水泥混凝土橋面鋪裝層厚度的估算

劉 銳 王武剛

1 概述

橋面鋪裝的壽命是近年來工程界關(guān)注的焦點(diǎn),許多新建橋面的嚴(yán)重破壞造成了重大經(jīng)濟(jì)損失,這是研究者面臨的重要的課題。分析橋面鋪裝層的受力狀態(tài)及其與橋梁結(jié)構(gòu)主體受力之間的相互關(guān)系,以便為橋面鋪裝層的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù),這顯然是非常重要的。本文將重點(diǎn)討論水泥混凝土橋面鋪裝層的破壞機(jī)理進(jìn)而確定鋪裝層厚度的簡(jiǎn)化方法。

2 橋面鋪裝層損壞的形式

根據(jù)對(duì)現(xiàn)有橋梁的調(diào)查,橋面鋪裝層破損形式通常有:裂縫、坑槽、塌陷、鼓包。

3 橋面鋪裝層破壞機(jī)理和形式

在溫度變化或外界荷載作用下,橋面鋪裝層表面出現(xiàn)負(fù)彎矩,進(jìn)而引起鋪裝層上緣的拉應(yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力超出材料的抗拉極限便產(chǎn)生開裂。表現(xiàn)為水泥混凝土鋪裝層沿縱向(多數(shù))或橫向(少數(shù))的裂縫。車輛輪載和水的滲入等因素的影響還會(huì)使裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展,這種屬于撓曲破壞。此外還有剪切破壞和局部沖壓破壞,剪切破壞會(huì)引起鋪裝層的空鼓及脫離,沖壓破壞會(huì)導(dǎo)致在鋪裝層薄弱區(qū)域出現(xiàn)局部碎裂或網(wǎng)狀裂縫。

實(shí)際調(diào)查資料表明橋面鋪裝損壞的最主要表現(xiàn)形式是裂縫,所以下面我們以裂縫破壞作為主要討論對(duì)象。

4 裂縫破壞的力學(xué)性能分析

4.1 橋面鋪裝層縱向裂縫

行車道板支撐于主梁肋之上,從彈性力學(xué)原理可知,當(dāng)荷載作用于板塊中時(shí),便會(huì)引起板肋交接部位附近產(chǎn)生負(fù)彎矩,而當(dāng)負(fù)彎矩區(qū)域內(nèi)橋面鋪裝層的拉應(yīng)力超過其材料的抗拉強(qiáng)度時(shí),縱向裂縫就會(huì)產(chǎn)生。溫度變化和箱形截面的畸變也有可能導(dǎo)致鋪裝層出現(xiàn)縱向裂縫。

4.2 橋面鋪裝層橫向裂縫

眾所周知連續(xù)梁橋、剛構(gòu)橋等在荷載和其他影響力的作用下,往往會(huì)在梁跨支點(diǎn)附近產(chǎn)生負(fù)彎矩,而此區(qū)間橋面鋪裝處于受拉狀態(tài),一旦鋪裝層的拉應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度,橫向裂縫便會(huì)產(chǎn)生,但有關(guān)資料表明橫向開裂的現(xiàn)象很少,因而橫向裂縫將不作為本文的討論重點(diǎn)。

本文先就荷載作用產(chǎn)生的縱向開裂問題做進(jìn)一步的探討,建立關(guān)于橋面鋪裝層及行車道板內(nèi)力計(jì)算的簡(jiǎn)化模型,且通過計(jì)算分析提出橋面鋪裝層的推薦厚度。

5 關(guān)于計(jì)算模型的基本假定

1)橋面鋪裝與行車道板為雙層單向受力剛性板;

2)該雙層單向板各向同性,并不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng);

3)橋面鋪裝與行車道板共同承擔(dān)車輪荷載的作用;

4)橋面鋪裝層上面的縱向裂縫僅由車輪荷載引起;

5)板的內(nèi)力計(jì)算采用兩種簡(jiǎn)化模型(見圖1a),圖1b)),即:a.連續(xù)彈性簡(jiǎn)支單向板;b.鉸接懸臂簡(jiǎn)支單向板;

6)彎曲抗拉強(qiáng)度取材料的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度;

7)在正常使用階段,材料處于彈性狀態(tài),兩層材料取相同的彈性模量。

6 內(nèi)力計(jì)算方法

6.1 第一種計(jì)算圖式

裝配式鋼筋混凝土T形梁橋行車道板與鋪裝層內(nèi)力計(jì)算圖式取用“鉸接懸臂板”。

1)當(dāng)a＜d時(shí),輪載的有效分布寬度無重疊(見圖2a))。

單輪荷載的有效分布寬度:a=a1+l0=a2+2h+l0,此時(shí)單位板寬的最大負(fù)彎矩為:

2)當(dāng) a≥d時(shí),輪載的有效分布寬度有重疊(見圖2b))。

此時(shí)輪載的有效分布寬度應(yīng)為:a′=a1+d+l0=a2+2h+d+l0,b1=b2+2h。

相應(yīng)單位板寬的最大負(fù)彎矩為:

6.2 第二種計(jì)算圖式

預(yù)應(yīng)力箱形梁橋行車道板與鋪裝層內(nèi)力計(jì)算圖式采用“彈性連續(xù)支撐單向板”。

1)當(dāng) a＜d時(shí),輪載的有效分布寬度無重疊(見圖3a))。單輪荷載的有效分布寬度且應(yīng)大于因 a2=0.2,h暫按不超過0.2 m計(jì),l0=1.8 m～3 m,故取

此時(shí)單位板寬的跨中彎矩為:

2)當(dāng) a≥d時(shí),輪載的有效分布寬度有重疊(見圖3b))。

支撐處單位板寬的負(fù)彎矩為:

7 橋面鋪裝層厚度的估算公式

假設(shè)行車道板的平均厚度為t,鋪裝層厚度為h,根據(jù)上文關(guān)于計(jì)算模型的基本假定,且因?yàn)樨?fù)彎矩使橋面鋪裝層上緣產(chǎn)生拉應(yīng)力,故可以得到單位寬橋面鋪裝層上緣最大拉應(yīng)力的近似表達(dá)式:

其中,Mq為行車道板與鋪裝層內(nèi)所存在的最大負(fù)彎矩,取絕對(duì)值代入;ftk為橋面鋪裝層材料的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度;t為行車道板的平均厚度。

為了使混凝土鋪裝層不出現(xiàn)開裂應(yīng)滿足條件:σsl≤ftk,由以上公式可以看出Mq值與h大小有關(guān),如直接求解比較繁瑣,在實(shí)際應(yīng)用中可利用現(xiàn)代工具采用試算確定h值。

8 鋪裝層厚度h的估算

橋面鋪裝層混凝土標(biāo)號(hào)常為C35號(hào)、C40號(hào),相應(yīng)抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為 ftk=2.2 MPa,ftk=2.4 MPa,設(shè)計(jì)荷載為:公路—Ⅰ級(jí),相應(yīng)重車最大軸重P=140 kN。求解鋪裝層內(nèi)力時(shí),第一種計(jì)算圖式即“鉸接懸臂板”,計(jì)算跨徑取l0=1.6 m～2.5 m;第二種計(jì)算圖式即“彈性連續(xù)支撐單向板”,計(jì)算跨徑取l0=1.8 m～3.0 m。鋪裝層厚度的估算見表1。

同上道理,變換車道板厚度 t,我們可以估算出相應(yīng)于不同力學(xué)圖式的橋面鋪裝層的厚度范圍。

9 結(jié)語

前面我們已經(jīng)討論了剛性橋面鋪裝層破壞機(jī)理,探討了已知橋面梁截面、荷載情況下橋面鋪裝層內(nèi)力的力學(xué)圖式、計(jì)算公式及確定橋面鋪裝層厚度的簡(jiǎn)化計(jì)算方法,并列表給出了相應(yīng)常見混凝土鋪裝層的厚度范圍。可以看到,表中的計(jì)算結(jié)果基本符合工程實(shí)際應(yīng)用的厚度范圍。值得注意的是本文主要從受力角度探討了確定橋面鋪裝層厚度的方法,而決定此“厚度”的因素還有其他方面,這有待于今后的進(jìn)一步研究。

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