​斜港大桥钢桥面铺装综合技术研究

斜港大桥钢桥面铺装综合技术研究

苏州市吴中区交通运输局

江苏省交通科学研究院股份有限公司

2015年1月

目 录

目 录1

第一章概述3

1.1研究目的与意义3

1.2 国内外研究现状5

1.3主要研究内容10

第二章使用条件分析13

2.1 环境条件13

2.2 交通条件13

2.3构造条件14

2.4 施工条件15

2.5本章小结19

第三章钢桥面铺装力学分析20

3.1常见力学分析方法调研20

3.2力学计算思路与方法23

3.3三阶段有限元模型建立和计算26

3.4 本章小结40

第四章钢桥面铺装方案研究42

4.1 概述42

4.2典型钢桥面铺装使用调研42

4.3典型钢桥面铺装方案综合比较51

4.4斜港大桥钢桥面铺装推荐方案54

第五章钢桥面铺装材料设计及性能研究58

5.1防水层性能研究58

5.2冷拌树脂铺装层材料设计及性能研究65

5.3 高弹改性沥青铺装层材料设计及性能研究78

5.4复合结构性能研究83

5.5本章小结91

第六章施工工艺及验评标准研究93

6.1 上层桥面组合式铺装（ERS）施工94

6.2 下层桥面双层环氧沥青铺装施工116

6.3 本章小结124

第七章人非系统、检修道及中央分隔带铺装研究125

7.1 概述125

7.2人非系统与检修道铺装125

7.3中央分隔带铺装133

7.4 本章小结135

第八章总结136

第一章概述

1.1研究目的与意义

斜港大桥于2011年启动建设，位于苏州吴中区，京杭运河与斜港的交汇口，为特大型下承式系杆拱桥，是一座造型新颖的双层桥面的现代城市桥梁。上层桥面为城市快速路，设计时速为80km/h，与东环快速路南延段相接，下层桥面为城市主干路，设计时速为50km/h。

斜港大桥主桥在结构体系上，属桁架式梁拱组合体系桥梁，拱、梁均为钢桁架结构，主拱、主桁的节点采用全焊接结构。桥梁跨径组合为69m+180m+ 69m，总长318m，桥梁立面如图1.1-1所示。上、下层桥宽分别为41.6m和48.6m，双向共设置八车道，其中下层桥面作为城市主干道还设置了人行道和非机动车道。

图1.1-1 苏州斜港大桥桥梁立面简图（单位：m）

主梁采用双层钢桁架体系，桥面系由正交异性钢桥面板、横梁和挑臂组成。行车道钢桥面板由16mm厚钢板、纵向U肋和小纵梁组成，见图1.1-2。横梁包括主横梁、副横梁、结合段横梁、端横梁四个类型。

斜港大桥结构复杂、交通量大，对桥面铺装的性能要求高，而铺装工程质量对桥梁的服务水平和耐久性有直接影响。因此有必要针对斜港大桥桥面铺装的受力特点，选择适合的桥面铺装方案，以保证斜港大桥钢桥面铺装施工质量。而正交异性板钢桥面铺装作为桥梁建设的关键工程之一，一直是学术界与工程界研究的重点与难点。

图1.1-2 苏州斜港大桥空间透视图

正交异性板钢桥面铺装一般为双层结构，主要作用是：1）保护主梁不受车辆轮胎或履带的直接作用、传递和分散荷载；2）防止雨水渗入，保护钢板不被侵蚀；3）有良好的平整性和抗滑耐磨耗性，给汽车提供安全、舒适、快速的行驶道面。钢桥面铺装体系一般由防水防腐层、粘结层和混凝土铺装层组成，要求铺装体系与钢板具有良好的粘结性能、协调变性能力和抗疲劳性能。

图1.1-3 正交异性板桥面铺装体系图示

斜港大桥主跨为180m，采用双层桁架体系，且正交异性板的厚度为16mm，整体和局部刚度相对漂浮/半漂浮体系的悬索桥或者斜拉桥都要大，对铺装层使用条件相对有利。作为公用市政工程，要求铺装技术方案先进可靠、造价经济合理之外，斜港大桥钢桥面铺装还需考虑的主要难点和要求如下：

（1）桥梁纵坡较大，为3%，对铺装层界面抗剪和表面抗滑性能要求极高。

（2）未来运营过程具有大交通量、重载交通的使用特点，要求铺装层还需具有良好的抗车辙和抗疲劳性能。

（3）双层式桥面，铺装规模总体较小，且工期相对紧凑，要求铺装层材料易于施工且养护周期较短，且须考虑不同施工季节的可操作性。

（4）未来作为城市主干道和快速通道，通行压力比较高，要求桥面铺装层具有良好的耐久性以外，同时要相对易于养护维保。

综上，为了斜港大桥钢桥面铺装工程顺利实施，课题拟结合斜港大桥铺装工程特点与要求，开展钢桥面铺装综合技术研究，解决铺装难题。课题首先进行典型钢桥面铺装方案与使用现状调研，围绕技术性能、施工和易性、后期养护维保以及造价等多方面进行多方案的综合比选，并进行斜港大桥钢桥面铺装力学计算，重点分析铺装层底面剪应力和表面拉应变等关键指标，为斜港大桥铺装方案的最终确定和室内试验提供科学依据；其次，课题通过原材料试验、铺装结构与材料组成设计和性能研究，优化方案，并提出斜港大桥钢桥面铺装施工工艺及质量验评指标，确保方案顺利实施。

1.2 国内外研究现状

1.2.1国外典型钢桥面铺装技术

钢桥面铺装一直是桥梁建设的关键工程和难点工程。国外诸如欧、美、日等国家对钢桥面铺装技术的集中研究起始于20世纪50年代，结合各国气候和交通特点等使用条件，开展了大量研究工作，主要形成了“单层与双层两大铺装结构；SMA、浇注式和环氧沥青三大铺装材料”的典型方案，国外典型钢桥面铺装技术方案见下表1.2-1所示。

表1.2-1 国外典型钢桥面铺装技术方案

代表国家方案

德国双层浇注式/浇注式+SMA

英国单层Mastic

荷兰浇注式+PA

日本浇注式+高弹改性

美国单/双层环氧沥青

（1）欧洲钢桥面铺装技术

欧洲的钢桥面铺装技术主要以德国浇注式（Gussasphalt）和英国Mastic沥青混凝土为主要代表，也有些国家，比如荷兰，由于人口居住密度高，考虑降噪雪需求，一些市政桥铺装上层通常采用大空隙沥青铺装的方案。其中英国浇注式习惯以材料命名，将浇注式沥青混凝土称为Mastic沥青混凝土，实质上与德国的Gussasphalt属于同一范畴的材料。

德国于1917年开始研发浇注式沥青混凝土，并将浇注式沥青混凝土大量应用于建筑物防水层、停车场、高速公路和钢桥面铺装工程中；英国于1952年通过大规模钢桥面铺装试验后，于1964年制定了Mastic沥青混凝土铺装规范。

相比传统的沥青混凝土，浇注式沥青混凝土沥青和矿粉含量较高，采用高温拌和工艺（一般为200~240℃），通过混合料的自身流动成型、无需碾压，与钢板具有很好的变形协调性能，且空隙率接近零，具有优良的防水性能，但缺点是强度低、高温稳定性差，易形成高温变形类的病害，如车辙、推移等。

（1）英国单层Mastic                       （2）德国浇注式

图1.2-1浇注式沥青钢桥面铺装典型结构

（2）美国钢桥面铺装技术

在20世纪50年代后期，壳牌石油公司研发出环氧沥青，最早是应用在机场跑道上作罩面，提高跑道的抗冲击性和耐久性。1967年环氧沥青混合料首次在美国San Mateo-Hayward桥梁用作正交异性钢板桥面的铺装层，并取得良好的使用效果。近三十年来美国、加拿大、荷兰、澳大利亚和中国等相继使用环氧沥青铺装技术，应用范围较为广泛。

环氧沥青价格昂贵，性能优越，在路面领域是一种公认的超高级材料，但其施工对温度、时间、环境等因素要求极为严苛，施工质量控制难度较高；且环氧沥青属于热固性材料，刚度较高，较易开裂，其修复技术与一般热塑性沥青材料完全不同，且难度不亚于新建钢桥面铺装技术。

图1.2-2双层环氧结构

（3）日本钢桥面铺装技术

日本对正交异性钢桥面铺装的研究始于二十世纪50年代初，于 1956年在钢桥面的铺装中引进德国浇注式沥青铺装技术，并使这种混合料及其技术得到了长足和全面深入的发展及推广。1961年《沥青铺装要览》将浇注式沥青混合料纳入其中并公布与钢桥面铺装有关的技术规范及准则，1976年通过长浦地试验桥研究，日本将“下层浇注式沥青混凝土、上层改性密级配沥青混凝土”的铺装结构确定为最佳铺装方案，并在后期建设的各大桥中大量应用。

图1.2-3日本浇注+改性结构

日本在70年代对环氧沥青混凝土的配制和性能进行了研究，于90年代逐步开始应用，其混合料施工工艺与路用性能与美国环氧沥青有较大的差别。考虑到冷拌树脂价格较高，日本应用的实际工程相对较少，2000年后由株式会社生产的TAF环氧沥青在中国一些钢桥面铺装工程中得到应用，如2004年江阴大桥大修、2008年的珠江黄埔大桥、2008年底的虎门大桥大修、2009年的润扬大桥大修、2012年的泰州大桥等钢桥面铺装采用了此材料。

1.2.2国内钢桥面铺装技术现状

国内从上世纪80年代起开始修建正交异性板钢桥，对钢桥面铺装技术研究的起步相对较晚。早期由于对正交异性板钢桥面了解不深，对铺装技术的研究有所忽视，最早是使用普通密级配沥青混凝土，粘层多采用乳化沥青，通车后发现这种铺装体系使用寿命往往只有数十或几个月。其后，在80年代末，国内一些钢桥开始采用改性密级配沥青混凝土作为铺装层，粘结层采用环氧煤焦油等，虽然一定程度提高了铺装使用性能，但实际使用不到1年就发生了比较严重的破损，典型的有广东马房北江大桥、胜利黄河大桥和湖北西陵大桥等。

同期，在90年代前后，国内由于缺乏可靠成熟的钢桥面铺装技术，在一些刚度较大、跨径较短的城市高架钢桥面铺装工程也采用了一部分钢纤维混凝土的铺装技术，但在2000后，随着研究的深入，逐渐退出主流方案。

国内进行系统性的钢桥面铺装技术研究是从1997年建成通车的广东虎门大桥开始的，虎门大桥通过广泛调研国外钢桥面铺装技术以及大量的室内试验，确定了改性沥青SMA钢桥面铺装技术方案，此后至2003年，国内一些大跨径钢桥、公路跨线桥、匝道桥和市政小型钢桥都采用双层改性SMA的方案。

但由于改性沥青材料性能本身的局限性、以及国内缺乏实桥施工经验、施工控制不严，以及国内高温重载、早期钢箱梁顶板厚度偏薄等客观使用条件等因素，随着铺装路龄的不断延长，双层SMA钢桥面铺装容易产生推移和车辙等早期病害，比如虎门大桥、海沧大桥、西陵大桥、军山大桥以及白沙洲大桥等典型工程，在近年来进行过多次的大中修，主要病害包括裂缝、车辙、推移等。

（1）网裂（2）推移

（3）推移（4）车辙

图1.2-4国内早期双层SMA钢桥面铺装典型病害

2000年后，国内从早期采用改性沥青铺装技术获得的经验教训后，于20世纪末先后引进了英国Mastic、德国浇注式、美国和日本环氧沥青、日本复合浇注式等钢桥面铺装技术。近年来，随着国内对钢桥面铺装技术研究的不断深入，国内通过自主创新，研发了ERS钢桥面铺装技术，并应用较为广泛，在国内已经有近20座钢桥采用，形成了设计、施工和验评的成套的技术。

图1.2-5国内钢桥面铺装技术分布

其中，树脂沥青组合体系钢桥面铺装技术（以下简称ERS钢桥面铺装技术），属国内自主创新技术，是解决我国钢桥面铺装技术难题的成套解决方案。ERS钢桥面铺装由EBCL（防水抗滑层）＋RA（冷拌树脂混凝土铺装层）＋改性SMA铺装层组成。EBCL（Epoxy Bonding Chips Layer）作为防水抗滑粘结层，主要起到保护钢板、并提高界面剪切强度的作用；RA（Resin Asphalt）作为刚度过渡层，主要起到刚度过渡、均布承载和隔温的作用；SMA作为表面功能层，主要起改善行车舒适性的作用。

（1）广州猎德大桥（2）营口辽河特大桥

图1.2-6 冷拌树脂组合式钢桥面铺装施工现场

1.3主要研究内容

课题拟针对斜港大桥结构、气候和交通等使用条件特点，进行斜港大桥钢桥面铺装力学分析，结合典型钢桥面铺装使用现状调研，通过多方案比选确定斜港大桥钢桥面铺装方案；并优选原材料，进行铺装结构和材料组成设计和性能试验研究，优化铺装方案；通过室内施工敏感性模拟，研究斜港大桥钢桥面铺装施工工艺和验评指标，为本项目顺利实施提供科学依据。

（1）典型钢桥面铺装使用现状调研

课题将在江苏省内外，针对国内集中典型的钢桥面铺装使用现状进行调研和总结，包括环氧沥青、浇注式、ERS组合式和钢纤维混凝土等，重点分析各种类型铺装的使用性能、病害特点以及维保情况等，从而为斜港大桥钢桥面铺装方案比选范围提供科学依据。

（2）斜港大桥钢桥面铺装的力学分析

斜港大桥未来具有重载交通和纵坡大的使用特点，因此，铺装层底面剪应力、表面拉应变是斜港大桥钢桥面铺装力学控制的关键指标。课题通过整体、局部和细部三个阶段力学分析，提出铺装体系的力学指标要求，为斜港大桥钢桥面铺装设计提供理论依据。第一阶段，整桥模型阶段：分析连续钢梁桥的整体结构变形；第二阶段，钢箱梁的整体模型阶段；第三阶段，关键部位细部模型阶段。

（3）斜港大桥钢桥面铺装方案比选及优化

结合调研结果和力学分析数据，课题拟初步选定相对适宜的钢桥面铺装方案，并开展系统的室内试验研究，围绕不同方案的技术参数、施工工艺、可维保性以及造价等综合因素，比选确定斜港大桥钢桥面铺装方案；并顺时开展原材料优选、铺装结构和材料组成设计和性能验证、以及界面处理技术研究，优化铺装方案。针对斜港大桥特点，需要重点研究的内容包括：铺装层的高温性能、抗疲劳性能、界面抗剪强度等。

（4）钢桥面铺装关键施工工艺及验评标准研究

桥面铺装施工工艺包括桥面处理、防水粘结层施工、铺装层混合料备料、拌和、摊铺、运输、碾压等各个环节，并明确施工过程质量影响的关键因素，重点研究对桥面铺装质量密切相关的碾压工艺、离析防治措施、减少对防水层施工损伤的技术措施等，并结合原材料、产品质量控制方法，形成《斜港大桥ERS钢桥面铺装施工技术指南》。

（5）养护策略研究

后期维保技术是钢桥面铺装系统工程的关键之一，尤其是市政桥梁，后期方便的可维保性和策略更是不可忽视。课题拟结合铺装方案本身技术性能，从延长铺装使用寿命，保护钢箱梁结构安全的角度，制定合理的铺装维保策略，提出适宜的钢桥面铺装的维保方案，提高铺装的使用性能和寿命。

技术路线图如下：

第二章使用条件分析

准确把握钢桥面铺装使用条件，包括交通量和交通组成、环境气候条件、桥面铺装支撑结构及正交异性板参数等构造条件，是钢桥面铺装研究的基础和关键。由于钢桥面铺装在荷载、温度和雨水等作用下、以及正交异性板结构的特殊性，铺装层受力变得十分复杂。因此，对荷载条件、环境条件的合理分析和预测，是确定斜港大桥铺装材料性能指标、评估铺装使用寿命的重要依据。

2.1 环境条件

苏州地处我国大陆东部沿海，位于北亚热带湿润季风气候区内，夏季气温较高，潮湿多雨，冬季干燥寒冷，季风明显，四季分明。

斜港大桥所在区域全年平均气温为15.7℃，1月气温最低，平均气温为0.3℃；7月份气温最高，平均值为30.3℃。极端最低气温和最高气温分别为-9.8℃和39.2℃。苏州进度近5年各月平均气温见图2.1-1。

苏州地区雨水较多，多年平均降水量在1100mm左右，降水日数平均每年达130天，且在每年5~6月有明显雨季。

图2.1-1 近5年苏州地区各月平均温度

2.2 交通条件

斜港大桥是一座双层式桥梁，上层为东环快速路南延段，双向设置6个机动车道。目前苏州快速路系统已逐渐成井字形排布，根据东环交通量现状，未来斜港大桥桥面上层快速路的日交通量可能达到50000辆/日以上，但主要是小型客车，货车比例相对较低。

图2.2-1 苏州城市快速路系统图2.2-2 东环交通量时间分布特征

斜港大桥下层是城市主干道，考虑到交通量较大，双向共设置了8个机动车道。随着苏州城市化建设的加快，以及吴中经济技术开发区的快速发展，下层桥面未来的具有大交通量和重载的双重特点，对铺装考验较大。

2.3构造条件

斜港大桥主桥采用双层式桥面，上层为双向六车道+两条辅助车道共八车道的城市快速路，下层为双向八车道的城市主干路，并包含非机动车道和人行道等，上、下层桥宽分别为41.6m和48.6m。采用桁架梁开放式结构，相对一般的封闭式钢箱梁具有更好的通风性，可提高通风降温的效率，进而减小夏季桥面板的极限高温和高温持续时间。

全桥支撑体系为三跨连续结构，属桁架式梁拱组合体系桥梁，拱、梁均为钢桁架结构，主拱、主桁的节点采用全焊接结构，主桥跨径布置为：69m+180m+69m=318m，总体布置见下图2.3-1。因此，斜港大桥整体刚度较大，相对于漂浮体系的悬索或者斜拉桥，其对铺装体系的变形能力相对较小，对铺装的整体受力有好处。

图2.3-1 苏州斜港大桥总体布置图（单位：m）

斜港大桥桥面系由正交异性钢桥面板、横梁和挑臂组成，横断面见图2.3-2。其中行车道钢桥面正交异性板由顶板、纵向U肋和纵梁等组成。钢桥面顶板厚度为16mm；U肋横距为300mm、高度280mm、厚度8mm；倒T型小纵梁横向间距为3.9m，高度1.5m，腹板厚12mm，共设8道小纵梁。

从正交异性板桥面系构造来看，国内早期钢桥顶板厚度主要在12~14mm范围内，斜港大桥钢桥顶板厚度达到16mm，可以增大桥面系局部刚度，大幅改善铺装层受力情况；但桥面宽度达到40m以上，设置了8 道小纵梁，在荷载条件下，必须考虑纵梁和U肋顶面产生的负弯矩对铺装层受力的影响。

图2.3-2 斜港大桥主桥结构横断面

此外，斜港大桥主桥桥面设计纵坡为3%，双向横坡为2%，考虑到未来大交通量和重载交通等使用特点，铺装与钢板的界面、以及铺装上下层界面将会产生较大剪切应力，引起铺装层滑移，因此需要严格控制铺装层界面剪切强度。

2.4 施工条件

为了确保斜港大桥钢桥面铺装顺利实施，提高铺装施工质量和进度，课题在苏州当地对8家沥青混合料拌合站进行了调研。主要考察了拌和楼型号及配置、以及与斜港大桥施工现场的距离等内容。

其中距离斜港大桥施工现场距离较近的主要有位于郭巷镇林家潭路的苏州市第二市政工程有限公司，以及位于东方大道郭巷区域内的三家当地施工单位，包括江苏华创建设工程有限公司、苏州三创路面工程有限公司、苏州凯达路材股份有限公司。其中苏州市第二市政工程有限公司拌合楼设备较新；而苏州三创则采用拌合楼为英国进口的ACP型。

表2.4-1  周围沥青拌合场厂家

序号沥青厂家厂址距离斜港大桥施工现场

1苏州市第二市政工程有限公司吴中区郭巷镇林家潭路188号2km以内

2苏州三新路面工程有限公司子胥路15km左右

3江苏华创建设工程有限公司东方大道郭巷区域4~5km

4江苏东吴路桥建设集团有限公司路面分公司吴中区甪直镇15km左右

5苏州市政工程集团路桥沥青工程有限公司劳动路6km左右

6苏州三创路面工程有限公司东方大道郭巷区域4~5km

7苏州凯达路材股份有限公司东方大道郭巷区域4~5km

8苏州景典市政工程有限公司吴中区甪直镇淞浦村15km左右

图2.4-1 沥青拌合场位置图示

2.4.1苏州市第二市政工程有限公司

苏州市第二市政工程有限公司拌和楼型号为无锡雪桃AMP-4000型，最大产量约320t/h左右，拌和楼生产时由计算机全程自动控制，并配有打印设备，生产过程可实现逐盘打印，并配备200t成品混合料储料仓。拌和楼未配有木质素添加设备。拌和楼详图见下图。

图2.4-2苏州市第二市政无锡雪桃AMP-4000型

2.4.2江苏华创建设工程有限公司

江苏华创建设工程公司拌和楼型号为LB-3000型，最大产量约210t/h左右，拌和楼生产时由计算机全程自动控制，并配有打印设备，生产过程可实现逐盘打印。拌和楼配有木质素添加设备，并配备100t成品混合料储料仓。生产过程中，回收粉同样采取湿排的措施。

图2.4-3江苏华创LB-3000拌合楼

2.4.3苏州三创路面工程有限公司

苏州三创路面工程有限公司沥青拌和站采用的是ACP-4000型间歇式拌和楼。每小时产量约为330t/h。拌和楼采用计算机全自动控制，配有打印装置，生产过程中能逐盘打印热料称量结果。并配备200t成品混合料储料仓，从拌合楼的外观看，该拌和站偏旧，生产过程中控制难度大。

图2.4-4苏州三创ACP-4000型拌和站

2.4.4苏州凯达路材股份有限公司

苏州凯达路材股份有限公司沥青拌和站采用的是无锡雪桃AMP-4000型间歇式拌和楼。每小时产量约为320t/h。拌和楼采用计算机全自动控制，配有打印装置，生产过程中能逐盘打印热料称量结果。并配备200t成品混合料储料仓。生产过程中，回收粉采取湿排的措施，并配备了木质素纤维投放机。

图2.4-5 苏州凯达无锡雪桃AMP-4000型间歇式拌和楼

2.5本章小结

本章课题主要针对斜港大桥的使用条件进行了分析，包括环境条件、温度条件、交通量以及正交异性板构造条件等，主要形成的结论如下：

（1）苏州地处长江中下游和东部沿海地段，总体上存在高温多雨的典型气候特征，低温条件相对不苛刻。其中最高月平均气温为30.3℃，极端最高气温39.2 ℃，最低月平均气温为0.3℃，极端最低气温-9.8 ℃；降水多而集中，降水日数平均每年达130天，5~6月有明显的梅雨季节。

（2）通过对交通量的分析，未来斜港桥上层桥面6车道快速路交通量较大，日平均车辆可能会达到50000量以上，货车比例相对较低；而下层8车道城市主干道未来可能会存在大交通量和重载交通的特点，对铺装要求高。

（3）斜港大桥采用桁架体系，整体刚度较大，对铺装层受力相对较为有利，但其桥面较宽，达到40m以上，且纵坡达到3%，在重载车辆荷载作用下，对铺装层剪切和疲劳性能考验较大，需深入研究和严格控制。

（4）课题对斜港大桥建设现场附近的沥青拌合楼进行了调研，确认了当地距离相对较近的四家拌和站的型号等信息，为斜港大桥钢桥面铺装成功实施奠定了良好的基础。

第三章钢桥面铺装力学分析

斜港大桥是一座双层式桥梁，主桥为三跨全焊板桁结合整体节点板桁架桥。铺装受力相对复杂，且特点不同于悬索桥和斜拉桥。课题通过力学分析，分析斜港大桥钢桥面铺装的受力特点，为斜港大桥钢桥面铺装的方案选择提供依据。

根据斜港大桥结构特点，钢桥面铺装力学分析计算的主要任务有两个：

（1）分析计算铺装层界面处的剪应力和变形要求，以便选择合适的界面材料适应这种要求，保证铺装与钢板在界面处的变形的连续性。

（2）分析计算铺装层可能承受多大的往复荷载或者说铺装层可能承受多大的往复应变值，以便选择合适的铺装材料，并以此计算结果指导室内疲劳试验来评价、验证这种钢桥面铺装的使用寿命。

3.1常见力学分析方法调研

正交异性钢桥面板结构，即正交异性支撑结构上的板，作为弹性支撑连续正交异性板分析已有多种解法，其中解析法是一种较为成熟的经典计算方法，并以Pelican与Esslinger于1957年共同提出的P—E法最为著名。目前，较为成熟的是有限差分法、有限条法(张佑启／Cheng．Y．K于1969年)和有限元法。

1997年同济大学童乐为在简化的结构分析的基础上，结合有限元数值计算在理论上较好地掌握钢桥面板实际的应力状况。其简化的钢桥面板分析模型如下：

图3.1-1 计算模型

2002年东南大学邓学钧等，充分利用钢箱梁系统的结构规则性，运用有限条法进行分析，将面板在纵向加劲肋支撑处离散为若干个矩形条，两端隔板可以看作简支，中间隔板看作弹性支撑处理。桥面系统条元划分见下图：

图3.1-2 计算模型

随着计算机技术的迅猛发展，有限元软件在钢桥面铺装力学计算方面应用越来越广泛。更为精确的数值解法成为正交异性钢桥面板结构计算的主流趋势。

1999年同济大学徐军运用SUPERSAP有限元分析软件对钢桥面板模型进行应力分析计算。计算采用SUPERSAP软件中的板壳单元，单元形状以正方形或矩形为主，盖板上单元尺寸为25 mm x 25 mm，并将荷载作用处的单元进行细分。

图3.1-3 计算模型

2002年钱振东、黄卫等选取闭口加劲肋正交异性钢桥面板作为研究对象，采用SUPERSAP软件中的块单元，单元形状以长方体为主，并对荷载作用区域和加劲肋顶部等高应力集中区的单元进行细分。

图3.1-4 计算模型

2004年东南大学钱振东等选取如下图所示的正交异性桥面板作为研究对象，桥面沿横桥向取7个梯形加劲肋，沿纵桥向取3跨，包括4块横隔板。

图3.1-5 计算模型

2005年东南大学丁建明等根据润扬大桥工程实际情况，正交异性板桥面铺装层模型沿横桥向取7个梯形加劲肋，沿纵桥向取3跨，包括4块横隔板。

图3.1-6 计算模型

2007年东南大学顾兴宇、吴一鸣选取实体工程，建立不同规模的钢箱梁有限元模型，得出与实际受力相符的桥面系简化模型，如下图所示模型纵向选取3跨横隔板间距，两端简支；横向选取至少6个U 形肋间距；采用空间8节点单元，利用有限元网格自划分技术，在荷载作用位置，单元尺寸与桥面板厚度相当。

图3.1-7 计算模型

2008年东南大学冯伟林、倪富健等等分析目前最普遍采用的钢箱梁简化模型的不足，提出子模型法，子模型法只对结构关键区域进行精细模拟和分析。

图3.1-8子模型法分析钢桥面铺装受力

3.2力学计算思路与方法

3.2.1 解决问题的思路

根据国内钢桥面铺装典型病害调研结构，并结合斜港大桥钢桥面铺装特点，导致桥面铺装早期破坏的主要原因有两个：

（1）铺装层在光滑的钢板上受水平剪应力和弯曲剪应力作用，界面粘结强度不足导致铺装层产生了水平位移，形成开裂渗水，引起铺装层崩溃。

（2）铺装层受纵横隔板、U型加劲肋和荷载的共同作用因疲劳能力不足导致开裂，进而引起铺装层的破坏。

因此，必须要对铺装界面可能出现的最大剪应力和铺装层可能承受的弯拉疲劳应力或应变值进行分析和计算。

3.2.2 三阶段力学分析方法

为使分析计算的思路清晰，将分析计算分成三个阶段，即三种工况分别计算，然后将结果叠加汇总。

第I阶段钢桥整体受力特点分析：钢箱梁在不利荷载组合情况下发生整体挠曲变形对铺装层可能产生的界面剪应力和弯拉应变。

在这一阶段，钢箱梁应被视为一个连续均质的弹性梁体，在荷载和支撑条件的作用下发生弯曲变形。据此分析计算钢箱梁顶面（铺装界面）可能发生的剪应力和弯拉应变。在此阶段不涉及由纵横隔板和U型加劲肋布置等因素导致的局部弯曲变形产生的剪应力和弯拉应变。

第II阶段局部钢箱梁节段受力分析：局部钢箱梁节段包括数节纵横隔板和U型加劲肋，假定其边界约束条件和铺装层的厚度及模量值，以有限元法建立其分析计算模型，计算在不同车轮荷载布置的情况下，铺装层底面（界面）和层间产生的剪应力和弯拉应变值。显然，在此阶段界面剪应力和弯拉应力都是存在的，且有纵桥向和横桥向之分，其最不利位置多发生于纵横隔板和U型肋附近。国内目前钢桥面铺装受力分析多是如此。

第III阶段细部受力分析：铺装层在刹车水平力和桥梁纵横坡以及模量和温度差异导致的界面剪应力。在此阶段，应重点研究刹车水平力的大小及通过铺装层对界面的影响作用。另外，还应考虑因桥梁纵横坡的设置，车轮垂直荷载会在界面产生水平向分力，以及铺装层模量和钢材模量的差异在温度变化时在界面可能会产生界面的剪应力。

综合三个阶段的力学分析结果，将同位置同方向同时间的界面剪应力和弯拉应变叠加起来，就有了铺装层界面剪应力和弯拉应变的综合受力分析。桥面铺装方案设计过程中可据此进行界面抗剪粘结材料的选择和验证试验，以及铺装层在计算弯拉应变条件下的疲劳试验。

图3.2-1  钢桥面铺装力学计算流程图

3.3三阶段有限元模型建立和计算

3.3.1力学控制指标

前面介绍了斜港大桥钢桥面铺装的受力特点，整桥受到最不利活载作用下负弯矩区钢桥面铺装受到较大的拉应力和拉应变，所以在第Ⅰ阶段，铺装层顶面的最大拉应力和拉应变用来作为控制指标。

粘结层破坏是钢桥面主要病害，过大的层底剪应力会导致粘结层的剪切破坏。粘结层剪切破坏是钢桥面铺装特有的一种破坏类型。铺装层与钢面板间的粘结对保证整个钢桥面铺装体系的复合作用以及铺装层与钢桥面板的协调变形起到至关重要的作用。所以本课题在第Ⅱ、Ⅲ阶段铺装体系的受力分析中，拟将铺装层底的剪应力作为主要分析指标。

车载作用在钢箱梁铺装层的剪应力，包括延桥面长方向的纵向剪应力和延桥面宽度方向上的横向剪应力。同时将考虑铺装层顶面拉应变，用于提供带钢板铺装的疲劳试验指标。

3.3.2 I阶段整体分析

钢桥受力分析更注重结构整体的受力，而桥面铺装则着重分析铺装层的受力状态，根据受力分析的基本原理，铺装层受力将主要受到局部范围内的结构的影响。这样，桥梁其他位置的结构与构造状态在结构计算分析中，只需要作为力和位移的边界条件，桥面铺装的受力分析不需要在整体模型中考虑。这一情况，为铺装层应力分析简化明确了方向，即整体分析桥梁的内力情况，将桥梁所受的整体内力叠加到钢箱梁的局部模型上。

（1）桥梁整体模型建立

这一阶段将使用桥梁的专业设计计算软件构建斜港大桥的整桥模型。斜港大桥由主梁桁架、主拱桁架、吊杆及横梁风撑构成主体受力框架，正交异性板桥面系及小纵梁搁置于横梁之上传递桥面荷载，同时正交异性板因为与主梁、横梁的有效连接还部分参与主梁弦杆的纵向受力和横梁的横向抗弯，对整体受力有一定贡献。基于结构的基本形式及受力状况，并依据设计图纸提供的桁架主要节点坐标构件三维空间模型，建模过程中，桁架杆件采用空间梁单元模拟，截面特性按照设计图纸给出的截面导入。正交异性桥面系采用三维实体元模型，并考虑铺装层对桥面受力的影响，桥面铺装分为两层，主桥约束体系概要汇总于下表。

表3.3-1主要约束体系

约束方向边墩北侧主墩南侧主墩

纵桥方向滑动约束动力阻尼

额定位移行程滑动动力阻尼

额定位移行程

横桥方向约束约束约束

竖向约束约束约束

图3.3-1支座布置图

图3.3-2 全桥模型

图3.3-3 上下层桥面板与铺装层实体模型

图3.3-4 桥面板与铺装层的实体模型细节

（2）荷载