水泥混凝土橋橋面鋪裝結構組合方法分析

劉 輝

0 引言

國內外眾多學者已意識到導致橋面鋪裝結構組合設計的重要性，但各個研究者僅僅提出自己的設想，而沒有將自己的方法用于實際工程中，沒有得到實際檢驗。有的研究者致力于材料方面的研究，試圖通過室內試驗，為橋面鋪裝設計提供性能更佳的材料;也有些學者致力于理論計算，試圖通過理論分析和計算，為結構組合提供理論標準。本文在總結現行各設計方法的基礎上，著重分析其設計的合理性，進而為橋面鋪裝結構組合設計提出行之有效的建議。

1 現行橋面鋪裝結構組合設計方法分析

1)長大橋瀝青混凝土橋面鋪裝結構形式及施工工藝研究。

東南大學高英［1］的博士后論文，針對特定橋梁進行有限元分析，并進行大量室內試驗，最終提出最佳的結構組合方案。首先，進行有限元力學分析，研究了梁面體系構造對鋪裝層應力、應變的影響。根據計算分析，給出推薦鋪裝層厚度和模量;其次，通過大量試驗研究了纖維加強瀝青混凝土作為橋面鋪裝層的各項力學性質與路用性質;第三，比較了三種防水粘結材料的各項性能;第四，結合復合梁疲勞試驗，給出最終推薦鋪裝結構形式。

2)千島湖1號特大橋瀝青混凝土橋面鋪裝結構與材料設計研究。

東南大學的黃曉明課題組［2］針對杭新景高速公路千島湖支線千島湖1號橋實體工程，重點研究了鋼管混凝土拱橋上瀝青混凝土鋪裝層的應力響應與結構組合形式，具體步驟如下:

首先，通過力學分析了解橋面瀝青混凝土鋪裝層的應力與變形特性，對瀝青混凝土材料性能與結構提出要求。其次，兼顧力學計算對鋪裝層提出的要求的基礎上，根據上下鋪裝層的功能需求，分別提出幾種鋪裝層材料。最后，對復合結構進行結構組合試驗，對提出的幾種結構組合材料進行室內復合梁疲勞試驗，得出最佳結構組合。

3)水泥混凝土橋橋面鋪裝層結構合理性研究。

重慶交通大學的張領先［3］，提出根據橋梁設計等級和所在的氣候區所擬定的橋面鋪裝防水等級，確定橋面鋪裝防水體系和鋪裝結構組成及材料，并以層間抗剪強度和粘結強度為指標，確定鋪裝層厚度和防水粘結層的設計，并對瀝青鋪裝層在特殊部位和負彎矩區最大拉應力驗算的橋面鋪裝設計方法。

4)水泥混凝土橋瀝青鋪裝層力學分析與設計。

武漢理工大學的陳太原［4］提出，根據鋪裝層層位分工論，并針對當前橋面鋪裝層設計中，結構組合設計材料組成設計存在脫節的現象，提出了瀝青混凝土鋪裝層結構與材料統一的設計方法。

以上設計方法，很大程度上依靠力學分析，相對于傳統的設計方法，有所進步。但對于某些特定的橋梁或者特殊的鋪裝層結構要求，單純從力學上進行分析，并不能為材料設計提供有價值的參考數據。基于力學驗算的結構組合設計方法不一定適用于每座橋。

2 連續剛構橋橋面鋪裝體系力學分析

本文選取某典型連續剛構橋，根據橋梁實際尺寸，截取橋梁跨20 m，建立有限元分析模型，見圖1。

橋面鋪裝層的厚度對其受力狀態和使用性能都具有重要的作用。對于采用雙層鋪設方案的瀝青混凝土橋面鋪裝而言，確定各層的厚度也是鋪裝層設計的一項重要設計指標。由于分別變化兩層厚度時排列組合形式較多，計算量很大，因此本文分別固定上層厚度3cm和下層厚度2cm，通過改變另外一層的厚度進行計算，以得到鋪裝上下層厚度變化的敏感性。計算結果如圖2，圖3所示。

圖1 連續剛構橋有限元分析模型

圖2 鋪裝層應力隨鋪裝下層厚度的變化

圖3 鋪裝層應力隨鋪裝上層厚度的變化

由結果可知:

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。這是因為橋面在橫隔板、腹板或加勁肋處，經車輛荷載的作用，容易出現負彎矩區。當鋪裝層厚度增加時，負彎矩就會增加，對應的拉應力也不斷增加。因此，橋面鋪裝中，瀝青鋪裝層不是越厚越好。

2)隨著下鋪裝層厚度的增加，層間最大剪應力逐漸減小，這是因為鋪筑下層越厚，越有利于緩和由于橋面板的變形而在鋪裝體系內形成相對滑移趨勢;隨著上鋪裝層厚度的增加，層間最大剪應力有所增加，這是因為下鋪裝層厚度較小，相當于在上鋪裝層和橋面板之間夾入一個薄層，不能很好向下傳遞車輛荷載和緩和橋面板的相對滑移趨勢。

3 其他橋型橋面鋪裝體系力學分析結果

1)長大橋瀝青混凝土橋面鋪裝結構形式及施工工藝研究。

針對部分預應力混凝土組合連續箱梁橋進行力學分析，當鋪裝層采用雙層鋪筑時，當改變上、下層厚度時，對整個鋪裝體系各層位的剪應力的影響。

假定鋪裝上層的厚度H上=40mm不變，鋪裝下層的厚度H下依次取40mm，60mm，80mm。分別計算鋪裝層之間橫向τ1xmax、鋪裝層之間縱向τ1ymax、鋪裝層與橋面板之間橫向τ2xmax、鋪裝層與橋面板之間縱向τ2ymax、鋪裝上層內τ3max和鋪裝下層內的τ4max。具體計算結果如圖4所示。

圖4 H上不變H下變化條件下鋪裝層間最大剪應力分布變化圖

從圖4可以看出，保持鋪裝上層厚度不變，鋪裝下層越厚，無論是鋪裝體系的層間剪切應力，還是層內的剪切應力都越小，變化趨勢相對較平緩。

2)水泥混凝土橋面瀝青混凝土鋪裝防水粘結層的性能研究。

首先固定上層鋪裝厚度為5cm，下層鋪裝厚度分別取6cm，10cm，15cm;其次，固定鋪裝下層厚度為6cm，鋪裝上層厚度分別取2cm，4cm，5cm，結果如圖5，圖6所示，可知:綜合荷載作用下，增加鋪裝層的厚度(鋪裝上層保持不變，增加鋪裝下層的厚度，或鋪裝下層保持不變，增加上層的厚度)對瀝青混凝土鋪裝層的受力影響較為復雜，但鋪裝層厚度的增加對減小整個鋪裝層的最大剪應力，減少橋面剪切破壞是有效的。但是，隨著厚度的增加，整個鋪裝層的剪應力減小趨勢不明顯。

圖5 鋪裝下層厚度變化對剪應力的影響

圖6 鋪裝上層厚度變化對剪應力的影響

4 結語

1)針對連續剛構橋、連續箱梁橋和雙邊箱預應力混凝土三種特定的橋梁，鋪裝層的受力情況(拉應力和剪應力)受鋪裝層厚度的影響并不大。

2)目前，我國大跨徑水泥混凝土橋梁主要由上述三種橋型組成。因此，可以得出如下結論:現行的以力學驗算為基礎的結構組合設計方法并不適用于大跨徑水泥混凝土橋梁。

3)對于大跨徑的水泥混凝土橋梁，建議鋪裝體系在滿足橋梁承重和受力要求的情況下，橋面鋪裝結構組合設計，應盡量從鋪裝層材料的功能上考慮，尋求適用于各種橋梁的鋪裝層結構形式。

［1］ 高 英.長大橋瀝青混凝土橋面鋪裝結構形式及施工工藝研究［D］.南京:東南大學交通學院博士后論文，2003.

［2］ 王曉磊，趙永利，黃曉明.千島湖1#特大橋瀝青混凝土橋面鋪裝結構與材料設計研究［D］.南京:東南大學交通學院，2006.

［3］ 張領先.水泥混凝土橋橋面鋪裝層結構合理性研究［D］.重慶:重慶交通大學碩士學位論文，2008.

［4］ 陳太原.水泥混凝土橋瀝青鋪裝層力學分析與設計［D］.武漢:武漢理工大學結構工程系碩士學位論文，2007.