水泥混凝土橋橋面鋪裝結(jié)構(gòu)組合方法分析

劉 輝

0 引言

國內(nèi)外眾多學(xué)者已意識到導(dǎo)致橋面鋪裝結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)的重要性，但各個(gè)研究者僅僅提出自己的設(shè)想，而沒有將自己的方法用于實(shí)際工程中，沒有得到實(shí)際檢驗(yàn)。有的研究者致力于材料方面的研究，試圖通過室內(nèi)試驗(yàn)，為橋面鋪裝設(shè)計(jì)提供性能更佳的材料;也有些學(xué)者致力于理論計(jì)算，試圖通過理論分析和計(jì)算，為結(jié)構(gòu)組合提供理論標(biāo)準(zhǔn)。本文在總結(jié)現(xiàn)行各設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，著重分析其設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)而為橋面鋪裝結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)提出行之有效的建議。

1 現(xiàn)行橋面鋪裝結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)方法分析

1)長大橋?yàn)r青混凝土橋面鋪裝結(jié)構(gòu)形式及施工工藝研究。

東南大學(xué)高英［1］的博士后論文，針對特定橋梁進(jìn)行有限元分析，并進(jìn)行大量室內(nèi)試驗(yàn)，最終提出最佳的結(jié)構(gòu)組合方案。首先，進(jìn)行有限元力學(xué)分析，研究了梁面體系構(gòu)造對鋪裝層應(yīng)力、應(yīng)變的影響。根據(jù)計(jì)算分析，給出推薦鋪裝層厚度和模量;其次，通過大量試驗(yàn)研究了纖維加強(qiáng)瀝青混凝土作為橋面鋪裝層的各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)與路用性質(zhì);第三，比較了三種防水粘結(jié)材料的各項(xiàng)性能;第四，結(jié)合復(fù)合梁疲勞試驗(yàn)，給出最終推薦鋪裝結(jié)構(gòu)形式。

2)千島湖1號特大橋?yàn)r青混凝土橋面鋪裝結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)研究。

東南大學(xué)的黃曉明課題組［2］針對杭新景高速公路千島湖支線千島湖1號橋?qū)嶓w工程，重點(diǎn)研究了鋼管混凝土拱橋上瀝青混凝土鋪裝層的應(yīng)力響應(yīng)與結(jié)構(gòu)組合形式，具體步驟如下:

首先，通過力學(xué)分析了解橋面瀝青混凝土鋪裝層的應(yīng)力與變形特性，對瀝青混凝土材料性能與結(jié)構(gòu)提出要求。其次，兼顧力學(xué)計(jì)算對鋪裝層提出的要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)上下鋪裝層的功能需求，分別提出幾種鋪裝層材料。最后，對復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)組合試驗(yàn)，對提出的幾種結(jié)構(gòu)組合材料進(jìn)行室內(nèi)復(fù)合梁疲勞試驗(yàn)，得出最佳結(jié)構(gòu)組合。

3)水泥混凝土橋橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)合理性研究。

重慶交通大學(xué)的張領(lǐng)先［3］，提出根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)等級和所在的氣候區(qū)所擬定的橋面鋪裝防水等級，確定橋面鋪裝防水體系和鋪裝結(jié)構(gòu)組成及材料，并以層間抗剪強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度為指標(biāo)，確定鋪裝層厚度和防水粘結(jié)層的設(shè)計(jì)，并對瀝青鋪裝層在特殊部位和負(fù)彎矩區(qū)最大拉應(yīng)力驗(yàn)算的橋面鋪裝設(shè)計(jì)方法。

4)水泥混凝土橋?yàn)r青鋪裝層力學(xué)分析與設(shè)計(jì)。

武漢理工大學(xué)的陳太原［4］提出，根據(jù)鋪裝層層位分工論，并針對當(dāng)前橋面鋪裝層設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)材料組成設(shè)計(jì)存在脫節(jié)的現(xiàn)象，提出了瀝青混凝土鋪裝層結(jié)構(gòu)與材料統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法。

以上設(shè)計(jì)方法，很大程度上依靠力學(xué)分析，相對于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，有所進(jìn)步。但對于某些特定的橋梁或者特殊的鋪裝層結(jié)構(gòu)要求，單純從力學(xué)上進(jìn)行分析，并不能為材料設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。基于力學(xué)驗(yàn)算的結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)方法不一定適用于每座橋。

2 連續(xù)剛構(gòu)橋橋面鋪裝體系力學(xué)分析

本文選取某典型連續(xù)剛構(gòu)橋，根據(jù)橋梁實(shí)際尺寸，截取橋梁跨20 m，建立有限元分析模型，見圖1。

橋面鋪裝層的厚度對其受力狀態(tài)和使用性能都具有重要的作用。對于采用雙層鋪設(shè)方案的瀝青混凝土橋面鋪裝而言，確定各層的厚度也是鋪裝層設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要設(shè)計(jì)指標(biāo)。由于分別變化兩層厚度時(shí)排列組合形式較多，計(jì)算量很大，因此本文分別固定上層厚度3cm和下層厚度2cm，通過改變另外一層的厚度進(jìn)行計(jì)算，以得到鋪裝上下層厚度變化的敏感性。計(jì)算結(jié)果如圖2，圖3所示。

圖1 連續(xù)剛構(gòu)橋有限元分析模型

圖2 鋪裝層應(yīng)力隨鋪裝下層厚度的變化

圖3 鋪裝層應(yīng)力隨鋪裝上層厚度的變化

由結(jié)果可知:

1)隨著上、下層鋪裝層厚度的增加，上、下鋪裝層的縱橫向拉應(yīng)力都呈增加的趨勢。這是因?yàn)闃蛎嬖跈M隔板、腹板或加勁肋處，經(jīng)車輛荷載的作用，容易出現(xiàn)負(fù)彎矩區(qū)。當(dāng)鋪裝層厚度增加時(shí)，負(fù)彎矩就會增加，對應(yīng)的拉應(yīng)力也不斷增加。因此，橋面鋪裝中，瀝青鋪裝層不是越厚越好。

2)隨著下鋪裝層厚度的增加，層間最大剪應(yīng)力逐漸減小，這是因?yàn)殇佒聦釉胶?，越有利于緩和由于橋面板的變形而在鋪裝體系內(nèi)形成相對滑移趨勢;隨著上鋪裝層厚度的增加，層間最大剪應(yīng)力有所增加，這是因?yàn)橄落佈b層厚度較小，相當(dāng)于在上鋪裝層和橋面板之間夾入一個(gè)薄層，不能很好向下傳遞車輛荷載和緩和橋面板的相對滑移趨勢。

3 其他橋型橋面鋪裝體系力學(xué)分析結(jié)果

1)長大橋?yàn)r青混凝土橋面鋪裝結(jié)構(gòu)形式及施工工藝研究。

針對部分預(yù)應(yīng)力混凝土組合連續(xù)箱梁橋進(jìn)行力學(xué)分析，當(dāng)鋪裝層采用雙層鋪筑時(shí)，當(dāng)改變上、下層厚度時(shí)，對整個(gè)鋪裝體系各層位的剪應(yīng)力的影響。

假定鋪裝上層的厚度H上=40mm不變，鋪裝下層的厚度H下依次取40mm，60mm，80mm。分別計(jì)算鋪裝層之間橫向τ1xmax、鋪裝層之間縱向τ1ymax、鋪裝層與橋面板之間橫向τ2xmax、鋪裝層與橋面板之間縱向τ2ymax、鋪裝上層內(nèi)τ3max和鋪裝下層內(nèi)的τ4max。具體計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 H上不變H下變化條件下鋪裝層間最大剪應(yīng)力分布變化圖

從圖4可以看出，保持鋪裝上層厚度不變，鋪裝下層越厚，無論是鋪裝體系的層間剪切應(yīng)力，還是層內(nèi)的剪切應(yīng)力都越小，變化趨勢相對較平緩。

2)水泥混凝土橋面瀝青混凝土鋪裝防水粘結(jié)層的性能研究。

首先固定上層鋪裝厚度為5cm，下層鋪裝厚度分別取6cm，10cm，15cm;其次，固定鋪裝下層厚度為6cm，鋪裝上層厚度分別取2cm，4cm，5cm，結(jié)果如圖5，圖6所示，可知:綜合荷載作用下，增加鋪裝層的厚度(鋪裝上層保持不變，增加鋪裝下層的厚度，或鋪裝下層保持不變，增加上層的厚度)對瀝青混凝土鋪裝層的受力影響較為復(fù)雜，但鋪裝層厚度的增加對減小整個(gè)鋪裝層的最大剪應(yīng)力，減少橋面剪切破壞是有效的。但是，隨著厚度的增加，整個(gè)鋪裝層的剪應(yīng)力減小趨勢不明顯。

圖5 鋪裝下層厚度變化對剪應(yīng)力的影響

圖6 鋪裝上層厚度變化對剪應(yīng)力的影響

4 結(jié)語

1)針對連續(xù)剛構(gòu)橋、連續(xù)箱梁橋和雙邊箱預(yù)應(yīng)力混凝土三種特定的橋梁，鋪裝層的受力情況(拉應(yīng)力和剪應(yīng)力)受鋪裝層厚度的影響并不大。

2)目前，我國大跨徑水泥混凝土橋梁主要由上述三種橋型組成。因此，可以得出如下結(jié)論:現(xiàn)行的以力學(xué)驗(yàn)算為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)方法并不適用于大跨徑水泥混凝土橋梁。

3)對于大跨徑的水泥混凝土橋梁，建議鋪裝體系在滿足橋梁承重和受力要求的情況下，橋面鋪裝結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)，應(yīng)盡量從鋪裝層材料的功能上考慮，尋求適用于各種橋梁的鋪裝層結(jié)構(gòu)形式。

［1］ 高 英.長大橋?yàn)r青混凝土橋面鋪裝結(jié)構(gòu)形式及施工工藝研究［D］.南京:東南大學(xué)交通學(xué)院博士后論文，2003.

［2］ 王曉磊，趙永利，黃曉明.千島湖1#特大橋?yàn)r青混凝土橋面鋪裝結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)研究［D］.南京:東南大學(xué)交通學(xué)院，2006.

［3］ 張領(lǐng)先.水泥混凝土橋橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)合理性研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

［4］ 陳太原.水泥混凝土橋?yàn)r青鋪裝層力學(xué)分析與設(shè)計(jì)［D］.武漢:武漢理工大學(xué)結(jié)構(gòu)工程系碩士學(xué)位論文，2007.