鋼橋面鋪裝，從最初的水泥混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)發(fā)展到現(xiàn)今橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，既帶來了鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性能提升和工程建設(shè)發(fā)展，也推動(dòng)了鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)為進(jìn)一步提高其性能的技術(shù)攻關(guān)和技術(shù)創(chuàng)新研究
【1-5】。
瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)從上世紀(jì)八十年代推出至今，橋梁工程界和學(xué)術(shù)為解決制約其進(jìn)一步發(fā)展的三大世界性技術(shù)難題（1.瀝青混凝土與鋼橋面板材料性能懸殊導(dǎo)致的二者界面剪應(yīng)力較大；2.鋼橋面板的防水層及其與瀝青混凝土鋪裝層的粘接層容易破壞；3.鋪裝結(jié)構(gòu)耐久性差），進(jìn)行了大量的材料改性研究和一些技術(shù)創(chuàng)新嘗試
[2,5,6]
筆者在此基礎(chǔ)上，將纖維增強(qiáng)
復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，
FRP）和環(huán)氧礫石引入鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合，研發(fā)出
FRP鋪裝下層、環(huán)氧礫石鋪裝中層和瀝青混凝土鋪裝上層異質(zhì)三層結(jié)構(gòu)形式的鋼橋面鋪裝新結(jié)構(gòu)，目的是使瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的三大世界性技術(shù)難題借助于新材料、新結(jié)構(gòu)技術(shù)真正有效解決，并使鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)具有“結(jié)構(gòu)形式更合理”和“結(jié)構(gòu)功能更完美”的質(zhì)的進(jìn)步。經(jīng)初步理論分析計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)研究證明，這種新型鋪裝結(jié)構(gòu)具有優(yōu)于現(xiàn)有瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性能，推向工程應(yīng)用，將大幅提升我國(guó)鋼橋面鋪裝的技術(shù)水平和使用價(jià)值。。其中，具有技術(shù)創(chuàng)新意義和工程推廣價(jià)值的代表性成果，一是東南大學(xué)從1997年開始進(jìn)行的環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)技術(shù)攻關(guān)和鋪裝材料、施工機(jī)械國(guó)產(chǎn)化的技術(shù)創(chuàng)新研究，取得了5項(xiàng)國(guó)家技術(shù)專利，研究成果已投入多座橋梁工程應(yīng)用[3,7]；二是武漢理工大學(xué)進(jìn)行的高強(qiáng)高韌性輕質(zhì)混凝土鋪裝下層與瀝青混凝土鋪裝上層組合式鋪裝結(jié)構(gòu)的技術(shù)創(chuàng)新研究，取得了減小鋪裝上層的最大縱橫向拉應(yīng)力及最大豎向位移的有益效果[8]。
1 新鋪裝結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
1.1 結(jié)構(gòu)形式
1.1.1鋪裝結(jié)構(gòu)形式
FRP―環(huán)氧礫石―瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，為
FRP鋪裝下層、環(huán)氧礫石鋪裝中層和瀝青混凝土鋪裝上層復(fù)合構(gòu)成的異質(zhì)三層結(jié)構(gòu)形式的鋪裝結(jié)構(gòu)（圖1）。
FRP鋪裝下層的結(jié)構(gòu)形式，為玻璃纖維（GF）和碳纖維（CF）增強(qiáng)環(huán)氧樹脂（ER）并粘接連接在鋼橋面板上的FRP實(shí)心板或空心板結(jié)構(gòu)。
環(huán)氧礫石鋪裝中層的結(jié)構(gòu)形式，為ER拌和花崗巖或玄武巖礫石集料攤鋪壓實(shí)并粘接連接在FRP鋪裝下層上的實(shí)心板結(jié)構(gòu)。
瀝青混凝土鋪裝上層的結(jié)構(gòu)形式，為常規(guī)的澆筑式瀝青混凝土（GA）或改性瀝青瑪蹄脂混凝土（SMA）或環(huán)氧瀝青混凝土（EA）攤鋪壓實(shí)在環(huán)氧礫石鋪裝中層上的實(shí)心板結(jié)構(gòu)。
1.1.2 界面連接方式
FRP鋪裝下層與鋼橋面板的界面連接方式，為FRP材料的基體樹脂ER與鋼材具有分子間吸引力及FRP材料的增強(qiáng)纖維GF、CF對(duì)界面層具有結(jié)構(gòu)增強(qiáng)作用的粘接連接，保證二者界面結(jié)構(gòu)一體且受力不易破壞。
FRP鋪裝下層與環(huán)氧礫石鋪裝中層的界面連接方式，為二者材料基體樹脂相同的自粘連接及二者粗糙界面的糙面粘接連接，保證二者的界面連接強(qiáng)度不低于FRP鋪裝下層與鋼橋面板的界面連接強(qiáng)度，從而為瀝青混凝土鋪裝上層提供堅(jiān)固耐久的鋪裝承力層和傳力層。
環(huán)氧礫石鋪裝中層與瀝青混凝土鋪裝上層的界面連接方式，為瀝青混凝土鋪裝上層的瀝青混合料嵌入環(huán)氧礫石鋪裝中層的礫石間空隙并握裹礫石構(gòu)成的咬合式界面連接，保證二者的界面連接通過其穩(wěn)固的礫石基層和增大的連接面積得以增強(qiáng)，從而大幅提高瀝青混凝土鋪裝上層的界面剪切強(qiáng)度。
1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
1.2.1結(jié)構(gòu)形式更合理
FRP―環(huán)氧礫石―瀝青混凝土鋼橋面鋪裝新結(jié)構(gòu)，是名符其實(shí)的異質(zhì)三層鋪裝結(jié)構(gòu)，各層之間不再
另設(shè)粘接層，鋼橋面板上也不需另設(shè)防水層。FRP鋪裝下層，既是鋪裝結(jié)構(gòu)的下承力層和剛度過渡層，又是鋼橋面板的防水層和粘接層；環(huán)氧礫石鋪裝中層，既是鋪裝結(jié)構(gòu)的中承力層和剛度過渡層，又是瀝青混凝土鋪裝上層的界面連接增強(qiáng)層和施工高溫緩沖層。這種鋪裝結(jié)構(gòu)，不僅結(jié)構(gòu)形式更簡(jiǎn)單，而且材料配伍和結(jié)構(gòu)形式更合理，可使鋪裝結(jié)構(gòu)的各層都能用其材料性能之長(zhǎng)，并為整體鋪裝結(jié)構(gòu)帶來其它鋪裝結(jié)構(gòu)從未有過的優(yōu)異性能。
1.2.2結(jié)構(gòu)功能更完美
FRP―環(huán)氧礫石―瀝青混凝土鋼橋面鋪裝新結(jié)構(gòu)，是在材料性能懸殊、界面連接較弱的鋼橋面板和瀝青混凝土鋪裝層中間，加入既可實(shí)現(xiàn)二者材料剛度過渡、又可界面連接增強(qiáng)的FRP鋪裝層和環(huán)氧礫石鋪裝層構(gòu)成。FRP空心板結(jié)構(gòu)形式的鋪裝下層，還能彌補(bǔ)正交異性鋼橋面板的剛度方向性和突變性給鋪裝層帶來的剛度缺陷，吸收車輛沖擊、鋼橋面板振動(dòng)的動(dòng)力效應(yīng)和緩沖溫度傳導(dǎo)的擴(kuò)散影響，并能為鋼橋面板提供一勞永逸的防銹保護(hù)，從而使鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的強(qiáng)者鋼橋面板因與FRP鋪裝下層連為結(jié)構(gòu)整體而增大了安全儲(chǔ)備和安全保護(hù)，并使鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的弱者瀝青混凝土鋪裝上層因與環(huán)氧礫石鋪裝中層更強(qiáng)的界面連接而增大了界面剪切強(qiáng)度和整體結(jié)構(gòu)效果，從而提高了鋪裝結(jié)構(gòu)的耐久性并使鋪裝結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)功能更完美。
2 新鋪裝結(jié)構(gòu)與常規(guī)瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)比較
2.1 材料性能比較
表1給出了常規(guī)瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)材料及FRP材料的基本力學(xué)性能
[9-11]。由表知，F(xiàn)RP材料密度比瀝青混凝土材料低，強(qiáng)度、模量遠(yuǎn)比瀝青混凝土高，并且強(qiáng)度和模量介于鋼橋面板和瀝青混凝土中間。這表明FRP鋪裝下層既不會(huì)先于瀝青混凝土破壞，也不會(huì)對(duì)鋼橋面板構(gòu)成位移約束，還能形成二者間的剛度過渡層，減小二者材料性能懸殊過大的變形協(xié)調(diào)難度。
2.2 截面剛度比較
以江陰長(zhǎng)江大橋作為結(jié)構(gòu)分析模型，縱橋向計(jì)算模型的截面寬度為一個(gè)汽車后輪的著地寬度600mm，橫橋向計(jì)算模型的截面寬度為1個(gè)汽車后輪著地長(zhǎng)度200mm，模型厚度都取鋪裝層總厚度。兩種計(jì)算模型的橫截面形式如圖2和圖3所示，兩種計(jì)算模型的截面抗彎剛度比較如表2所示。
由表中結(jié)果知，環(huán)氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)改為FRP－環(huán)氧礫石－環(huán)氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，對(duì)縱橋向的剛度貢獻(xiàn)僅0.4％，可忽略不計(jì)，但對(duì)橫橋向的剛度貢獻(xiàn)增大了20.1％。這是在鋼橋面鋪裝減重0.35kN/m
2的前提下的重大剛度貢獻(xiàn)。更重要的是，鋼橋面板與
FRP鋪裝下層的優(yōu)異連結(jié)效果能保證二者構(gòu)成完全結(jié)構(gòu)整體，這可使鋼橋面板的抗彎剛度間接增大約1倍，也即間接使鋼板厚度從12mm增大到15.4mm，達(dá)到鋼橋面板目前普遍采用的14～16mm厚度的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。這對(duì)于像虎門大橋、江陰大橋等早期修建因采用12mm厚鋼橋面板剛度較弱而帶來的鋼橋面板彎曲變形較大、部分鋼板開裂、鋼橋面鋪裝多次嚴(yán)重破壞的橋梁，采用
FRP－環(huán)氧礫石－瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修加固，有望從根本上解決這類鋪裝因鋼橋面板尺寸偏小造成的鋪裝屢修屢壞的技術(shù)難題。
2.3 截面應(yīng)力比較
對(duì)于縱橋向計(jì)算模型，采用兩端固支于橫隔板上、長(zhǎng)度等于橫隔板間距3.2m、寬度等于車輪著地寬度600mm的固端梁結(jié)構(gòu)模型；對(duì)于橫橋向計(jì)算模型，采用支承于U型肋上、長(zhǎng)度等于8個(gè)U型肋間距8×0.6m、寬度等于車輪著地長(zhǎng)度200mm的16跨連續(xù)梁模型
[12]，將1個(gè)汽車后輪荷載70kN乘以沖擊系數(shù)1.3作為設(shè)計(jì)荷載（P＝91kN），按車輪面積均載進(jìn)行影響線布載計(jì)算結(jié)構(gòu)控制截面的應(yīng)力。鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)縱橫向的彎曲正應(yīng)力和界面上的剪應(yīng)力，可采用如下復(fù)合材料層合梁彎曲應(yīng)力簡(jiǎn)化計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：
由表中結(jié)果知，環(huán)氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)改為
FRP―環(huán)氧礫石―環(huán)氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，鋼橋面板和EA層的縱橋向正應(yīng)力幾乎沒有改變，橫橋向的正應(yīng)力減小了13.1％和17.1％，EA層界面上移使縱橫向剪應(yīng)力都減小了約40％，這也是通過鋼橋面板與
FRP鋪裝下層界面上的剪應(yīng)力增大來平衡的。因FRP材料的界面抗剪強(qiáng)度較高（≥20MPa），故能在保證自身剪切連接有效的前提下使鋪裝結(jié)構(gòu)各層間的界面剪切連結(jié)受力更均衡，結(jié)構(gòu)整體性更有保證。
2.4 截面撓度比較
鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)形式縱、橫橋向的撓度計(jì)算結(jié)果及其比較如表5所示。
由表中結(jié)果知，環(huán)氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)改為FRP―環(huán)氧礫石―環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)，縱橋向的撓度減小可忽略不計(jì)，橫橋向的撓度可減小16.5％。
綜上所述，
FRP―環(huán)氧礫石―瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的主要貢獻(xiàn)是增大鋼橋面板和整體鋪裝結(jié)構(gòu)的橫橋向剛度，減小其橫向應(yīng)力和撓度，并且這種貢獻(xiàn)隨著瀝青混凝土鋪裝層的材料性能降低而增大。因?yàn)r青混凝土隨溫度升高和降低性能會(huì)急劇衰減
[13]，而FRP材料在-30°～70℃范圍內(nèi)性能基本穩(wěn)定，并且可設(shè)計(jì)成線膨脹系數(shù)為零或接近零的結(jié)構(gòu)
[14]，故可彌補(bǔ)瀝青混凝土層性能衰減的缺陷并使整體結(jié)構(gòu)溫度影響減弱。
3 新鋪裝結(jié)構(gòu)模擬試驗(yàn)
選擇圖3所示截面尺寸的4跨連續(xù)梁橫橋向結(jié)構(gòu)模型模擬鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的橫橋向局部彎曲試驗(yàn)。試件選用鋼板裸板試件（S試件）、鋼板＋FRP鋪裝下層試件（S＋F試件）、鋼板＋環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層試件（S＋A試件）、鋼板＋FRP鋪裝下層＋環(huán)氧礫石鋪裝中層＋環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝上層試件（S＋F＋E＋A試件）各1組，試驗(yàn)采用力傳感器加載，應(yīng)變儀測(cè)應(yīng)變，百分表測(cè)撓度（圖4）。表6給出了各組試件在設(shè)計(jì)荷載和超載下的測(cè)試結(jié)果及相應(yīng)比較結(jié)果。
分析試驗(yàn)結(jié)果可知，
FRP層對(duì)鋼板裸板的撓度和應(yīng)變減小貢獻(xiàn)最大，并且貢獻(xiàn)比例隨超載增大而增大；
FRP―環(huán)氧礫石―瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)對(duì)瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的撓度和應(yīng)變減小的貢獻(xiàn)不如前者，并且貢獻(xiàn)比例隨著超載的增加而減??；在設(shè)計(jì)荷載范圍內(nèi)和超載比例不大于2/3時(shí)，二者的應(yīng)變、撓度減小比例都大于17.4％，與理論分析計(jì)算的應(yīng)力、撓度減小比例13.1％和16.5％較接近。這也證明，采用復(fù)合材料層合梁理論進(jìn)行鋪裝結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算可行，且計(jì)算結(jié)果偏于安全。
4 結(jié)語
FRP―環(huán)氧礫石―瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的初步理論分析計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)研究，得到如下初步研究結(jié)論：
1）
FRP―環(huán)氧礫石―瀝青混凝土鋼橋面鋪裝新結(jié)構(gòu)，是名符其實(shí)的異質(zhì)三層鋪裝結(jié)構(gòu)，各層之間不再另設(shè)粘接層，鋼橋面板上也不需另設(shè)防水層。FRP鋪裝下層，既是鋪裝結(jié)構(gòu)的下承力層和剛度過渡層，又是鋼橋面板的防水層和粘接層；環(huán)氧礫石鋪裝中層，既是鋪裝結(jié)構(gòu)的中承力層和剛度過渡層，又是瀝青混凝土鋪裝上層的界面連接增強(qiáng)層和施工高溫緩沖層。這種鋪裝結(jié)構(gòu)，比現(xiàn)有瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)組成更合理，各層性能更和諧，總體結(jié)構(gòu)功能更完美。
2）
FRP―環(huán)氧礫石―瀝青混凝土鋼橋面鋪裝新結(jié)構(gòu)，能減輕橋面鋪裝恒載0.35kN/m
2，增大12mm厚鋼板的橫橋向抗彎剛度約1倍，減小橫橋向正應(yīng)力約15％，使瀝青混凝土層界面上移而減小界面剪應(yīng)力30％，這是以強(qiáng)度較高的FRP鋪裝下層增大其分擔(dān)鋪裝結(jié)構(gòu)總應(yīng)力比例換來的鋼橋面板和瀝青混凝土鋪裝層應(yīng)力減小的結(jié)果，這將使鋪裝結(jié)構(gòu)各組成部分受力更合理，避免較弱的瀝青混凝土鋪裝層先行失效破壞。
3）
FRP材料的疲勞性能優(yōu)于鋼材，老化壽命≥40年，粘接、防水效果優(yōu)于現(xiàn)有的鋼橋面鋪裝粘接、防水材料；環(huán)氧礫石對(duì)瀝青混凝土鋪裝的界面連接增強(qiáng)可提高鋪裝的整體結(jié)構(gòu)效果；二者能耐酸、堿、鹽介質(zhì)腐蝕優(yōu),能在 -30～70℃范圍內(nèi)正常工作,使其高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和耐蝕耐水性都遠(yuǎn)優(yōu)于瀝青混凝土，從而能顯著提高鋪裝結(jié)構(gòu)的耐久性，保證FRP鋪裝下層的使用壽命不小于30年，環(huán)氧礫石鋪裝中層的使用壽命不小于15年，瀝青混凝土鋪裝上層的使用壽命不小于10年。即使瀝青混凝土鋪裝上層破壞，也只須重做鋪裝上層，而不必拆除鋪裝中層和下層而重做防水層和粘接層，這既可提高鋼橋面鋪裝的使用壽命和使用價(jià)值，還可減小鋼橋面鋪裝的維修頻率和費(fèi)用。
4）
FRP―環(huán)氧礫石―瀝青混凝土鋼橋面鋪裝新結(jié)構(gòu)，不僅帶來了比現(xiàn)有瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)更優(yōu)秀的鋪裝結(jié)構(gòu)形式，而且將帶來鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)、施工的技術(shù)變革和進(jìn)步，還可為虎門大橋、江陰大橋等類似鋼橋面板較薄、超載較多、橋面鋪裝破壞較嚴(yán)重的橋梁提供最簡(jiǎn)單、最有效的鋼橋面鋪裝維修加固技術(shù)支撐，經(jīng)試用路段驗(yàn)證后推向工程應(yīng)用，將大幅提升我國(guó)鋼橋面鋪裝的技術(shù)水平和使用價(jià)值。
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