瀝青混凝土橋面鋪裝的病害分析研究

稅 強

（成都市市政工程設計研究院有限公司,四川 成都 610023）

0 引言

隨著城市的迅猛發(fā)展和交通運輸需求的不斷增長，城市橋梁作為重要的基礎設施，也作為城市交通的重要組成部分，對于保障人們的出行安全和促進城市經(jīng)濟發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，承載著日益加重的交通負荷。長期以來，橋梁的正常使用受到了來自環(huán)境因素和車流荷載等多種因素的影響，由于長期使用和外界環(huán)境的影響，城市橋梁的使用壽命逐漸縮短，導致瀝青混凝土橋面鋪裝病害頻發(fā)，嚴重威脅到城市交通的安全性和可靠性，并頻繁出現(xiàn)各種病害問題，給城市交通系統(tǒng)帶來了嚴重的挑戰(zhàn)[1]。

瀝青混凝土橋面鋪裝作為一種常見的橋梁鋪裝材料，容易受到車輛荷載、氣候變化、日常維護等因素的影響，導致龜裂、剝落、破裂、沉陷等病害問題的出現(xiàn)。這些病害不僅縮短了橋梁的使用壽命，還可能引發(fā)交通事故和道路塌陷等嚴重后果。吳儀[2]等人通過相關(guān)試驗研究表明，混凝土的抗壓強度隨著沖擊荷載的增加而增加。曹健[3]等人通過有限元模擬軟件表明隨著總車轍深度增加，車轍病害越往鋪裝層下層發(fā)展。為了提高城市橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性和延長使用壽命，深入研究并有效分析瀝青混凝土橋面鋪裝的病害成為亟須解決的問題[3]。

該文旨在進行一項關(guān)于瀝青混凝土橋面鋪裝的病害分析研究，并提供科學、可行的解決方案[4]。在對已有的病害分類和成因分析的基礎上，采用有限元軟件，對城市橋梁瀝青混凝土橋面鋪裝的病害進行全面分析和評估。通過獲取關(guān)鍵參數(shù)并結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實現(xiàn)對病害類型和嚴重程度的自動識別和定量評估，為橋梁維護管理決策提供科學依據(jù)[5]。該文的研究成果將有助于提高城市橋梁病害的檢測準確性和診斷效率，為橋梁維護人員提供及時、準確的信息，從而降低維修成本，延長橋梁的使用壽命，保障城市交通的安全和順暢，也為其他相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了參考和借鑒，推動城市橋梁工程領(lǐng)域的發(fā)展和創(chuàng)新。

1 橋面鋪裝常見病害類型

橋面鋪裝常見病害類型多種多樣，主要包括裂縫、坑洞、龜裂、剝落和沉陷等。裂縫是橋面鋪裝病害中最常見的一種，分為橫向裂縫、縱向裂縫和連續(xù)裂縫等類型，常由荷載作用、溫度變化和地基沉降等因素引起。坑洞是橋面鋪裝病害中比較嚴重的一種，常由車輛荷載、水蝕、凍融循環(huán)和材料老化等原因?qū)е隆｝斄咽侵笜蛎驿佈b上出現(xiàn)的較為密集的細小裂縫，通常與瀝青混凝土的收縮、老化和變形有關(guān)。剝落是指橋面鋪裝材料從基層或襯層上脫落，主要由于黏結(jié)力不足、材料劣化和水蝕等原因造成。沉陷是橋面鋪裝下陷或塌陷的情況，通常與地基不穩(wěn)定、水分滲透和材料沉降等因素有關(guān)。這些常見病害的存在不僅影響行車舒適性，還可能導致交通事故和進一步的結(jié)構(gòu)損壞，因此及時識別和維修是確保橋梁安全運行的重要措施。

1.1 裂縫病害

橋面鋪裝的裂縫病害類型多種多樣，常見的包括橫向裂縫、縱向裂縫和連續(xù)裂縫。橫向裂縫是指與車輛行駛方向呈橫向分布的裂縫，通常出現(xiàn)在橋面鋪裝的橫向接縫處或靠近橋緣的位置。這種裂縫主要由于車輛荷載引起的彎曲應力和溫度變化引起的收縮應力所致。縱向裂縫則是與車輛行駛方向呈縱向延伸的裂縫，通常出現(xiàn)在橋面鋪裝的縱向接縫處或中央?yún)^(qū)域。這種裂縫主要由于橋梁的熱脹冷縮和地基沉降等原因引起。連續(xù)裂縫則是一種較為嚴重的裂縫形式，呈現(xiàn)為多條裂縫連接成一片或呈網(wǎng)狀分布。這種裂縫常由于橋面鋪裝材料的老化、變形或黏結(jié)力不足等因素引起，裂縫的存在會加速橋面鋪裝的破損和水分滲入，進一步導致結(jié)構(gòu)破壞和損壞加劇。具體裂縫病害類型如表1所示：

表1 裂縫病害類型

1.2 坑洞病害

橋面鋪裝的坑洞病害通常是指橋面鋪裝表面出現(xiàn)的凹陷或凸起，形成明顯的洞穴狀。這種病害往往由車輛荷載、水蝕、凍融循環(huán)和材料老化等原因?qū)е隆＼囕v荷載是其中主要的因素之一，過重的車輛荷載會對橋面鋪裝施加巨大的壓力，使得鋪裝層逐漸破碎并形成坑洞。水蝕也是常見原因之一，水分滲入鋪裝層后，會侵蝕材料，導致坑洞的形成。凍融循環(huán)也會對橋面鋪裝造成損害，當水分滲入裂縫中，在溫度變化的作用下，凍結(jié)和融化會引起鋪裝層的開裂和剝落，從而形成坑洞。隨著時間的推移，材料會老化，失去原有的強度和柔韌性，增加了坑洞形成的可能性。坑洞的存在嚴重影響行車安全和駕駛舒適性，也會導致進一步的結(jié)構(gòu)損壞。

1.3 龜裂病害

橋面鋪裝的龜裂病害類型是一種常見的問題，其表現(xiàn)為橋面鋪裝表面出現(xiàn)許多細小的裂縫，形狀近似于龜殼紋理。這種病害主要由于車輛荷載、溫度變化和材料老化等因素引起。車輛荷載是龜裂病害形成的主要原因之一，過重的車輛荷載會對橋面鋪裝施加壓力，導致鋪裝層產(chǎn)生裂縫。溫度變化也對龜裂病害起到重要作用，當溫度升高或降低時，橋面鋪裝會發(fā)生膨脹或收縮，如果沒有足夠的伸縮空間，就會造成應力集中，導致龜裂的形成。隨著時間的推移，橋面鋪裝材料會受到氧化、紫外線輻射和水分侵蝕等因素的影響而老化，失去原有的彈性和強度，進一步增加了龜裂病害的風險。龜裂病害的存在不僅影響行車的平穩(wěn)性和駕駛的舒適性，還會加速橋面鋪裝的破損和水分滲入，導致進一步的結(jié)構(gòu)破壞。

1.4 剝落病害

橋面鋪裝的剝落病害類型是一種常見而嚴重的問題，通常表現(xiàn)為橋面鋪裝層逐漸脫落或剝離。這種病害往往由于多種因素導致。其中，車輛荷載是主要原因之一。過重的車輛荷載會對橋面鋪裝造成巨大的壓力，超過其承載能力，導致鋪裝層的斷裂和剝離。溫度變化也是引發(fā)剝落病害的重要因素。當氣溫升高或降低時，橋面鋪裝會發(fā)生膨脹或收縮，當沒有足夠的伸縮空間時，就會導致層與層之間的黏結(jié)力減弱，進而引發(fā)剝落。水分的滲入也是剝落病害的一個重要原因。水分會侵入鋪裝層內(nèi)部，使得不同材料之間的黏著力下降，導致層與層之間產(chǎn)生剝離。材料老化、施工問題和維護不善等因素也可能導致剝落病害的發(fā)生。剝落病害的存在嚴重威脅橋梁的結(jié)構(gòu)完整性和安全性，會進一步加速鋪裝層的破損和結(jié)構(gòu)的腐蝕。

1.5 沉陷病害

橋面鋪裝的沉陷病害類型是一種常見的問題，在橋面鋪裝表面出現(xiàn)不均勻的下沉或凹陷。該病害通常由多種因素引起。地基承載力不足是導致沉陷病害的主要原因之一。如果橋梁的地基不穩(wěn)定或地基土質(zhì)不均勻，地基就無法提供足夠的支撐力，導致橋面鋪裝下沉。水分的滲入也會引發(fā)沉陷病害，如果在橋面鋪裝和地基之間存在縫隙或損傷，水分可能滲入其中，導致地基土壤軟化，從而使橋面鋪裝發(fā)生沉陷。長時間的車輛荷載壓迫和頻繁的溫度變化也可能引起沉陷病害。車輛的重復通行和荷載會對橋面施加持續(xù)的壓力，導致橋面鋪裝材料的變形和下沉。溫度變化也會使得橋面鋪裝膨脹和收縮，加劇了沉陷的程度。對于橋面鋪裝沉陷病害，及時的檢測和修復非常重要。如果不加以處理，沉陷可能會造成橋面不平、行車不暢，甚至對整個橋梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生威脅。

2 瀝青混凝土橋面鋪裝層有限元模型的建立

2.1 有限元方法的基本原理及ABAQUS簡介

有限元方法基本原理是將復雜的連續(xù)體結(jié)構(gòu)劃分為許多離散的小單元，通過對這些小單元進行力學分析來近似描述整個結(jié)構(gòu)的行為。在有限元方法中，使用數(shù)學方法將結(jié)構(gòu)的物理行為轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程，并利用計算機進行求解。ABAQUS是一款常用的有限元軟件，它提供了強大的建模、分析和求解功能，可以模擬各種結(jié)構(gòu)和材料的力學行為。

2.2 工程案例

該文以四川成都某橋梁為例，由于歷史年代較長，有必要對瀝青混凝土橋面鋪裝的病害進行分析研究，以保證橋梁在以后的使用中保持穩(wěn)定性與可靠性。

2.2.1 有限元模型及參數(shù)表

建立的有限元模型如圖1所示，鋼筋混凝土等在工程中常用模型參數(shù)如下，見表2所示。

圖1 有限元模型

表2 有限元模型參數(shù)表

規(guī)范中規(guī)定車輪荷載為0.2 m×0.6 m的矩形，前中后軸重為30 kN、120 kN、140 kN，輪胎作用于路面的形狀更接近于矩形。考慮到瀝青混合料具有一定的變形能力，在荷載作用下會使荷載分布區(qū)域均勻，所以該文根據(jù)荷載等效原則將車輪荷載視為正方形的均布荷載，輪胎接地壓強為0.7 MPa，雙輪組輪心距為28.9 cm，雙輪軸距1.8 m。

2.2.2 縱向最不利荷位確定

瀝青混凝土橋面鋪裝層的有限元模擬縱向最不利荷位可以通過使用運用結(jié)構(gòu)分析的有限元理論模型來實現(xiàn)。通過使用有限元分析軟件，可以建立瀝青混凝土橋面鋪裝層的有限元模型，通過模擬計算結(jié)果如圖2~3所示。

圖2 支座界面縱向剪應力（MPa）

圖3 支座界面橫向剪應力（MPa）

通過有限元數(shù)值模擬計算，由圖2~3可以看出，支座界面縱向剪應力隨著鋪裝深度呈先增大后降低最后趨于穩(wěn)定形式，在鋪裝深度4~5 cm時縱向切應力達到最大，支座界面橫向剪應力也隨著鋪裝深度呈先增大后降低最后趨于穩(wěn)定形式，在鋪裝深度3~4 cm時縱向切應力達到最大，通過數(shù)值模擬，可以有效了解支座界面最大應力位置，為工程實踐提供技術(shù)依據(jù)和支持。

3 結(jié)語

該文通過對瀝青混凝土橋面鋪裝的病害分析研究，得出了以下結(jié)論：

（1）瀝青混凝土橋面鋪裝存在各種不同類型的病害，包括裂縫、坑洞、龜裂、剝落、脫落等。這些病害可能是由于材料質(zhì)量問題、施工不當、環(huán)境因素或過載荷載等多種原因造成的。

（2）該文通過數(shù)值模擬方法，得出在鋪裝深度4~5 cm時縱向切應力達到最大，在鋪裝深度3~4 cm時縱向切應力達到最大，有助于預測城市橋梁瀝青混凝土橋面鋪裝的病害。這種分析方法可以幫助準確分析橋面病害形成的機理和規(guī)律，預測病害的位置和類型，為維護和修復提供方向性指導，提高橋面的耐久性和安全性。