關(guān)鍵詞：鋼橋面鋪裝 | 加速加載試驗(yàn) | 新型超薄鋪裝層

正交異性鋼橋面板，由于具有構(gòu)件質(zhì)量輕、運(yùn)輸與架設(shè)方便、施工周期短、造價(jià)低、結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，已建成或正在建設(shè)的大跨徑橋梁大多數(shù)采用正交異性鋼橋面板，但由于柔度大、加勁肋位置應(yīng)力集中、對(duì)環(huán)境溫度敏感等特點(diǎn)，導(dǎo)致鋼橋面鋪裝受力變形復(fù)雜[1]。傳統(tǒng)的鋼橋面鋪裝有澆筑式瀝青混合料GA、環(huán)氧瀝青混合料EA兩大類(lèi)，但是在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一定的高溫車(chē)轍、低溫開(kāi)裂等問(wèn)題。

為了解決鋼橋面鋪裝常見(jiàn)病害的問(wèn)題，安徽省某公司歷時(shí)多年研究形成了新型的正交異性鋼橋面超薄鋪裝層成套技術(shù)[2]。該技術(shù)在2014年shou次在徐明高速公路五河淮河特大橋得到大規(guī)模應(yīng)用，鋪裝厚度僅12mm，已正常通車(chē)運(yùn)營(yíng)5年時(shí)間，整體性能良好。

中派河特大橋是G3京臺(tái)高速公路方興大道至馬堰段改擴(kuò)建工程的重要橋梁，橋面鋪裝采用了新型的超薄層聚合物鋼橋面鋪裝。對(duì)鋼橋面鋪裝的長(zhǎng)期使用性能進(jìn)行檢驗(yàn)，加速加載試驗(yàn)是目前公認(rèn)的zui接近實(shí)體工程的試驗(yàn)方法[3-7]。為了對(duì)新型超薄鋪裝層的長(zhǎng)期使用性能進(jìn)行驗(yàn)證，以中派河特大橋?yàn)橐劳?，采用MLS66加速加載試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

新型超薄鋪裝層

傳統(tǒng)的鋼橋面鋪裝層材料，如GA、EA，本質(zhì)上是改性的瀝青混合料，屬于熱塑性材料，能反復(fù)加熱軟化和冷卻硬化。因此，傳統(tǒng)的鋼橋面鋪裝當(dāng)遭遇鋼橋面的ji端高溫環(huán)境后，ji易產(chǎn)生高溫車(chē)轍病害。傳統(tǒng)的鋼橋面鋪裝層厚度，普遍為50~70mm。

由于鋼橋面板提供了強(qiáng)有力的承載面，且其表面平整度也可加工到一定的精度，因此鋼橋面鋪裝僅屬于功能層，功能上應(yīng)能保護(hù)鋼板防止銹蝕并提供抗滑耐磨的表面，且其自身應(yīng)保證一定的使用耐久性。

新型超薄鋪裝層材料為熱固性材料，加熱時(shí)不能軟化和反復(fù)塑制，因此從根本上完全杜絕了高溫車(chē)轍病害的發(fā)生。

新型超薄鋪裝層的厚度僅為12mm，不僅滿足實(shí)際使用效果，其經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，一是鋪裝造價(jià)大幅降低，可節(jié)約50％的鋪裝費(fèi)用；二是鋪裝自重減輕約80％，相應(yīng)可減少的橋梁結(jié)構(gòu)造價(jià)十分可觀。

新型超薄鋪裝層按照功能，自下而上可以分為3層：防水黏結(jié)層，具有防水、防腐、黏結(jié)等功能；中間層，要求隨鋼板變形的能力比較強(qiáng)，具有抗裂、緩沖、防水等功能；磨耗層，具有抗滑、磨耗、避免中間層受外部環(huán)境影響等功能。防水黏結(jié)層、中間層、磨耗層的性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

試驗(yàn)擬定了2種鋪裝結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，鋪裝結(jié)構(gòu)組合方案見(jiàn)圖1。其中方案1為行車(chē)道及左側(cè)路緣帶的結(jié)構(gòu)方案，方案2為應(yīng)急車(chē)道的結(jié)構(gòu)方案。

加速加載試驗(yàn)方案

加速加載設(shè)備采用的是遼寧省某公司購(gòu)置的MLS66路面加速加載試驗(yàn)系統(tǒng)。

試驗(yàn)試件

考慮到加速加載設(shè)備尺寸受限，加速加載試驗(yàn)的試件只能采用正交異性鋼橋面板的局部試件。參照實(shí)際中派河特大橋的圖紙，采用了長(zhǎng)8m、寬1.8m、高0.6m的局部試件，橫向包含3根U肋，縱向包含3道橫梁。

為了保證加速加載試驗(yàn)結(jié)果的有效性，研究中采用有限元模擬對(duì)比了局部試件與實(shí)橋節(jié)段的有限元模型的受力狀態(tài)，見(jiàn)圖2。結(jié)果表明：在各荷載工況作用下的zui不利位置處，局部模型與實(shí)橋模型的應(yīng)力十分接近；在U肋對(duì)接焊縫處zui不利荷載作用下，局部模型的U肋底部對(duì)接焊縫處拉應(yīng)力稍大于實(shí)橋模型，故試驗(yàn)結(jié)果偏于安全。因此，可認(rèn)為該局部試件能夠等效模擬實(shí)橋的受力特點(diǎn)，局部試件的加速加載試驗(yàn)結(jié)果能夠有效反映橋面鋪裝的性能衰減規(guī)律。

試驗(yàn)試件的鋪裝層平面示意見(jiàn)圖3。試驗(yàn)試件2018年10月8日運(yùn)抵試驗(yàn)車(chē)間，2018年10月15日完成了基坑和試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷鬃┕ぃ?018年10月18日完成了試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牡跹b。

加載方案

試驗(yàn)溫度參考了實(shí)橋所在地的氣溫統(tǒng)計(jì)情況，近10年ji端zui高氣溫為41℃，ji端zui低氣溫為-9℃?？紤]到鋼箱梁箱體內(nèi)不通風(fēng)，散熱速度慢，夏季高溫時(shí)，鋪裝底面及鋼板溫度比氣溫高15~20℃，且高溫持續(xù)時(shí)間相對(duì)普通路面更長(zhǎng)。結(jié)合加速加載設(shè)備控溫條件，試驗(yàn)?zāi)M橋面的代表溫度，高溫為50℃，常溫為20℃，低溫為0~10℃。特別說(shuō)明，由于受加速加載設(shè)備控溫條件制約，試驗(yàn)低溫并未達(dá)到實(shí)際環(huán)境的ji限低溫。

加載軸載采用150kN，加載輪與鋪裝面的接觸位置為加載輪的輪隙中心對(duì)準(zhǔn)試驗(yàn)試件中間U型加勁肋。累計(jì)加載300萬(wàn)次，分為3個(gè)階段完成，詳細(xì)加載方案見(jiàn)表2。第1階段目標(biāo)加載次數(shù)100萬(wàn)次，2018年10月26日開(kāi)始試驗(yàn)，11月19日完成。第2階段目標(biāo)加載次數(shù)100萬(wàn)次，12月3日開(kāi)始試驗(yàn)，12月26日完成。第3階段目標(biāo)加載次數(shù)100萬(wàn)次，2019年1月7日開(kāi)始試驗(yàn)，1月26日完成。

試驗(yàn)檢測(cè)

試驗(yàn)通過(guò)檢測(cè)其在高低溫ji限條件下的加載過(guò)程中構(gòu)造深度、表面平整度及鋪裝表觀狀態(tài)的變化，評(píng)價(jià)鋪裝的抗滑性、耐磨性、抗車(chē)轍性等使用功能以及使用耐久性。

(1)對(duì)構(gòu)造深度的測(cè)量采用手工鋪砂法。為保證測(cè)量位置固定，將試件對(duì)稱(chēng)均勻劃分為28個(gè)區(qū)塊，方便定點(diǎn)測(cè)量構(gòu)造深度，見(jiàn)圖4。

(2)對(duì)平整度的測(cè)量采用設(shè)備附帶的自動(dòng)斷面平整度記錄儀，它是一種利用位移傳感器記錄斷面平整度形態(tài)的儀器。研究中每加載5萬(wàn)次檢測(cè)1次4個(gè)斷面的平整度，平整度測(cè)量斷面處于各鋪裝方案的輪跡帶范圍內(nèi)的均勻加載段。

對(duì)鋪裝表觀狀態(tài)的變化過(guò)程采用照相機(jī)進(jìn)行記錄。當(dāng)每個(gè)加載階段結(jié)束后，從輪跡帶一端觀察至另一端，判斷是否有病害產(chǎn)生，如是否有裂縫產(chǎn)生以及為何種類(lèi)型的裂縫。

加速加載試驗(yàn)結(jié)果分析

構(gòu)造深度

累計(jì)加載300萬(wàn)次后，構(gòu)造深度均大于0.55mm，且變化ji其微小，見(jiàn)圖5。表明該鋪裝的抗滑、抗磨耗、抗剝離效果ji佳。

平整度

試驗(yàn)中的平整度，并非采用3m直尺測(cè)定得到的數(shù)據(jù)，而是某斷面上各點(diǎn)高程的zui大差值。測(cè)得的平整度與軸載作用次數(shù)的關(guān)系，見(jiàn)表3。

由表2可以看出，隨著加載次數(shù)的增加，新型超薄層鋪裝平整度幾乎不發(fā)生變化，其數(shù)值僅取決于施工完成后、未加載前的初始平整度。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，新型超薄鋪裝層由于采用了熱固性材料，加熱時(shí)不能軟化和反復(fù)塑制，因而完全不會(huì)產(chǎn)生高溫車(chē)轍病害。

值得注意的是，在觀測(cè)平整度測(cè)量斷面上各點(diǎn)高程時(shí)，發(fā)現(xiàn)在50℃高溫狀態(tài)下鋪裝表面高程整體增加約0.4mm，這源于正交異性鋼橋面板試件的熱脹效應(yīng)。由于該熱漲效應(yīng)是均勻的，因此并不影響鋪裝表面的平整度。

表觀狀態(tài)

整個(gè)加載過(guò)程無(wú)裂縫產(chǎn)生，表面平整度、完整性、石料黏附性均良好，較加載初無(wú)明顯變化，從表面狀態(tài)來(lái)看無(wú)明顯病害發(fā)展，見(jiàn)圖6。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)累計(jì)300萬(wàn)次的加速加載試驗(yàn)充分證實(shí)的此類(lèi)新型超薄鋪裝層良好的使用性能，為其推廣應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)及科學(xué)依據(jù)。

(1)表面黏附性能較好，石料黏附性強(qiáng)，為橋面提供了較好的抗磨耗性能。

(2)溫度敏感性不強(qiáng)，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程有高溫、常溫、低溫3種試驗(yàn)狀態(tài)，各個(gè)溫度狀態(tài)下都沒(méi)有橋面鋪裝層的推移、脫層、開(kāi)裂等現(xiàn)象。

(3)抗變形能力強(qiáng)，整個(gè)加載過(guò)程中采用0.1mm的高精度橋面鋪裝檢測(cè)設(shè)備對(duì)橋面的剪切變形進(jìn)行檢測(cè)均未發(fā)現(xiàn)明顯的形變特征。

(4)未出現(xiàn)明顯的疲勞開(kāi)裂、車(chē)轍、坑槽、推移、脫層等鋼橋面典型病害。

加速加載試驗(yàn)并未發(fā)現(xiàn)鋼橋面鋪裝產(chǎn)生裂縫，這與加速加載設(shè)備溫控系統(tǒng)難以模擬ji限低溫有一定關(guān)系。因此這種新型超薄鋪裝層的抗開(kāi)裂性能還有待進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

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全文完。發(fā)布于《公路》2021年6月。

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足尺路面加速加載試驗(yàn)設(shè)備(APT)提供了一個(gè)可定量控制軸荷、加載碾壓速度及加載次數(shù)，并可獲得多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的路面試驗(yàn)加載手段，通過(guò)對(duì)不同路面結(jié)構(gòu)、路面材料及路面狀態(tài)在加速加載過(guò)程中其路面的變化過(guò)程、變化機(jī)理以及破壞狀態(tài)的測(cè)試，可以分析路面在多次重復(fù)加載下的狀態(tài)變化及破壞過(guò)程，可以用來(lái)評(píng)價(jià)道路路面，驗(yàn)證新建道路的質(zhì)量，并確定現(xiàn)有道路的剩余壽命，驗(yàn)證新路面的設(shè)計(jì)和改進(jìn)等。

PaveMLS系列的足尺路面加速加載試驗(yàn)設(shè)備采用的是循環(huán)加載方式，主要特點(diǎn)是施加的軸載荷非常高、加載速度非?？?，并且可以模擬高溫環(huán)境，加載效率更高。對(duì)比往復(fù)式加載方式每年可以完成更多的加載項(xiàng)目，可以快速的得到試驗(yàn)結(jié)論，并且節(jié)約大量的時(shí)間和人力成本 。

▍PaveMLS69/ PaveMLS66足尺路面加速加載試驗(yàn)設(shè)備安裝6組加載輪，滿荷載加載長(zhǎng)度6.9米和6.6米，PaveMLS33安裝4組加載輪，滿荷載加載長(zhǎng)度3.3米。也可以拆下部分加載輪來(lái)研究道路在不同的荷載間隙時(shí)間下的力學(xué)響應(yīng)

▍每個(gè)加載輪每小時(shí)可循環(huán)1000次 ，PaveMLS69/PaveMLS66每小時(shí)可以對(duì)路面加載6000 次，PaveMLS33每小時(shí)可以對(duì)路面加載4000次

▍加載輪對(duì)地荷載范圍40kN~75kN (4T~7.5T)

▍PaveMLS69/PaveMLS66每天24小時(shí)可以模擬144000輛軸重15T的車(chē)輛對(duì)道路的碾壓，PaveMLS33每天24小時(shí)可以模擬96000輛軸重15T的車(chē)輛對(duì)道路的碾壓

▍加載輪對(duì)地速度可達(dá)6m/s，相當(dāng)于22km/h

產(chǎn)品特點(diǎn)

▍采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)加載輪進(jìn)行加載，無(wú)需傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，工作穩(wěn)定，維護(hù)工作少

▍足尺路面加速加載試驗(yàn)設(shè)備可自行移動(dòng) ，便于設(shè)備位置的調(diào)整和定位

▍加載過(guò)程中電腦軟件實(shí)時(shí)顯示每個(gè)加載輪的軸載、設(shè)備高度等信息并記錄在加載數(shù)據(jù)文件中，確保加載的一致性

▍足尺路面加速加載試驗(yàn)設(shè)備配置有橫向移動(dòng)系統(tǒng)，模擬實(shí)際道路上輪跡的分布情況，如正態(tài)分布，均勻分布等，橫向移動(dòng)距離左右各可達(dá)0.5米

▍設(shè)備配置有路面加熱系統(tǒng)，可以在加載過(guò)程中實(shí)時(shí)控制路面溫度，高可達(dá)60℃

▍加載輪使用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)卡車(chē)的雙輪轂車(chē)輛，也可以選擇安裝輪轂車(chē)輪作為加載輪，還可以選擇安裝飛機(jī)輪胎來(lái)進(jìn)行靜態(tài)荷載測(cè)試

▍加載輪對(duì)地荷載通過(guò)液壓油壓力產(chǎn)生，即使在不平的道路上荷載依然是穩(wěn)定的，可以非常萬(wàn)便地通過(guò)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)內(nèi)蓄能器壓力來(lái)調(diào)節(jié)對(duì)地荷載，對(duì)地靜態(tài)荷載可達(dá)110kN

▍加載輪胎壓調(diào)節(jié)范圍500kpa~1000kpa

▍設(shè)備配置有250kVA柴油發(fā)電機(jī)，可以自行發(fā)電或者使用市電進(jìn)行供電

▍設(shè)備可以升高1米，方便進(jìn)入設(shè)備檢修檢查維護(hù)

▍可以對(duì)設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行灑水來(lái)模擬雨天環(huán)境的加載試驗(yàn)

▍設(shè)備配置斷面儀，可以在加載后測(cè)量路面車(chē)轍

▍加載輪有限荷載可作用到路面以下1米，可以用來(lái)研究路基的力學(xué)響應(yīng)和損壞情況

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