混凝土橋面超薄瀝青鋪裝層應力分析

鄭金剛

（河北燕峰路橋建設集團有限公司，河北 石家莊 050091）

由于西部地區(qū)特有的自然地理條件，為縮短公路里程，保護自然環(huán)境，降低工程難度，在山區(qū)、丘陵、河流及一些特殊地區(qū)經(jīng)常需要架設橋梁，從而使橋梁的使用質(zhì)量成為整個路網(wǎng)服務質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)。而橋面鋪裝是橋梁主體結(jié)構(gòu)的第一道保護層，也是最直接承受行車荷載的層位，因此其性能和質(zhì)量不僅直接影響著橋梁的使用品質(zhì)，也影響橋梁的使用壽命。采用超薄結(jié)構(gòu)可以降低原材料的用量，同時便于維修，符合可持續(xù)發(fā)展的社會需求。

1 我國西部地區(qū)水泥混凝土橋梁橋面鋪裝的典型病害

我國西部地區(qū)地域廣闊，因此橋梁類型也較多，其中連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)的橋梁占較大比例，如表1所示。

表1 西部地區(qū)常見橋梁結(jié)構(gòu)

表1 （續(xù)）

目前在高等級公路上的橋梁多數(shù)采用了瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)；但隨著使用年限的增加以及鋪裝層本身存在問題，瀝青混凝土上會出現(xiàn)各種形式的病害。各種典型病害的表現(xiàn)及其產(chǎn)生原因，以及需要進行的改進措施如表2所示。

表2 水泥混凝土橋梁瀝青鋪裝層病害分析

表2 （續(xù)）

通過對水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層典型病害形成原因的分析，可以看出，雖然其病害的表現(xiàn)形式有多種，但分析病害的形式成原因，主要為水泥混凝土橋梁設計和施工原因、瀝青混凝土鋪裝層結(jié)構(gòu)設計和材料設計及施工原因、防水黏結(jié)層設計和施工原因等三個方面。

2 混凝土橋面超薄瀝青鋪裝層的應力分析

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，連續(xù)剛構(gòu)橋梁是目前高等級道路上的主要橋梁類型，因此本研究選取連續(xù)剛構(gòu)橋梁作為主要研究對象，進行鋪裝層力學分析，應用ABAQUS有限元程序，對大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋瀝青鋪裝體系進行“從整體到局部”的系統(tǒng)分析。

利用有限元模型，筆者分別針對下鋪裝層的厚度2～8cm的不同情況進行了應力計算，結(jié)果表明：

（1）隨著上、下層鋪裝層厚度的增加，上下鋪裝層的縱橫向拉應力都呈增加的趨勢，經(jīng)計算，上面層厚度為3cm時，當下層厚度由2cm增加到8cm時，鋪裝層拉應力增大5.8%；

（2）隨著下鋪裝層厚度的增加，層間最大剪應力逐漸減小，經(jīng)計算，上面層厚度為3cm時，當下層厚度由2cm增加到8cm時，層間剪應力減小3.8%。

由上述計算結(jié)果可以看出，雖然鋪裝層的厚度變化會引起鋪裝層受力的變化，但由于橋梁本身的剛度遠大于鋪裝層的剛度，因此單純變化鋪裝層的厚度對其應力影響較小。

考慮到在舊橋改造時，原橋面鋪裝層會有不同程度的裂縫，以及新橋的水泥混凝土找平層也會出現(xiàn)一定程度的微小裂縫，因此本課研究分別針對不同裂縫寬度、不同鋪裝層厚度情況下，在溫度應力作用下及荷載應力作用下的裂縫擴展規(guī)律進行了分析。計算結(jié)果表明：

（1）在正荷載或偏荷載作用下，應力強度因子K1始終是負值，裂縫沒有張開型擴展趨勢；

（2）溫度場引起的K1值遠大于荷載引起的K1值，如圖1所示，表明在橋面存在裂縫的情況下，降溫將是引起瀝青鋪裝層裂縫擴張的主要原因；

圖1 加鋪層厚度對加鋪層縱向裂縫起裂時應力強度因子K1的影響

（3）由正荷載、偏荷載及溫度場作用下的K1、K2變化規(guī)律可以看出，當鋪裝層較薄時，應力強度因子較大，當厚度大于2～3cm時，應力強度因子的變化明顯趨于穩(wěn)定，因此建議做橋面鋪裝設計時，厚度宜大于2～3cm，這樣有利于減小應力強度因子以避免開裂；但過厚的鋪裝對于進一步減小應力強度因子沒有明顯的效果。

橋梁縱坡和車輛剎車均將引起橋面鋪裝層的層間產(chǎn)生較大的剪應力，如圖2所示，可以看出，剎車情況下，隨著坡度的增加，縱橫向剪應力都呈線性增加趨勢，但縱橫向剪應力增加的幅度較小。剎車情況相對于勻速行駛時，各向剪應力增加比較明顯，其中縱向剪應力最大增幅達60.2%。由此可以看出，剎車對鋪裝層材料的損壞特別嚴重，必須提高鋪裝材料及其層間接觸面的抗剪強度，以減少或防止推擠、擁包等病害的出現(xiàn)。

針對薄層鋪裝不利于橋面平整度的提高，本課題專門進行了平整度傳遞規(guī)律的分析，通過對攤鋪機找平機理的簡化，獲得了攤鋪施工中的平整度傳遞規(guī)律，如公式（1）所示。

圖2 縱坡和剎車對鋪裝層抗剪穩(wěn)定性的影響

圖3 攤鋪機找平原理示意圖

依據(jù)公式1的計算可知，下承層的不平整度明顯會反映的到鋪裝層的表面，并且隨著鋪裝層厚度的增加，鋪裝層表面的平整度有明顯提高，因此當水泥混凝土找平層的平整度較差時，宜使用較厚的瀝青鋪裝層。同時也可以看到，通過增加鋪裝層厚度來提高平整度的效果是較差的；更適宜的方法是通過增加鋪裝層的層數(shù)來提高平整度，也即在水泥混凝土橋面宜采用多層鋪裝結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語

在橋梁工程中使用超薄結(jié)構(gòu)不僅可以起到降低工程成本的作用，還可以有效地減少橋梁恒載，提高鋪裝層與梁頂板間的粘結(jié)效果等作用，因此成為橋面鋪裝工程中的新熱點，特別是在舊橋改造中受到普遍重視。

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