橋面鋪裝病害及結構力學分析

劉鐵軍

（鄭州第二市政建設集團有限公司，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層有著非常重要的關系，只有優化的結構設計加上優質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越嚴重，有的橋梁在建成通車后不久即出現裂縫、擁抱，車轍、脫落等現象。

1.1 鋪裝層設計缺乏理論支持

我國現行設計規范沒有關于橋面鋪裝的設計理論.只是對鋪裝類型和厚度提出了推薦值，缺乏具體的設計思想。設計者在進行橋面鋪裝體系設計時，通常會參考規范要求，以自己的設計經驗提出一個橋面鋪裝結構，進行相關檢測試驗。但是這樣的設計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，過薄的厚度消弱了橋面鋪裝層的剛度和承載能力，過厚則鋪裝層剛度大.變形協調能力差。

1.3 重載車輛的作用

在我國超載現象比較普遍，對橋面鋪裝的損害遠遠大于標準軸載車輛對鋪裝層的損害，長大縱坡路段更是如此。通過計算，在水平路段、標準軸載下、0.3的水平力摩擦系數時和5。縱坡、l 3MPa、有加速度存在的情況下，后者的路面結構壓應力是前者的3倍，水平剪應力是前者的4倍。

1.4 粘結能力不足

鋪裝層和橋面板之間粘結強度不足會導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發生滑移破壞。有的粘結層材料在常溫下具有較強的粘結能力，高溫時粘結力急劇降低，不僅失去了粘結能力反而起潤滑作用，更是加劇了橋面鋪裝的過早損壞。

1.5 水損壞

橋面鋪裝滲下的水分會溶解水泥水化產物中的可溶物質，在橋面板表面形成空洞，破壞橋面板結構：含有可溶鹽的水分又會進一步溶蝕鋼筋，在鋪裝和橋面板之間形成隔離層，減弱了結構的整體性，影響了橋面鋪裝的正常使用。

2 橋面鋪裝力學分析

2.1 橋面鋪裝力學分析模型

目前對混凝土橋面鋪裝體系的研究較少實際工作中基本是依照經驗進行設計，還沒有形成統一設計方法。力學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十倍.梁體變形相對于鋪裝層小.仿照路面彈性層狀體系理論將橋面鋪裝體系簡化為彈性層狀體系，進行彈性半空間狀態下的彈性層狀體系力學分析.利用路面結構力學模型對橋面鋪裝體系進行力學分析。理論簡單.應用成熟，雖然橋面鋪裝與路面結構不同，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。對于剛橋面和大跨徑橋梁，彈性層狀體系不適用。

2.1.2 簡化整個橋梁上部結構為一塊縱向的板體結構，又將縱向扳分為兩層，一層為橋面鋪裝，另一層為主粱、橋面板簡化的主板，整個結構為疊合板體。主板假設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.進行以粱板體最大彎矩為基礎，以橋面鋪裝開裂和剝離為控制指標的水泥混凝土橋面鋪裝設計。

2.1.3 使用三維有限元模型進行橋梁鋪裝體系粘結層位置的應力應變計算相比彈性理論具有模型更加接近實際、精度更高的優點，但是模型設置復雜.計算難度太，參數設置多。現今國內對于水泥混凝土橋橋面鋪裝進行有限元模型計算的實例不多，現有的研究大多只運用二維或者局部三維的結構模型。

華南理工徐偉等應用ANSYS力學分析軟件通過對廣東崖門大橋進行局部力學分析得出水平作用力對鋪裝層地面的應變影響顯著；粘結層層間結合狀態不同，鋪裝層底面應力應變差異巨大，滑動體系鋪裝層底部應力應變是連續體系的l0倍左右；大跨徑混凝土橋梁整體變形不會造成瀝青橋面鋪裝強度或疲勞破壞；大跨徑混凝土箱粱橋面對鋪裝層瀝肯混凝土性能要求與普通路面基本相同，局部變形應變水平也不會引起瀝青混凝上強度或疲勞破壞；粘結層結構是影響整個鋪裝層體系性能的關鍵因素之一。三種主要的力學分析方法各有利弊，但分析結果大致相同，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。

2.2 設計車輛軸載的選取

我國經濟的高速前進帶動了物流事業的蓬勃發展，大噸位卡車、集裝箱車的數量在很短時間里上升到30萬輛。但從總的貨車結構看，大型運輸貨車只占到我國貨車總數量的5%，我國貨車的大型化趨勢明顯，必將成為今后貨運汽車的主要組成形式。我國的貨車運輸普遍存在超載現象，額定載重l0噸的貨車經常拉15噸甚至20、25噸。因此，還使用標準軸載進行像連霍高速這樣的主交通線鋪裝結構設計略顯不足。研究一條國主交通線的貨車資料，所有滿載卡車輪胎充氣壓強均>0.7MPa，86%滿載卡車輪胎內壓強>1.0MPa，有的甚至高達1.46MPa：滿載卡車輪胎接地壓強>0.7MPa占94.6%，輪胎接地壓強>1.0MPa的占61%，最高者達到1.42MPa。選取這條主要交通線交通調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標準軸載下橋面鋪裝粘結層位置應力應變分析

假設橋面鋪裝層為均勻彈性連續體系，粘結層與橋面板完全連接，橋面鋪裝為AC+SMA=3cm+4cm結構，進行在標準軸載BZZ-100荷載下、l5℃時輪胎接地而積處不同位置的應力應變。計算采用BISAR3.0瀝青路面應力計算軟件。路面滾動摩擦系數取0.3，正常行車：0.8，長大縱坡橋面鋪裝大構造深度情況下急剎車。由于防水層厚度很小，計算中暫不考慮。

2.4 防水粘結層厚度對粘結層位置應力應變影響分析

架設橋面鋪裝為3cm+4cm結構，防水粘結層在 50℃時模量為 200Mpa，15℃時模量為300Mpa，-5℃時模量為 500Mpa，進行 0.5mm、1mm、2mm粘結層厚度標準軸載作用下 輪胎1/2位置處防水粘結層位置的剪應力和剪應變計算。

2.5 防水粘結層位置應力及應變分析

在一般坡度或者小坡度情況下，粘結層位置的剪應力小于0.2Mpa,規范推薦值不小于0.4Mpa完全可以滿足抗剪要求；長大縱坡條件下或者急剎車情況下粘結層位置的剪應力最大會達到0.5Mpa,大于規范推薦值的0.4Mpa。但是，如果增加橋面鋪裝厚度（4cm+5cm）,粘結層位置的剪應力會降低很多。比較經濟性和材料特性，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以比較高的速度行駛然后再急剎車，基本會是采取部分制動使汽車以比較慢的速度行駛（這樣橫向力系數也會變小）。但是考慮到抗剪切儲備和環境、施工因素，建議特殊地區長大縱坡橋面鋪裝采取單獨設計，粘結層材料的抗剪切能力相比較一般橋面鋪裝應適當提高。

3 結語

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程中，要對橋面排水系統以及控制車輛超載現象加大防范力度。

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