鋼橋面鋪裝，從最初的水泥混凝土鋼橋面鋪裝結構發(fā)展到現(xiàn)今橋梁設計規(guī)范推薦的瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結構，既帶來了鋼橋面鋪裝結構的技術、經(jīng)濟性能提升和工程建設發(fā)展，也推動了鋼橋面鋪裝結構為進一步提高其性能的技術攻關和技術創(chuàng)新研究
【1-5】。
瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結構從上世紀八十年代推出至今，橋梁工程界和學術為解決制約其進一步發(fā)展的三大世界性技術難題（1.瀝青混凝土與鋼橋面板材料性能懸殊導致的二者界面剪應力較大；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.鋪裝結構耐久性差），進行了大量的材料改性研究和一些技術創(chuàng)新嘗試
[2,5,6]
筆者在此基礎上，將纖維增強
復合材料（Fiber Reinforced Polymer，
FRP）和環(huán)氧礫石引入鋼橋面鋪裝結構與傳統(tǒng)的瀝青混凝土鋪裝結構進行復合，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三層結構形式的鋼橋面鋪裝新結構，目的是使瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結構的三大世界性技術難題借助于新材料、新結構技術真正有效解決，并使鋼橋面鋪裝結構具有“結構形式更合理”和“結構功能更完美”的質的進步。經(jīng)初步理論分析計算和實驗室模擬試驗研究證明，這種新型鋪裝結構具有優(yōu)于現(xiàn)有瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結構的技術、經(jīng)濟性能，推向工程應用，將大幅提升我國鋼橋面鋪裝的技術水平和使用價值。。其中，具有技術創(chuàng)新意義和工程推廣價值的代表性成果，一是東南大學從1997年開始進行的環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝結構技術攻關和鋪裝材料、施工機械國產(chǎn)化的技術創(chuàng)新研究，取得了5項國家技術專利，研究成果已投入多座橋梁工程應用[3,7]；二是武漢理工大學進行的高強高韌性輕質混凝土鋪裝下層與瀝青混凝土鋪裝上層組合式鋪裝結構的技術創(chuàng)新研究，取得了減小鋪裝上層的最大縱橫向拉應力及最大豎向位移的有益效果[8]。
1 新鋪裝結構的結構形式和結構特點
1.1 結構形式
1.1.1鋪裝結構形式
FRP―環(huán)氧礫石―瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結構的結構形式，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合構成的異質三層結構形式的鋪裝結構（圖1）。
FRP鋪裝下層的結構形式，為玻璃纖維（GF）和碳纖維（CF）增強環(huán)氧樹脂（ER）并粘接連接在鋼橋面板上的FRP實心板或空心板結構。
環(huán)氧礫石鋪裝中層的結構形式，為ER拌和花崗巖或玄武巖礫石集料攤鋪壓實并粘接連接在FRP鋪裝下層上的實心板結構。
瀝青混凝土鋪裝上層的結構形式，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）攤鋪壓實在環(huán)氧礫石鋪裝中層上的實心板結構。
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材料的增強纖維GF、CF對界面層具有結構增強作用的粘接連接，保證二者界面結構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度不低于FRP鋪裝下層與鋼橋面板的界面連接強度，從而為瀝青混凝土鋪裝上層提供堅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，從而大幅提高瀝青混凝土鋪裝上層的界面剪切強度。
1.2 結構特點
1.2.1結構形式更合理
FRP―環(huán)氧礫石―瀝青混凝土鋼橋面鋪裝新結構，是名符其實的異質三層鋪裝結構，各層之間不再
另設粘接層，鋼橋面板上也不需另設防水層。FRP鋪裝下層，既是鋪裝結構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，既是鋪裝結構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層和施工高溫緩沖層。這種鋪裝結構，不僅結構形式更簡單，而且材料配伍和結構形式更合理，可使鋪裝結構的各層都能用其材料性能之長，并為整體鋪裝結構帶來其它鋪裝結構從未有過的優(yōu)異性能。
1.2.2結構功能更完美
FRP―環(huán)氧礫石―瀝青混凝土鋼橋面鋪裝新結構，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，加入既可實現(xiàn)二者材料剛度過渡、又可界面連接增強的FRP鋪裝層和環(huán)氧礫石鋪裝層構成。FRP空心板結構形式的鋪裝下層，還能彌補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、鋼橋面板振動的動力效應和緩沖溫度傳導的擴散影響，并能為鋼橋面板提供一勞永逸的防銹保護，從而使鋼橋面鋪裝結構的強者鋼橋面板因與FRP鋪裝下層連為結構整體而增大了安全儲備和安全保護，并使鋼橋面鋪裝結構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的界面連接而增大了界面剪切強度和整體結構效果，從而提高了鋪裝結構的耐久性并使鋪裝結構的結構功能更完美。
2 新鋪裝結構與常規(guī)瀝青混凝土鋪裝結構比較
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構材料及FRP材料的基本力學性能
[9-11]。由表知，F(xiàn)RP材料密度比瀝青混凝土材料低，強度、模量遠比瀝青混凝土高，并且強度和模量介于鋼橋面板和瀝青混凝土中間。這表明FRP鋪裝下層既不會先于瀝青混凝土破壞，也不會對鋼橋面板構成位移約束，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)調難度。
2.2 截面剛度比較
以江陰長江大橋作為結構分析模型，縱橋向計算模型的截面寬度為一個汽車后輪的著地寬度600mm，橫橋向計算模型的截面寬度為1個汽車后輪著地長度200mm，模型厚度都取鋪裝層總厚度。兩種計算模型的橫截面形式如圖2和圖3所示，兩種計算模型的截面抗彎剛度比較如表2所示。
由表中結果知，環(huán)氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結構改為FRP－環(huán)氧礫石－環(huán)氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結構，對縱橋向的剛度貢獻僅0.4％，可忽略不計，但對橫橋向的剛度貢獻增大了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。更重要的是，鋼橋面板與
FRP鋪裝下層的優(yōu)異連結效果能保證二者構成完全結構整體，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，達到鋼橋面板目前普遍采用的14～16mm厚度的設計標準。這對于像虎門大橋、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構進行維修加固，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難題。
2.3 截面應力比較
對于縱橋向計算模型，采用兩端固支于橫隔板上、長度等于橫隔板間距3.2m、寬度等于車輪著地寬度600mm的固端梁結構模型；對于橫橋向計算模型，采用支承于U型肋上、長度等于8個U型肋間距8×0.6m、寬度等于車輪著地長度200mm的16跨連續(xù)梁模型
[12]，將1個汽車后輪荷載70kN乘以沖擊系數(shù)1.3作為設計荷載（P＝91kN），按車輪面積均載進行影響線布載計算結構控制截面的應力。鋼橋面鋪裝結構縱橫向的彎曲正應力和界面上的剪應力，可采用如下復合材料層合梁彎曲應力簡化計算公式進行計算：
由表中結果知，環(huán)氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結構改為
FRP―環(huán)氧礫石―環(huán)氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結構，鋼橋面板和EA層的縱橋向正應力幾乎沒有改變，橫橋向的正應力減小了13.1％和17.1％，EA層界面上移使縱橫向剪應力都減小了約40％，這也是通過鋼橋面板與
FRP鋪裝下層界面上的剪應力增大來平衡的。因FRP材料的界面抗剪強度較高（≥20MPa），故能在保證自身剪切連接有效的前提下使鋪裝結構各層間的界面剪切連結受力更均衡，結構整體性更有保證。
2.4 截面撓度比較
鋼橋面鋪裝結構不同結構形式縱、橫橋向的撓度計算結果及其比較如表5所示。
由表中結果知，環(huán)氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結構改為FRP―環(huán)氧礫石―環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝結構，縱橋向的撓度減小可忽略不計，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構的主要貢獻是增大鋼橋面板和整體鋪裝結構的橫橋向剛度，減小其橫向應力和撓度，并且這種貢獻隨著瀝青混凝土鋪裝層的材料性能降低而增大。因瀝青混凝土隨溫度升高和降低性能會急劇衰減
[13]，而FRP材料在-30°～70℃范圍內性能基本穩(wěn)定，并且可設計成線膨脹系數(shù)為零或接近零的結構
[14]，故可彌補瀝青混凝土層性能衰減的缺陷并使整體結構溫度影響減弱。
3 新鋪裝結構模擬試驗
選擇圖3所示截面尺寸的4跨連續(xù)梁橫橋向結構模型模擬鋼橋面鋪裝結構的橫橋向局部彎曲試驗。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，試驗采用力傳感器加載，應變儀測應變，百分表測撓度（圖4）。表6給出了各組試件在設計荷載和超載下的測試結果及相應比較結果。
分析試驗結果可知，
FRP層對鋼板裸板的撓度和應變減小貢獻最大，并且貢獻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構對瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結構的撓度和應變減小的貢獻不如前者，并且貢獻比例隨著超載的增加而減小；在設計荷載范圍內和超載比例不大于2/3時，二者的應變、撓度減小比例都大于17.4％，與理論分析計算的應力、撓度減小比例13.1％和16.5％較接近。這也證明，采用復合材料層合梁理論進行鋪裝結構的分析計算可行，且計算結果偏于安全。
4 結語
FRP―環(huán)氧礫石―瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結構的初步理論分析計算和實驗室模擬試驗研究，得到如下初步研究結論：
1）
FRP―環(huán)氧礫石―瀝青混凝土鋼橋面鋪裝新結構，是名符其實的異質三層鋪裝結構，各層之間不再另設粘接層，鋼橋面板上也不需另設防水層。FRP鋪裝下層，既是鋪裝結構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，既是鋪裝結構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層和施工高溫緩沖層。這種鋪裝結構，比現(xiàn)有瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結構組成更合理，各層性能更和諧，總體結構功能更完美。
2）
FRP―環(huán)氧礫石―瀝青混凝土鋼橋面鋪裝新結構，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，減小橫橋向正應力約15％，使瀝青混凝土層界面上移而減小界面剪應力30％，這是以強度較高的FRP鋪裝下層增大其分擔鋪裝結構總應力比例換來的鋼橋面板和瀝青混凝土鋪裝層應力減小的結果，這將使鋪裝結構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)氧礫石對瀝青混凝土鋪裝的界面連接增強可提高鋪裝的整體結構效果；二者能耐酸、堿、鹽介質腐蝕優(yōu),能在 -30～70℃范圍內正常工作,使其高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和耐蝕耐水性都遠優(yōu)于瀝青混凝土，從而能顯著提高鋪裝結構的耐久性，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值，還可減小鋼橋面鋪裝的維修頻率和費用。
4）
FRP―環(huán)氧礫石―瀝青混凝土鋼橋面鋪裝新結構，不僅帶來了比現(xiàn)有瀝青混凝土鋪裝結構更優(yōu)秀的鋪裝結構形式，而且將帶來鋼橋面鋪裝設計、施工的技術變革和進步，還可為虎門大橋、江陰大橋等類似鋼橋面板較薄、超載較多、橋面鋪裝破壞較嚴重的橋梁提供最簡單、最有效的鋼橋面鋪裝維修加固技術支撐，經(jīng)試用路段驗證后推向工程應用，將大幅提升我國鋼橋面鋪裝的技術水平和使用價值。
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