２０１１年第４期 仝瑞金，李颖复合材料钢桥面铺装结构的试验研究 总第１４４期 复合材料钢桥面铺装结构的试验研究 仝瑞金，李颖 （广东省公路勘察规划设计院股份有限公司，广州５１０５０７） 摘要：基于初步理论分析计算和实验室试验结果，文章介绍了ＦＲＰ一沥青混凝土钢桥面铺装结构，指出这 种铺装结构具有优于现有钢桥面铺装结构的技术和经济性能，对钢桥面铺装结构的技术创新和工程应用具有 一定的实用价值。 关键词：ＦＲＰ；钢桥面铺装；铺装结构；沥青混凝土 桥梁作为公路建设项目中的主要组成部分， 方面 】。桥面铺装要更好、更快地发展，须从 其结构的耐久性及桥面的使用功能也越来越受 理论和实践上解决阻碍其发展的上述三大难题。 到重视，合理可靠的桥面铺装体系，不仅能为桥 仅靠常规的材料性能改进和结构设计优化措施 梁提供行驶性能良好且耐久的桥面，且能作为桥 很难实现目标，只有从铺装材料和铺装结构上进 面板的有效防护体系，防止水分的渗透，保证桥 行技术创新，才有可能使钢桥面铺装质量水平产 梁结构的耐久性…。 生质的进步。本文介绍一种由纤维增强复合材 钢桥面铺装材料的要求比普通的路用材料 料（ＦＲＰ）与沥青混凝土进行材料、结构复合构成 更高，必须具有与钢板随从变形性能好、与钢板 的ＦＲＰ一沥青混凝土钢桥面铺装结构，经初步理 粘接性好，高温稳定、低温抗裂、耐疲劳、不透水、 论分析计算和实验室试验的证明，这种结构具有 表面抗滑、便于施工、易于维修等基本技术要 优于现有钢桥面铺装结构的技术、经济性能，可 求 ］。由于正交异性钢桥面具有节省钢材、易预 为钢桥面铺装设计提供一定的参考。 制和安装的优点，因此在大跨径桥梁方面应用较 广泛。正交异性钢桥面柔度大，在行车荷载、温 １ ＦＲＰ一沥青混凝土钢桥面铺装结构的 度变化、风载、地震等自然因素共同影响下，特别 结构形式和特点 是还受到桥梁自身结构变形的影响，其受力和变 １．１ 结构形式 形情况非常复杂，如果在重型车辆的荷载作用 ＦＲＰ一沥青混凝土钢桥面铺装结构，为ＦＲＰ 下，复杂的受力情况就显得更为突出和不利了。 铺装下层＋沥青混凝土铺装上层的异质双层铺 同时，钢桥面板的夏季温度高、防水防锈及层问 装结构（图１）。其中，ＦＲＰ铺装下层为正交异性 结合问题都决定了钢桥面铺装具有独特的特点。 的ＦＲＰ波纹夹芯板结构，沥青混凝土铺装上层为 目前国内钢桥面铺装材料基本类型有：改性沥青 传统的浇筑式沥青混凝土（ＧＡ）实心板结构。 ＳＭＡ、浇注式沥青混凝土和环氧沥青混凝土。其 １．２ 结构特点 中改性沥青ＳＭＡ则在中国应用较多，浇注式沥 １．２．１结构形式更简单 青混凝土以英国的沥青玛蹄脂以及日本的浇注 ＦＲＰ一沥青混凝土钢桥面铺装结构，是一种 式沥青混凝土为代表，环氧沥青混凝土在美国应 不需在钢桥面板与ＦＲＰ结构层间界面设置防水 用最为广泛。 层和粘接层的双层结构，这不仅使钢桥面铺装 钢桥面铺装的技术难点和研究热点，也主要 结构的结构形式更简单，还可带来设计和施工 集中在钢桥面板与沥青混凝土的材料性能匹配、 的简化与高效，并有可能实现铺装下层的工厂 结构整体连接构造和结构耐久性提高措施三个 化加工。 ・一７・ ２０１１年第４期 广东公路勘察设计 总第１４４期 图１ ＦＲＰ一沥青混凝土钢桥面铺装结构截面形式 １．２．２结构功能更全面 ２．１ 材料性能比较 因ＦＲＰ材料自重轻、强度高、模量适中，抗 表１给出了常规钢桥面铺装结构材料及ＦＲＰ 冲击、振动和断裂、疲劳的性能优于钢材，密闭 材料的常规力学性能 ］【引。由表知，ＦＲＰ材料 防水、耐高低温疲劳破坏和酸、碱、盐腐蚀的性 密度与沥青混凝土材料相当，但强度、模量远大 能优于沥青混凝土 ’ ，加上ＦＲＰ材料中树脂 于沥青混凝土，并且强度和模量介于钢桥面板和 基体与钢材具有分子间的吸引力、增强纤维能 沥青混凝土中间，这表明ＦＲＰ铺装下层既不会先 承担界面上的高剪应力；正交异性的夹芯板结 于沥青混凝土破坏，也不会对钢桥面板构成位移 构形式既能弥补正交异性钢桥面板的刚度方向 约束，减／ｂ－者材料性能悬殊过大的变形协调难 性和突变性给铺装层带来的刚度缺陷，还能吸 度。 收车辆冲击、钢桥面板振动的动力效应和温度 ２．２截面刚度比较 传导的扩散影响，从而使ＦＲＰ铺装下层兼有钢 横桥向计算模型的截面宽度为１个汽车后 桥面板结构增强层、防水粘接层和铺装结构刚 轮着地长度２００ｍｍ，纵桥向计算模型的截面宽度 度过渡层等多种功能，可使得钢桥面铺装结构 为一个汽车后轮的着地宽度６００ｒａｍ，模型厚度都 组成更合理，总体使用性能更和谐。 取铺装层总厚度。选取横桥向计算模型的横截 ２ ＦＲＰ一沥青混凝土钢桥面铺装结构与 面形式如图２所示，两种计算模型的截面抗弯刚 常规沥青混凝土钢桥面铺装结构比较 度比较如表２所示。 表ｌ 钢桥面铺装结构材料的常规力学性能 ＼性能 密度 拉伸强度 拉伸模量 压缩强度 压缩模量 剪切强度 剪切模量 材 （ｋＮ／ｍ’） （ＭＰａ） Ｅ （ＧＰａ） （ＭＰａ） Ｅ（ＧＰａ） （ＭＰａ） Ｇ（ＧＰａ） ＳＭＡ ２６．０ １．０ １．５ １．５ １．７ ０．６ ＧＡ ２５．８ ０．４ Ｏ．４ ０．７ Ｏ．２ ＥＡ ２６．０ ４．０ １．０ １．Ｏ ０．４ ＦＲＰ ２０．Ｏ ２００ １０．０ ７０．０ ｌ０．Ｏ ５０．０ ３．０ 钢桥面板 ７８．５ ３１Ｏ ２１０ ３１０ ２１０ １８０ ７９．０ 表２钢桥面铺装结构的截面抗弯刚度对比 计算模型 截面抗弯刚度面（Ｎ・ｍｍ ） 刚度对比／（％） （１） （２） （兰）＝ｉ ！ 钢桥面板＋沥青铺装层结构 钢桥面板＋ＦＲＰ铺装下层＋铺装上层结构 （１） 纵桥向 ２．６３ Ｘ１０ ２．６４ Ｘ１０ ０．４ 横桥向 ２．２４ Ｘ１０ ０ ２．６９ Ｘ １０ 。 ２Ｏ．１ ・８・ ２０１１年第４期 仝瑞金，李颖复合材料钢桥面铺装结构的试验研究 总第１４４期 沥青混凝土铺装层 ＦＲＰ铺装下层顶板 沥青混凝土铺装上层 ａ）常规沥青混凝土钢桥面铺装结构 ｂ）ＦＲＰ一沥青混凝土钢桥面铺装结构 图２钢轿回铺装结构横桥向计算模型横截回彤式 由表２中结果知，沥青混凝土钢桥面铺装结 模量或压缩模量； ＿●＿。一 构改为ＦＲＰ一沥青混凝土钢桥面铺装结构，对纵肼一钢桥面铺装结构计算截面（ 截面）的抗 桥向的刚度贡献可忽略不计，但对横桥向的刚度 弯刚度； 贡献增大了２０．１％。更重要的是，钢桥面板与 一钢桥面铺装结构计算截面第ｋ层计算点 ＦＲＰ铺装下层的优异连结效果能保证二者构成 距中性轴Ｙ的距离； 完全结构整体。 云－－钢桥面铺装结构计算截面第ｋ层以上 ３ ＦＲＰ一沥青混凝土钢桥面铺装结构的 截面拉伸或压缩刚度对中性轴Ｙ的静距； 模拟试验 ６一钢桥面铺装结构计算截面的宽度； ３一 关于截面应力的理论计算 一钢桥面铺装结构的组成代号， ＝１（ｓ 对于横桥向计算模型，采用支承于ｕ型肋 板），２（ＦＲＰ层），３（ＧＡ）层。 上、长度等于８个Ｕ型肋ｆ．－３１￣８×０．６ｍ、宽度等 ３．２钢桥面铺装结构试件横桥向弯曲试验 于车轮着地长度２００ｍｍ的１６跨连续梁模型，将 选择图２所示截面尺寸的４跨连续梁横桥向 １个汽车后轮荷载７０ｋＮ乘以冲击系数１．３作为 模型模拟钢桥面铺装的横桥向弯曲试验。表３ 设计荷载（Ｐ＝９１ｋＮ），按车轮面积均载进行影响 给出了试件在设计荷载和超载的测试结果及相 线布载计算结构控制截面的应力；对于纵桥向计 应比较结果。分析试验结果可知，ＦＲＰ层对钢板 算模型，采用两端固支于横隔板上、长度等于横 裸板的挠度和应变减小贡献最大，并且贡献比例 隔板间距３．２ｍ、宽度等于车轮着地宽度６００ｍｍ 随超载增大而增大，这与理论分析计算的应力、 的固端梁结构模型。钢桥面铺装结构纵横向的 挠度减小比例是比较接近的，同时也说明采用复 弯曲正应力和界面上的剪应力，可采用如下复合 合材料层合梁理论进行铺装结构的受力分析计 材料层合梁弯曲应力简化计算公式进行计算： 算精度较高。 ＾ ｒ，Ｆ（ ） ｎ ＝ 一 ＝ （３—１）４ 结语 ／５１ ／５』Ｏ 式中： ＦＲＰ一沥青混凝土钢桥面铺装结构经初步理论 一钢桥面铺装结构第 层 方向的正应 分析计算和实验室模拟试验，得到如下几点结论： 力； （１）ＦＲＰ一沥青混凝土钢桥面铺装结构，是 ～钢桥面铺装结构第 层和第ｋ＋１层界 典型的异质双层铺装结构，不需另设防水层和粘 面上 方向的剪应力； 接层。ＦＲＰ铺装下层既是钢桥面板的结构增强 Ｍ ，Ｑ 一钢桥面铺装结构计算截面（ 截面） 层和防水粘接层，还是铺装结构的刚度过渡层， 的计算弯矩和剪力； 比现有沥青混凝土钢桥面铺装结构组成更合理， 一钢桥面铺装结构第ｋ层 方向的拉伸 总体使用性能更和谐。 ・９・ ２０１１年第４期 广东公路勘察设计 总第１４４期 表３横桥向弯曲试验结果 试验检测 试验结果 结果对比 试验荷载 （ｋＮ） 钢板＋ＧＡ铺装层试件 钢板＋ＦＲＰ铺装下层＋ 项 目 （１） ＧＡ铺装上层试件（２） （）１ （％）尸ｌ＝９０．０ （ｍｉｌ１） Ｏ．９８ ０．７４ ２４．５ （约等于设计荷载） ８ （ｐ，ｅ） ５３２．５５ ３３２．２２ ３７．６ Ｐ２＝１２０．０ ～（ｍｍ） １．３２ １．０３ ２２．０ （超设计荷载约１／３） ｓ （１ａ，ｅ） ７６９．Ｏ５ ４７７．５０ ３７．９ ＝１５０．０ （ｍｍ） １．６０ １．２６ ２１．２ （超设计荷载约２／３） ｓ哪ａＩ（ ８） ８９６．５６ ７ｏｏ．８９ ２１．８ 注：ＦＲＰ一沥青混凝土钢桥面铺装结构弯曲试验试件数量：钢板一沥青混凝土铺装层试件１件，钢板一ＦＲＰ一沥青混 凝土铺装层试件各５件；ＦＲＰ一沥青混凝土钢桥面铺装结构试件弯曲试验加载方式：采用４跨连续梁中间两跨均布荷载 加载方式加栽，加载通过反力架和油压千斤顶施加集中荷载Ｐ传给梁顶的钢板和橡胶板进行分配变成均布荷裁ｑ的加 栽效果 ，８ Ｂｏｒｎｘ分剐为连续梁第２跨或第３跨跨中截面（相当于钢桥面板的Ｕ形肋跨中截面）的最大挠度和钢桥面板 底面的最大拉应变。 （２）钢板一ＦＲＰ一沥青铺装层试件相对于钢 参考文献： 板一沥青铺装层试件的挠度减小２４．５％（设计荷 ［１］崔颖波．钢桥改性沥青桥面铺装层设计及施工工艺 载），２２．Ｏ％（超载１／３），２１．２％（超载２／３）；相 研究［Ｊ］．湖南交通科技，２００７，３３（１）：１００—１０３． 对于钢板一沥青铺装层试件的钢板拉应变减小 ［２］陈仕周，胥志宏．复合改性沥青在钢桥面浇注式沥青 混凝土中的应用［Ｊ］．公路交通技术，２００５，（５）：７３—２６． ３７．６％（设计荷载），３７．９％（超载１／３），２１．８％ ［３］张健康，胡光伟，俞先江，沈承金，黄卫．大跨径钢桥 （超载２／３）。ＦＲＰ一沥青混凝土钢桥面铺装结构 面铺装体系关键技术研究进展［Ｊ］．交通运输工程与信息 的主要贡献是增大钢桥面板和整体铺装结构的 学报，２００８，６（２）：１２—２０． 横桥向刚度，减小其横向应力和挠度，并且这种 ［４］杨建军，周志刚，刘小燕．正交异性钢桥面铺装结构 贡献随着沥青混凝土铺装层的材料性能降低而 理论研究进展［Ｊ］．中外公路，２００６，（４）：９６—１０１． 增大。 ［５］唐善普，胡光伟，沈承金．各向异性钢桥面铺装层耐 久性研究［Ｊ］．中南公路工程，２００７，３２（３）：６４—６７． （３）沥青混凝土随温度升高和降低性能会急 ［６］张锡祥，顾安邦．复合材料用于大跨斜拉桥发展展望 剧衰减，而ＦＲＰ材料在一３０～７０￣Ｃ范围内性能基 ［Ｊ］．重庆交通学院学报，１９９５，１４（１）：１４一ｌ９． 本稳定，故可弥补沥青混凝土层性能衰减的缺陷 ［７］钱振东，黄卫，茅荃，胡光伟．南京长江第二大桥钢桥 并使整体结构温度影响减弱。此外，ＦＲＰ材料的 面铺装层受力分析研究［Ｊ］．公路交通科技，２００７，２４（６）： 疲劳性能优于钢材，可提高钢桥面铺装的使用寿 ４３～４６． 命，还可减小钢桥面铺装的维修频率和费用。 ［８］樊叶华，黄卫，王敬民，陈雄飞．江阴长江大桥钢桥面 柔性防水粘接层特性分析［Ｊ］．公路交通科技，２００７，２４ （４）ＦＲＰ一沥青混凝土钢桥面铺装结构以强 （６）：３３～３６． 度较高的ＦＲＰ铺装下层增大其分担结构总应力 ［９］张粤生 国内大跨径钢桥面桥梁主要铺装类型介绍 比例，能够使钢桥面板和沥青混凝土铺装层应力 ［Ｊ］．中外公路，２００７，２７（４）：１４３—１４５． 减小，这将使铺装结构各组成部分受力更合理， ［１Ｏ］刘沐宇，曹玉贵，丁庆军．新型钢桥面铺装结构的力 避免沥青混凝土铺装层先行失效破坏。这种结 学性能分析［Ｊ］．华中科技大学学报（城市科学版），２００８， 构具有优于现有钢桥面铺装结构的技术、经济性 ２５（４）：２３～２６． ［１１］黄卫，钱振东．大跨径桥梁钢桥面铺装设计理论与 能，可为钢桥面铺装设计提供一定的参考，对钢 方法［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００６． 桥面铺装结构的技术创新和工程应用具有一定 ［１２］王震鸣．复合材料力学和结构力学［Ｍ］．北京：机械 的实用价值。 工业出版社，１９９１． ・１０・
