混凝土箱梁橋鋪裝防水粘結層力學性能

劉 云，于 新，戴憂華，吳建濤

（1.河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京210098；2.同濟大學 交通運輸工程學院，上海201804）

由于瀝青混凝土鋪裝能大幅度緩和行車對混凝土橋面板的沖擊，較易達到行車平穩(wěn)舒適的要求，因此，瀝青混凝土鋪裝經常用在混凝土橋面.防水粘結層作為中間夾層設置在橋面板與鋪裝層之間用來防止水滲透和加強界面粘結強度.當鋪裝層底部防水粘結層的剪切應力和拉應力超過界面剪切強度和拉拔強度時，就會發(fā)生脫層破壞，影響橋面的使用耐久性.

國外對水泥混凝土橋面防水粘結層的研究多集中在材料選取和試驗研究方面，相關的理論研究較少［1－3］.國內目前仍沒有統(tǒng)一的橋面防水粘結層設計、試驗和施工規(guī)范.另外，防水粘結層的層間粘結性能很容易受現(xiàn)場條件的未知因素影響，包括施工條件、材料特性、車輛荷載和橋梁結構.因此，在設計性能更佳的材料和結構時，需要進行關鍵因素的影響分析.

本文基于滬杭高速公路拓寬改建工程入城段箱梁段高架橋，通過有限元方法和現(xiàn)場試驗相結合的手段探討了防水粘結層的關鍵路用性能及影響因素.

1 混凝土箱梁橋鋪裝體系仿真模型

1.1 結構模型

以滬杭高速公路拓寬改建工程入城段的高架箱梁段橋為工程背景，上部結構采用簡支預應力混凝土預制小箱梁，標準跨徑基本為30m，橫斷面由9片箱體組成，預制段梁寬度中梁為2.400 m，邊梁2.450m，相 鄰 梁 中 心 距 為3.025 m，腹 板 厚 度0.180～0.250m.1.6m 梁高梁縱向在跨中和兩端各設1道橫隔板，共3 道橫隔板，采用雙層SMA13瀝青混合料進行橋面鋪裝.

橫向選取2個小箱梁，縱向選取兩跨簡支梁，建立一個足尺的三維有限元模型來分析混凝土箱梁橋的受力狀態(tài)，如圖1所示.采用8節(jié)點實體單元（3－D solid）模擬SMA（stone matrix asphalt）瀝青混合料鋪裝層、C40鋼筋混凝土鋪裝層及小箱梁.采用四節(jié)點薄膜單元（shell）模擬防水粘結層.通過靈敏度分析確定有限元網格劃分密度，直到應力值穩(wěn)定（重新劃分網格后計算結果誤差在5%以內）.輪載作用區(qū)域及其他受力關鍵區(qū)域劃分較密，其他位置劃分較粗.

對各結構層作如下假定［4］：①各結構層為均勻、連續(xù)、各向同性的體系；②各層層間豎向、水平位移均連續(xù)；③箱梁底部支座進行約束；④不計結構的自重影響.

圖1 混凝土箱梁橋鋪裝體系有限元模型Fig.1 FE model of pavement system on concrete girder bridge

1.2 計算參數(shù)

混凝土是一個脆性材料，在低應力水平時不會達到強度極限，保持彈性變形.C40鋼筋混凝土鋪裝層、小箱梁均假定為線彈性材料.參考橋面鋪裝及瀝青混合料路面的已有研究成果［4－5］在不考慮瀝青混合料隨溫度場變化的力學特性且僅考慮鋪裝在某一溫度條件下的力學響應時，將SMA13瀝青混合料鋪裝層和防水粘結層在有限元模型中假定為線彈性材料，具體材料參數(shù)見表1，常溫條件（20℃）鋪裝層模量為1 200MPa，高溫條件（60℃）鋪裝層模量為500 MPa.

表1 鋪 裝 體 系 計 算 參 數(shù)［6－7］Tab.1 Calculating parameters of pavement system［6－7］

1.3 車輛荷載及作用荷位

根據(jù)我國現(xiàn)行《公路瀝青路面設計規(guī)范》（JTG D50—2006），采用公路I級荷載，考慮30%沖擊系數(shù)，輪載接地壓力為0.91 MPa.為分析計算考慮，取輪胎著地的形式為矩形，計算模型采用雙輪矩形均布荷載，如圖2所示.輪胎與鋪裝摩擦系數(shù)在車輛加速或剎車時取0.5［8］.為了考慮輪胎摩擦力，假設車輛突然剎車，這樣就產生一個附加的正切力施加在瀝青混合料鋪裝層表面.

圖2 雙輪均布荷載（單位：mm）Fig.2 Uniform loading area（unit：mm）

根據(jù)輪載沿橫橋向分布設置4 種荷位，荷位1為車載中心位于相鄰兩小箱梁中間濕接縫的正上方，荷位2為車載中心位于濕接縫一端的正上方，荷位3為車載中心位于一箱室一端正上方，荷位4為車載中心位于一箱室正上方，如圖3所示.對于每個橫向荷位工況，沿橋縱向在跨中（荷位a）、1／4跨（荷位b）及墩頂（荷位c）布置3種荷載位置（圖4）.

圖3 橫橋向荷位布置Fig.3 Transversal loading position

圖4 縱橋向荷位布置Fig.4 Longitudinal loading position

2 防水粘結層力學響應

根據(jù)上述荷位布置，分別計算常溫和高溫條件下鋪裝體系防水粘結層的最大拉應力及最大剪應力，得到常溫條件下的不同荷位計算結果如圖5.由于高溫條件下防水粘結層力學響應分布規(guī)律與常溫條件下相似，只是峰值有所區(qū)別，所以在控制荷位以及后續(xù)的超載和動載對防水粘結層力學響應影響分析時，限于篇幅就不再列出高溫條件下的計算結果，只是在有限元分析的最后列出常溫和高溫條件下防水粘結層力學響應峰值，作為室內試驗的理論參考依據(jù).由圖5可見，不同橫向荷位作用條件下的防水粘結層各項力學響應指標變化規(guī)律也不盡相同，防水粘結層拉應力峰值的計算控制荷位為橫向荷位3的墩頂位置處的1／4跨處（3b，其中數(shù)字為橫向荷位代號，字母為縱向荷位代號，下同），剪應力峰值的計算控制荷位為橫向荷位1條件下的跨中處（1a）.

各控制荷位的力學響應峰值分布如圖6所示.從圖6a可見，在荷載作用面積區(qū)域內，防水粘結層主要表現(xiàn)為壓應力，荷載作用之間出現(xiàn)拉應力峰值；從圖6b可見，剪應力分布在荷載作用面積區(qū)域邊緣，沿荷載作用中心呈橫向反對稱分布.

3 荷載影響因素分析

3.1 剎車及超載因素的影響

高架線路地處繁重交通位置，重載、超載現(xiàn)象較為普遍，分別考慮常載、常載剎車、超載以及超載剎車條件下的防水粘結層力學響應.選取公路I級荷載，考慮超載比例為50%，考慮剎車時的水平荷載系數(shù)為0.5［9］.計算結果如圖7.可見，超載條件下的防水粘結層拉應力峰值是常載條件下的1.5倍左右，而目前重要交通線路的超載現(xiàn)象也相當普遍，因此，在防水粘結層設計中應該考慮超載的影響.剎車對防水粘結層剪應力的影響不大，但對拉應力峰值影響較大，在常載和超載條件下，考慮剎車因素的拉應力峰值與不考慮剎車相比增幅為68%.綜合考慮剎車和超載因素的拉應力峰值是常載條件下的2.5倍，剪應力峰值是常載條件下的1.5倍.可見，在橋面設計和施工中剎車和超載都應該是重要考慮因素.

圖7 剎車和超載對防水粘結層力學響應的影響Fig.7 Influence of braking and overloading on the stress of waterproof adhesive layer

3.2 動載的影響

在瀝青混凝土橋面設計中車輛荷載的動力作用通?？紤]在荷載沖擊系數(shù)中，而在車橋實際相互作用的過程中，橋面不平度的存在會造成車輛與橋面之間的耦合振動，產生隨機動荷載作用于鋪裝層表面.因此，動荷載對防水粘結層的影響應該考慮橋面不平度.

3.2.1 橋面不平度

采用模擬路面不平度的功率譜密度函數(shù)（PSD）來表征水泥混凝土橋面的不平度.通過三角級數(shù)法模擬時域范圍內的橋面不平度［4］，得到橋面平整度較差情況下的相對高程變化如圖8所示.將平整度高程作為外部激勵輸入車橋振動方程便可得到車輛作用于橋面的隨機動荷載，作為防水粘結層力學響應的外載輸入.

圖8 橋面不平度沿縱向高程Fig.8 Bridge deck roughness

3.2.2 移動荷載

計算模型選取靜力分析時的有限元模型，移動荷載分析時不考慮剎車水平制動力的作用，但考慮超載作用.通過時間函數(shù)和時間步控制荷載的大小、作用位置以及荷載發(fā)生作用的時刻，以模擬車輛荷載在鋪裝層表面沿橋縱向勻速移動時的情況，根據(jù)設計資料，設計車速為100km·h－1，荷載移動的最小長度為0.2m，荷載步總數(shù)為68步，移動荷載從跨中移動到一跨墩頂處，即從圖4中的荷位a移動到荷位c.

3.2.3 動響應

圖9a為移動荷載作用下的防水粘結層不考慮平整度和考慮平整度的動響應計算結果.由圖9a可見，當車載從跨中向墩頂移動時，拉應力峰值開始幾乎沒有明顯的變化，當車載接近墩頂上方時，拉應力峰值有明顯的增加，且最大峰值出現(xiàn)在荷載作用區(qū)域內.由圖9b可見，隨著行車荷載從一跨跨中向一跨墩頂移動，剪應力峰值在行車荷載處于跨中時達到最大值，在向墩頂移動過程中，剪應力沒有明顯變化，而靠近墩頂鋪裝層表面時，峰值又明顯增加.

不考慮橋面不平度和考慮橋面不平度的力學響應峰值變化規(guī)律基本一致.考慮動載影響的拉應力峰值為0.09 MPa，是考慮剎車荷載作用靜載計算結果的1.4倍；而剪應力峰值增幅達20%.可見，考慮不平度的防水粘結層力學響應比靜載作用下的計算結果有明顯的增幅，在防水粘結層的設計與施工中對動載的影響也是應該加以考慮的.

常溫和高溫條件下考慮剎車超載和動載因素的防水粘結層有限元分析結果（表2）可見高溫條件下防水粘結層拉應力峰值和剪應力峰值均大于常溫條件下的計算結果，但在本文的依托工程中誤差較小.

4 試驗驗證

針對橋面防水粘結層力學響應分析結果以及主要路用性能要求，對橡膠瀝青、SBS（styrene butadiene styrene）改性瀝青、SBS改性乳化瀝青、涂膜類防水粘結層材料等幾種水泥混凝土橋面防水粘結層材料進行了常溫和高溫條件下的層間粘結性能試驗，包括層間拉拔和剪切試驗.

表2 不同溫度條件下的防水粘結層力學響應峰值Tab.2 Peak value of mechanical response of waterproof adhesive layer under different temperatures

4.1 試驗方案

4.1.1 剪切試驗

進行室內剪切試驗的目的是為了確定防水粘結層抵抗剪切的能力，評價瀝青混凝土與防水粘結層、水泥混凝土面板與防水粘結層之間的粘結力.根據(jù)水泥混凝土橋面鋪裝的實際使用條件進行粘結層剪切強度試驗.預制厚8cm 的水泥混凝土試件，按表面處理、涂刷防水粘結層、碾壓瀝青混凝土鋪裝的順序成型試件，試件受力面與加載方向取45°夾角，試驗加載速度為10 mm·min－1，實驗示意圖如圖10a.

4.1.2 拉拔試驗

粘結性試驗評價防水粘結層與橋面板的粘結能力，與剪切試驗同，利用車轍板預制厚8cm、直徑為10cm的水泥混凝土試件，然后按表面處理、涂刷防水粘結層、碾壓瀝青混凝土鋪裝的順序成型試件.該試驗采用瀝青混合料與水泥混凝土的復合試件，與實際橋面情況更為相符，實驗示意圖如圖10b.

4.2 試驗結果分析

常溫及高溫條件下的復合結構防水粘結層剪切強度和拉拔強度試驗結果（幾次試驗結果的平均值）如表3所示.前3種防水粘結層材料的剪切強度均達到理論分析結果的指標要求，在考慮剎車超載和動載等因素下常溫條件的橡膠瀝青試驗值相對力學分析峰值結果的安全系數(shù)達到2.39，而高溫條件的橡膠瀝青試驗值安全系數(shù)僅為1.36，可見，高溫條件下防水粘結層材料容易出現(xiàn)剪切破壞.各種防水粘結層材料的拉拔強度均滿足理論分析結果的指標要求，在考慮剎車超載和動載等因素下，常溫條件的橡膠瀝青試驗值相對力學分析結果的安全系數(shù)達到11.9，而高溫條件的橡膠瀝青試驗值安全系數(shù)僅為8.5，可見，無論是高溫還是低溫條件層間拉拔強度基本能滿足力學性能要求.從剪切及拉拔試驗結果可見，SBS改性瀝青和橡膠瀝青是防水粘結層材料的首選，具體應用效果還需通過試驗段的實施來評價.

表3 不同防水層材料剪切強度和拉拔強度Tab.3 Shear strength and drawing strength of different materials MPa

5 結語

（1）防水粘結層拉應力峰值的計算控制荷位為橫向荷位1的墩頂位置處的1／4跨處，剪應力的計算控制荷位為橫向荷位1條件下的跨中處.因此，當荷載作用位置位于濕接縫上方對應的鋪裝表面位置時，防水粘結層較易出現(xiàn)拉拔和剪切破壞.

（2）剎車對防水粘結層剪應力的影響不大，但對拉應力峰值影響較大，在常載和超載條件下，常溫條件考慮剎車因素的拉應力峰值與不考慮剎車相比增幅為68%.綜合考慮剎車和超載因素的拉應力峰值是常載條件下的2.5倍，剪應力峰值是常載條件下的1.5 倍.可見，在防水粘結層的拉拔和剪切破壞中，剎車和超載的影響都是較為明顯的.

（3）考慮動荷載作用時，拉應力峰值出現(xiàn)在移動荷載接近于墩頂上方對應鋪裝表面；剪應力峰值在行車荷載處于跨中時達到最大值.常溫條件下考慮動載影響的拉應力峰值為0.09 MPa，是考慮剎車荷載作用靜載計算結果的1.4倍；而剪應力峰值增幅達20%.由橋面不平度引起的隨機動荷載對防水粘結層的作用力較為明顯，但影響程度小于剎車超載作用.

（4）SBS改性瀝青、橡膠瀝青、柔性防水涂料及SBS改性乳化瀝青等幾種材料的防水粘結層拉拔強度均滿足理論分析結果要求，常溫條件下橡膠瀝青的安全系數(shù)達到11.9，而高溫條件下為8.5；前3種防水粘結層的剪切強度均達到理論分析結果的指標要求，常溫條件下橡膠瀝青的安全系數(shù)達到2.39，而高溫條件下僅1.36，說明高溫條件下防水粘結層材料容易出現(xiàn)剪切破壞.結合理論與試驗分析結果，推薦SBS改性瀝青和橡膠瀝青為水泥混凝土橋防水粘結層材料的首選.

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