钢桥面铺装，从最初的水泥混凝土钢桥面铺装结构发展到现今桥梁设计规范推荐的沥青混凝土钢桥面铺装结构，既带来了钢桥面铺装结构的技术、经济性能提升和工程建设发展，也推动了钢桥面铺装结构为进一步提高其性能的技术攻关和技术创新研究
【1-5】。
沥青混凝土钢桥面铺装结构从上世纪八十年代推出至今，桥梁工程界和学术为解决制约其进一步发展的三大世界性技术难题（1.沥青混凝土与钢桥面板材料性能悬殊导致的二者界面剪应力较大；2.钢桥面板的防水层及其与沥青混凝土铺装层的粘接层容易破坏；3.铺装结构耐久性差），进行了大量的材料改性研究和一些技术创新尝试
[2,5,6]
笔者在此基础上，将纤维增强
复合材料（Fiber Reinforced Polymer，
FRP）和环氧砾石引入钢桥面铺装结构与传统的沥青混凝土铺装结构进行复合，研发出
FRP铺装下层、环氧砾石铺装中层和沥青混凝土铺装上层异质三层结构形式的钢桥面铺装新结构，目的是使沥青混凝土钢桥面铺装结构的三大世界性技术难题借助于新材料、新结构技术真正有效解决，并使钢桥面铺装结构具有“结构形式更合理”和“结构功能更完美”的质的进步。经初步理论分析计算和实验室模拟试验研究证明，这种新型铺装结构具有优于现有沥青混凝土钢桥面铺装结构的技术、经济性能，推向工程应用，将大幅提升我国钢桥面铺装的技术水平和使用价值。。其中，具有技术创新意义和工程推广价值的代表性成果，一是东南大学从1997年开始进行的环氧沥青混凝土铺装结构技术攻关和铺装材料、施工机械国产化的技术创新研究，取得了5项国家技术专利，研究成果已投入多座桥梁工程应用[3,7]；二是武汉理工大学进行的高强高韧性轻质混凝土铺装下层与沥青混凝土铺装上层组合式铺装结构的技术创新研究，取得了减小铺装上层的最大纵横向拉应力及最大竖向位移的有益效果[8]。
1 新铺装结构的结构形式和结构特点
1.1 结构形式
1.1.1铺装结构形式
FRP―环氧砾石―沥青混凝土钢桥面铺装结构的结构形式，为
FRP铺装下层、环氧砾石铺装中层和沥青混凝土铺装上层复合构成的异质三层结构形式的铺装结构（图1）。
FRP铺装下层的结构形式，为玻璃纤维（GF）和碳纤维（CF）增强环氧树脂（ER）并粘接连接在钢桥面板上的FRP实心板或空心板结构。
环氧砾石铺装中层的结构形式，为ER拌和花岗岩或玄武岩砾石集料摊铺压实并粘接连接在FRP铺装下层上的实心板结构。
沥青混凝土铺装上层的结构形式，为常规的浇筑式沥青混凝土（GA）或改性沥青玛蹄脂混凝土（SMA）或环氧沥青混凝土（EA）摊铺压实在环氧砾石铺装中层上的实心板结构。
1.1.2 界面连接方式
FRP铺装下层与钢桥面板的界面连接方式，为FRP材料的基体树脂ER与钢材具有分子间吸引力及FRP材料的增强纤维GF、CF对界面层具有结构增强作用的粘接连接，保证二者界面结构一体且受力不易破坏。
FRP铺装下层与环氧砾石铺装中层的界面连接方式，为二者材料基体树脂相同的自粘连接及二者粗糙界面的糙面粘接连接，保证二者的界面连接强度不低于FRP铺装下层与钢桥面板的界面连接强度，从而为沥青混凝土铺装上层提供坚固耐久的铺装承力层和传力层。
环氧砾石铺装中层与沥青混凝土铺装上层的界面连接方式，为沥青混凝土铺装上层的沥青混合料嵌入环氧砾石铺装中层的砾石间空隙并握裹砾石构成的咬合式界面连接，保证二者的界面连接通过其稳固的砾石基层和增大的连接面积得以增强，从而大幅提高沥青混凝土铺装上层的界面剪切强度。
1.2 结构特点
1.2.1结构形式更合理
FRP―环氧砾石―沥青混凝土钢桥面铺装新结构，是名符其实的异质三层铺装结构，各层之间不再
另设粘接层，钢桥面板上也不需另设防水层。FRP铺装下层，既是铺装结构的下承力层和刚度过渡层，又是钢桥面板的防水层和粘接层；环氧砾石铺装中层，既是铺装结构的中承力层和刚度过渡层，又是沥青混凝土铺装上层的界面连接增强层和施工高温缓冲层。这种铺装结构，不仅结构形式更简单，而且材料配伍和结构形式更合理，可使铺装结构的各层都能用其材料性能之长，并为整体铺装结构带来其它铺装结构从未有过的优异性能。
1.2.2结构功能更完美
FRP―环氧砾石―沥青混凝土钢桥面铺装新结构，是在材料性能悬殊、界面连接较弱的钢桥面板和沥青混凝土铺装层中间，加入既可实现二者材料刚度过渡、又可界面连接增强的FRP铺装层和环氧砾石铺装层构成。FRP空心板结构形式的铺装下层，还能弥补正交异性钢桥面板的刚度方向性和突变性给铺装层带来的刚度缺陷，吸收车辆冲击、钢桥面板振动的动力效应和缓冲温度传导的扩散影响，并能为钢桥面板提供一劳永逸的防锈保护，从而使钢桥面铺装结构的强者钢桥面板因与FRP铺装下层连为结构整体而增大了安全储备和安全保护，并使钢桥面铺装结构的弱者沥青混凝土铺装上层因与环氧砾石铺装中层更强的界面连接而增大了界面剪切强度和整体结构效果，从而提高了铺装结构的耐久性并使铺装结构的结构功能更完美。
2 新铺装结构与常规沥青混凝土铺装结构比较
2.1 材料性能比较
表1给出了常规沥青混凝土钢桥面铺装结构材料及FRP材料的基本力学性能
[9-11]。由表知，FRP材料密度比沥青混凝土材料低，强度、模量远比沥青混凝土高，并且强度和模量介于钢桥面板和沥青混凝土中间。这表明FRP铺装下层既不会先于沥青混凝土破坏，也不会对钢桥面板构成位移约束，还能形成二者间的刚度过渡层，减小二者材料性能悬殊过大的变形协调难度。
2.2 截面刚度比较
以江阴长江大桥作为结构分析模型，纵桥向计算模型的截面宽度为一个汽车后轮的着地宽度600mm，横桥向计算模型的截面宽度为1个汽车后轮着地长度200mm，模型厚度都取铺装层总厚度。两种计算模型的横截面形式如图2和图3所示，两种计算模型的截面抗弯刚度比较如表2所示。
由表中结果知，环氧沥青混凝土钢桥面铺装结构改为FRP－环氧砾石－环氧沥青混凝土钢桥面铺装结构，对纵桥向的刚度贡献仅0.4％，可忽略不计，但对横桥向的刚度贡献增大了20.1％。这是在钢桥面铺装减重0.35kN/m
2的前提下的重大刚度贡献。更重要的是，钢桥面板与
FRP铺装下层的优异连结效果能保证二者构成完全结构整体，这可使钢桥面板的抗弯刚度间接增大约1倍，也即间接使钢板厚度从12mm增大到15.4mm，达到钢桥面板目前普遍采用的14～16mm厚度的设计标准。这对于像虎门大桥、江阴大桥等早期修建因采用12mm厚钢桥面板刚度较弱而带来的钢桥面板弯曲变形较大、部分钢板开裂、钢桥面铺装多次严重破坏的桥梁，采用
FRP－环氧砾石－沥青混凝土钢桥面铺装结构进行维修加固，有望从根本上解决这类铺装因钢桥面板尺寸偏小造成的铺装屡修屡坏的技术难题。
2.3 截面应力比较
对于纵桥向计算模型，采用两端固支于横隔板上、长度等于横隔板间距3.2m、宽度等于车轮着地宽度600mm的固端梁结构模型；对于横桥向计算模型，采用支承于U型肋上、长度等于8个U型肋间距8×0.6m、宽度等于车轮着地长度200mm的16跨连续梁模型
[12]，将1个汽车后轮荷载70kN乘以冲击系数1.3作为设计荷载（P＝91kN），按车轮面积均载进行影响线布载计算结构控制截面的应力。钢桥面铺装结构纵横向的弯曲正应力和界面上的剪应力，可采用如下复合材料层合梁弯曲应力简化计算公式进行计算：
由表中结果知，环氧沥青混凝土钢桥面铺装结构改为
FRP―环氧砾石―环氧沥青混凝土钢桥面铺装结构，钢桥面板和EA层的纵桥向正应力几乎没有改变，横桥向的正应力减小了13.1％和17.1％，EA层界面上移使纵横向剪应力都减小了约40％，这也是通过钢桥面板与
FRP铺装下层界面上的剪应力增大来平衡的。因FRP材料的界面抗剪强度较高（≥20MPa），故能在保证自身剪切连接有效的前提下使铺装结构各层间的界面剪切连结受力更均衡，结构整体性更有保证。
2.4 截面挠度比较
钢桥面铺装结构不同结构形式纵、横桥向的挠度计算结果及其比较如表5所示。
由表中结果知，环氧沥青混凝土钢桥面铺装结构改为FRP―环氧砾石―环氧沥青混凝土铺装结构，纵桥向的挠度减小可忽略不计，横桥向的挠度可减小16.5％。
综上所述，
FRP―环氧砾石―沥青混凝土钢桥面铺装结构的主要贡献是增大钢桥面板和整体铺装结构的横桥向刚度，减小其横向应力和挠度，并且这种贡献随着沥青混凝土铺装层的材料性能降低而增大。因沥青混凝土随温度升高和降低性能会急剧衰减
[13]，而FRP材料在-30°～70℃范围内性能基本稳定，并且可设计成线膨胀系数为零或接近零的结构
[14]，故可弥补沥青混凝土层性能衰减的缺陷并使整体结构温度影响减弱。
3 新铺装结构模拟试验
选择图3所示截面尺寸的4跨连续梁横桥向结构模型模拟钢桥面铺装结构的横桥向局部弯曲试验。试件选用钢板裸板试件（S试件）、钢板＋FRP铺装下层试件（S＋F试件）、钢板＋环氧沥青混凝土铺装层试件（S＋A试件）、钢板＋FRP铺装下层＋环氧砾石铺装中层＋环氧沥青混凝土铺装上层试件（S＋F＋E＋A试件）各1组，试验采用力传感器加载，应变仪测应变，百分表测挠度（图4）。表6给出了各组试件在设计荷载和超载下的测试结果及相应比较结果。
分析试验结果可知，
FRP层对钢板裸板的挠度和应变减小贡献最大，并且贡献比例随超载增大而增大；
FRP―环氧砾石―沥青混凝土钢桥面铺装结构对沥青混凝土钢桥面铺装结构的挠度和应变减小的贡献不如前者，并且贡献比例随着超载的增加而减小；在设计荷载范围内和超载比例不大于2/3时，二者的应变、挠度减小比例都大于17.4％，与理论分析计算的应力、挠度减小比例13.1％和16.5％较接近。这也证明，采用复合材料层合梁理论进行铺装结构的分析计算可行，且计算结果偏于安全。
4 结语
FRP―环氧砾石―沥青混凝土钢桥面铺装结构的初步理论分析计算和实验室模拟试验研究，得到如下初步研究结论：
1）
FRP―环氧砾石―沥青混凝土钢桥面铺装新结构，是名符其实的异质三层铺装结构，各层之间不再另设粘接层，钢桥面板上也不需另设防水层。FRP铺装下层，既是铺装结构的下承力层和刚度过渡层，又是钢桥面板的防水层和粘接层；环氧砾石铺装中层，既是铺装结构的中承力层和刚度过渡层，又是沥青混凝土铺装上层的界面连接增强层和施工高温缓冲层。这种铺装结构，比现有沥青混凝土钢桥面铺装结构组成更合理，各层性能更和谐，总体结构功能更完美。
2）
FRP―环氧砾石―沥青混凝土钢桥面铺装新结构，能减轻桥面铺装恒载0.35kN/m
2，增大12mm厚钢板的横桥向抗弯刚度约1倍，减小横桥向正应力约15％，使沥青混凝土层界面上移而减小界面剪应力30％，这是以强度较高的FRP铺装下层增大其分担铺装结构总应力比例换来的钢桥面板和沥青混凝土铺装层应力减小的结果，这将使铺装结构各组成部分受力更合理，避免较弱的沥青混凝土铺装层先行失效破坏。
3）
FRP材料的疲劳性能优于钢材，老化寿命≥40年，粘接、防水效果优于现有的钢桥面铺装粘接、防水材料；环氧砾石对沥青混凝土铺装的界面连接增强可提高铺装的整体结构效果；二者能耐酸、碱、盐介质腐蚀优,能在 -30～70℃范围内正常工作,使其高温稳定性、低温抗裂性和耐蚀耐水性都远优于沥青混凝土，从而能显著提高铺装结构的耐久性，保证FRP铺装下层的使用寿命不小于30年，环氧砾石铺装中层的使用寿命不小于15年，沥青混凝土铺装上层的使用寿命不小于10年。即使沥青混凝土铺装上层破坏，也只须重做铺装上层，而不必拆除铺装中层和下层而重做防水层和粘接层，这既可提高钢桥面铺装的使用寿命和使用价值，还可减小钢桥面铺装的维修频率和费用。
4）
FRP―环氧砾石―沥青混凝土钢桥面铺装新结构，不仅带来了比现有沥青混凝土铺装结构更优秀的铺装结构形式，而且将带来钢桥面铺装设计、施工的技术变革和进步，还可为虎门大桥、江阴大桥等类似钢桥面板较薄、超载较多、桥面铺装破坏较严重的桥梁提供最简单、最有效的钢桥面铺装维修加固技术支撑，经试用路段验证后推向工程应用，将大幅提升我国钢桥面铺装的技术水平和使用价值。
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