談橋面鋪裝層對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

橋梁工程中每一個組成部分都有其特殊的作用，為了實現橋梁結構的預期功能除了需要橋梁主體外，其附屬結構也是必要的，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構的約束，其主要作用是為行車提供平坦舒適的路面，同時還肩負保護橋梁主體的職責。橋面鋪裝層承受的主要荷載來自于車輪，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用在高等級公路橋梁中。在進行橋梁結構的設計計算時，對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，不參與結構的受力。對主要破壞類型為在荷載作用下鋪裝層與主梁結構粘結失效的柔性路面而言，這種假設是合理的。

剛性鋪裝和組合式鋪裝層主要應用在高等級公路的橋梁中，為了保證鋪裝層與主梁的粘結作用，在橋面上進行鋪裝施工時通常會采取以下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，然后通過焊接將鋼筋網與架立鋼筋連接成為一個整體;

2)雙層鋼筋網一次鋪裝，底層鋼筋網需要與梁板通過焊接進行錨固，同時上、下層鋼筋網也要進行焊接;

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

4)裝配式空心板橋，預制空心板橋的時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性能，這樣的好處是鋪裝層可以與預制空心板共同承受荷載作用。

通過在橋面施工過程中采用新工藝，并將新材料應用到鋪裝層，鋪裝層與行車道板間的結合效果非常好，可以作為一個整體來承受荷載作用，因此，現在以及將來的橋梁結構計算分析應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構。這種組合結構具有“二階段受力”的特征，與傳統的一次受力結構有較大的不同，這種疊合效應應該考慮到橋梁結構的計算分析中。

針對空心板橋的情況，這種橋面鋪裝疊合效應主要表現在兩個方面:

1)通過緊密結合，鋪裝層與橋梁結構形成疊合結構;2)荷載橫向分布受到鋪裝層的影響。本文通過實際管養維護實踐的理論分析，系統地研究和分析了鋪裝層疊合效應對空心板橋受力性能的影響。

1 鋪裝層對空心板受力性能的影響

1.1 開裂荷載、極限承載能力和剛度

預應力空心板的受力性能受橋面鋪裝層影響最直接的是開裂荷載以及極限承載力的提高。實驗研究顯示，采用10 cm厚鋪裝層的應力混凝土空心板的開裂荷載與采用鋼纖維混凝土鋪裝層的空心板的開裂荷載相同，采用這種鋪裝層的預應力空心板與無鋪裝層的預應力混凝土空心板相比，前者的開裂荷載將會提高25.5%。在結構達到破壞狀態時，有鋪裝層的預應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略高于后者的極限承載能力。研究分析表明，出現這種情況的主要原因是鋼纖維混凝土鋪裝層的抗壓強度比混凝土的抗壓強度低，這也表明受壓區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，在另一方面來講主梁面積增大，同時截面剛度獲得明顯提高。實驗顯示，預應力混凝土空心板采用鋪裝層時，與普通空心板相比，前者的抗彎剛度是后者的1.78 倍。

1.2 對主梁裂縫和破壞形態的影響

一般而言，對于有鋪裝層空心板，破壞發生時很少會出現鋪裝層與空心板之間粘結失效的情況。這一現象表明，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作用，兩者可以共同承受荷載作用。對于不設鋪裝層的空心板來說，在極限荷載作用下會出現比較細密的裂縫，撓度變形和裂縫寬度都很小，橋梁結構出現的破壞為突然破壞，與結構超筋破壞的特征相似。設置鋪裝層的空心板，與不設鋪裝層的空心板相比，在結構發生破壞時無論是裂縫的寬度還是結構的撓曲變形都是比較大的，由此可見前者的延性特征將會優于后者。采用不同鋪裝層材料的結構，在達到極限狀態時，其破壞形態的本質并沒有區別，不同之處主要體現在混凝土出現受壓破壞時其破壞形態不同，采用鋼纖維混凝土鋪裝層的結構受壓破壞時不會出現大片混凝土的剝離現象，雖然會出現破碎現象但是不會散掉。主要是因為鋼纖維的阻裂作用阻止了混凝土壓隙裂縫的發展。

2 鋪裝層的參數對結構荷載橫向分布的影響

在對有鋪裝層的空心板進行計算時考慮疊合效應，荷載橫向分布計算的力法方程與鉸接板法的力法方程相似，但是這樣會引進過多的未知量，出現的直接后果就是計算量過大，同時，由于現在還沒有編制好的表格供計算時查詢，應用到實際工程中將會十分的不利。

1)實驗結果表明，是否采用鋪裝層將會導致結構破壞的不同，不采用鋪裝層的空心板和采用鋪裝層的空心板在破壞時都表現出截面受壓區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為空心板的受壓區，后者為鋪裝層混凝土。有鋪裝層預應力空心板的延性要優于無鋪裝層空心板。

2)考慮有鋪裝層空心板的疊合效應，截面高度增加，計算截面彎矩時力臂增大，抗彎承載能力得到提高，同時截面的抗彎慣性矩也會增大，提高開裂荷載。當采用10 cm的混凝土鋪裝層的時候預應力混凝土空心板的極限荷載和開裂荷載將會同時得到提高，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整體共同承受荷載作用時，預應力混凝土空心板為二次受力組合結構，與同樣截面的一次受力預應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。實驗表明，考慮疊合效應按照現行規范中疊合梁的規定進行空心板正截面承載能力計算、截面抗裂以及變形驗算，計算結果偏安全，而且與實驗結果比較接近。

4)利用有限元軟件對預應力混凝土空心板橋進行整橋分析時，計算結果顯示考慮鋪裝層疊合效應的計算結果最接近靜載實驗的結果，這也說明整橋受力分析應該考慮鋪裝層的疊合效應。

5)理論計算時若忽略橋面鋪裝層疊合效應，校驗系數將明顯減小，評定承載能力時將會出現較大誤差，所以靜載試驗時應該考慮鋪裝層的疊合效應。

6)鋪裝層的疊合效應受其參數的影響較大，這些參數有材料、鋪裝層厚度等。材料一定時，鋪裝層厚度對板底應力、板底撓度均有影響;厚度一定時，鋪裝材料為鋼筋混凝土或鋼纖維混凝土時結構的受力性能更好。

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

3 結語

高等級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，路面鋪裝對主梁的受力行為有相當程度的影響。鋪裝層能顯著地提高空心板的開裂荷載以及極限承載力;鋪裝層也會對主梁裂縫和破壞形態產生明顯的影響。更為重要的是，鋪裝層影響了裝配式主梁的橫向分布規律，從而對橋梁整體產生了影響。橋梁日常管養和維修決策，應該加強對橋面鋪裝層進行檢測和監測。

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