城市橋梁橋面鋪裝層典型病害分析

李凡

（貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

1 概述

在以喀斯特[1]地形和高原山地地貌為主的貴州，橋梁成為城市路網(wǎng)交通的的重要組成部分，在整個(gè)市政道路運(yùn)輸系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用?，F(xiàn)代橋梁為保證行車舒適性，橋面多采用瀝青混凝土鋪裝。瀝青混凝土路面一種柔性路面[2]，它除了具有良好的抗滑性能[3]、足夠的承載能力以及水密性，還具有行車舒適、振動小、噪音低、耐磨、不揚(yáng)塵易清洗等優(yōu)點(diǎn)，非常適合城市道路使用。但是瀝青混凝土也有其自身的缺點(diǎn)：（1）溫度穩(wěn)定性差，夏季高溫容易軟化，導(dǎo)致承載力降低，冬天低溫塑性變差，容易硬脆[4]。（2）瀝青屬于有機(jī)材料，易老化，耐久性不足。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，城市橋梁主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限大橋和特大橋不應(yīng)低于100 年，中橋不應(yīng)低于50 年，但是瀝青路面的設(shè)計(jì)使用年限僅有8～15 年。（3）瀝青材料雖然水密性好，但瀝青混合料內(nèi)部的孔隙率大，耐水性差，易產(chǎn)生水損壞[5]。

2 橋面鋪裝常見病害

在自然環(huán)境和車輛荷載反復(fù)作用下，橋面瀝青混凝土鋪裝層經(jīng)常出現(xiàn)車轍、開裂、坑洼、鼓包等現(xiàn)象，這些病害雖然不會影響橋梁主體結(jié)構(gòu)安全，但是會影響行車舒適性，大大降低車輛通行效率，可能加劇城市道路的擁堵。在交通荷載的反復(fù)作用下，塑形變形逐漸累積[6]，容易出現(xiàn)車轍。由于瀝青混凝土鋪裝的層底拉應(yīng)力超過材料的疲勞極限，容易產(chǎn)生疲勞裂縫，導(dǎo)致橋面出現(xiàn)龜裂、網(wǎng)裂[7]。由于橋梁上部結(jié)構(gòu)梁體水泥混凝土與橋面瀝青混凝土的溫縮變形不同，橋面容易產(chǎn)生反射裂縫。在水平力的影響下，如果瀝青鋪裝層抗剪強(qiáng)度不足，容易形成推移和擁包。當(dāng)橋面有積水，水分進(jìn)入瀝青鋪裝層結(jié)構(gòu)中, 不僅會對瀝青與集料的界面有侵蝕作用，也會在路面結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生孔隙水壓力及其他附加應(yīng)力[8]，容易引發(fā)橋面瀝青鋪裝水損壞。

3 典型病害分析

3.1 連續(xù)梁橋墩頂處瀝青混凝土鋪裝開裂

對于連續(xù)梁橋，在中間連續(xù)墩墩頂處橋面經(jīng)常出現(xiàn)瀝青混凝土鋪裝開裂的情況，并且裂縫寬度較大，裂縫走向基本沿橋的橫向，形成貫通或半貫通的結(jié)構(gòu)性裂縫。

案例1：某兩跨連續(xù)梁橋，建成于2007 年，原橋面采用水泥混凝土鋪裝，2016 年經(jīng)城市路面整體改造后，在橋面上加鋪一層8cm厚瀝青混凝土（AC-16 瀝青混凝土）。近期在使用過程中發(fā)現(xiàn)，該橋橋墩位置橋面瀝青鋪裝層出現(xiàn)橫向裂縫（病害位置如圖1 和圖2 所示，病害具體情況如圖3所示）。

圖1 連續(xù)梁橋橋面鋪裝常見病害位置立面示意圖

圖2 連續(xù)梁橋橋面鋪裝常見病害位置平面示意圖

圖3 連續(xù)梁橋墩頂位置橋面鋪裝開裂情況

3.1.1 病害情況調(diào)查。通過對墩頂開裂區(qū)域?yàn)r青鋪裝層裂縫數(shù)量以及裂縫長度、寬度、深度進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)共有3 處較大裂縫以及多條細(xì)小裂縫。裂縫總長度205cm，最大裂縫寬度5.4cm，裂縫深度達(dá)6.0cm。經(jīng)過半個(gè)月的連續(xù)觀測，發(fā)現(xiàn)該位置裂縫有不斷發(fā)展變寬的趨勢。

為全面了解裂縫的成因，剔除開裂區(qū)域內(nèi)的瀝青混合料鋪裝層以后，對橋梁瀝青鋪裝以下混凝土結(jié)構(gòu)層進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)該橋原水泥混凝土鋪裝層在墩頂位置設(shè)置了一道橫向施工縫。后來橋面在原水泥混凝土鋪裝層上方加鋪了一層約8cm 厚的瀝青混合料。通過詳細(xì)檢查，該橋?yàn)r青鋪裝層以下水泥混凝土結(jié)構(gòu)除原設(shè)置的施工縫以外，無其他結(jié)構(gòu)裂縫。

為進(jìn)一步查明裂縫產(chǎn)生的原因，對該橋墩頂處的上部結(jié)構(gòu)箱梁底板、腹板和翼緣板外觀情況也進(jìn)行了詳細(xì)檢查，均未發(fā)現(xiàn)裂縫。

3.1.2 病害成因分析。通過現(xiàn)場調(diào)查，分析瀝青鋪裝層在墩頂處開裂的原因主要有以下幾點(diǎn)：第一，根據(jù)裂縫的方向（橫橋向）、開裂位置（墩頂處）以及箱梁墩頂部位的檢測情況，結(jié)合連續(xù)梁橋的受力特點(diǎn)，分析該橋?yàn)r青鋪裝層開裂的主要原因在于墩頂附近的橋面鋪裝層受箱梁墩頂負(fù)彎矩的影響，承擔(dān)因活載引起的部分負(fù)彎距，導(dǎo)致墩頂處橋面瀝青鋪裝層出現(xiàn)較大的縱向拉應(yīng)力，當(dāng)這個(gè)拉應(yīng)力超過瀝青混凝土的抗拉極限值時(shí)，就會出現(xiàn)開裂。第二，該橋后期在原水泥混凝土鋪裝層上加鋪了一層8cm 厚的瀝青混凝土，瀝青鋪裝層開裂區(qū)域正好處于原水泥混凝土鋪裝層施工縫位置，此處受溫度影響熱脹冷縮變形較大，加劇了橋面瀝青鋪裝層的開裂程度。第三，橋面改造時(shí)在施工瀝青混凝土鋪裝層過程中，未對原結(jié)構(gòu)水泥混凝土表面進(jìn)行鑿毛處理，導(dǎo)致瀝青與混凝土的接觸面之間抗剪能力較差，兩種材料溫縮變形相差較大，容易在橋面瀝青鋪裝層中產(chǎn)生反射裂縫。第四，橋面瀝青鋪裝病害多產(chǎn)生于夏季，由于瀝青高溫變軟，抗拉變形能力降低，車輪荷載反復(fù)作用下容易出現(xiàn)開裂。

3.1.3 病害防治建議。第一，對墩頂附近橋面瀝青混凝土鋪裝層開裂部位進(jìn)行切割剔除（適當(dāng)擴(kuò)大防范），清理殘?jiān)?，采用與原瀝青鋪裝層各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)基本相同的材料進(jìn)行修補(bǔ)。修補(bǔ)后，修補(bǔ)位置應(yīng)適當(dāng)高于周圍橋面，以防止修補(bǔ)處瀝青混凝土后期壓縮變形導(dǎo)致凹陷。第二，橋面鋪裝和普通路面鋪裝相比溫度變化更為復(fù)雜，當(dāng)瀝青鋪裝層的抗裂性比較差的時(shí)候容易產(chǎn)生裂縫。因此，建議選用抗裂性能較好的鋪筑材料，并注意控制好瀝青混合料的鋪筑溫度，不宜在氣溫過高或過低時(shí)鋪筑。第三，為了增強(qiáng)瀝青混凝土的粘附力，可采用摻入聚丙烯腈纖維的瀝青混合料進(jìn)行修補(bǔ)處理，起到加強(qiáng)筋的作用。

3.2 曲線橋橋面瀝青混凝土裂縫、車轍

對于曲線半徑較小的曲線橋，經(jīng)常在進(jìn)橋位置的外側(cè)車道出現(xiàn)橋面瀝青混凝土龜裂、推移、擁包等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響橋面行車舒適性。

案例2：某三跨連續(xù)梁橋，橋梁建成使用6 年，在第1跨和第2 跨靠近1#墩頂位置位置橋面開始出現(xiàn)龜裂、車轍現(xiàn)象，久而久之形成大面積推移、擁包（病害位置如圖4 和圖5 所示，病害具體情況如圖6 和圖7 所示）。

圖4 曲線橋橋面鋪裝常見病害位置立面示意圖

圖5 曲線橋橋面鋪裝常見病害位置平面示意圖

圖6 曲線橋橋面鋪裝龜裂現(xiàn)象

圖7 曲線橋橋面鋪裝車轍現(xiàn)象

3.2.1 病害情況調(diào)查。通過查閱設(shè)計(jì)資料，發(fā)現(xiàn)該橋剛好位于圓曲線上，曲線半徑R=148m，橋梁縱坡為0.3%，設(shè)計(jì)速度60km/h。根據(jù)現(xiàn)場查勘，橋梁上部結(jié)構(gòu)整體完好，箱梁無傾斜、扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，支座無損壞，橋墩及基礎(chǔ)無沉陷，僅在橋面存在推移、擁包、車轍現(xiàn)象，且病害位置位于轉(zhuǎn)彎處（進(jìn)彎左轉(zhuǎn)位置）外側(cè)車道（重車行駛車道）。剔除開裂和推移、擁包的橋面鋪裝層，檢查箱梁頂板混凝土結(jié)構(gòu)，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。推斷該橋面病害僅為鋪裝層破壞，不影響橋梁主體結(jié)構(gòu)安全。

3.2.2 病害成因分析。該橋處于下坡路段的彎道上，重車下坡時(shí)速度較快，以較快速度左轉(zhuǎn)彎時(shí)，駕駛者勢必有剎車行為，汽車產(chǎn)生較大的剎車制動力，通過輪胎傳遞給橋面，導(dǎo)致橋面鋪裝結(jié)合層之間剪應(yīng)力超標(biāo)而形成推移破壞。并且該橋平曲線半徑接近規(guī)范規(guī)定的極限值，一般情況下，重車靠右行駛，進(jìn)入彎道后汽車離心力較大，汽車輪胎與瀝青混凝土鋪裝層之間產(chǎn)生較大的摩擦力來克服這個(gè)離心力，使汽車不致側(cè)向滑移或側(cè)翻。但是力的作用是相互的，同樣橋面瀝青鋪裝層也承受了較大的摩擦反力，會對瀝青鋪裝向外擠壓。由于進(jìn)彎后左轉(zhuǎn)，剎車制動力及轉(zhuǎn)彎離心力共同擠壓作用是導(dǎo)致了橋面龜裂、車轍及推移、擁包現(xiàn)象的主要原因。加之在7、8 月份氣溫較高，瀝青變軟，重車作用下很容易產(chǎn)生車轍和擁包。

3.2.3 病害防治建議。第一，優(yōu)化設(shè)計(jì)，在下坡路段盡量增大橋梁的平曲線半徑，減小汽車行駛的離心力。第二，彎道上嚴(yán)格限速行駛，速度越慢，離心力越小，既能減小車輛對橋面鋪裝的擠壓作用，也能保證行車安全。第三，橋面瀝青混凝土鋪裝材料應(yīng)具有較強(qiáng)的抗拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，并且具有良好的溫度穩(wěn)定性。

3.3 坡橋坡腳處瀝青混凝土坑洞、水損壞

瀝青混凝土的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是耐水性差，易發(fā)生水損壞。在排水良好的路段，瀝青混凝土是良好的橋面鋪裝材料。但是在排水不良的路段，尤其是縱坡較大的橋梁坡腳處，橋面很容易出現(xiàn)積水，導(dǎo)致橋面鋪裝骨料離散，形成坑洞。

案例3：某多跨連續(xù)梁橋，建成于2012 年，使用過程中發(fā)現(xiàn)第2 跨和第3 跨出現(xiàn)不同程度的瀝青混凝土破損現(xiàn)象，后逐步發(fā)展成坑洞、坑槽等病害，且坑內(nèi)長期積水。橋梁養(yǎng)護(hù)部門曾多次對病害部位進(jìn)行修補(bǔ)處理，但效果不好，短時(shí)間內(nèi)修補(bǔ)部位又出現(xiàn)類似問題（病害位置如圖8 和圖9所示，病害具體情況如圖10 和圖11 所示）。

圖8 坡橋橋面鋪裝常見病害位置立面示意圖

圖9 坡橋橋面鋪裝常見病害位置平面示意圖

圖10 坡橋橋面鋪裝坑槽

圖11 坡橋橋面鋪裝坑洞

3.3.1 病害情況調(diào)查。通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，橋面破損、坑洞、坑槽病害主要集中在第一聯(lián)第2、3 跨，正好處于上坡路段坡腳位置，此處橋面縱坡從0.3%漸變?yōu)?%。病害呈分散型分布，坑洞、坑槽形狀、大小不一，大多出現(xiàn)瀝青鋪裝層離散、碎邊、積水現(xiàn)象。該橋面病害多次修補(bǔ)后仍不能徹底根除此類病害，而且二次病害多發(fā)生于原修補(bǔ)位置。

3.3.2 病害成因分析。從受力的角度分析，病害發(fā)位置剛好位于斜坡的變坡點(diǎn)附近，汽車上坡時(shí)車輪作用力P 在垂直于橋面（x 方向）和平行于橋面（y 方向）兩個(gè)方向都有分量，分別為Px和Py（如圖12 所示）。其中垂直于橋面的分力Py會使修補(bǔ)的瀝青混凝土擠壓密實(shí)，在橋面形成凹陷。平行于橋面方向的分力Px 則會使修補(bǔ)的瀝青混凝土沿斜坡向下形成推移、擁包。當(dāng)平行于橋面方向的分力Px與車輪對橋面的摩擦力f 的合力Fx 大于瀝青混凝土的粘附力時(shí)，就會在修補(bǔ)位置界面處產(chǎn)生裂縫。

圖12 連續(xù)梁墩頂位置橋面鋪裝開裂

根據(jù)以下三角函數(shù)關(guān)系，在一定范圍內(nèi)，坡度越大，越容易產(chǎn)生裂縫。

Px=P*tan（i%）（1）

Fx=Px+f（2）

從橋面病害所處環(huán)境位置來看，該橋面病害正好處于上坡路段的坡腳，坡度從0.3%的緩坡過渡為5%的陡坡，如果橋面橫向排水不暢（泄水孔堵塞），雨雪天氣很容易造成此處橋面積水。由于瀝青混凝土的耐水性差，雨水長期浸泡會使得瀝青與石料間的粘附強(qiáng)度降低[9]，骨料崩解，最后出現(xiàn)離析、坑洞、坑槽等橋面損壞現(xiàn)象。如果排水問題得不到有效解決，那么即使對病害位置進(jìn)行修補(bǔ)，短期內(nèi)又會出現(xiàn)類似問題，可能造成不良社會影響。

3.3.3 病害防治建議。針對此類橋面病害，要從根本上解決病害問題，首先，要保證橋面排水暢通，避免在坡腳形成積水。橋梁方案設(shè)計(jì)時(shí)需要注意橋面縱坡的變化，避免坡腳坡度過緩，坡頂坡度過大，可將緩坡延伸至道路排水良好的路基部分。橋面橫坡也要注意橫向排水，養(yǎng)護(hù)單位要定期對泄水孔進(jìn)行檢查，防止堵塞。其次，一旦橋面發(fā)現(xiàn)破損、坑洞病害，及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)處理，防止病害范圍擴(kuò)大。當(dāng)病害面積較大，病害位置分散時(shí)，建議采用橋面整鋪的方式進(jìn)行修補(bǔ)，避免修補(bǔ)位置發(fā)生二次病害。最后，坡橋橋面瀝青混凝土鋪裝施工時(shí)必須保證足夠的壓實(shí)度，盡量選擇耐水性更好的瀝青材料。

4 結(jié)論

瀝青混凝土橋面鋪裝病害產(chǎn)生的原因很多，而且大多是幾種原因綜合作用的結(jié)果。針對這些病害，應(yīng)該從結(jié)構(gòu)受力、材料特性[10]以及橋梁所處環(huán)境等多方面因素進(jìn)行全面分析，力求找準(zhǔn)病害成因，這樣才好采取正確的處治措施，避免盲目修補(bǔ)后很快又出現(xiàn)類似的問題，造成不良社會影響。