橋面鋪裝施工缺陷對鋪裝層受力的影響

羅 君，黃小良，潘正華，臧繼成

(1.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 400010；3.重慶中信渝黔高速公路有限公司，重慶 401349)

0 引 言

鋪裝層按其材料剛度大小可分為剛性橋面鋪裝和柔性橋面鋪裝，剛性橋面鋪裝主要是水泥混凝土橋面鋪裝，柔性橋面鋪裝主要是瀝青混凝土橋面鋪裝。橋面鋪裝作為橋梁結(jié)構(gòu)的一部分，在橋梁運(yùn)營使用中擔(dān)負(fù)著保護(hù)主梁、分散荷載、排水等重要的責(zé)任，因此在設(shè)計(jì)年限以內(nèi)，橋面鋪裝層應(yīng)同時(shí)具備4項(xiàng)功能：①保證提供完好的表面，以便于表面施工；②具有良好的平整性，以減少跳車現(xiàn)象，達(dá)到保證行車舒適的目的；③作為橋面板的防水層，應(yīng)當(dāng)保證橋梁梁體不受雨水侵蝕的影響；④保證其與橋梁橋面板的黏結(jié)情況處于良好的狀態(tài)，進(jìn)而可以有效地傳遞并分散荷載[1-2]，最終達(dá)到降低橋梁鋪裝層與橋梁橋面板之間的疲勞應(yīng)力的目標(biāo)。

近年來，隨著各高速公路車流量的增加和重型車輛的增多，橋面鋪裝出現(xiàn)了許多病害，如橋面鋪裝的剝離、破碎、開裂、橋面磨光等，嚴(yán)重影響了交通，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會影響。

橋面鋪裝層破壞是由多方面因素造成的，包括設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)營管理等方面的原因。筆者僅從施工的角度，分析施工工藝缺陷(包括沿橋面中線的鋪裝層施工縱縫及層間局部脫空)對鋪裝層受力的影響。

橋梁的鋪裝層與橋面板之間存在或多或少施工缺陷。沿橋面中線的縱向施工縫是橋面中心線附近鋪裝層較早產(chǎn)生開裂的原因之一，鋪裝層與橋面板之間的粘結(jié)界面缺陷使得橋梁在投入使用幾個月后鋪裝層即發(fā)展成大面積的脫空，逐步導(dǎo)致鋪裝層嚴(yán)重破損。由于橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的受力情況比較復(fù)雜，當(dāng)鋪裝層與橋面板之間因黏結(jié)不良出現(xiàn)局部脫空缺陷時(shí)，車輛、溫度荷載的反復(fù)作用將在缺陷附近區(qū)域產(chǎn)生較大的層間剪應(yīng)力以及拉應(yīng)力而很快導(dǎo)致鋪裝層開裂破壞。筆者采用三維有限元法，應(yīng)用大型通用有限元軟件ABAQUS建模，分析鋪裝層與橋面板黏結(jié)界面缺陷附近區(qū)域以及鋪裝層縱向施工縫附近區(qū)域的層間剪應(yīng)力及鋪裝層拉應(yīng)力變化規(guī)律，并與界面粘結(jié)良好的情況進(jìn)行對比，分析施工缺陷的危害程度，為橋面鋪裝層進(jìn)一步設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 有限元模型的建立及計(jì)算

1.1 工程概況

綦江大橋地處重慶—貴州重要交通要道渝黔高速綦江段，擔(dān)負(fù)著兩地物質(zhì)運(yùn)輸往來的重要作用。該橋橋梁結(jié)構(gòu)形式為雙薄臂墩連續(xù)剛構(gòu)，橋梁跨徑布置為(75 + 130 + 75)m，全長為280 m，采用雙幅分離式施工，雙幅橋面凈寬24.5 m，單幅橋面板凈寬11.25 m。橋面鋪裝層設(shè)計(jì)為5 cm的C40混凝土墊層+5 cm的瀝青混凝土面層。

1.2 建立橋梁有限元模型

對于空間受力，需建立三維實(shí)體結(jié)構(gòu)模型，由于筆者僅考慮單輛重車作用于有缺陷的橋面鋪裝處，重點(diǎn)分析缺陷位置附近鋪裝層的應(yīng)力情況。為簡化計(jì)算，建立有限元模型時(shí)取局部長方體實(shí)體結(jié)構(gòu)，將實(shí)體結(jié)構(gòu)下邊界固定約束，用以模擬橋面板下部邊界約束情況，此方式雖與橋梁實(shí)際結(jié)構(gòu)不符，但經(jīng)箱梁頂板變形的實(shí)測數(shù)據(jù)分析，重車作用時(shí)箱梁頂板的變形幾乎不到0.1 mm，變形甚微，因此，此種模擬方式對分析鋪裝層在缺陷位置附近的應(yīng)力影響不大[3]，有限元模型如圖1。

ABAQUS程序提供了多種實(shí)體單元形式可供選擇。橋面鋪裝層及橋面板主梁均采用C3D8R單元。C3D8R單元本身是沒有中間節(jié)點(diǎn)的8節(jié)點(diǎn)3D實(shí)體單元，此類單元每個結(jié)點(diǎn)均具有3個自由度(即Ux，Uy，Uz這3個平動自由度)。使用C3D8R單元的好處在于能得到較為理想的分析結(jié)果，同時(shí)因?yàn)闆]有中間節(jié)點(diǎn)，也適當(dāng)縮短了軟件分析時(shí)的運(yùn)行時(shí)間。

為準(zhǔn)確地模擬鋪裝層和橋面板的黏結(jié)情況，同時(shí)也為了提取計(jì)算數(shù)據(jù)和分析方便，采用體掃掠(VSWEEP)的方式生成三維體單元，劃分時(shí)，對鋪裝層部分進(jìn)行細(xì)化。

荷載條件主要包括：工況1——豎向力，為保持輪壓與JTG D 50—2006《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的胎壓一致，本研究各輪胎的接地壓強(qiáng)均取為0.707 MPa(相當(dāng)于重車的后軸170 kN)；工況2——豎向力和水平力同時(shí)加載，豎向力加載采用與工況1相同的方式，水平力僅考慮車輪與鋪裝層間的摩擦力，同時(shí)考慮車輪的沖擊作用,取0.8倍豎向力；工況3——豎向力和水平力同時(shí)加載并增加溫度荷載，瀝青鋪裝層降溫幅度為10℃。車輪接地面積均按JTG D 60—2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》取0.2 m×0.6 m。

在該模型中，橋面鋪裝與橋面板之間及兩幅鋪裝墊層交界面的連接狀況良好。采用結(jié)點(diǎn)耦合的方法進(jìn)行模擬：將接觸層處所有結(jié)點(diǎn)在x，y，z方向全部耦合，以模擬鋪裝層和橋面板以及先后施工的左右兩幅混凝墊層之間黏結(jié)狀況良好，兩者共同受力并保持變形協(xié)調(diào)；而考慮橋面鋪裝與橋面板之間存在脫空、鋪裝墊層施工縫間的裂縫等缺陷的時(shí)候，均采用釋放一部分節(jié)點(diǎn)的耦合來進(jìn)行模擬。

2 施工縫缺陷對鋪裝層受力的影響

由于荷載作用位置相對缺陷位置的不同，結(jié)構(gòu)材料的受力狀況會有很大程度的差異。建立模型時(shí)，考慮了不同的加載位置條件及不同的荷載工況作用，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算分析，以便更充分地了解兩者的共同受力及變形狀況。輪載相對于施工縫的位置示意如圖2。

圖2 車輪荷載作用位置Fig.2 Position of wheel load

根據(jù)有限元模型計(jì)算的各層材料的應(yīng)力云圖(圖3)提取數(shù)據(jù)，得出鋪裝層在3種不同荷載位置及3種荷載工況下的最大應(yīng)力如表1。

圖3 應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram

表1鋪裝層最大應(yīng)力

Table1Maximumstressofpavementlayer/MPa

由表1可以看出，在橋面鋪裝層施工縫上或附近作用車輪荷載時(shí)，車輛的靜載作用將在施工縫附近5～10 cm處產(chǎn)生0.23 MPa的橫向拉應(yīng)力。考慮車輛的摩擦力作用時(shí)，將在縱向產(chǎn)生0.36 MPa的拉應(yīng)力，在層間產(chǎn)生0.4 MPa的剪應(yīng)力，考慮瀝青層的降溫收縮作用[4]，在混凝土墊層及瀝青鋪裝面層產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力最大達(dá)到1.8 MPa，縱向拉應(yīng)力達(dá)到1.9 MPa。且從圖4可以看出，車輪荷載相對于施工縫的位置不同對鋪裝層的應(yīng)力影響不大，上述最大應(yīng)力的得出均未考慮由于車輛的沖擊作用引起的動荷載效應(yīng)，由于多數(shù)車輛均習(xí)慣于在橋梁中心線附近行駛，且施工縫位置也恰處于行車道，因此此處作為鋪裝層的薄弱環(huán)節(jié)卻受到反復(fù)的車輛沖擊與碾壓，在荷載超過一定的限度及鋪裝材料達(dá)到一定的疲勞強(qiáng)度時(shí)[5]，施工縫處的墊層混凝土?xí)^早的產(chǎn)生開裂甚至發(fā)生破壞。

圖4 豎向力+水平力+溫度荷載作用下混凝土墊層及瀝青層最大應(yīng)力Fig.4 Maximum stress of concrete cushion and asphalt surface under the vertical, horizontal force and temperature load

3 界面局部脫空對鋪裝層受力的影響

模擬鋪裝層與橋面板之間的脫空與上述模擬施工縫缺陷的原理類似，荷載工況選擇也與上述模型一致，由于脫空面積的不同，以及車輪荷載相對于脫空區(qū)域的位置的差異均會對鋪裝層應(yīng)力有較大影響，因此鋪裝層與橋面板之間的脫空面積及相對車輪的位置分為如圖5(a)～5(d)的4種情況。

圖5 脫空面積及其相對車輪位置Fig.5 Cavity area and the relative position of wheels

經(jīng)過計(jì)算得出在4種不同脫空面積及分布位置的3種荷載工況下，鋪裝層材料最大應(yīng)力如表2。

表2不同脫空程度下鋪裝層最大應(yīng)力

Table2Maximumstressofpavementlayerfordifferentvoiddegrees/MPa

(續(xù)表2)

由表2可以看出，鋪裝層與橋面板脫空時(shí)，混凝土墊層受到的橫向及縱向拉應(yīng)力均較大。當(dāng)鋪裝層與橋面板脫空面積大于輪載面積時(shí)，橫向拉應(yīng)力達(dá)到2.23 MPa，縱向拉應(yīng)力值達(dá)到2.49 MPa,在溫度應(yīng)力的影響下混凝土墊層出現(xiàn)如此大的拉應(yīng)力已接近材料的抗拉強(qiáng)度，在重車的反復(fù)作用下，鋪裝墊層易出現(xiàn)開裂破壞，且沿縱向及橫向均會產(chǎn)生裂縫。由圖6可以看出，當(dāng)脫空缺陷面積大于輪載面積，在不同的荷載工況作用下，墊層應(yīng)力變化趨勢較小，瀝青面層的應(yīng)力變化趨勢較大。

圖6 鋪裝層脫空面積0.6 m×0.2 m時(shí)，混凝土墊層及瀝青層最大應(yīng)力Fig.6 Maximum stresses of concrete cushion and asphalt surface when cavity area is 0.6 m×0.2 m

從以上分析還可以看出，當(dāng)鋪裝層與橋面板有局部脫空對層間的剪應(yīng)力影響也較大，隨著脫空面積的增加，鋪裝層及層間的剪應(yīng)力均在提高。最大值達(dá)到1.32 MPa，如此大的層間剪應(yīng)力，將使得瀝青層與混凝土墊層之間黏結(jié)失效，也將會進(jìn)一步使混凝土墊層與橋面板之間黏結(jié)薄弱位置的層間黏結(jié)力失效，從而導(dǎo)致鋪裝層與橋面板之間的大面積脫空[6]。如此循環(huán)，在重車反復(fù)碾壓沖擊的情況下最終將導(dǎo)致鋪裝層大面積破損。

4 結(jié) 論

通過三維有限元計(jì)算，分析了橋面鋪裝墊層存在施工縫及橋面鋪裝層與橋面板之間出現(xiàn)缺陷時(shí)鋪裝層的受力情況，并與鋪裝層無缺陷時(shí)進(jìn)行了比較。研究表明，當(dāng)橋面鋪裝層與橋面板之間出現(xiàn)缺陷后，鋪裝層在汽車荷載作用下將產(chǎn)生較大的層間剪應(yīng)力，以及較大的縱向和橫向拉應(yīng)力，從而促使橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切破壞和鋪裝墊層混凝土材料的開裂破壞。 因此，為了保證橋面鋪裝層與橋面板的良好結(jié)合，增加橋面鋪裝層的使用年限，應(yīng)從設(shè)計(jì)、材料、施工工藝等方面采取如下措施來滿足連接界面的性能要求：

1)以層間最大剪應(yīng)力作為橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，控制其剪切破壞。

2)添加界面黏結(jié)劑，選擇物理及力學(xué)性能更適合橋面鋪裝結(jié)構(gòu)黏結(jié)和受力要求的材料。

3)橋面鋪裝施工時(shí)控制橋面鋪裝層界面脫空。

4)鋪裝墊層施工時(shí)應(yīng)將施工縱縫預(yù)留在橋面靠近兩邊護(hù)欄位置處，避免橋面中線位置出現(xiàn)施工縫的薄弱層。

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