10]，分析该大桥钢桥面铺装结构的力学响应特性，结果见表2。
由表2可以看出，4种铺装结构在最不利荷位下，“下层EA+上层改性SMA”的纵向最大拉应力、上表面相对竖向变形和层间最大剪应力均较小，因此“下层EA+上层改性SMA”在同等车辆荷载作用下，具有更好的力学稳定性，相对其他3种结构在最不利荷位下力学响应状态较好。因此，综合考虑钢桥面常见病害类型和该大桥实际使用条件，“下层EA+上层改性SMA”在最不利荷位下的力学响应最优。
2.3不同铺装厚度受力分析
为了模拟具有不同厚度组合的铺装结构对于铺装层受力的影响，以“下层EA+上层改性SMA”(构造Ｉ)和“下层GA+上层改性SMA”(构造Ⅱ)铺装结构为对象，且考虑到为了满足桥梁向大跨径发展的要求，需严格地限制钢桥面铺装层的结构厚度，以减轻桥梁恒载，故仅选取了3种铺装层厚度组合：“2.5cm+3.0cm”、“3.0cm+3.0cm”和“3.0cm+4.0cm”，进行铺装复合体系的受力分析，见图3。
由图3可知，当铺装层厚度增大时，铺装体系各应力控制指标均有不同程度的减小，故铺装层厚度的增大有利于铺装体系受力。根据分析结果，铺装下层+上层的厚度组合“3cm+4cm”能较好地降低铺装结构受力影响，同时利于摊铺碾压。
3黏结层研究
在车辆荷载等运营阶段荷载作用下，钢桥面会产生较大的相对变形，从而导致剪切应力的出现，当层间黏结截面抗剪切性能较弱时，会导致层间黏结失效或产生脱层现象，从而降低双侧铺装结构的复合作用，增加铺装层的内部应力，加速铺装结构的破坏。
环氧树脂是近年来钢桥面沥青混凝土铺装工程中使用较为广泛的一种材料，故仅对该材料开展试验分析。由上节理论计算结果可知“下层EA+上层改性SMA”综合性能较好，故基于该铺装结构开展试验分析。
根据规范及现有研究成果[11，12]，拟定试验中黏结料的用量分别为0.4kg/㎡、0.5kg/㎡、0.6kg/㎡、0.7kg/㎡和0.8kg/㎡。试件制备流程见图4。试验先在模具内碾压成型下面层EA10，之后在EA层表面涂布不同用量的环氧树脂黏层，再碾压成型上面层SMA13，制成EA10+SMA13复合结构双层试件。为减小试验操作差异带来的影响，沿碾压方向将试件划分为两部分，分别进行切割和钻芯。其中一部分切割得到供剪切试验使用的9cm×9cm×7cm立方体试件，另一部分钻芯得到供拉拔试验使用的直径5cm的圆柱芯样。
3.1黏结材料用量对剪切强度的影响
复合结构剪切试验使用的仪器为万能试验机UTM，试件被横置在专用夹具内，在竖直方向施加荷载，加载方式用位移控制，剪切速率为10mm/min。剪切试验结果见表3。
由剪切试验结果可见，在黏结材料用量大于0.5kg/㎡时，层间剪切强度较高，最大为1.11MPa，但层间剪切强度对黏结材料的用量并不敏感，这主要是由于层间剪切强度受到上、下层表面的摩擦状况影响较大。因此，在具体施工过程中，除有效撒布黏结材料、抛丸外，还应从级配设计角度及其他角度出发，尽可能增大下层表面与上层底边的粗糙程度，增大层间摩擦性能，提高黏结性能。结合试验结果，从提高黏结层剪切性能的角度出发，黏结材料用量应不低于0.5kg/㎡。
3.2黏结材料用量对拉拔强度的影响
复合结构拉拔试验使用的仪器为桥面铺装专用拉拔仪，试件通过AB胶与拉拔头相连，加载方式用位移控制，加载速率为10mm/min。拉拔试验结果见表4。
由拉拔试验结果可见，层间拉拔性能随黏结料用量的变化有较明显的差异，拉拔强度随黏结料用量的增加呈先增大后减小的趋势，当用量为0.5kg/㎡~0.7kg/㎡时，层间拉拔性能较好；拉拔强度值均大于2MPa，其中在0.6kg/㎡时达到最大值，为2.27MPa，从层间拉拔性能的角度出发，黏结料用量在0.6kg/㎡~0.7kg/㎡范围内为宜。
4结语
(1)相比于其他3种铺装体系，“下层EA+上层改性SMA”体系在车轮荷载作用下，纵横向拉应力、竖向挠度及层间剪应力均处于较低水平，综合力学性能较优。
(2)铺装层厚度增大后，铺装体系各应力控制指标均有不同程度的减小，有利于铺装层受力。当铺装下层+上层的厚度组合为“3cm+4cm”时，可较好地降低铺装结构受力影响，同时满足大跨度桥梁对二期恒载重量限制的要求。
(3)层间剪切性能对黏结材料的用量并不敏感，而层间拉拔性能随黏结料用量的变化有较明显的差异，且拉拔强度随着黏结料用量的增大呈先增大后减小的趋势。
(4)当层间黏结料用量为0.5kg/㎡~0.7kg/㎡时，层间剪切强度和拉拔强度值均较高，综合铺装结构剪切性能和拉拔性能黏结料用量在0.6kg/㎡~0.7kg/㎡范围内为宜。
全文完。首发于《公路》2021年7月。添加主编微信CNLQLM99，链接中国沥青路面资源。
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