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注的焦點,許多新建橋面的嚴重破壞造成了重大經濟損失,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及其與橋梁結構主體受力之間的相互關系,以便為橋面鋪裝層的設計提供理論依據,這顯然是非常重要的。本文將重點討論水泥混凝土橋面鋪裝層的破壞機理進而確定鋪裝層厚度的簡化方法。

2 橋面鋪裝層損壞的形式

根據對現有橋梁的調查,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負彎矩,進而引起鋪裝層上緣的拉應力,當拉應力超出材料的抗拉極限便產生開裂。表現為水泥混凝土鋪裝層沿縱向(多數)或橫向(少數)的裂縫。車輛輪載和水的滲入等因素的影響還會使裂縫進一步擴展,這種屬于撓曲破壞。此外還有剪切破壞和局部沖壓破壞,剪切破壞會引起鋪裝層的空鼓及脫離,沖壓破壞會導致在鋪裝層薄弱區域出現局部碎裂或網狀裂縫。

實際調查資料表明橋面鋪裝損壞的最主要表現形式是裂縫,所以下面我們以裂縫破壞作為主要討論對象。

4 裂縫破壞的力學性能分析

4.1 橋面鋪裝層縱向裂縫

行車道板支撐于主梁肋之上,從彈性力學原理可知,當荷載作用于板塊中時,便會引起板肋交接部位附近產生負彎矩,而當負彎矩區域內橋面鋪裝層的拉應力超過其材料的抗拉強度時,縱向裂縫就會產生。溫度變化和箱形截面的畸變也有可能導致鋪裝層出現縱向裂縫。

4.2 橋面鋪裝層橫向裂縫

眾所周知連續梁橋、剛構橋等在荷載和其他影響力的作用下,往往會在梁跨支點附近產生負彎矩,而此區間橋面鋪裝處于受拉狀態,一旦鋪裝層的拉應力超過材料的抗拉強度,橫向裂縫便會產生,但有關資料表明橫向開裂的現象很少,因而橫向裂縫將不作為本文的討論重點。

本文先就荷載作用產生的縱向開裂問題做進一步的探討,建立關于橋面鋪裝層及行車道板內力計算的簡化模型,且通過計算分析提出橋面鋪裝層的推薦厚度。

5 關于計算模型的基本假定

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,并不產生相對滑動;

3)橋面鋪裝與行車道板共同承擔車輪荷載的作用;

4)橋面鋪裝層上面的縱向裂縫僅由車輪荷載引起;

5)板的內力計算采用兩種簡化模型(見圖1a),圖1b)),即:a.連續彈性簡支單向板;b.鉸接懸臂簡支單向板;

6)彎曲抗拉強度取材料的標準抗拉強度;

7)在正常使用階段,材料處于彈性狀態,兩層材料取相同的彈性模量。

6 內力計算方法

6.1 第一種計算圖式

裝配式鋼筋混凝土T形梁橋行車道板與鋪裝層內力計算圖式取用“鉸接懸臂板”。

1)當a＜d時,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,此時單位板寬的最大負彎矩為:

2)當 a≥d時,輪載的有效分布寬度有重疊(見圖2b))。

此時輪載的有效分布寬度應為:a′=a1+d+l0=a2+2h+d+l0,b1=b2+2h。

相應單位板寬的最大負彎矩為:

6.2 第二種計算圖式

預應力箱形梁橋行車道板與鋪裝層內力計算圖式采用“彈性連續支撐單向板”。

1)當 a＜d時,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大于因 a2=0.2,h暫按不超過0.2 m計,l0=1.8 m～3 m,故取

此時單位板寬的跨中彎矩為:

2)當 a≥d時,輪載的有效分布寬度有重疊(見圖3b))。

支撐處單位板寬的負彎矩為:

7 橋面鋪裝層厚度的估算公式

假設行車道板的平均厚度為t,鋪裝層厚度為h,根據上文關于計算模型的基本假定,且因為負彎矩使橋面鋪裝層上緣產生拉應力,故可以得到單位寬橋面鋪裝層上緣最大拉應力的近似表達式:

其中,Mq為行車道板與鋪裝層內所存在的最大負彎矩,取絕對值代入;ftk為橋面鋪裝層材料的標準抗拉強度;t為行車道板的平均厚度。

為了使混凝土鋪裝層不出現開裂應滿足條件:σsl≤ftk,由以上公式可以看出Mq值與h大小有關,如直接求解比較繁瑣,在實際應用中可利用現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號常為C35號、C40號,相應抗拉強度標準值為 ftk=2.2 MPa,ftk=2.4 MPa,設計荷載為:公路—Ⅰ級,相應重車最大軸重P=140 kN。求解鋪裝層內力時,第一種計算圖式即“鉸接懸臂板”,計算跨徑取l0=1.6 m～2.5 m;第二種計算圖式即“彈性連續支撐單向板”,計算跨徑取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于不同力學圖式的橋面鋪裝層的厚度范圍。

9 結語

前面我們已經討論了剛性橋面鋪裝層破壞機理,探討了已知橋面梁截面、荷載情況下橋面鋪裝層內力的力學圖式、計算公式及確定橋面鋪裝層厚度的簡化計算方法,并列表給出了相應常見混凝土鋪裝層的厚度范圍。可以看到,表中的計算結果基本符合工程實際應用的厚度范圍。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,這有待于今后的進一步研究。

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