瀝青混凝土橋面鋪裝早期病害原因分析

胡在和

摘要：隨著交通量和重型車輛的增加，橋面鋪裝問題普遍。橋面鋪裝的早期損壞已成為影響公路使用功能的發(fā)揮和誘發(fā)交通事故的一大病害。文章對鋼筋混凝土橋柔性橋面鋪裝的早期病害及其原因進行了分析與研究。

關(guān)鍵詞：水泥混凝土橋面；瀝青混凝土；橋面鋪裝；早期病害；原因分析；結(jié)構(gòu)分析

中圖分類號：U445.7文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1009-2374（2009）02-0145-02

一、概述

隨著交通量和重型車輛的增加，橋面鋪裝問題普遍。這不僅妨礙了正常交通，影響了橋面的美觀，更易造成交通事故，也給維修工作帶來了很大困難。橋面鋪裝的早期損壞已成為影響公路使用功能的發(fā)揮和誘發(fā)交通事故的一大病害。

二、破壞形式

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)生相對位移發(fā)生剪切破壞，產(chǎn)生推移、擁包等病害。

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。

三、病害分析

（一）結(jié)構(gòu)理論與設(shè)計

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受力復(fù)雜的動力體系，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。

箱梁骨架鋼筋在實際受力狀態(tài)下難以像T梁主筋那樣發(fā)揮應(yīng)有的作用。所以，設(shè)計的假設(shè)狀態(tài)與箱梁的實際受力狀態(tài)不一致。現(xiàn)行橋規(guī)第3.2.2條規(guī)定如無精確的計算方法，箱形梁也可參照T形梁的規(guī)定處理。從眾多箱梁的設(shè)計來看，大部分設(shè)計者對箱梁構(gòu)件是按T形梁進行處理的。而箱梁的實際受力雖有近于T梁的一面，又有異于T梁的一面，對于連續(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梁那種長細桿件設(shè)計配筋，就越來越不適宜了，隨著材料工業(yè)的發(fā)展，橋梁承重結(jié)構(gòu)的改進，使橋梁主梁能以較柔的結(jié)構(gòu)達到受力的要求，高等級公路大跨橋梁的橫向越來越寬。特別在設(shè)計計算中側(cè)重于主梁縱向的計算分析，對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)生負彎矩或拉力，使橋面鋪裝層受到拉力的作用而產(chǎn)生負彎矩區(qū)裂縫，從而造成橋面鋪裝的損壞。由于車道功能的不同，人為強制地使橋梁結(jié)構(gòu)運營始終處于偏載狀態(tài)，使主車道的鋪裝承擔(dān)了比超車道高得多（量值可達三至四倍）的運營應(yīng)力水平，因此加快了主車道鋪裝層的疲勞。

（二）施工工藝

1．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，或由于施工工藝控制欠佳，施工中主梁頂面標(biāo)高與設(shè)計值相符是比較困難的，一般在測量主梁頂面標(biāo)高后對其進行調(diào)整以保證橋面的厚度。如果調(diào)整不好，就會造成鋪裝層厚度不均，使有的地方厚度偏小。

2．梁頂清理不利，造成鋪裝層與主梁結(jié)合欠佳。

（三）橋面防水層的影響

由于柔性防水層的強度與主板和鋪裝層的強度有差異，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，中間柔性夾層會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，在車輪的動力荷載作用下，彼此間的縫隙越來越大，直到松散脫落。

（四）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。

四、橋面鋪裝設(shè)計方法

將橋面板簡化為正交異性的彈性小撓度薄板，將鋪裝層簡化為各向同性的大撓度薄板，并假定兩板之間相對滑動，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)。以彈性層狀體系為理論基礎(chǔ)，用三維有限元的方法對水泥混凝土橋面柔性鋪裝的層間剪應(yīng)力進行了計算和分析。并通過對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度。用有限元的方法對設(shè)防水層的水泥混凝土橋瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)的層間剪應(yīng)力的計算進行了分析，討論了防水層的厚度、模量、泊松比、瀝青混凝土鋪裝層厚度和模量等參數(shù)對結(jié)構(gòu)層層間剪應(yīng)力的影響。認為層間最大剪應(yīng)力主要取決于面層厚度和防水層模量；在防水層模量相同的情況下，增加面層厚度是降低層間剪應(yīng)力的最有效手段。合理的控制指標(biāo)是進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要依據(jù)。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行分析，目前較多采用的是三維八結(jié)點和二十結(jié)點單元。合理的有限元模型是計算分析的前提，從目前的研究狀況來看，主要有如下幾個方面需探討：

對于橋面鋪裝，如何假設(shè)及模擬層間接觸狀況是有限元建模一個很重要的問題。對于不設(shè)防水層的情況，可以借鑒復(fù)合路面的處理方式。在進行復(fù)合路面結(jié)構(gòu)分析時，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。在對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)合路面進行力學(xué)計算時，接觸面采用了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，夾層單元由兩個面組成，兩個面之間假想由無數(shù)微小彈簧連接，單元厚度假定為0，每片接觸面有4個結(jié)點，一個單元共有八個結(jié)點，是一種二維單元。對于設(shè)防水層的情況，實際施工中防水層的厚度在2～5mm之間，一般約為3mm。由于防水層的厚度很薄，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關(guān)鍵問題，是研究鋪裝層結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的一個重點。要采取理論計算與試驗分析相結(jié)合的方法，將計算結(jié)果與試驗和實測結(jié)果相對比，尋找一種與結(jié)構(gòu)實際受力吻合的模型。

橋面鋪裝層是一種特殊的路面結(jié)構(gòu)，如何合理簡化荷載模型，以及如何進行橫向和縱向布載，也直接關(guān)系到計算結(jié)果的精確程度。在計算剪應(yīng)力時參照路面設(shè)計中的荷載模型，荷載參數(shù)為BZZ-100，p=0.7MP，δ=10.65cm，水平荷載與垂直荷載同時考慮。對不同的橋跨截面在橫向不同位置進行布載，找出最不利的荷位。將橋梁結(jié)構(gòu)分析和路面理論結(jié)合起來，才能較好地解決這一問題。

另外需要研究的一個重要問題是，橋梁在荷載作用下產(chǎn)生撓度及其他形變，這些因素對鋪裝層的力學(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)合路面的一個方面。

合理解決橋面鋪裝問題需要從理論分析和結(jié)構(gòu)計算兩方面入手，正確的理論基礎(chǔ)是根本，合理的力學(xué)模型是關(guān)鍵。通過計算分析與實測對比，較好地解決如上述的接觸模型、荷載簡化等問題，搞清其它因素的影響；還要加強對模型尺寸及收斂條件的研究；在條件允許的情況下，加強對其動力性能的研究。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)計提供依據(jù)，要達到這一目標(biāo)需要做大量的基礎(chǔ)性研究工作。

五、結(jié)語

本文對鋼筋混凝土橋柔性橋面鋪裝的早期病害及其原因進行了分析與研究，總結(jié)了橋面鋪裝結(jié)構(gòu)分析的主要方法，提出了用有限元分析需要注意的一些問題。當(dāng)務(wù)之急是加快對瀝青混凝土橋面鋪裝的進一步研究，以明確橋面鋪裝層各結(jié)構(gòu)層計算模型、力學(xué)特性及相關(guān)參數(shù)，為橋面鋪裝的設(shè)計提供指導(dǎo)；同時，加強對各鋪裝層材料的材料性能指標(biāo)和測試技術(shù)的研究，開發(fā)適應(yīng)橋面破壞機理的新材料；另外，還要改進鋪裝技術(shù)及提高施工質(zhì)量，保證設(shè)計模型的準(zhǔn)確性，從根本上解決橋面鋪裝早期損壞問題。