橋面鋪裝病害及結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

劉鐵軍

（鄭州第二市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450052）

橋面鋪裝病害主要有坑槽、車轍、滑移和水損壞，其中滑移和水損壞與粘結(jié)層有著非常重要的關(guān)系，只有優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加上優(yōu)質(zhì)的材料才能保證橋面鋪裝的正常使用。

1 橋面鋪裝主要病害及成因

橋面鋪裝損壞情況隨著重載車輛的增加越來越嚴(yán)重，有的橋梁在建成通車后不久即出現(xiàn)裂縫、擁抱，車轍、脫落等現(xiàn)象。

1.1 鋪裝層設(shè)計(jì)缺乏理論支持

我國現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范沒有關(guān)于橋面鋪裝的設(shè)計(jì)理論.只是對鋪裝類型和厚度提出了推薦值，缺乏具體的設(shè)計(jì)思想。設(shè)計(jì)者在進(jìn)行橋面鋪裝體系設(shè)計(jì)時，通常會參考規(guī)范要求，以自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)提出一個橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，進(jìn)行相關(guān)檢測試驗(yàn)。但是這樣的設(shè)計(jì)思想人為因素比較大，缺乏理論支持。

1.2 橋面鋪裝層的厚度不合適

早期的鋪裝層厚度大多小于8cm，如京珠高速安新段橋面鋪裝層厚度僅為6cm，過薄的厚度消弱了橋面鋪裝層的剛度和承載能力，過厚則鋪裝層剛度大.變形協(xié)調(diào)能力差。

1.3 重載車輛的作用

在我國超載現(xiàn)象比較普遍，對橋面鋪裝的損害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)軸載車輛對鋪裝層的損害，長大縱坡路段更是如此。通過計(jì)算，在水平路段、標(biāo)準(zhǔn)軸載下、0.3的水平力摩擦系數(shù)時和5。縱坡、l 3MPa、有加速度存在的情況下，后者的路面結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力是前者的3倍，水平剪應(yīng)力是前者的4倍。

1.4 粘結(jié)能力不足

鋪裝層和橋面板之間粘結(jié)強(qiáng)度不足會導(dǎo)致鋪裝體系變成兩層皮，橋梁的整體性遭到破壞.在重載車輛的作用下會發(fā)生滑移破壞。有的粘結(jié)層材料在常溫下具有較強(qiáng)的粘結(jié)能力，高溫時粘結(jié)力急劇降低，不僅失去了粘結(jié)能力反而起潤滑作用，更是加劇了橋面鋪裝的過早損壞。

1.5 水損壞

橋面鋪裝滲下的水分會溶解水泥水化產(chǎn)物中的可溶物質(zhì)，在橋面板表面形成空洞，破壞橋面板結(jié)構(gòu)：含有可溶鹽的水分又會進(jìn)一步溶蝕鋼筋，在鋪裝和橋面板之間形成隔離層，減弱了結(jié)構(gòu)的整體性，影響了橋面鋪裝的正常使用。

2 橋面鋪裝力學(xué)分析

2.1 橋面鋪裝力學(xué)分析模型

目前對混凝土橋面鋪裝體系的研究較少實(shí)際工作中基本是依照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，還沒有形成統(tǒng)一設(shè)計(jì)方法。力學(xué)模型主要有以下三種：

2.1.1 由于梁體模量是鋪裝模量的數(shù)十倍.梁體變形相對于鋪裝層小.仿照路面彈性層狀體系理論將橋面鋪裝體系簡化為彈性層狀體系，進(jìn)行彈性半空間狀態(tài)下的彈性層狀體系力學(xué)分析.利用路面結(jié)構(gòu)力學(xué)模型對橋面鋪裝體系進(jìn)行力學(xué)分析。理論簡單.應(yīng)用成熟，雖然橋面鋪裝與路面結(jié)構(gòu)不同，但是在中小跨徑下的混凝土橋，粱體變行不是很大的情況下彈性層狀體系還是適用的。對于剛橋面和大跨徑橋梁，彈性層狀體系不適用。

2.1.2 簡化整個橋梁上部結(jié)構(gòu)為一塊縱向的板體結(jié)構(gòu)，又將縱向扳分為兩層，一層為橋面鋪裝，另一層為主粱、橋面板簡化的主板，整個結(jié)構(gòu)為疊合板體。主板假設(shè)為正交各向異性小撓度彈性薄板，鋪裝層屬于各向同性大撓度薄板.進(jìn)行以粱板體最大彎矩為基礎(chǔ)，以橋面鋪裝開裂和剝離為控制指標(biāo)的水泥混凝土橋面鋪裝設(shè)計(jì)。

2.1.3 使用三維有限元模型進(jìn)行橋梁鋪裝體系粘結(jié)層位置的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算相比彈性理論具有模型更加接近實(shí)際、精度更高的優(yōu)點(diǎn)，但是模型設(shè)置復(fù)雜.計(jì)算難度太，參數(shù)設(shè)置多。現(xiàn)今國內(nèi)對于水泥混凝土橋橋面鋪裝進(jìn)行有限元模型計(jì)算的實(shí)例不多，現(xiàn)有的研究大多只運(yùn)用二維或者局部三維的結(jié)構(gòu)模型。

華南理工徐偉等應(yīng)用ANSYS力學(xué)分析軟件通過對廣東崖門大橋進(jìn)行局部力學(xué)分析得出水平作用力對鋪裝層地面的應(yīng)變影響顯著；粘結(jié)層層間結(jié)合狀態(tài)不同，鋪裝層底面應(yīng)力應(yīng)變差異巨大，滑動體系鋪裝層底部應(yīng)力應(yīng)變是連續(xù)體系的l0倍左右；大跨徑混凝土橋梁整體變形不會造成瀝青橋面鋪裝強(qiáng)度或疲勞破壞；大跨徑混凝土箱粱橋面對鋪裝層瀝肯混凝土性能要求與普通路面基本相同，局部變形應(yīng)變水平也不會引起瀝青混凝上強(qiáng)度或疲勞破壞；粘結(jié)層結(jié)構(gòu)是影響整個鋪裝層體系性能的關(guān)鍵因素之一。三種主要的力學(xué)分析方法各有利弊，但分析結(jié)果大致相同，本研究采用彈力層狀體系理論分析橋面板受力狀況。假設(shè)橋面板材料為各向同性彈性體，鋪裝層與橋面板之間完全連續(xù)。

2.2 設(shè)計(jì)車輛軸載的選取

我國經(jīng)濟(jì)的高速前進(jìn)帶動了物流事業(yè)的蓬勃發(fā)展，大噸位卡車、集裝箱車的數(shù)量在很短時間里上升到30萬輛。但從總的貨車結(jié)構(gòu)看，大型運(yùn)輸貨車只占到我國貨車總數(shù)量的5%，我國貨車的大型化趨勢明顯，必將成為今后貨運(yùn)汽車的主要組成形式。我國的貨車運(yùn)輸普遍存在超載現(xiàn)象，額定載重l0噸的貨車經(jīng)常拉15噸甚至20、25噸。因此，還使用標(biāo)準(zhǔn)軸載進(jìn)行像連霍高速這樣的主交通線鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)略顯不足。研究一條國主交通線的貨車資料，所有滿載卡車輪胎充氣壓強(qiáng)均>0.7MPa，86%滿載卡車輪胎內(nèi)壓強(qiáng)>1.0MPa，有的甚至高達(dá)1.46MPa：滿載卡車輪胎接地壓強(qiáng)>0.7MPa占94.6%，輪胎接地壓強(qiáng)>1.0MPa的占61%，最高者達(dá)到1.42MPa。選取這條主要交通線交通調(diào)查中的兩輛代表性載重貨車資料，A型汽車軸載為比較普通的四軸載重卡車，B型汽車軸載為具有代表性的重載五軸載重卡車。

2.3 BZZ-100標(biāo)準(zhǔn)軸載下橋面鋪裝粘結(jié)層位置應(yīng)力應(yīng)變分析

假設(shè)橋面鋪裝層為均勻彈性連續(xù)體系，粘結(jié)層與橋面板完全連接，橋面鋪裝為AC+SMA=3cm+4cm結(jié)構(gòu)，進(jìn)行在標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100荷載下、l5℃時輪胎接地而積處不同位置的應(yīng)力應(yīng)變。計(jì)算采用BISAR3.0瀝青路面應(yīng)力計(jì)算軟件。路面滾動摩擦系數(shù)取0.3，正常行車：0.8，長大縱坡橋面鋪裝大構(gòu)造深度情況下急剎車。由于防水層厚度很小，計(jì)算中暫不考慮。

2.4 防水粘結(jié)層厚度對粘結(jié)層位置應(yīng)力應(yīng)變影響分析

架設(shè)橋面鋪裝為3cm+4cm結(jié)構(gòu)，防水粘結(jié)層在 50℃時模量為 200Mpa，15℃時模量為300Mpa，-5℃時模量為 500Mpa，進(jìn)行 0.5mm、1mm、2mm粘結(jié)層厚度標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下 輪胎1/2位置處防水粘結(jié)層位置的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變計(jì)算。

2.5 防水粘結(jié)層位置應(yīng)力及應(yīng)變分析

在一般坡度或者小坡度情況下，粘結(jié)層位置的剪應(yīng)力小于0.2Mpa,規(guī)范推薦值不小于0.4Mpa完全可以滿足抗剪要求；長大縱坡條件下或者急剎車情況下粘結(jié)層位置的剪應(yīng)力最大會達(dá)到0.5Mpa,大于規(guī)范推薦值的0.4Mpa。但是，如果增加橋面鋪裝厚度（4cm+5cm）,粘結(jié)層位置的剪應(yīng)力會降低很多。比較經(jīng)濟(jì)性和材料特性，建議橋面鋪裝采用AC+SMA混合料形式，鋪裝厚度在9cm以上。雖然超重車不是道路交通組成的主力車型，并且在大縱坡上超重車輛一般不會以比較高的速度行駛?cè)缓笤偌眲x車，基本會是采取部分制動使汽車以比較慢的速度行駛（這樣橫向力系數(shù)也會變小）。但是考慮到抗剪切儲備和環(huán)境、施工因素，建議特殊地區(qū)長大縱坡橋面鋪裝采取單獨(dú)設(shè)計(jì)，粘結(jié)層材料的抗剪切能力相比較一般橋面鋪裝應(yīng)適當(dāng)提高。

3 結(jié)語

綜上所述，造成橋面鋪裝早期破壞的的主要原因是水和重載的作用，因此在橋面鋪裝的過程中，要對橋面排水系統(tǒng)以及控制車輛超載現(xiàn)象加大防范力度。

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