談橋面鋪裝層對(duì)高速公路橋梁受力性能的影響

朱敏清

(河北省高速公路京秦管理處，河北秦皇島 066000)

0 引言

橋梁工程中每一個(gè)組成部分都有其特殊的作用，為了實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的預(yù)期功能除了需要橋梁主體外，其附屬結(jié)構(gòu)也是必要的，比如橋梁的鋪裝層。作為橋梁的一部分，鋪裝層要受到橋梁上部結(jié)構(gòu)的約束，其主要作用是為行車提供平坦舒適的路面，同時(shí)還肩負(fù)保護(hù)橋梁主體的職責(zé)。橋面鋪裝層承受的主要荷載來(lái)自于車輪，除此之外還直接與大氣相接，并與主梁一起承受外荷載作用。目前的橋梁鋪裝主要包括兩種:一種是用來(lái)鋪裝公路橋梁柔性路面的瀝青混凝土;另一種則是剛性鋪裝或者是組合式鋪裝，這種鋪裝類型主要應(yīng)用在高等級(jí)公路橋梁中。在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，對(duì)于橋面鋪裝層的處理主要是將其看作二期恒載施加于主梁，不參與結(jié)構(gòu)的受力。對(duì)主要破壞類型為在荷載作用下鋪裝層與主梁結(jié)構(gòu)粘結(jié)失效的柔性路面而言，這種假設(shè)是合理的。

剛性鋪裝和組合式鋪裝層主要應(yīng)用在高等級(jí)公路的橋梁中，為了保證鋪裝層與主梁的粘結(jié)作用，在橋面上進(jìn)行鋪裝施工時(shí)通常會(huì)采取以下4種措施:

1)鋼筋混凝土橋面鋪裝，首先在混凝土梁板頂面安裝架立鋼筋，然后通過(guò)焊接將鋼筋網(wǎng)與架立鋼筋連接成為一個(gè)整體;

2)雙層鋼筋網(wǎng)一次鋪裝，底層鋼筋網(wǎng)需要與梁板通過(guò)焊接進(jìn)行錨固，同時(shí)上、下層鋼筋網(wǎng)也要進(jìn)行焊接;

3)縱、橫向鋼筋不能因鋪裝寬度不足或停工而切斷，在整個(gè)橋面鋪裝層中鋼筋網(wǎng)必須是連續(xù)的;

4)裝配式空心板橋，預(yù)制空心板橋的時(shí)候要將橋面做成凹凸的粗糙頂面，提高鋪裝層與空心板的粘結(jié)性能，這樣的好處是鋪裝層可以與預(yù)制空心板共同承受荷載作用。

通過(guò)在橋面施工過(guò)程中采用新工藝，并將新材料應(yīng)用到鋪裝層，鋪裝層與行車道板間的結(jié)合效果非常好，可以作為一個(gè)整體來(lái)承受荷載作用，因此，現(xiàn)在以及將來(lái)的橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析應(yīng)將鋪裝層與橋面板看作整體共同受力，完成鋪裝的混凝土橋面鋪裝層以一種疊合層的方式與空心板組成組合結(jié)構(gòu)。這種組合結(jié)構(gòu)具有“二階段受力”的特征，與傳統(tǒng)的一次受力結(jié)構(gòu)有較大的不同，這種疊合效應(yīng)應(yīng)該考慮到橋梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析中。

針對(duì)空心板橋的情況，這種橋面鋪裝疊合效應(yīng)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:

1)通過(guò)緊密結(jié)合，鋪裝層與橋梁結(jié)構(gòu)形成疊合結(jié)構(gòu);2)荷載橫向分布受到鋪裝層的影響。本文通過(guò)實(shí)際管養(yǎng)維護(hù)實(shí)踐的理論分析，系統(tǒng)地研究和分析了鋪裝層疊合效應(yīng)對(duì)空心板橋受力性能的影響。

1 鋪裝層對(duì)空心板受力性能的影響

1.1 開(kāi)裂荷載、極限承載能力和剛度

預(yù)應(yīng)力空心板的受力性能受橋面鋪裝層影響最直接的是開(kāi)裂荷載以及極限承載力的提高。實(shí)驗(yàn)研究顯示，采用10 cm厚鋪裝層的應(yīng)力混凝土空心板的開(kāi)裂荷載與采用鋼纖維混凝土鋪裝層的空心板的開(kāi)裂荷載相同，采用這種鋪裝層的預(yù)應(yīng)力空心板與無(wú)鋪裝層的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板相比，前者的開(kāi)裂荷載將會(huì)提高25.5%。在結(jié)構(gòu)達(dá)到破壞狀態(tài)時(shí)，有鋪裝層的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板與采用鋼纖維混凝土鋪裝層的空心板相比，前者的極限承載能力會(huì)略高于后者的極限承載能力。研究分析表明，出現(xiàn)這種情況的主要原因是鋼纖維混凝土鋪裝層的抗壓強(qiáng)度比混凝土的抗壓強(qiáng)度低，這也表明受壓區(qū)混凝土的壓碎破壞是空心板破壞的主要原因，混凝土的抗壓強(qiáng)度是空心板抗彎承載能力的決定性因素。由于橋面鋪裝層與主梁共同受力，在另一方面來(lái)講主梁面積增大，同時(shí)截面剛度獲得明顯提高。實(shí)驗(yàn)顯示，預(yù)應(yīng)力混凝土空心板采用鋪裝層時(shí)，與普通空心板相比，前者的抗彎剛度是后者的1.78 倍。

1.2 對(duì)主梁裂縫和破壞形態(tài)的影響

一般而言，對(duì)于有鋪裝層空心板，破壞發(fā)生時(shí)很少會(huì)出現(xiàn)鋪裝層與空心板之間粘結(jié)失效的情況。這一現(xiàn)象表明，混凝土鋪裝層與鋼纖維混凝土與空心板之間具有可靠的粘結(jié)作用，兩者可以共同承受荷載作用。對(duì)于不設(shè)鋪裝層的空心板來(lái)說(shuō)，在極限荷載作用下會(huì)出現(xiàn)比較細(xì)密的裂縫，撓度變形和裂縫寬度都很小，橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的破壞為突然破壞，與結(jié)構(gòu)超筋破壞的特征相似。設(shè)置鋪裝層的空心板，與不設(shè)鋪裝層的空心板相比，在結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí)無(wú)論是裂縫的寬度還是結(jié)構(gòu)的撓曲變形都是比較大的，由此可見(jiàn)前者的延性特征將會(huì)優(yōu)于后者。采用不同鋪裝層材料的結(jié)構(gòu)，在達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，其破壞形態(tài)的本質(zhì)并沒(méi)有區(qū)別，不同之處主要體現(xiàn)在混凝土出現(xiàn)受壓破壞時(shí)其破壞形態(tài)不同，采用鋼纖維混凝土鋪裝層的結(jié)構(gòu)受壓破壞時(shí)不會(huì)出現(xiàn)大片混凝土的剝離現(xiàn)象，雖然會(huì)出現(xiàn)破碎現(xiàn)象但是不會(huì)散掉。主要是因?yàn)殇摾w維的阻裂作用阻止了混凝土壓隙裂縫的發(fā)展。

2 鋪裝層的參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)荷載橫向分布的影響

在對(duì)有鋪裝層的空心板進(jìn)行計(jì)算時(shí)考慮疊合效應(yīng)，荷載橫向分布計(jì)算的力法方程與鉸接板法的力法方程相似，但是這樣會(huì)引進(jìn)過(guò)多的未知量，出現(xiàn)的直接后果就是計(jì)算量過(guò)大，同時(shí)，由于現(xiàn)在還沒(méi)有編制好的表格供計(jì)算時(shí)查詢，應(yīng)用到實(shí)際工程中將會(huì)十分的不利。

1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，是否采用鋪裝層將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的不同，不采用鋪裝層的空心板和采用鋪裝層的空心板在破壞時(shí)都表現(xiàn)出截面受壓區(qū)混凝土被壓碎的適筋破壞的特征，不同之處在于前者的破壞區(qū)為空心板的受壓區(qū)，后者為鋪裝層混凝土。有鋪裝層預(yù)應(yīng)力空心板的延性要優(yōu)于無(wú)鋪裝層空心板。

2)考慮有鋪裝層空心板的疊合效應(yīng)，截面高度增加，計(jì)算截面彎矩時(shí)力臂增大，抗彎承載能力得到提高，同時(shí)截面的抗彎慣性矩也會(huì)增大，提高開(kāi)裂荷載。當(dāng)采用10 cm的混凝土鋪裝層的時(shí)候預(yù)應(yīng)力混凝土空心板的極限荷載和開(kāi)裂荷載將會(huì)同時(shí)得到提高，提高的幅度分別為21.5%和43.6%。

3)將鋪裝層與空心板看作一個(gè)整體共同承受荷載作用時(shí)，預(yù)應(yīng)力混凝土空心板為二次受力組合結(jié)構(gòu)，與同樣截面的一次受力預(yù)應(yīng)力混凝土空心板相比受力性能有差別，但是差別不是很明顯。實(shí)驗(yàn)表明，考慮疊合效應(yīng)按照現(xiàn)行規(guī)范中疊合梁的規(guī)定進(jìn)行空心板正截面承載能力計(jì)算、截面抗裂以及變形驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果偏安全，而且與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較接近。

4)利用有限元軟件對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋進(jìn)行整橋分析時(shí)，計(jì)算結(jié)果顯示考慮鋪裝層疊合效應(yīng)的計(jì)算結(jié)果最接近靜載實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，這也說(shuō)明整橋受力分析應(yīng)該考慮鋪裝層的疊合效應(yīng)。

5)理論計(jì)算時(shí)若忽略橋面鋪裝層疊合效應(yīng)，校驗(yàn)系數(shù)將明顯減小，評(píng)定承載能力時(shí)將會(huì)出現(xiàn)較大誤差，所以靜載試驗(yàn)時(shí)應(yīng)該考慮鋪裝層的疊合效應(yīng)。

6)鋪裝層的疊合效應(yīng)受其參數(shù)的影響較大，這些參數(shù)有材料、鋪裝層厚度等。材料一定時(shí)，鋪裝層厚度對(duì)板底應(yīng)力、板底撓度均有影響;厚度一定時(shí)，鋪裝材料為鋼筋混凝土或鋼纖維混凝土?xí)r結(jié)構(gòu)的受力性能更好。

7)在一定程度上鋪裝層能夠承擔(dān)部分橫向分布的荷載，但是當(dāng)其厚度以及彈性模量達(dá)到一定程度時(shí)，荷載橫向分布系數(shù)受鋪裝層的影響將會(huì)減小。所以考慮疊合效應(yīng)的空心板荷載橫向分布系數(shù)的計(jì)算采用鉸接板法進(jìn)行是可行的，但是在計(jì)算剛度時(shí)應(yīng)選用組合截面的抗彎慣性矩和抗扭慣性矩。計(jì)算表明，這種簡(jiǎn)化偏于安全，誤差不是很大。

3 結(jié)語(yǔ)

高等級(jí)公路中橋梁的混凝土鋪裝層與主梁一起承受外界荷載的作用，路面鋪裝對(duì)主梁的受力行為有相當(dāng)程度的影響。鋪裝層能顯著地提高空心板的開(kāi)裂荷載以及極限承載力;鋪裝層也會(huì)對(duì)主梁裂縫和破壞形態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。更為重要的是，鋪裝層影響了裝配式主梁的橫向分布規(guī)律，從而對(duì)橋梁整體產(chǎn)生了影響。橋梁日常管養(yǎng)和維修決策，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)橋面鋪裝層進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)測(cè)。

［1］中華人民共和國(guó)交通部.2006年公路水路交通行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)［R］.2007.

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