改善钢箱梁疲劳性能的铺装试验

武汉阳逻长江公路大桥（以下简称“阳逻大桥”）位于武汉市东北郊，上距武汉关约30km，桥位北岸为新洲区阳逻镇，南岸为洪山区向家尾，是武汉市绕城公路东北段跨越长江的重要干道，也是福银高速的重要组成部分。阳逻大桥总长2735m，主桥总体布置为250m+1280m+440m，主跨采用1280m单跨双塔悬索桥，双向六车道，横桥向间距35.0m。大桥工程于2003年11月6日正式开工，2007年12月26日建成通车。

阳逻大桥钢桥面铺装上、下层均采用3cm环氧沥青混凝土，层间采用环氧沥青粘结层粘结。大桥运营近17年来，除2019年对钢桥面进行过一次复合树脂薄层罩面外，未进行过其他大中修改造。如图1所示，目前桥面铺装主要存在纵横向裂缝、边片坑槽等典型病害，需对桥面铺装进行整体改造。

图1 钢桥面铺装典型病害

为对比研究不同铺装体系下钢板应力应变情况，进一步分析不同铺装体系对钢箱梁疲劳性能的改善效果，以指导后续大面积铺装改造施工，选取冷拌环氧树脂ERE、浇筑式沥青混凝土、改性聚氨酯混凝土ECO三种目前国内钢桥面运用较普遍的铺装体系，作为大桥钢桥面铺装试验段方案。经过现场调查，针对主桥第3行车道，在重载车流量较大、重车冲击作用较大、病害较为严重且连续的伸缩缝附近选取300m左右范围（K47+764～K48+064）作为钢桥面铺装试验段，其中冷拌环氧树脂ERE、浇筑式沥青混凝土及改性聚氨酯混凝土ECO三种不同的铺装体系各100m，按照对提升技术的适用性与有效性进行验证，处治宽度为3.85m，如图2所示。

a 纵向位置

b 横向位置

图2 钢桥面铺装试验段位置

先将原沥青铺装层铣刨挖除至钢桥面板，再对钢桥面板进行喷砂除锈达到清洁度Sa2.5级，粗糙度要求达到80～120μm，桥面清理干净后立即成型EBCL层，EBCL层胶料涂布1.2～1.4kg/m2，同时撒布一层3～5mm玄武岩碎石，碎石的撒布量达到满撒的80%，撒布量为3.5～4.5kg/m2。RA层施工时，提前30～60min在EBCL层上面，洒布RA树脂沥青粘结层，洒布量为0.5～0.7kg/m2，之后摊铺3cm厚的RA08层。RA08层固化后顶面进行抛丸处理，界面清理干净后，涂布EBCL防水粘结层，涂布量为1.2～1.4kg/m2，再洒布一层RA树脂粘结层，洒布量为0.5～0.7kg/m2，之后摊铺2.5cm厚的RA08层。RA08层固化后顶面进行抛丸处理，界面清理干净后，涂布一层EBCL抗滑罩面层，涂布量为1.2～1.4kg/m2。ERE铺装结构总厚度为60mm，铺装断面结构布置如图3所示。

图3 ERE铺装断面结构布置

先将原沥青铺装层铣刨挖除至钢桥面板，再对钢桥面喷砂除锈达到Sa2.5级，粗糙度要求达到60～100μm，人工小范围打磨工艺除锈的清洁度应达到St3.0级。除锈施工结束后应立即开始环氧树脂黏结层施工（环氧树脂黏结剂采用Ⅱ型）。防水粘结层采用刮涂或辊涂的方式，采用总量法控制涂布量，涂布量一般为0.4～0.6kg/m2。对于铺装层的侧壁也需要涂刷防水粘结层。粘结层表干后进行3cm浇筑式沥青混合料的摊铺，浇筑式沥青混合料摊铺采用浇注沥青摊铺机摊铺。待浇筑式沥青混合料自然冷却后，层间撒布5～10mm预拌沥青碎石，撒布量为4.0～7.0kg/m2。

浇筑式沥青混合料试验段：挑选与ERE试验段相邻的100m作为浇筑式沥青混合料试验段，铺装断面结构布置如图4所示。

图4 浇筑式沥青混凝土铺装断面结构布置

先将原沥青铺装层铣刨挖除至钢桥面板，再对钢桥面喷砂除锈达到Sa2.5级，粗糙度要求达到60～140μm，人工小范围打磨工艺除锈的清洁度应达到St3.0级。除锈施工结束后应立即开始改性聚氨酯防水粘结剂施工。宜采用人工涂布或机械喷涂等方式将搅拌好的粘结剂均匀地摊铺在抛丸好的桥面板上，涂布要求均匀、无堆积、无流滴。用量以0.8～1.0kg/m2为宜。局部涂布不到位处应采用人工修补。对于改性聚氨酯混凝土与其他桥面铺装系统的接触面（如侧壁等），也应加涂粘结剂。粘结层表干后进行改性聚氨酯混合料的摊铺，采用冷拌冷铺工艺，施工后养生达到设计强度可开放交通。

ECO铺装：挑选与浇筑式沥青混合料铺装试验段相邻的100m作为改性聚氨酯（ECO）试验段，铺装断面结构布置如图5所示。

图5 改性聚氨酯铺装断面结构

通过对比试验段桩号、原桥钢箱梁设计图并结合现场实地调查，确定试验段末端位于钢箱梁3#梁段H3A横隔板上方，行车道轮迹带大致位于第9号、第12号U肋上方。应变监测断面为试验车道与纵向相邻的原结构路段，试验段横向位置如图6所示。

图6 试验段位置示意图

监测范围为原桥面铺装结构下H2D横隔板及H2D～H2E横隔板之间的跨中区域、ERE试验段下H3B横隔板及H3B～H3C号横隔板之间的跨中区域、浇筑式沥青试验段下H9D横隔板及H9D～H9E号横隔板之间的跨中区域、ECO试验段下H16A横隔板及H16A～H16B号横隔板之间的跨中区域，共计8个断面。

图7 纵向断面图

在预定8个测试断面内，共选取120个点位粘贴应变花，典型测点布置示意如图8、图9所示。

图8 H2D横隔板阳逻侧应变花粘贴示意图

图9 H3B～H3C横隔板跨中U9应变花粘贴示意图

在运营荷载作用下，通过分析对比原桥面铺装、冷拌环氧树脂ERE铺装、浇筑式沥青混凝土铺装及改性聚氨酯混凝土ECO铺装4种不同铺装体系试验段内横隔板实测应变值、应变幅值，可以看出，采用冷拌环氧树脂ERE铺装、浇筑式沥青混凝土铺装及改性聚氨酯混凝土ECO铺装后，在运营荷载作用下，横隔板测点实测应变较原桥面铺装均有显著降低，最大降低幅度91.6%，应变幅亦有较大改善，最大降低幅度96.1%。此外，三种铺装体系之间差异较小，因此，从结构受力角度来说，采用冷拌环氧树脂 ERE铺装、浇筑式沥青混凝土铺装及改性聚氨酯混凝土ECO铺装，均可以对横隔板位置的疲劳薄弱点的应力状态有较大改善作用，从而提高结构的疲劳性能，如图10所示。

a 不同铺装体系实测应变值对比

b 不同铺装体系实测应变幅对比

图10 横隔板测点4实测应变对比

在运营荷载作用下，原桥面铺装、冷拌环氧树脂ERE铺装、浇筑式沥青混凝土铺装及改性聚氨酯混凝土ECO铺装4种不同的铺装体系试验段横隔板之间的跨中区域实测应变值、应变幅值分析对比，可以看出，采用冷拌环氧树脂ERE铺装、浇筑式沥青混凝土铺装及改性聚氨酯混凝土ECO铺装后，在运营荷载作用下，U肋测点实测应变较原桥面铺装均有显著降低，最大降低幅度90.8%，应变幅亦有较大改善，最大降低幅度85.9%。此外，对于横隔板之间的U肋跨中区域来说，采用冷拌环氧树脂ERE铺装、浇筑式沥青混凝土铺装及改性聚氨酯混凝土ECO铺装均可以对U肋位置的疲劳薄弱点的应力状态有较大改善作用，从而提高桥面板的疲劳性能，如图11所示。

a 不同铺装体系实测应变值对比

b 不同铺装体系实测应变幅对比

图11 U肋测点26实测应变对比

根据现场试验段监测数据，在运营荷载作用下，冷拌环氧树脂ERE铺装、浇筑式沥青混凝土铺装、改性聚氨酯混凝土ECO铺装3种铺装体系试验段内，H2D、H3B、H9D、H16A横隔板以及H2D～H2E、H3B～H3C、H9D～H9E、H16A～H16B号横隔板之间的跨中区域实测应变值、应变幅值，均较原桥面铺装有显著降低。横隔板测点实测应变较原桥面铺装最大降低91.6%，应变幅最大降低96.1%，U肋测点实测应变较原桥面铺装最大降低90.8%，应变幅最大降低85.9%。从结构受力角度来说，采用ERE、浇筑式沥青混凝土、ECO铺装，均可以对钢桥面板疲劳薄弱点位置的应力状态有较大改善作用，从而提高桥面板的疲劳性能。可针对三种不同的铺装体系进一步开展技术经济、可施工性及可养护性方面的对比分析，提出合理的铺装体系。