瀝青混凝土橋面鋪裝早期病害原因分析

王麗萍

1 概述

橋面鋪裝層直接承受行車荷載、梁體變形和環(huán)境因素的作用,其變形和應力特征與主梁及橋面板結(jié)構(gòu)型式密切相關(guān),一方面可分散荷載并參與橋面板的受力,另一方面起聯(lián)結(jié)各主梁共同受力的作用;既是橋面保護層又是橋面結(jié)構(gòu)的共同受力層,所以具有足夠的強度和良好的整體性,并具有足夠的抗裂、抗沖擊、耐磨性能。

近年來我國公路橋梁建設(shè)快速發(fā)展,橋梁結(jié)構(gòu)不斷創(chuàng)新,大跨橋梁已很普遍,但橋面鋪裝的設(shè)計與施工仍沿用傳統(tǒng)的習慣做法,在進行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計時,對橋面鋪裝層一般不作專門的計算分析。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。

2 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鋪裝層內(nèi)部產(chǎn)生較大的剪應力,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。

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,故在實際設(shè)計中應基于兩種形式的剪切破壞分別加以計算分析。

3 病害分析

3.1 結(jié)構(gòu)理論與設(shè)計

(1) 橋梁的結(jié)構(gòu)理論中對橋面鋪裝層的計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 [7],工程界一直在各等級的公路中運用了幾十年。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。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)造均影響其應力的分布。

梁設(shè)計的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。

(2)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,導致按

(3)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了過多的次內(nèi)力。

(4)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。

(5)在對高速公路進行交通組織管理中,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了比超車道高得多（量值可達三至四倍）的運營應力水平,因此加快了主車道鋪裝層的疲勞。特別是隨著私營運輸業(yè)的發(fā)展,貨運業(yè)主為追求短期經(jīng)濟利益,通過改變車廂結(jié)構(gòu)如加長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。這些車輛對鋪裝層具有嚴重的毀壞作用,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)計中應根據(jù)運營中車輛荷載的實際分布情況,在明確了橋梁結(jié)構(gòu)受力的基礎(chǔ)上,對橋面鋪裝層進行受力計算。

3.2 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應力反拱無法十分準確地預測,或由于施工工藝控制欠佳,施工中主梁頂面標高與設(shè)計值相符是比較困難的,一般在測量主梁頂面標高后對其進行調(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。

3.3 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。另外,防水層的使用使鋪裝層發(fā)生剪切破壞的機率大大提高。

3.4 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。

5 小結(jié)

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)了當前國內(nèi)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,指出了今后主要的研究方向。

當務(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、力學特性及相關(guān)參數(shù),為橋面鋪裝的設(shè)計提供指導；同時,加強對各鋪裝層材料的材料性能指標和測試技術(shù)的研究,開發(fā)適應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)計模型的準確性,從根本上解決橋面鋪裝早期損壞問題。

[1] 趙滿,梅琪,趙庭耀.混凝土橋面鋪裝設(shè)計與施工[J].東北公路,2000,23(3):63-65.

[2] 涂常衛(wèi),黎增豐,凌子如.混凝土橋面鋪裝病害與設(shè)計和施工的關(guān)系淺析[J].公路,1999,(2):17-22.