为应对重交通或桥面系刚度不足时，桥面正交异性板的疲劳裂缝和铺装的破坏问题，境内外发展了刚性铺装技术。在实桥调研的基础上，对比分析了境内外刚性铺装结构和材料的差异，并通过有限元建模和计算，分析了刚性铺装结构的受力特点，讨论了刚性铺装的应用和改进措施。结果表明，混凝土易产生收缩裂缝，有可能影响桥面铺装的防水性能；荷兰、日本和我国刚性铺装结构与材料的主要区别在于铺装与桥面板的黏结方式、钢筋网的设置、磨耗层设置和混凝土材料配比等4个方面；刚性铺装中沥青磨耗层与混凝土之间的界面是受力的薄弱之处，最大剪应力超过0.7MPa，是常用沥青铺装和混凝土路面加铺沥青混凝土磨耗层结构的2倍左右；刚性铺装更宜用于旧桥正交异性板的补强工程，而在沥青磨耗层与混凝土层之间设置高效黏结层和抛丸处理，能够减少前述病害。
道路工程 | 刚性铺装 | 结构与材料 | 调研 | 受力分析
钢桥面铺装使用寿命易受交通状况、气候条件、桥梁跨径和正交异性板构造参数等因素的影响，因而引起了境内外学者的重视和深入研究。传统上，钢桥面铺装常采用环氧沥青混凝土、浇注式沥青混凝土和其他热压沥青混凝土等沥青铺装，经过不断的技术改进和提升，目前能够达到10~15年的使用寿命，而境外可达到20~30年[1-3]。随着铺装技术的发展，在荷兰和日本出现了一种刚性铺装技术[4-6]，采用高性能混凝土或快硬性混凝土，主要用于正交异性板刚度不足时的桥面维修和补强，但其应用并不广泛。据统计，荷兰和日本采用刚性铺装的桥梁不超过20座。
近年来，刚性铺装技术在我国钢结构桥梁工程中得到发展与应用，并衍生出了轻质混凝土、钢纤维混凝土和活性粉末混凝土等技术，其上往往铺筑沥青磨耗层。这类铺装设置了密集钢筋网，并采用了大量栓钉焊接于钢板之上，因而被称为“组合桥面”[7]。这些刚性铺装技术主要应用于跨径较小的桥梁上，但近两年来也有少数跨径较大的桥梁使用。
然而，混凝土类材料往往会对桥面铺装的抗裂性、防水性造成影响。本文结合境内外刚性铺装技术的研究和应用状况，在实桥调研和力学分析的基础上，探讨诸如前述问题及相应的解决办法。
荷兰、日本是采用刚性铺装技术较多的国家(地区)，大部分刚性铺装使用情况良好，但荷兰Moerdijkbridge上的UHPC铺装出现了早期破坏[8]；而日本Yokohama Bay Bridge上的SFRC(steel fiber reinforced concrete)铺装出现了较多裂缝[4]。该桥是日本首座采用刚性铺装的桥梁，桥面维修工程于2004年完工，修建完成后即发现大量SFRC纵向收缩裂缝，缝宽最大不超过0.3mm，见图1；裂缝进行了灌缝处理；经过几年使用后，发现降雨对铺装和桥梁结构的影响较小，也未腐蚀桥面钢板。实际上，境内部分刚性铺装也存在收缩裂缝问题，如图2所示。
荷兰、日本和我国是采用刚性铺装技术较多的国家(地区)，其刚性铺装技术的差异主要在于铺装与桥面板的黏结方式、钢筋网的设置、磨耗层设置和混凝土材料配比等4个方面，见表1。
荷兰刚性铺装结构不采用栓钉，主要是因为栓钉会形成局部应力集中[8]，有可能造成桥面铺装的局部破坏，而采用2组分环氧树脂撒布铝土岩集料方案，能够形成大面积的整体黏结方式。日本早期的刚性铺装技术中，在铺装两侧各设置一排栓钉，其作用是防止温度应力造成的桥面与混凝土之间滑动。而我国采用了更为密集的栓钉，以期铺装与桥面形成整体，防止脱层病害。
荷兰刚性铺装采用了密集的钢筋网，但在Moerdijk bridge上出现了问题。由于桥面不平整，铺装厚度约为47~100mm，在厚度较大的地方增加了钢筋网，但次年即发现了两处破坏。其主要原因是黏结不牢固，水泥混凝土很难通过稠密的钢筋网分布均匀，特别是钢筋网焊接部位和加密部位[8]。
荷兰高性能混凝土主要通过加入超增塑剂和微硅粉等改性剂，改变水泥浆中孔隙的数量、大小以及在水泥石中的分布，从而使微观结构变得更为致密，通过加热和加压等措施提高混凝土强度，并加入钢纤维和亚力克纤维来改善抗拉强度，因此荷兰刚性铺装更注重混凝土强度，但对材料耐变形性能关注较少，见表2。而我国的活性粉末混凝土铺装采用粉煤灰、石英粉等活性材料，再加入超微纤维、钢纤维，不采用粗集料，其抗压强度大于120MPa，抗拉强度大于40MPa，弹性模量为42GMPa，开裂前的抗拉极限应变超过9×10^-4[7]。
以某座大跨径钢桥设计参数为基础，建立有限元局部模型，取一个尺寸为8.4ｍ×14.0ｍ节段，参数取值见表3。
有限元建模时，假设材料为均匀连续、完全弹性、各向同性，桥面铺装各层之间完全连续。模型取节段的1/4结构，并采用公路Ｉ级荷载进行加载，轴重140kN，单轮重35kN，轮压0.81MPa，考虑0.35的冲击系数，见图3。
采用10节点实体单元模拟钢箱梁跨中节段顶板和铺装结构层，采用壳单元模拟加劲肋腹板、横隔板，见图4。由于采用了对称结构，约束对称面处节点的横向位移Dx、纵向转动自由度Ry和竖向转动自由度Rz；节段处节点采用约束方程建立刚域，并约束质心处横向位移Dx、竖向位移Dz和横桥向转动自由度Rx。
一般而言，铺面结构层的破坏始于结构层底面或表面。因此，计算了界面应力随结构层厚度变化的规律，见图5。
可以看出，沥青磨耗层厚度对界面受力的影响相对较小，但高性能混凝土层厚度对SMA层底剪应力和混凝土层表面拉应力影响均比较大。其中，混凝土层取常用的4~5cm厚度时，SMA层底剪应力大于0.7MPa，是普通沥青混凝土铺装受力的2倍左右[9]。
刚性铺装起源于荷兰，并主要用于正交异性板刚度不足时的钢桥面铺装维修工程。实际上，荷兰早期的钢桥正交异性板顶板厚度大多采用10~12mm厚度。随着国民经济的发展，交通量的增加，这些桥梁的正交异性板出现了疲劳开裂问题，导致整体刚度不足，桥面铺装破坏严重。这在我国早期修建的大跨径钢桥中也有发现[12]。
从刚性铺装的使用状况和受力分析结果来看，其能够显著提高桥面刚度，起到良好的补强作用。
然而，目前我国大跨径钢桥正交异性板厚度大多采用16~18mm，较2010年之前常用的12~14mm有较大提升，正交异性板刚度得到较大改善，沥青混凝土铺装已能够满足使用要求。刚性铺装虽然能够进一步增加桥面系刚度，保护正交异性板焊缝，但其自重较大，影响了钢结构桥梁的整体受力，限制了桥梁的跨越能力；同时，刚性铺装工艺繁琐，开放交通时间迟，维修困难，存在收缩裂缝从而不利于桥梁结构防腐，因此刚性铺装更适合于旧桥维修加固工程，用于新建钢结构桥梁时，会造成前述不利影响。
从受力分析结果来看，刚性铺装层间剪应力大，而且沥青磨耗层与混凝土模量差异大，施工时界面难以形成嵌锁状态，层间黏结强度较低，因此易产生车辙和推移病害。但通过抛丸处理和采用高效黏结层，能够改善混凝土基面黏结状况，减少车辙和推移病害。
通过对刚性铺装技术的调研，结合材料组成分析和结构力学分析，得出以下结论。
(1)水泥混凝土易产生收缩裂缝，有可能影响桥面铺装的防水性能；而刚性铺装结构的层间剪应力超过0.7MPa，是常用沥青混凝土铺装的2倍以上，易产生永久变形类病害。
(2)荷兰、日本和我国刚性铺装技术的主要区别在于铺装与桥面板的黏结方式、钢筋网的设置、磨耗层设置和混凝土材料配比等4个方面。
(3)刚性铺装更适用于旧桥的维修加固工程，而抛丸处理和采用高效黏结层，能够改善其层间黏结状况，减少车辙和推移病害。
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