瀝青混凝土橋面鋪裝早期病害原因分析

摘要：本文根據(jù)多年施工經(jīng)歷和積累的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)鋼筋混凝土橋柔性橋面鋪裝的早期病害及其原因談一下看法。

關(guān)鍵詞：混凝土；橋面

橋面柔性鋪裝能大大緩和行車對(duì)橋面板的沖擊，較易達(dá)到運(yùn)營(yíng)中平穩(wěn)舒適的要求，隨著瀝青材料性能的改進(jìn)，應(yīng)用將更加廣泛。但現(xiàn)行規(guī)范對(duì)瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要從所用材料、做法及厚度等方面作了指導(dǎo)性的說明，關(guān)于具體的設(shè)計(jì)理論與方法還是空白，鋪裝層的設(shè)計(jì)無章可循。這就造成了在實(shí)際設(shè)計(jì)中，橋面鋪裝層只作為橋梁工程的附屬結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)者對(duì)其甚少花費(fèi)精力，從而為橋面鋪裝的早期損壞埋下了隱患。因此，應(yīng)加快對(duì)橋面鋪裝，特別是結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理和設(shè)計(jì)理論方面的研究。

1 破壞形式

瀝青混凝土橋面鋪裝與正常路面和水泥混凝土橋面鋪裝相比，損壞形式有所不同。主要有 :1.1鋪裝層內(nèi)部產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，引起不確定破壞面的剪切變形，或者由于鋪裝層與橋面板層間結(jié)合面粘結(jié)力差，抗水平剪切能力較弱，在水平方向上產(chǎn)生相對(duì)位移發(fā)生剪切破壞，產(chǎn)生推移、擁包等病害；1.2因溫度變化并伴隨橋面板或梁結(jié)構(gòu)的大撓度而產(chǎn)生的裂隙，在車輛荷載及滲入的水的作用下產(chǎn)生面層松散和坑槽破壞。

設(shè)防水層的水泥混凝土橋橋面瀝青混凝土鋪裝在行車荷載作用下的破壞形式一般為剪切破壞，常表現(xiàn)為擁包和推移現(xiàn)象。剪切破壞有兩種情況 :一是橋面鋼筋混凝土模量遠(yuǎn)大于瀝青混凝土和防水層的模量，加之瀝青混凝土層厚度較薄，瀝青層內(nèi)產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力而引起的無確定破壞面的剪切變形;二是防水層與瀝青混凝土面層和橋面層間粘結(jié)力不足而發(fā)生剪切破壞。因此，剪切破壞是設(shè)防水層的水泥混凝土橋面瀝青混凝土鋪裝損壞的主要原因，故在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)基于兩種形式的剪切破壞分別加以計(jì)算分析。

2 病害分析

2.1 結(jié)構(gòu)理論與設(shè)計(jì)

橋梁的結(jié)構(gòu)理論中對(duì)橋面鋪裝層的計(jì)算分析論述幾近于零，現(xiàn)行規(guī)范中只給定了厚度的推薦值，工程界一直在各等級(jí)的公路中運(yùn)用了幾十年。隨著交通量的增大，現(xiàn)行鋪裝與重型、超重型汽車的增多和車速的增快已不相適應(yīng)。橋面鋪裝層直接承受車輪荷載的沖擊，橋面鋪裝部分或全部參與了主梁結(jié)構(gòu)的變形，因此橋面鋪裝是一個(gè)受力復(fù)雜的動(dòng)力體系，各種形式的主梁及鋪裝本身的構(gòu)造均影響其應(yīng)力的分布。

梁設(shè)計(jì)的箱梁骨架鋼筋在實(shí)際受力狀態(tài)下難以像T梁主筋那樣發(fā)揮應(yīng)有的作用。所以，設(shè)計(jì)的假設(shè)狀態(tài)與箱梁的實(shí)際受力狀態(tài)不一致?，F(xiàn)行橋規(guī)第3.2.2條規(guī)定:……如無精確的計(jì)算方法，箱形梁也可參照T形梁的規(guī)定處理。從眾多箱梁的設(shè)計(jì)來看，大部分設(shè)計(jì)者對(duì)箱梁構(gòu)件是按T形梁進(jìn)行處理的。而箱梁的實(shí)際受力雖有近于T梁的一面，又有異于T梁的一面，對(duì)于連續(xù)箱梁差別更大。尤其是近年來箱梁的橋面越來越寬，橋跨與橋?qū)捴仍絹碓叫?，箱梁仍按T梁那種長(zhǎng)細(xì)桿件設(shè)計(jì)配筋，就越來越不適宜了，導(dǎo)致按

隨著材料工業(yè)的發(fā)展，橋梁承重結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使橋梁主梁能以較柔的結(jié)構(gòu)達(dá)到受力的要求，高等級(jí)公路大跨橋梁的橫向越來越寬。特別在設(shè)計(jì)計(jì)算中側(cè)重于主梁縱向的計(jì)算分析，對(duì)橋梁橫向剛度重視不足，橫向構(gòu)造措施不利使橋面鋪裝分擔(dān)了過多的次內(nèi)力。

對(duì)于連續(xù)梁橋、拱橋及懸臂梁橋等橋型結(jié)構(gòu)，由于荷載的作用而產(chǎn)生負(fù)彎矩或拉力，使橋面鋪裝層受到拉力的作用而產(chǎn)生負(fù)彎矩區(qū)裂縫，從而造成橋面鋪裝的損壞。

在對(duì)高速公路進(jìn)行交通組織管理中，由于車道功能的不同，人為強(qiáng)制地使橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)始終處于偏載狀態(tài)，使主車道的鋪裝承擔(dān)了比超車道高得多（量值可達(dá)三至四倍）的運(yùn)營(yíng)應(yīng)力水平，因此加快了主車道鋪裝層的疲勞。特別是隨著私營(yíng)運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，貨運(yùn)業(yè)主為追求短期經(jīng)濟(jì)利益，通過改變車廂結(jié)構(gòu)如加長(zhǎng)車廂和加高車軸彈簧等使汽車的載重、軸重及輪載成倍增加。這些車輛對(duì)鋪裝層具有嚴(yán)重的毀壞作用，并使橋梁結(jié)構(gòu)局部超載，加快了主車道鋪裝層的病害發(fā)展。因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)運(yùn)營(yíng)中車輛荷載的實(shí)際分布情況，在明確了橋梁結(jié)構(gòu)受力的基礎(chǔ)上，對(duì)橋面鋪裝層進(jìn)行受力計(jì)算。

2.2 施工工藝

鋪裝層厚度偏小。由于橋梁上部結(jié)構(gòu)在施工中支架的沉降及預(yù)應(yīng)力反拱無法十分準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)，或由于施工工藝控制欠佳，施工中主梁頂面標(biāo)高與設(shè)計(jì)值相符是比較困難的，一般在測(cè)量主梁頂面標(biāo)高后對(duì)其進(jìn)行調(diào)整以保證橋面的厚度。如果調(diào)整不好，就會(huì)造成鋪裝層厚度不均，使有的地方厚度偏小。梁頂清理不利，造成鋪裝層與主梁結(jié)合欠佳。

2.3 橋面防水層的影響

由于柔性防水層的強(qiáng)度與主板和鋪裝層的強(qiáng)度有差異，它的存在使上部結(jié)構(gòu)按模量形成剛-柔-剛的板體受力體系，中間柔性?shī)A層會(huì)增大橋面板板中部的板底拉應(yīng)力。處于防水層上的鋪裝層一經(jīng)開裂，在車輪的動(dòng)力荷載作用下，彼此間的縫隙越來越大，直到松散脫落。另外，防水層的使用使鋪裝層發(fā)生剪切破壞的機(jī)率大大提高。

2.4 橋面鋪裝的約束條件

橋面鋪裝受橋梁結(jié)構(gòu)的約束，受荷后其邊界條件與一般路面相差甚大，加之梁體的撓度、扭曲等形變的耦合作用，給鋪裝層的工作性能造成不利影響。

3 橋面鋪裝設(shè)計(jì)方法的討論

目前關(guān)于橋面鋪裝的研究還很不成熟，并且現(xiàn)有研究主要集中在材料設(shè)計(jì)和鋪裝技術(shù)等方面，而關(guān)于理論分析和結(jié)構(gòu)計(jì)算的研究很少。

羅立峰等人將橋面板簡(jiǎn)化為正交異性的彈性小撓度薄板，將鋪裝層簡(jiǎn)化為各向同性的大撓度薄板，并假定兩板之間相對(duì)滑動(dòng)，完全沒有摩阻力且沒有脫空現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上提出了橋面鋪裝的平衡微分方程，并以豎向變形為主要控制指標(biāo)。張占軍等人以彈性層狀體系為理論基礎(chǔ)，用三維有限元的方法對(duì)水泥混凝土橋面柔性鋪裝的層間剪應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算和分析。并通過對(duì)瀝青類橋面鋪裝層的破壞現(xiàn)象的分析，發(fā)現(xiàn)使用摩爾___庫(kù)侖理論來確定鋪裝厚度是比較合適的，即以橋面板與瀝青鋪裝層之間的層間剪應(yīng)力為控制指標(biāo)，要求其不超過層間抗剪強(qiáng)度。另外，還結(jié)合防水層、平整度、施工工藝和車轍指標(biāo)的要求，提出了橋面瀝青鋪裝層厚度的計(jì)算方法。

從現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)分析方法看，主要是用三維等參元模型進(jìn)行分析，目前較多采用的是三維八結(jié)點(diǎn)和二十結(jié)點(diǎn)單元。

合理的有限元模型是計(jì)算分析的前提，從目前的研究狀況來看，主要有如下幾個(gè)方面急需探討。

對(duì)于橋面鋪裝， 如何假設(shè)及模擬層間接觸狀況是有限元建模一個(gè)很重要的問題。對(duì)于不設(shè)防水層的情況，可以借鑒復(fù)合路面的處理方式。 胡長(zhǎng)順等人在進(jìn)行復(fù)合路面結(jié)構(gòu)分析時(shí)，利用各向異性線彈性理論和三維有限元的方法，構(gòu)造了一種正交各向異性接觸模型，模擬板與地基之間的接觸情況。 黃曉明和劉玉榮等人分別在對(duì)舊水泥混凝土路面混凝土加鋪層和水泥混凝土瀝青混凝土復(fù)合路面進(jìn)行力學(xué)計(jì)算時(shí)，接觸面采用了Goodman夾層單元模型模擬既非完全連續(xù)又非完全光滑的接觸狀態(tài)。 Goodman模型是由Goodman等人最先提出的用于模擬巖體節(jié)理的一種特殊單元，將它運(yùn)用于夾層即為夾層單元。夾層單元由兩個(gè)面組成，兩個(gè)面之間假想由無數(shù)微小彈簧連接，單元厚度假定為0，每片接觸面有4個(gè)結(jié)點(diǎn)，一個(gè)單元共有八個(gè)結(jié)點(diǎn)，是一種二維單元。

總之，如何模擬層間接觸狀況，特別是如何考慮防水層的影響，是建立合理有限元模型的一個(gè)關(guān)鍵問題，是研究鋪裝層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的一個(gè)重點(diǎn)。要采取理論計(jì)算與試驗(yàn)分析相結(jié)合的方法，將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)和實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)比，尋找一種與結(jié)構(gòu)實(shí)際受力吻合的模型。

另外需要研究的一個(gè)重要問題是，橋梁在荷載作用下產(chǎn)生撓度及其它形變，這些因素對(duì)鋪裝層的力學(xué)特性有何影響，如何考慮這些影響，這也是橋面鋪裝不同于一般復(fù)合路面的一個(gè)方面。目前，國(guó)內(nèi)還沒有專門針對(duì)這方面的討論。

合理解決橋面鋪裝問題需要從理論分析和結(jié)構(gòu)計(jì)算兩方面入手，正確的理論基礎(chǔ)是根本，合理的力學(xué)模型是關(guān)鍵。 通過計(jì)算分析與實(shí)測(cè)對(duì)比，較好的解決如上述的接觸模型、荷載簡(jiǎn)化等問題，搞清其它因素的影響;還要加強(qiáng)對(duì)模型尺寸及收斂條件的研究;在條件允許的情況下，加強(qiáng)對(duì)其動(dòng)力性能的研究。在分析鋪裝層破壞形式的基礎(chǔ)上， 確定關(guān)鍵因素，提出控制指標(biāo)并建立相應(yīng)的破壞準(zhǔn)則，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)，要達(dá)到這一目標(biāo)需要做大量的基礎(chǔ)性研究工作。