瀝青混凝土橋面鋪裝早期病害原因分析

摘要：本文根據多年施工經歷和積累的實際工作經驗對鋼筋混凝土橋柔性橋面鋪裝的早期病害及其原因談一下看法。

關鍵詞：混凝土；橋面

橋面柔性鋪裝能大大緩和行車對橋面板的沖擊，較易達到運營中平穩舒適的要求，隨著瀝青材料性能的改進，應用將更加廣泛。但現行規范對瀝青鋪裝結構的設計主要從所用材料、做法及厚度等方面作了指導性的說明，關于具體的設計理論與方法還是空白，鋪裝層的設計無章可循。這就造成了在實際設計中，橋面鋪裝層只作為橋梁工程的附屬結構，設計者對其甚少花費精力，從而為橋面鋪裝的早期損壞埋下了隱患。因此，應加快對橋面鋪裝，特別是結構破壞機理和設計理論方面的研究。

1 破壞形式

瀝青混凝土橋面鋪裝與正常路面和水泥混凝土橋面鋪裝相比，損壞形式有所不同。主要有 :1.1鋪裝層內部產生較大的剪應力，引起不確定破壞面的剪切變形，或者由于鋪裝層與橋面板層間結合面粘結力差，抗水平剪切能力較弱，在水平方向上產生相對位移發生剪切破壞，產生推移、擁包等病害；1.2因溫度變化并伴隨橋面板或梁結構的大撓度而產生的裂隙，在車輛荷載及滲入的水的作用下產生面層松散和坑槽破壞。

設防水層的水泥混凝土橋橋面瀝青混凝土鋪裝在行車荷載作用下的破壞形式一般為剪切破壞，常表現為擁包和推移現象。剪切破壞有兩種情況 :一是橋面鋼筋混凝土模量遠大于瀝青混凝土和防水層的模量，加之瀝青混凝土層厚度較薄，瀝青層內產生較大的剪應力而引起的無確定破壞面的剪切變形;二是防水層與瀝青混凝土面層和橋面層間粘結力不足而發生剪切破壞。因此，剪切破壞是設防水層的水泥混凝土橋面瀝青混凝土鋪裝損壞的主要原因，故在實際設計中應基于兩種形式的剪切破壞分別加以計算分析。

2 病害分析

2.1 結構理論與設計

橋梁的結構理論中對橋面鋪裝層的計算分析論述幾近于零，現行規范中只給定了厚度的推薦值，工程界一直在各等級的公路中運用了幾十年。隨著交通量的增大，現行鋪裝與重型、超重型汽車的增多和車速的增快已不相適應。橋面鋪裝層直接承受車輪荷載的沖擊，橋面鋪裝部分或全部參與了主梁結構的變形，因此橋面鋪裝是一個受力復雜的動力體系，各種形式的主梁及鋪裝本身的構造均影響其應力的分布。

梁設計的箱梁骨架鋼筋在實際受力狀態下難以像T梁主筋那樣發揮應有的作用。所以，設計的假設狀態與箱梁的實際受力狀態不一致。現行橋規第3.2.2條規定:……如無精確的計算方法，箱形梁也可參照T形梁的規定處理。從眾多箱梁的設計來看，大部分設計者對箱梁構件是按T形梁進行處理的。而箱梁的實際受力雖有近于T梁的一面，又有異于T梁的一面，對于連續箱梁差別更大。尤其是近年來箱梁的橋面越來越寬，橋跨與橋寬之比越來越小，箱梁仍按T梁那種長細桿件設計配筋，就越來越不適宜了，導致按

隨著材料工業的發展，橋梁承重結構的改進，使橋梁主梁能以較柔的結構達到受力的要求，高等級公路大跨橋梁的橫向越來越寬。特別在設計計算中側重于主梁縱向的計算分析，對橋梁橫向剛度重視不足，橫向構造措施不利使橋面鋪裝分擔了過多的次內力。

對于連續梁橋、拱橋及懸臂梁橋等橋型結構，由于荷載的作用而產生負彎矩或拉力，使橋面鋪裝層受到拉力的作用而產生負彎矩區裂縫，從而造成橋面鋪裝的損壞。

在對高速公路進行交通組織管理中，由于車道功能的不同，人為強制地使橋梁結構運營始終處于偏載狀態，使主車道的鋪裝承擔了比超車道高得多（量值可達三至四倍）的運營應力水平，因此加快了主車道鋪裝層的疲勞。特別是隨著私營運輸業的發展，貨運業主為追求短期經濟利益，通過改變車廂結構如加長車廂和加高車軸彈簧等使汽車的載重、軸重及輪載成倍增加。這些車輛對鋪裝層具有嚴重的毀壞作用，并使橋梁結構局部超載，加快了主車道鋪裝層的病害發展。因此，在設計中應根據運營中車輛荷載的實際分布情況，在明確了橋梁結構受力的基礎上，對橋面鋪裝層進行受力計算。

2.2 施工工藝

鋪裝層厚度偏小。由于橋梁上部結構在施工中支架的沉降及預應力反拱無法十分準確地預測，或由于施工工藝控制欠佳，施工中主梁頂面標高與設計值相符是比較困難的，一般在測量主梁頂面標高后對其進行調整以保證橋面的厚度。如果調整不好，就會造成鋪裝層厚度不均，使有的地方厚度偏小。梁頂清理不利，造成鋪裝層與主梁結合欠佳。

2.3 橋面防水層的影響

由于柔性防水層的強度與主板和鋪裝層的強度有差異，它的存在使上部結構按模量形成剛-柔-剛的板體受力體系，中間柔性夾層會增大橋面板板中部的板底拉應力。處于防水層上的鋪裝層一經開裂，在車輪的動力荷載作用下，彼此間的縫隙越來越大，直到松散脫落。另外，防水層的使用使鋪裝層發生剪切破壞的機率大大提高。

2.4 橋面鋪裝的約束條件

橋面鋪裝受橋梁結構的約束，受荷后其邊界條件與一般路面相差甚大，加之梁體的撓度、扭曲等形變的耦合作用，給鋪裝層的工作性能造成不利影響。

3 橋面鋪裝設計方法的討論

目前關于橋面鋪裝的研究還很不成熟，并且現有研究主要集中在材料設計和鋪裝技術等方面，而關于理論分析和結構計算的研究很少。

羅立峰等人將橋面板簡化為正交異性的彈性小撓度薄板，將鋪裝層簡化為各向同性的大撓度薄板，并假定兩板之間相對滑動，完全沒有摩阻力且沒有脫空現象。在此基礎上提出了橋面鋪裝的平衡微分方程，并以豎向變形為主要控制指標。張占軍等人以彈性層狀體系為理論基礎，用三維有限元的方法對水泥混凝土橋面柔性鋪裝的層間剪應力進行了計算和分析。并通過對瀝青類橋面鋪裝層的破壞現象的分析，發現使用摩爾___庫侖理論來確定鋪裝厚度是比較合適的，即以橋面板與瀝青鋪裝層之間的層間剪應力為控制指標，要求其不超過層間抗剪強度。另外，還結合防水層、平整度、施工工藝和車轍指標的要求，提出了橋面瀝青鋪裝層厚度的計算方法。

從現有的結構分析方法看，主要是用三維等參元模型進行分析，目前較多采用的是三維八結點和二十結點單元。

合理的有限元模型是計算分析的前提，從目前的研究狀況來看，主要有如下幾個方面急需探討。

對于橋面鋪裝， 如何假設及模擬層間接觸狀況是有限元建模一個很重要的問題。對于不設防水層的情況，可以借鑒復合路面的處理方式。 胡長順等人在進行復合路面結構分析時，利用各向異性線彈性理論和三維有限元的方法，構造了一種正交各向異性接觸模型，模擬板與地基之間的接觸情況。 黃曉明和劉玉榮等人分別在對舊水泥混凝土路面混凝土加鋪層和水泥混凝土瀝青混凝土復合路面進行力學計算時，接觸面采用了Goodman夾層單元模型模擬既非完全連續又非完全光滑的接觸狀態。 Goodman模型是由Goodman等人最先提出的用于模擬巖體節理的一種特殊單元，將它運用于夾層即為夾層單元。夾層單元由兩個面組成，兩個面之間假想由無數微小彈簧連接，單元厚度假定為0，每片接觸面有4個結點，一個單元共有八個結點，是一種二維單元。

總之，如何模擬層間接觸狀況，特別是如何考慮防水層的影響，是建立合理有限元模型的一個關鍵問題，是研究鋪裝層結構設計理論的一個重點。要采取理論計算與試驗分析相結合的方法，將計算結果與試驗和實測結果相對比，尋找一種與結構實際受力吻合的模型。

另外需要研究的一個重要問題是，橋梁在荷載作用下產生撓度及其它形變，這些因素對鋪裝層的力學特性有何影響，如何考慮這些影響，這也是橋面鋪裝不同于一般復合路面的一個方面。目前，國內還沒有專門針對這方面的討論。

合理解決橋面鋪裝問題需要從理論分析和結構計算兩方面入手，正確的理論基礎是根本，合理的力學模型是關鍵。 通過計算分析與實測對比，較好的解決如上述的接觸模型、荷載簡化等問題，搞清其它因素的影響;還要加強對模型尺寸及收斂條件的研究;在條件允許的情況下，加強對其動力性能的研究。在分析鋪裝層破壞形式的基礎上， 確定關鍵因素，提出控制指標并建立相應的破壞準則，為設計提供依據，要達到這一目標需要做大量的基礎性研究工作。