橋梁鋪裝碾壓質(zhì)量受不等厚結(jié)構(gòu)影響的探討

王 博

(安徽省高等級(jí)公路工程監(jiān)理有限公司，安徽 合肥 230031)

0 引 言

橋面鋪裝層是橋梁結(jié)構(gòu)的重要組成部分，與普通路面相比，橋面鋪裝層所使用的施工材料性能、施工工藝及鋪裝層結(jié)構(gòu)型式均對(duì)施工質(zhì)量有較大影響。橋面鋪裝施工技術(shù)作為鋼橋施工關(guān)鍵技術(shù)之一，始終受到學(xué)術(shù)界和施工技術(shù)人員的重視和關(guān)注。對(duì)于具體工程而言，為減輕鋼橋結(jié)構(gòu)自重，壓縮施工成本，往往采用不等厚鋪裝結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)由于存在厚度較大、厚度較小及過(guò)渡區(qū)三個(gè)不同區(qū)域，且不同區(qū)域施工參數(shù)及施工質(zhì)量控制要求不盡相同，無(wú)形中增大了橋面鋪裝層碾壓施工質(zhì)量控制難度。為此，必須依托現(xiàn)行公路橋涵設(shè)計(jì)及施工規(guī)范，充分結(jié)合公路橋鋪裝結(jié)構(gòu)受力情況，進(jìn)行不等厚鋪裝結(jié)構(gòu)碾壓施工過(guò)程仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化施工機(jī)械組合和施工參數(shù)，確保不等厚鋪裝結(jié)構(gòu)公路橋碾壓施工質(zhì)量。

1 工程概況

102省道潁東棗莊至口孜段改建工程潁河公路橋起訖樁號(hào)K12+323.7～K14+090.7，橋梁全長(zhǎng)1 767 m，按照雙向八車道公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。該公路橋依次由30 m預(yù)制組合箱梁、90 m網(wǎng)狀吊桿系桿拱、100 m+180 m+100 m預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋、30 m預(yù)制組合箱梁等結(jié)構(gòu)形式組成，分別編號(hào)為1～4分橋，其中100 m+180 m+100 m預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋?yàn)橹鳂颍捎米兘孛驿撓淞涸O(shè)計(jì)形式，單箱單室結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)380 m，橋面全寬52.5 m，橋墩處梁高9.0 m，中跨跨中與邊跨端部直線段梁高4.5 m。橋面從道路中心線開始依次向兩側(cè)設(shè)置2%排水橫坡，并按照6 m間隔設(shè)置泄水管，將橋面縱向集水管所收集到的雨水全部匯集至沉淀池集中處理。主橋橋墩均為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，墩身為雙肢薄壁墩結(jié)構(gòu)，橫、縱橋向?qū)挾确謩e為6.3 m和3.0 m。

出于控制橋梁結(jié)構(gòu)自重、降低建設(shè)成本考慮，該公路橋鋼箱梁采取變截面結(jié)構(gòu)，頂層鋼板不等厚設(shè)計(jì)，整個(gè)橋梁順縱橋向共設(shè)置數(shù)個(gè)不等厚過(guò)渡區(qū)，均以1∶8的線性斜坡過(guò)渡。為適應(yīng)不等厚結(jié)構(gòu)形式，該公路橋鋪裝體系采用雙層EA不等厚過(guò)渡形式。在進(jìn)行該公路橋鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)始終將頂層鋼板厚度和下層鋪裝厚度之和控制在7.1 cm，將上層鋪裝層厚度控制在2.5 cm，并將頂層鋼板厚度和鋪裝層厚度之和控制在9.6 cm，也就是說(shuō)，為減輕不等厚頂層鋼板對(duì)鋪裝結(jié)構(gòu)的不利影響，只能在頂層鋼板和下層鋪裝結(jié)構(gòu)中應(yīng)用不等厚結(jié)構(gòu)，同時(shí)提升下層鋪裝施工質(zhì)量。每座分橋頂層鋼板和橋面鋪裝層厚度的可能組合具體見表1。

表1 頂層鋼板和下層鋪裝層厚度的組合

一般情況下，縱橫隔板上方、U型加勁肋上方、跨中及支座彎曲應(yīng)力較大區(qū)域均為鋼箱梁橋鋪裝結(jié)構(gòu)受力不利的區(qū)域，鋪裝結(jié)構(gòu)承受的剪應(yīng)力較大，在反復(fù)的行車荷載及環(huán)境影響下，出現(xiàn)脫層、裂縫等病害的可能性非常大。由于該公路橋不等厚結(jié)構(gòu)較為特殊，受力不良的區(qū)域除以上常規(guī)區(qū)域外，還包括不等厚過(guò)渡區(qū)上方鋪裝層。該公路橋1和4分橋分別設(shè)置一條行車道和一條非機(jī)動(dòng)車道，而2和3分橋分別設(shè)置三條同行向行車道，故本文以交通量和行車荷載較大的2和3分橋進(jìn)行力學(xué)分析。

2 力學(xué)分析

2.1 整橋力學(xué)分析

應(yīng)用midas Civil軟件構(gòu)建該公路橋2和3分橋整橋力學(xué)模型，并將全橋離散為包括131個(gè)節(jié)點(diǎn)和130個(gè)單元的空間桿系單元，按照設(shè)計(jì)，公路橋整體力學(xué)模型主要采用彈性模量2.06×10kN/m、泊松比0.3的Q370qD材料，車道荷載按照公路-Ⅰ級(jí)10.5kN/m的均布荷載確定，橋梁一期、二期恒載分別為109.1 kN/m和40.8 kN/m。向2和3分橋施加自重、車道荷載及二期恒重，由于該公路橋不等厚過(guò)渡區(qū)對(duì)稱布置，為簡(jiǎn)化分析，只提取跨中橫斷面一側(cè)過(guò)渡區(qū)進(jìn)行彎矩分析即可。分析結(jié)果見表2。表中分析結(jié)果表明，因受到恒載和車道荷載的作用，在與橋頭相距170 m處不等厚位置出現(xiàn)豎向正彎矩最大值2.12×10kN·m，該點(diǎn)頂層鋼板厚度從22 mm增大至32 mm，下層鋪裝層厚度從49 mm減小至39 mm；與橋頭相距96 m處不等厚位置出現(xiàn)豎向負(fù)彎矩最大值-5.01×10kN·m，此處頂層鋼板厚度從28 mm增大至36 mm，下層鋪裝厚度則從43 mm減小至35 mm。彎矩越大意味著不等厚位置鋼板出現(xiàn)形變的可能性也越大，上方鋪裝結(jié)構(gòu)也因此而承受更大的集中應(yīng)力，更容易出現(xiàn)脫層、裂縫等病害

表2 跨中橫斷面一側(cè)過(guò)渡區(qū)彎矩

2.2 細(xì)部模型構(gòu)建

瀝青混合料和壓路機(jī)碾壓輪仿真模型，同時(shí)采用FLAC構(gòu)建該公路橋2和3分橋彎矩值最大的不等厚結(jié)構(gòu)細(xì)部模型和頂層鋼板模型，并從碾壓質(zhì)量控制角度對(duì)不等厚鋪裝結(jié)構(gòu)最佳碾壓工序展開分析。

該公路橋工程擬采用半徑60 mm、輪寬40 mm的碾壓機(jī)械，碾壓輪和瀝青混合料接觸通過(guò)接觸剛度模型進(jìn)行表征，碾壓輪與混合料接觸的摩擦系數(shù)取0.15。根據(jù)類似工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)，將粒徑在2.36 mm以下的瀝青混合料簡(jiǎn)化成瀝青砂漿，根據(jù)混合料級(jí)配、孔隙率和油石比計(jì)算不同粒徑顆粒數(shù)量。瀝青混合料材料屬性通過(guò)微觀參數(shù)驗(yàn)算法設(shè)定Burgers模型進(jìn)行表征。

橋面鋪裝模型按照長(zhǎng)200 m、寬71 mm、高50 mm確定邊界尺寸，頂層鋼板和下層鋪裝厚度共為7.1 cm，同時(shí)在模型中部縱向設(shè)置1:8的斜坡以進(jìn)行公路橋不等厚結(jié)構(gòu)模擬。頂層鋼板彈性模量取2.06×10MPa，質(zhì)量密度取7 800 kg/m，泊松比0.3。由于該公路橋鋪裝結(jié)構(gòu)禁止采用振動(dòng)壓實(shí)方式，且碾壓機(jī)械質(zhì)量不宜過(guò)大，同時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)碾壓施工工序控制。為增強(qiáng)仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，降低分析難度，本文將碾壓荷載作用形式簡(jiǎn)化為單一鋼輪荷載靜壓方式，豎向壓力通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制。結(jié)合鋼橋面鋪裝施工經(jīng)驗(yàn)以及該公路橋施工技術(shù)指南，初壓遍數(shù)應(yīng)為4遍，碾壓速度應(yīng)為1.5～3.0 km/h；復(fù)壓遍數(shù)應(yīng)為4遍，碾壓速度應(yīng)為2.0～5.0 km/h；終壓遍數(shù)分別為3遍和4遍，碾壓速度分別為3.5～5.5 km/h和2.0～3.5 km/h。

2.3 細(xì)部力學(xué)分析

在力學(xué)分析階段，首先驗(yàn)證表3中所提出的碾壓參數(shù)，根據(jù)所提取到的碾壓施工后過(guò)渡區(qū)斜坡兩側(cè)混合料顆粒下降量絕對(duì)量和相對(duì)量，繪制不同碾壓施工階段單次碾壓下降量和累計(jì)碾壓下降量變動(dòng)趨勢(shì)圖。根據(jù)分析結(jié)果，在不同的碾壓施工階段，混合料顆粒下降量表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)：初壓階段，單次碾壓的瀝青混合料厚度下降量最大，此后隨著碾壓遍數(shù)的增大，混合料厚度下降量逐漸降低；累計(jì)碾壓下混合料厚度降幅也為最大，當(dāng)碾壓遍數(shù)增大后，厚度的降低趨勢(shì)減緩，在終壓階段趨于穩(wěn)定。以上混合料顆粒含量及厚度的變動(dòng)趨勢(shì)與鋼橋面鋪裝實(shí)際施工效果吻合，說(shuō)明本文所構(gòu)建的有限元模型能較好模擬該公路橋鋪裝層碾壓施工過(guò)程及效果。

根據(jù)厚度大小將該公路橋橋面不等厚過(guò)渡區(qū)鋪裝結(jié)構(gòu)分成厚度較大側(cè)、厚度較小側(cè)和過(guò)渡斜坡三個(gè)部分；為便于分析，將橋面鋪裝厚度由大至小碾壓施工向標(biāo)記為a向，而將橋面鋪裝厚度由小至大的碾壓施工向標(biāo)記為b向(見圖1)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)所提取的碾壓施工期間橫縱向混合料顆粒在混合料體積上的橫縱向拉應(yīng)力，進(jìn)行鋪裝層應(yīng)力響應(yīng)受不等厚結(jié)構(gòu)影響程度的定量分析。分析結(jié)構(gòu)匯總至圖2。

圖1 碾壓施工方向

圖2 瀝青混合料橫縱向拉應(yīng)力比較

通過(guò)比較該公路橋不等厚鋪裝層橫縱向碾壓施工過(guò)程中瀝青混合料橫縱向拉應(yīng)力變化情況可以看出，不等厚過(guò)渡區(qū)瀝青混合料應(yīng)力響應(yīng)與周圍區(qū)域存在較大差異；不等厚過(guò)渡區(qū)厚度最小端橫縱向?yàn)r青混合料橫縱向拉應(yīng)力均最大，說(shuō)明在碾壓施工過(guò)程中，不等厚過(guò)渡區(qū)厚度最小端瀝青混合料受力狀態(tài)最差。為有效解決這一問(wèn)題，必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際盡量減少碾壓施工遍數(shù)，防止因過(guò)度碾壓而引發(fā)混合料顆粒破碎。不等厚過(guò)渡區(qū)厚度最小端右側(cè)橫縱向?yàn)r青混合料橫縱向拉應(yīng)力約為不等厚過(guò)渡區(qū)厚度最小端混合料橫縱向拉應(yīng)力的1/2，但仍大于其余區(qū)域，這意味著碾壓施工過(guò)程中，不等厚過(guò)渡區(qū)瀝青混合料出現(xiàn)過(guò)壓的可能性更大，除應(yīng)適當(dāng)減小碾壓遍數(shù)外，還必須嚴(yán)格控制碾壓機(jī)械在不等厚過(guò)渡區(qū)上方停留的時(shí)間。在其余區(qū)域中，橫縱向拉應(yīng)力均較小，頂部鋼板厚度較小區(qū)因?yàn)r青混合料厚度較大，能對(duì)碾壓機(jī)械碾壓應(yīng)力起到較好的分散作用，故橫縱向拉應(yīng)力最小。可見，加強(qiáng)對(duì)公路橋鋪裝層不等厚過(guò)渡區(qū)碾壓層厚度及碾壓遍數(shù)的控制，并防止碾壓機(jī)械在鋪裝層上停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，才能保證鋪裝質(zhì)量。

3 結(jié) 論

綜上所述，通過(guò)構(gòu)建102省道潁東棗莊至口孜段改建工程潁河公路橋2和3分橋整體結(jié)構(gòu)力學(xué)模型及細(xì)部力學(xué)模型，對(duì)公路橋不等厚鋪裝層在行車荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析得出：與橋頭相距170 m處和96 m處不等厚位置分別對(duì)應(yīng)最大的豎向正彎矩2.12×10kN·m和最大的豎向負(fù)彎矩-5.01×10kN·m；初壓和復(fù)壓階段單次碾壓及累計(jì)碾壓下鋪裝層瀝青混合料厚度均表現(xiàn)出明顯降幅，必須加強(qiáng)這兩個(gè)碾壓施工階段施工質(zhì)量控制；不等厚鋪裝層過(guò)渡區(qū)混合料受力比其他區(qū)域大，應(yīng)防止碾壓機(jī)械長(zhǎng)期停留于該區(qū)域。基于本文的模擬分析結(jié)果，該公路橋不等厚鋪裝層施工過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)密切結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，進(jìn)行碾壓施工參數(shù)的靈活調(diào)整，確保橋面各施工區(qū)域?yàn)r青混合料碾壓施工質(zhì)量。