城市橋梁橋面鋪裝層典型病害分析

李凡

（貴州大學土木工程學院，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，橋梁成為城市路網交通的的重要組成部分，在整個市政道路運輸系統中發揮著重要作用。現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、不揚塵易清洗等優點，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：（1）溫度穩定性差，夏季高溫容易軟化，導致承載力降低，冬天低溫塑性變差，容易硬脆[4]。（2）瀝青屬于有機材料，易老化，耐久性不足。根據設計規范要求，城市橋梁主體結構的設計使用年限大橋和特大橋不應低于100 年，中橋不應低于50 年，但是瀝青路面的設計使用年限僅有8～15 年。（3）瀝青材料雖然水密性好，但瀝青混合料內部的孔隙率大，耐水性差，易產生水損壞[5]。

2 橋面鋪裝常見病害

在自然環境和車輛荷載反復作用下，橋面瀝青混凝土鋪裝層經常出現車轍、開裂、坑洼、鼓包等現象，這些病害雖然不會影響橋梁主體結構安全，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。在交通荷載的反復作用下，塑形變形逐漸累積[6]，容易出現車轍。由于瀝青混凝土鋪裝的層底拉應力超過材料的疲勞極限，容易產生疲勞裂縫，導致橋面出現龜裂、網裂[7]。由于橋梁上部結構梁體水泥混凝土與橋面瀝青混凝土的溫縮變形不同，橋面容易產生反射裂縫。在水平力的影響下，如果瀝青鋪裝層抗剪強度不足，容易形成推移和擁包。當橋面有積水，水分進入瀝青鋪裝層結構中, 不僅會對瀝青與集料的界面有侵蝕作用，也會在路面結構中產生孔隙水壓力及其他附加應力[8]，容易引發橋面瀝青鋪裝水損壞。

3 典型病害分析

3.1 連續梁橋墩頂處瀝青混凝土鋪裝開裂

對于連續梁橋，在中間連續墩墩頂處橋面經常出現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構性裂縫。

案例1：某兩跨連續梁橋，建成于2007 年，原橋面采用水泥混凝土鋪裝，2016 年經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現，該橋橋墩位置橋面瀝青鋪裝層出現橫向裂縫（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 連續梁橋橋面鋪裝常見病害位置立面示意圖

圖2 連續梁橋橋面鋪裝常見病害位置平面示意圖

圖3 連續梁橋墩頂位置橋面鋪裝開裂情況

3.1.1 病害情況調查。通過對墩頂開裂區域瀝青鋪裝層裂縫數量以及裂縫長度、寬度、深度進行檢測，發現該區域內共有3 處較大裂縫以及多條細小裂縫。裂縫總長度205cm，最大裂縫寬度5.4cm，裂縫深度達6.0cm。經過半個月的連續觀測，發現該位置裂縫有不斷發展變寬的趨勢。

為全面了解裂縫的成因，剔除開裂區域內的瀝青混合料鋪裝層以后，對橋梁瀝青鋪裝以下混凝土結構層進行檢查，發現該橋原水泥混凝土鋪裝層在墩頂位置設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。通過詳細檢查，該橋瀝青鋪裝層以下水泥混凝土結構除原設置的施工縫以外，無其他結構裂縫。

為進一步查明裂縫產生的原因，對該橋墩頂處的上部結構箱梁底板、腹板和翼緣板外觀情況也進行了詳細檢查，均未發現裂縫。

3.1.2 病害成因分析。通過現場調查，分析瀝青鋪裝層在墩頂處開裂的原因主要有以下幾點：第一，根據裂縫的方向（橫橋向）、開裂位置（墩頂處）以及箱梁墩頂部位的檢測情況，結合連續梁橋的受力特點，分析該橋瀝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彎矩的影響，承擔因活載引起的部分負彎距，導致墩頂處橋面瀝青鋪裝層出現較大的縱向拉應力，當這個拉應力超過瀝青混凝土的抗拉極限值時，就會出現開裂。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，橋面改造時在施工瀝青混凝土鋪裝層過程中，未對原結構水泥混凝土表面進行鑿毛處理，導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生反射裂縫。第四，橋面瀝青鋪裝病害多產生于夏季，由于瀝青高溫變軟，抗拉變形能力降低，車輪荷載反復作用下容易出現開裂。

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行切割剔除（適當擴大防范），清理殘渣，采用與原瀝青鋪裝層各項技術指標基本相同的材料進行修補。修補后，修補位置應適當高于周圍橋面，以防止修補處瀝青混凝土后期壓縮變形導致凹陷。第二，橋面鋪裝和普通路面鋪裝相比溫度變化更為復雜，當瀝青鋪裝層的抗裂性比較差的時候容易產生裂縫。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鋪筑。第三，為了增強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行修補處理，起到加強筋的作用。

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，經常在進橋位置的外側車道出現橋面瀝青混凝土龜裂、推移、擁包等現象，嚴重影響橋面行車舒適性。

案例2：某三跨連續梁橋，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龜裂、車轍現象，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象

圖7 曲線橋橋面鋪裝車轍現象

3.2.1 病害情況調查。通過查閱設計資料，發現該橋剛好位于圓曲線上，曲線半徑R=148m，橋梁縱坡為0.3%，設計速度60km/h。根據現場查勘，橋梁上部結構整體完好，箱梁無傾斜、扭轉現象，支座無損壞，橋墩及基礎無沉陷，僅在橋面存在推移、擁包、車轍現象，且病害位置位于轉彎處（進彎左轉位置）外側車道（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構，未發現異常現象。推斷該橋面病害僅為鋪裝層破壞，不影響橋梁主體結構安全。

3.2.2 病害成因分析。該橋處于下坡路段的彎道上，重車下坡時速度較快，以較快速度左轉彎時，駕駛者勢必有剎車行為，汽車產生較大的剎車制動力，通過輪胎傳遞給橋面，導致橋面鋪裝結合層之間剪應力超標而形成推移破壞。并且該橋平曲線半徑接近規范規定的極限值，一般情況下，重車靠右行駛，進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生較大的摩擦力來克服這個離心力，使汽車不致側向滑移或側翻。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。由于進彎后左轉，剎車制動力及轉彎離心力共同擠壓作用是導致了橋面龜裂、車轍及推移、擁包現象的主要原因。加之在7、8 月份氣溫較高，瀝青變軟，重車作用下很容易產生車轍和擁包。

3.2.3 病害防治建議。第一，優化設計，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具有較強的抗拉伸強度和剪切強度，并且具有良好的溫度穩定性。

3.3 坡橋坡腳處瀝青混凝土坑洞、水損壞

瀝青混凝土的一個顯著缺點是耐水性差，易發生水損壞。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，橋面很容易出現積水，導致橋面鋪裝骨料離散，形成坑洞。

案例3：某多跨連續梁橋，建成于2012 年，使用過程中發現第2 跨和第3 跨出現不同程度的瀝青混凝土破損現象，后逐步發展成坑洞、坑槽等病害，且坑內長期積水。橋梁養護部門曾多次對病害部位進行修補處理，但效果不好，短時間內修補部位又出現類似問題（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 病害情況調查。通過現場調查發現，橋面破損、坑洞、坑槽病害主要集中在第一聯第2、3 跨，正好處于上坡路段坡腳位置，此處橋面縱坡從0.3%漸變為5%。病害呈分散型分布，坑洞、坑槽形狀、大小不一，大多出現瀝青鋪裝層離散、碎邊、積水現象。該橋面病害多次修補后仍不能徹底根除此類病害，而且二次病害多發生于原修補位置。

3.3.2 病害成因分析。從受力的角度分析，病害發位置剛好位于斜坡的變坡點附近，汽車上坡時車輪作用力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會使修補的瀝青混凝土擠壓密實，在橋面形成凹陷。平行于橋面方向的分力Px 則會使修補的瀝青混凝土沿斜坡向下形成推移、擁包。當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，就會在修補位置界面處產生裂縫。

圖12 連續梁墩頂位置橋面鋪裝開裂

根據以下三角函數關系，在一定范圍內，坡度越大，越容易產生裂縫。

Px=P*tan（i%）（1）

Fx=Px+f（2）

從橋面病害所處環境位置來看，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度降低[9]，骨料崩解，最后出現離析、坑洞、坑槽等橋面損壞現象。如果排水問題得不到有效解決，那么即使對病害位置進行修補，短期內又會出現類似問題，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。橋梁方案設計時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，養護單位要定期對泄水孔進行檢查，防止堵塞。其次，一旦橋面發現破損、坑洞病害，及時進行修補處理，防止病害范圍擴大。當病害面積較大，病害位置分散時，建議采用橋面整鋪的方式進行修補，避免修補位置發生二次病害。最后，坡橋橋面瀝青混凝土鋪裝施工時必須保證足夠的壓實度，盡量選擇耐水性更好的瀝青材料。

4 結論

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