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(lái)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(guó)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范沒(méi)有關(guān)于橋面鋪裝的設(shè)計(jì)理論.只是對(duì)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(shí)，通常會(huì)參考規(guī)范要求，以自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)提出一個(gè)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)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(guò)薄的厚度消弱了橋面鋪裝層的剛度和承載能力，過(guò)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(guó)超載現(xiàn)象比較普遍，對(duì)橋面鋪裝的損害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)軸載車輛對(duì)鋪裝層的損害，長(zhǎng)大縱坡路段更是如此。通過(guò)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(shí)和5?？v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(huì)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(huì)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(shí)粘結(jié)力急劇降低，不僅失去了粘結(jié)能力反而起潤(rùn)滑作用，更是加劇了橋面鋪裝的過(guò)早損壞。

1.5 水損壞

橋面鋪裝滲下的水分會(huì)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(huì)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(duì)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(méi)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(duì)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(jiǎn)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(duì)橋面鋪裝體系進(jìn)行力學(xué)分析。理論簡(jiǎn)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(duì)于剛橋面和大跨徑橋梁，彈性層狀體系不適用。

2.1.2 簡(jiǎn)化整個(gè)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(jiǎn)化的主板，整個(gè)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?，F(xiàn)今國(guó)內(nèi)對(duì)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(guò)對(duì)廣東崖門大橋進(jìn)行局部力學(xué)分析得出水平作用力對(duì)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(dòng)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(huì)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(duì)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(huì)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(gè)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(guó)經(jīng)濟(jì)的高速前進(jìn)帶動(dòng)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(shí)間里上升到30萬(wàn)輛。但從總的貨車結(jié)構(gòu)看，大型運(yùn)輸貨車只占到我國(guó)貨車總數(shù)量的5%，我國(guó)貨車的大型化趨勢(shì)明顯，必將成為今后貨運(yùn)汽車的主要組成形式。我國(guó)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(guó)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(shí)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(dòng)摩擦系數(shù)取0.3，正常行車：0.8，長(zhǎng)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(duì)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(shí)模量為 200Mpa，15℃時(shí)模量為300Mpa，-5℃時(shí)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(zhǎng)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(huì)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(huì)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(huì)以比較高的速度行駛?cè)缓笤偌眲x車，基本會(huì)是采取部分制動(dòng)使汽車以比較慢的速度行駛（這樣橫向力系數(shù)也會(huì)變?。?。但是考慮到抗剪切儲(chǔ)備和環(huán)境、施工因素，建議特殊地區(qū)長(zhǎng)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(yǔ)

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(guò)程中，要對(duì)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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