胡在和

摘要：隨著交通量和重型車(chē)輛的增加，橋面鋪裝問(wèn)題普遍。橋面鋪裝的早期損壞已成為影響公路使用功能的發(fā)揮和誘發(fā)交通事故的一大病害。文章對(duì)鋼筋混凝土橋柔性橋面鋪裝的早期病害及其原因進(jìn)行了分析與研究。

關(guān)鍵詞：水泥混凝土橋面；瀝青混凝土；橋面鋪裝；早期病害；原因分析；結(jié)構(gòu)分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U445.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2009）02-0145-02

一、概述

隨著交通量和重型車(chē)輛的增加，橋面鋪裝問(wèn)題普遍。這不僅妨礙了正常交通，影響了橋面的美觀，更易造成交通事故，也給維修工作帶來(lái)了很大困難。橋面鋪裝的早期損壞已成為影響公路使用功能的發(fā)揮和誘發(fā)交通事故的一大病害。

二、破壞形式

1．鋪裝層內(nèi)部產(chǎn)生較大的剪應(yīng)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(jié)合面粘結(jié)力差，抗水平剪切能力較弱，在水平方向上產(chǎn)生相對(duì)位移發(fā)生剪切破壞，產(chǎn)生推移、擁包等病害。

2．因溫度變化并伴隨橋面板或梁結(jié)構(gòu)的大撓度而產(chǎn)生的裂隙，在車(chē)輛荷載及滲入的水的作用下產(chǎn)生面層松散和坑槽破壞。

三、病害分析

（一）結(jié)構(gòu)理論與設(shè)計(jì)

隨著交通量的增大，現(xiàn)行鋪裝與重型、超重型汽車(chē)的增多和車(chē)速的增快已不相適應(yīng)。橋面鋪裝層直接承受車(chē)輪荷載的沖擊，橋面鋪裝部分或全部參與了主梁結(jié)構(gòu)的變形，因此橋面鋪裝是一個(gè)受力復(fù)雜的動(dòng)力體系，各種形式的主梁及鋪裝本身的構(gòu)造均影響其應(yīng)力的分布。

箱梁骨架鋼筋在實(shí)際受力狀態(tài)下難以像T梁主筋那樣發(fā)揮應(yīng)有的作用。所以，設(shè)計(jì)的假設(shè)狀態(tài)與箱梁的實(shí)際受力狀態(tài)不一致?，F(xiàn)行橋規(guī)第3.2.2條規(guī)定如無(wú)精確的計(jì)算方法，箱形梁也可參照T形梁的規(guī)定處理。從眾多箱梁的設(shè)計(jì)來(lái)看，大部分設(shè)計(jì)者對(duì)箱梁構(gòu)件是按T形梁進(jìn)行處理的。而箱梁的實(shí)際受力雖有近于T梁的一面，又有異于T梁的一面，對(duì)于連續(xù)箱梁差別更大。尤其是近年來(lái)箱梁的橋面越來(lái)越寬，橋跨與橋?qū)捴仍絹?lái)越小，箱梁仍按T梁那種長(zhǎng)細(xì)桿件設(shè)計(jì)配筋，就越來(lái)越不適宜了，隨著材料工業(yè)的發(fā)展，橋梁承重結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使橋梁主梁能以較柔的結(jié)構(gòu)達(dá)到受力的要求，高等級(jí)公路大跨橋梁的橫向越來(lái)越寬。特別在設(shè)計(jì)計(jì)算中側(cè)重于主梁縱向的計(jì)算分析，對(duì)橋梁橫向剛度重視不足，橫向構(gòu)造措施不利使橋面鋪裝分擔(dān)了過(guò)多的次內(nèi)力。對(duì)于連續(xù)梁橋、拱橋及懸臂梁橋等橋型結(jié)構(gòu)，由于荷載的作用而產(chǎn)生負(fù)彎矩或拉力，使橋面鋪裝層受到拉力的作用而產(chǎn)生負(fù)彎矩區(qū)裂縫，從而造成橋面鋪裝的損壞。由于車(chē)道功能的不同，人為強(qiáng)制地使橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)始終處于偏載狀態(tài)，使主車(chē)道的鋪裝承擔(dān)了比超車(chē)道高得多（量值可達(dá)三至四倍）的運(yùn)營(yíng)應(yīng)力水平，因此加快了主車(chē)道鋪裝層的疲勞。

（二）施工工藝

1．鋪裝層厚度偏小。由于橋梁上部結(jié)構(gòu)在施工中支架的沉降及預(yù)應(yīng)力反拱無(wú)法十分準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)，或由于施工工藝控制欠佳，施工中主梁頂面標(biāo)高與設(shè)計(jì)值相符是比較困難的，一般在測(cè)量主梁頂面標(biāo)高后對(duì)其進(jìn)行調(diào)整以保證橋面的厚度。如果調(diào)整不好，就會(huì)造成鋪裝層厚度不均，使有的地方厚度偏小。

2．梁頂清理不利，造成鋪裝層與主梁結(jié)合欠佳。

（三）橋面防水層的影響

由于柔性防水層的強(qiáng)度與主板和鋪裝層的強(qiáng)度有差異，它的存在使上部結(jié)構(gòu)按模量形成“剛—柔—?jiǎng)偂钡陌弩w受力體系，中間柔性?shī)A層會(huì)增大橋面板板中部的板底拉應(yīng)力。處于防水層上的鋪裝層一經(jīng)開(kāi)裂，在車(chē)輪的動(dòng)力荷載作用下，彼此間的縫隙越來(lái)越大，直到松散脫落。

（四）橋面鋪裝的約束條件

橋面鋪裝受橋梁結(jié)構(gòu)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。

四、橋面鋪裝設(shè)計(jì)方法

將橋面板簡(jiǎn)化為正交異性的彈性小撓度薄板，將鋪裝層簡(jiǎn)化為各向同性的大撓度薄板，并假定兩板之間相對(duì)滑動(dòng)，完全沒(méi)有摩阻力且沒(méi)有脫空現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)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(biāo)。以彈性層狀體系為理論基礎(chǔ)，用三維有限元的方法對(duì)水泥混凝土橋面柔性鋪裝的層間剪應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算和分析。并通過(guò)對(duì)瀝青類(lèi)橋面鋪裝層的破壞現(xiàn)象的分析，發(fā)現(xiàn)使用摩爾-庫(kù)侖理論來(lái)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(yīng)力為控制指標(biāo)，要求其不超過(guò)層間抗剪強(qiáng)度。用有限元的方法對(duì)設(shè)防水層的水泥混凝土橋?yàn)r青鋪裝結(jié)構(gòu)的層間剪應(yīng)力的計(jì)算進(jìn)行了分析，討論了防水層的厚度、模量、泊松比、瀝青混凝土鋪裝層厚度和模量等參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)層層間剪應(yīng)力的影響。認(rèn)為層間最大剪應(yīng)力主要取決于面層厚度和防水層模量；在防水層模量相同的情況下，增加面層厚度是降低層間剪應(yīng)力的最有效手段。合理的控制指標(biāo)是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。從現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)分析方法看，主要是用三維等參元模型進(jìn)行分析，目前較多采用的是三維八結(jié)點(diǎn)和二十結(jié)點(diǎn)單元。合理的有限元模型是計(jì)算分析的前提，從目前的研究狀況來(lái)看，主要有如下幾個(gè)方面需探討：

對(duì)于橋面鋪裝，如何假設(shè)及模擬層間接觸狀況是有限元建模一個(gè)很重要的問(wèn)題。對(duì)于不設(shè)防水層的情況，可以借鑒復(fù)合路面的處理方式。在進(jìn)行復(fù)合路面結(jié)構(gòu)分析時(shí)，利用各向異性線彈性理論和三維有限元的方法，構(gòu)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。在對(duì)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(fù)合路面進(jìn)行力學(xué)計(jì)算時(shí)，接觸面采用了夾層單元模型模擬既非完全連續(xù)又非完全光滑的接觸狀態(tài)。

Goodman模型是由Goodman等人最先提出的用于模擬巖體節(jié)理的一種特殊單元，夾層單元由兩個(gè)面組成，兩個(gè)面之間假想由無(wú)數(shù)微小彈簧連接，單元厚度假定為0，每片接觸面有4個(gè)結(jié)點(diǎn)，一個(gè)單元共有八個(gè)結(jié)點(diǎn)，是一種二維單元。對(duì)于設(shè)防水層的情況，實(shí)際施工中防水層的厚度在2～5mm之間，一般約為3mm。由于防水層的厚度很薄，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(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，是研究鋪裝層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的一個(gè)重點(diǎn)。要采取理論計(jì)算與試驗(yàn)分析相結(jié)合的方法，將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)和實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)比，尋找一種與結(jié)構(gòu)實(shí)際受力吻合的模型。

橋面鋪裝層是一種特殊的路面結(jié)構(gòu)，如何合理簡(jiǎn)化荷載模型，以及如何進(jìn)行橫向和縱向布載，也直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的精確程度。在計(jì)算剪應(yīng)力時(shí)參照路面設(shè)計(jì)中的荷載模型，荷載參數(shù)為BZZ-100，p=0.7MP，δ=10.65cm，水平荷載與垂直荷載同時(shí)考慮。對(duì)不同的橋跨截面在橫向不同位置進(jìn)行布載，找出最不利的荷位。將橋梁結(jié)構(gòu)分析和路面理論結(jié)合起來(lái)，才能較好地解決這一問(wèn)題。

另外需要研究的一個(gè)重要問(wèn)題是，橋梁在荷載作用下產(chǎn)生撓度及其他形變，這些因素對(duì)鋪裝層的力學(xué)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(fù)合路面的一個(gè)方面。

合理解決橋面鋪裝問(wèn)題需要從理論分析和結(jié)構(gòu)計(jì)算兩方面入手，正確的理論基礎(chǔ)是根本，合理的力學(xué)模型是關(guān)鍵。通過(guò)計(jì)算分析與實(shí)測(cè)對(duì)比，較好地解決如上述的接觸模型、荷載簡(jiǎn)化等問(wèn)題，搞清其它因素的影響；還要加強(qiáng)對(duì)模型尺寸及收斂條件的研究；在條件允許的情況下，加強(qiáng)對(duì)其動(dòng)力性能的研究。在分析鋪裝層破壞形式的基礎(chǔ)上，確定關(guān)鍵因素，提出控制指標(biāo)并建立相應(yīng)的破壞準(zhǔn)則，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)，要達(dá)到這一目標(biāo)需要做大量的基礎(chǔ)性研究工作。

五、結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)鋼筋混凝土橋柔性橋面鋪裝的早期病害及其原因進(jìn)行了分析與研究，總結(jié)了橋面鋪裝結(jié)構(gòu)分析的主要方法，提出了用有限元分析需要注意的一些問(wèn)題。當(dāng)務(wù)之急是加快對(duì)瀝青混凝土橋面鋪裝的進(jìn)一步研究，以明確橋面鋪裝層各結(jié)構(gòu)層計(jì)算模型、力學(xué)特性及相關(guān)參數(shù)，為橋面鋪裝的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)；同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)各鋪裝層材料的材料性能指標(biāo)和測(cè)試技術(shù)的研究，開(kāi)發(fā)適應(yīng)橋面破壞機(jī)理的新材料；另外，還要改進(jìn)鋪裝技術(shù)及提高施工質(zhì)量，保證設(shè)計(jì)模型的準(zhǔn)確性，從根本上解決橋面鋪裝早期損壞問(wèn)題。