王 虎, 韓 飛

(長安大學(xué) 理學(xué)院， 陜西 西安 710064)

大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋橋面鋪裝層技術(shù)研究現(xiàn)狀綜述

王 虎, 韓 飛

(長安大學(xué) 理學(xué)院， 陜西 西安 710064)

通過對(duì)國內(nèi)外大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋鋪裝層技術(shù)領(lǐng)域研究成果和發(fā)展趨勢(shì)的分析和總結(jié)，研究了設(shè)計(jì)缺陷，施工質(zhì)量以及交通荷載環(huán)境等因素對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋橋面鋪裝層耐久性的影響。針對(duì)鋪裝層病害的機(jī)理，主導(dǎo)原因和病害的分類方法以及鋪裝層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問題等進(jìn)行了較為全面的剖析。分析結(jié)果表明：連續(xù)剛構(gòu)橋橋面鋪裝的耐久性除了取決于鋪裝材料本身的強(qiáng)度和疲勞性能，更取決于鋪裝層結(jié)構(gòu)、材料與橋面板的適應(yīng)性；鋪裝層及橋面板的綜合設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量和工藝的保障是鋪裝層耐久性的關(guān)鍵；現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋橋面鋪裝層有限元計(jì)算尚有缺陷和不合理之處，為了給今后的工程實(shí)踐和相關(guān)規(guī)范提供更可靠的數(shù)據(jù)，應(yīng)對(duì)現(xiàn)有分析采用的有限元實(shí)體模型及其邊界條件進(jìn)行研究和完善。

橋梁工程；連續(xù)剛構(gòu)橋；橋面鋪裝；耐久性；有限元分析

0 引 言

“十二五”期間末，我國高速公路里程將達(dá)到10.8萬km[1]，伴隨著城市化建設(shè)和高速公路的迅猛發(fā)展，公路橋梁和城市立交橋的大量興建，截至2011年底,全國公路橋梁達(dá)68.94萬座,其中小跨徑公路橋梁以及城市橋梁在水泥混凝土橋中仍占有很大比例。在我國，連續(xù)剛構(gòu)橋在跨徑在100～200 m的水泥混凝土橋梁中被優(yōu)先選擇[2]，其特點(diǎn)是梁體連續(xù)、墩梁固結(jié)和橋墩為柔性。梁體連續(xù)和墩梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)形式使得連續(xù)剛構(gòu)橋既擁有連續(xù)梁橋無伸縮縫行車舒適平順的特點(diǎn)，又擁有T形剛構(gòu)橋不設(shè)支座，施工方便的優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。而在早期的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，規(guī)范僅從梁體的安全性和耐久性出發(fā)，將鋪裝層作為二期恒載施加在梁體上，而伴隨著交通運(yùn)輸量的激增，重型車輛、超載車輛的頻繁作用，加之施工與設(shè)計(jì)存在的缺陷，已致使橋梁整體結(jié)構(gòu)以及橋面鋪裝層局部皆發(fā)生了大量乃至災(zāi)難性的破壞。在20世紀(jì)，西方發(fā)達(dá)國家正處于大規(guī)模公路建設(shè)初期階段，正是由于對(duì)橋面鋪裝的重要性考慮欠佳，才于橋梁的后期使用過程中付出了沉重的維修養(yǎng)護(hù)代價(jià)[3]。目前許多學(xué)者已經(jīng)重視并開始對(duì)橋面鋪裝做出了研究，可調(diào)研重心偏向于鋼橋的鋪裝層：S.BILD等[4]，T.NISHIZAWA等[5]對(duì)鋼橋面瀝青鋪裝層進(jìn)行過較為深入的探索;A.R.MANGUS[6]通過對(duì)挪威、俄羅斯、瑞典等國家多座橋梁研究，發(fā)現(xiàn)混凝土橋低溫地區(qū)施工時(shí)存在一定的局限性，鋼橋面更加適應(yīng)于低溫地區(qū)。對(duì)于混凝土橋面的瀝青鋪裝層設(shè)計(jì)，國內(nèi)外多數(shù)沿用了瀝青路面設(shè)計(jì)理念，均缺乏針對(duì)性設(shè)計(jì)指南或規(guī)范。目前國內(nèi)對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋橋面鋪裝的研究成果相對(duì)較少,且未結(jié)合連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)變形特點(diǎn),只是針對(duì)橋梁局部鋪裝層或鋪裝材料進(jìn)行分析，對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋的橋面鋪裝幾乎不作專門的計(jì)算分析。筆者將針對(duì)現(xiàn)有關(guān)于連續(xù)剛構(gòu)橋橋面鋪裝的研究情況，主要從連續(xù)剛構(gòu)橋橋面鋪裝的應(yīng)用現(xiàn)況，病害類型及主導(dǎo)原因，現(xiàn)有鋪裝層有限元計(jì)算的主要方法和存在的問題等方面進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 連續(xù)剛構(gòu)橋面鋪裝應(yīng)用狀況

1.1 連續(xù)剛構(gòu)橋橋面瀝青鋪裝層主導(dǎo)病害類型

橋面鋪裝層能使橋面板免遭車輪或履帶直接磨耗，同時(shí)能夠良好的分散車輪的集中荷載，并與梁體共同承受彎矩和抵抗變形，起到了保護(hù)主梁、橋面板，防止鋼筋銹蝕的作用。橋面鋪裝技術(shù)問題已成為當(dāng)下公路建設(shè)技術(shù)的熱點(diǎn)，由于橋面鋪裝受力情況與一般路面不同[7]，隨著對(duì)橋面鋪裝層重視程度的增加，近年來，國內(nèi)外對(duì)橋面鋪裝層的研究已經(jīng)有了長足的進(jìn)步，但具體到設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)規(guī)范，檢測(cè)維修等方面尚存不足。在早期，國內(nèi)外通車后不久鋪裝層便出現(xiàn)病害，而維修費(fèi)用達(dá)新建費(fèi)用數(shù)倍的例子數(shù)見不鮮。事實(shí)上，混凝土橋面鋪裝病害的主要類型及其成因與橋梁結(jié)構(gòu)形式，所在地區(qū)，施工條件，設(shè)計(jì)水平等密不可分。美國的LTPP (瀝青路面長期性能研究)的瀝青路面損壞鑒別手冊(cè)(SHRP-P338,1993)[8]根據(jù)瀝青混凝土橋面鋪裝的破壞特點(diǎn)，歸納了五大類破壞類型，分別是開裂、補(bǔ)坑與坑槽、表面變形、表面缺陷以及其它混雜破壞。筆者根據(jù)連續(xù)剛構(gòu)橋面鋪裝的病害的成因?qū)⒉『w納為結(jié)構(gòu)固有特點(diǎn)導(dǎo)致、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)不足導(dǎo)致和施工原因?qū)е氯箢悺?/p>

1.2 病害的主要成因

1.2.1 結(jié)構(gòu)固有特點(diǎn)導(dǎo)致鋪裝層病害

由于連續(xù)剛構(gòu)橋是墩梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)獨(dú)特的受力變形特征決定了橋面鋪裝的受力特性，具體表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1)墩頂負(fù)彎矩區(qū)。由于橋墩與梁體固結(jié)，在車輛荷載和恒載等荷載共同作用下，連續(xù)剛構(gòu)橋負(fù)彎矩區(qū)會(huì)產(chǎn)生較大負(fù)彎矩，最大負(fù)彎矩會(huì)使墩頂區(qū)域的鋪裝層因受到長期反復(fù)的拉應(yīng)力而致使混凝土鋪裝層過度疲勞而開裂，從而產(chǎn)生裂縫[9]。同時(shí)由于主梁的橋面板和鋪裝層協(xié)同受力，負(fù)彎矩會(huì)使鋪裝層層間產(chǎn)生法向拉拔力，一旦層間黏結(jié)失效，將導(dǎo)致層間脫空等病害的產(chǎn)生。

2)梁體跨中下?lián)献冃?。在役連續(xù)剛構(gòu)橋在運(yùn)營期間，隨著混凝土的收縮徐變以及鋼筋預(yù)應(yīng)力損失的加劇，跨中梁段將下?lián)希率沽后w腹板斜裂縫產(chǎn)生，給鋪裝層帶來很不利的影響。

1.2.2 設(shè)計(jì)存在的缺陷

鋪裝層設(shè)計(jì)缺陷主要有兩類，一類是對(duì)材料的設(shè)計(jì)及選擇欠佳，另一類是對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)不足。

1)對(duì)材料的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)瀝青混合料與防水層材料的選擇，二者的選擇將直接決定鋪裝層的質(zhì)量。鋪裝層承受著復(fù)雜的作用，然而實(shí)際施工過程中，很少對(duì)相關(guān)材料做出理論實(shí)驗(yàn)研究，橋面鋪裝材料抗剝離性能差易導(dǎo)致水損壞，若瀝青混凝土材料過柔將出現(xiàn)車轍和擁包等病害，這些終將大大縮短鋪裝層的使用壽命[10]。

2)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)不足具體表現(xiàn)在：僅按照規(guī)范推薦的結(jié)構(gòu)與厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)。在鋪裝層投入使用初期，在橋墩及跨中處將出現(xiàn)橫向貫穿性裂縫等病害[9]；嘉陵江黃花園大橋下游半幅出現(xiàn)了裂縫，擁包，坑槽等病害，且破損情況不容樂觀，病害原因在于橋梁設(shè)計(jì)縱坡為2.5%，且車輛行駛速度緩慢，換擋減檔頻繁，導(dǎo)致車輛行駛過程中產(chǎn)生很大水平制動(dòng)力[11]，吳海軍等[12]以重慶渝宜高速，云陽—萬州段陳家溝大橋?yàn)槔唧w分析并得出結(jié)論：瀝青鋪裝層厚度和由厚度決定的梯度溫度對(duì)主梁受力影響顯著，瀝青鋪裝層厚度從5 cm增大到10 cm，每變化1 cm所引起的主梁上緣應(yīng)力變化值可達(dá)到活載應(yīng)力的30%～40%。由此可見結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中針對(duì)鋪裝層的厚度和梁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)予以足夠重視。

1.2.3 施工等其他原因

即使材料再卓越,設(shè)計(jì)再合理,如果沒有高質(zhì)量，嚴(yán)要求的施工，鋪裝層的耐久性就不會(huì)有強(qiáng)有力的保障。典型的施工質(zhì)量較差如橋面板的不平整及混凝土強(qiáng)度不夠，這些都將導(dǎo)致在鋪設(shè)瀝青混凝土鋪裝層前，就有裂縫或微裂縫出現(xiàn)在橋面板，這些病害已經(jīng)在京秦高速公路大石河橋上發(fā)生過[13]。

1)施工質(zhì)量不過關(guān)。部分施工單位在防水黏結(jié)層施工前，橋面板混凝土泥漿、雜物過多，沒有沖洗徹底，橋面板頂板的鑿毛拉槽未達(dá)到要求。另外在施工過程中，工藝欠佳將導(dǎo)致橋面板標(biāo)高與設(shè)計(jì)值偏大，進(jìn)而造成橋面板水泥混凝土澆筑厚度過高或偏小。橋面鋪裝層施工階段，瀝青混凝土的質(zhì)量無法控制在較為理想的水平，常伴隨的施工的缺陷有瀝青拌合料溫度的偏高或偏低，碾壓工藝混亂等。此類不規(guī)范的施工對(duì)鋪裝層的整體性能影響很大，對(duì)后期病害的發(fā)生埋下了禍根。

2)對(duì)日常養(yǎng)護(hù)的不重視。對(duì)鋪裝層早期的微裂縫未及時(shí)灌縫修補(bǔ)等，被雜物堵住的泄水管未及時(shí)清理致使橋面積水無法及時(shí)排除[14]。日常養(yǎng)護(hù)直接決定鋪裝層的耐久性。

1.3 連續(xù)剛構(gòu)橋橋面鋪裝病害的基本類型

總體上看，混凝土橋面瀝青鋪裝層病害有別于瀝青路面破壞特點(diǎn)的是：瀝青混凝土鋪裝層很容易發(fā)生剪切破壞：李明國[15]曾在廣東省做過調(diào)查研究，在所調(diào)查的87座混凝土橋梁當(dāng)中，鋪裝層病害的78.1%是車轍、推移、擁包等病害；郭渭彬[16]對(duì)佛山大橋14 925 m2的鋪裝層進(jìn)行調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)瀝青鋪裝層典型病害是車轍、推移、擁包。董玲云[10]等通過綜合比選，通過調(diào)查分析7座在重慶具有代表性的大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋，其主跨均為160 m以上，對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋橋面鋪裝病害主要形式及分布做出了詳細(xì)研究：

1)裂縫類：鋪裝層裂縫主要分為橫向裂縫、縱向裂縫、網(wǎng)狀裂縫、龜裂、推移裂縫等。裂縫一旦形成，鋪裝層的防水性能將大大減小，加劇了鋪裝層的破壞，嚴(yán)重的還會(huì)使鋼筋網(wǎng)銹蝕、黏結(jié)層失效等。連續(xù)剛構(gòu)橋鋪裝層裂縫的產(chǎn)生是由于跨中與橋墩部位的拉應(yīng)力、超載車輛及溫度荷載的綜合作用。重慶長江大橋復(fù)線橋的主要鋪裝層破壞是裂縫和松散類破壞，而裂縫類是主要病害。調(diào)查發(fā)現(xiàn)該橋裂縫中，橫向裂縫有48條，58.3%的橫縫集中在橋墩處；跨中橫向裂縫有12條占了總數(shù)的25%。嘉陵江黃花園大橋下游半幅病害調(diào)查發(fā)現(xiàn)：該橋裂縫有43處，占總病害數(shù)量的53.1%，而裂縫的60%是橫向裂縫。裂縫病害如圖1。

圖1 裂縫類病害Fig.1 Crack disease

2)變形類：主要類型有車轍，擁包以及波浪等。由于瀝青混凝土的塑性流動(dòng)特性，瀝青鋪裝層往往產(chǎn)生推移破壞，其表現(xiàn)形式為橫跨瀝青表面起伏的波浪。擁包即表層鋪裝的局部隆起，此類破壞是由車輛水平制動(dòng)力和輪壓綜合引起的，破壞原因是結(jié)構(gòu)層內(nèi)材料剪應(yīng)力超限。魚洞長江大橋上游半幅車轍長度明顯較長，最大車轍處有20余m，擁包較多，且擁包間距較其他橋梁明顯減小。車轍現(xiàn)象變形破壞嚴(yán)重，且主要分布在輪跡附近。變形類病害如圖2。

圖2 變形類病害Fig.2 Deformation disease

3)橋面防水黏結(jié)層破壞：鋪裝層防水層黏結(jié)失效破壞是橋面鋪裝破壞的主要類型之一，鋪裝層和橋面板，以及混凝土找平層與瀝青混凝土鋪裝層之間依靠黏結(jié)力保證協(xié)同工作。黏結(jié)層的完好能改善橋面鋪裝層受力條件，減少層內(nèi)應(yīng)力，一旦黏結(jié)層失效，橋面鋪裝層將會(huì)出現(xiàn)滑移和脫落。其病害見圖3。

圖3 橋面防水黏結(jié)層破壞Fig.3 Damage of the deck waterproof layer

4)接縫類：橋面鋪裝層維護(hù)修補(bǔ)處理欠佳，維修后新舊鋪裝材料相接處裂縫、坑槽等病害出現(xiàn)較多。另外橋頭跳車現(xiàn)象產(chǎn)生的劇烈跳動(dòng)，豎向沖擊力過大同樣會(huì)導(dǎo)致接縫類破壞。此類病害如圖4。

圖4 接縫類破壞Fig.4 Hinge joints damage

1.4 小 結(jié)

針對(duì)現(xiàn)役連續(xù)剛構(gòu)橋橋面鋪裝應(yīng)用現(xiàn)狀，從設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)不足、施工因素、環(huán)境及養(yǎng)護(hù)方面，結(jié)合工程實(shí)例分析了病害產(chǎn)生的主導(dǎo)原因。就橋面鋪裝病害的特性進(jìn)行分類?？梢钥闯觯B續(xù)剛構(gòu)橋橋面鋪裝的病害主要集中于橋墩區(qū)域和跨中區(qū)域，橋墩處由于梁體的收縮徐變易產(chǎn)生橫向裂縫；其他部位的病害主要由于層間黏結(jié)性能差，多表現(xiàn)為滑移，脫層擁包等剪切破壞，另外防水黏結(jié)材料黏結(jié)效果差也會(huì)導(dǎo)致鋪裝層黏結(jié)失效而破壞

2 有連續(xù)剛構(gòu)橋橋面鋪裝有限元計(jì)算的方法和結(jié)論

由于鋪裝層直接承受車輛荷載，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，鋪裝層病害往往發(fā)生在車輪接觸面附近，且鋪裝層結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力情況復(fù)雜，用空間梁理論無法準(zhǔn)確分析鋪裝層的受力情況。故而必須對(duì)鋪裝層及梁體共同建立空間實(shí)體模型。

臧繼成等[17]研究了調(diào)平層厚度及超載對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋橋面鋪裝層內(nèi)應(yīng)力影響規(guī)律。筆者以綦江大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，該橋橋面鋪裝設(shè)計(jì)為5 cm厚C40混凝土調(diào)平層+5 cm瀝青混凝土面層。筆者首先建立全橋模型，得出全橋受力特點(diǎn)，然后針對(duì)中跨L/2附近20 m的梁段建立局部模型，對(duì)鋪裝層的最大拉壓應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。局部分析采用ABAQUS軟件計(jì)算，荷載采用由空間桿系結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果。混凝土材料用三維八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼筋用桁架單元模擬，預(yù)應(yīng)力采用降溫法施加，邊界條件處理方式為：將梁段一端截面固結(jié)，另一端假定為平截面變形，即生成剛性域，然后于中性軸處施加由整理模型求出的最不利荷載(彎矩，軸力以及剪力)。通過模擬分析超載以及混凝土墊層厚度對(duì)鋪裝層內(nèi)應(yīng)力分布影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：①車輛超載會(huì)致使鋪裝層內(nèi)各項(xiàng)應(yīng)力增大，容易導(dǎo)致鋪裝層發(fā)生剪切和開裂破壞；②在設(shè)置混凝土調(diào)平層的橋面鋪裝層中，調(diào)平層厚度直接影響鋪裝層內(nèi)應(yīng)力分布，調(diào)平層厚度在局部施工界面存在缺陷時(shí)不宜過薄，考慮經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性，混凝土調(diào)平層厚度不宜低于8 cm。

吳海軍等[12]結(jié)合實(shí)例研究了鋪裝層厚度對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋主梁溫度梯度應(yīng)力的影響，指出瀝青鋪裝層厚度是影響主梁梯度溫度效應(yīng)的主要因素。結(jié)果表明瀝青混凝土鋪裝層厚對(duì)主梁受到的溫度應(yīng)力影響顯著，瀝青混凝土厚度為5 cm時(shí)，溫差對(duì)主梁上緣應(yīng)力的影響明顯大于汽車荷載影響；瀝青鋪裝層厚度每變化1 cm時(shí)，其導(dǎo)致的主梁上緣壓應(yīng)力變化值可達(dá)到活載應(yīng)力的30%～40%；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可通過適當(dāng)調(diào)整瀝青鋪裝層厚度來改善主梁應(yīng)力狀態(tài)。

余濤等[18]研究了大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋收縮徐變對(duì)橋面鋪裝應(yīng)力的影響。以涇河特大橋?yàn)閷?shí)例，首先用MIDAS/Civil軟件建立全橋整體模型，計(jì)算得到不同時(shí)間的收縮徐變值，提取出局部模型計(jì)算截面節(jié)點(diǎn)處的徐變值。再運(yùn)用ANSYS對(duì)橋墩和跨中區(qū)域進(jìn)行局部建模分析，局部模型的邊界條件用位移法模擬：先在局部模型的斷面節(jié)點(diǎn)上建立質(zhì)量單元，再將斷面上的所有節(jié)點(diǎn)與質(zhì)量單元用剛臂連接從而形成剛性面，再將從MIDAS/Civil提取出來的計(jì)算截面節(jié)點(diǎn)處的主要徐變值當(dāng)做位移邊界條件施加于質(zhì)量單元。分析結(jié)果表明：①收縮徐變?cè)阡佈b層內(nèi)產(chǎn)生的剪應(yīng)力相對(duì)較小，而對(duì)縱橋向拉應(yīng)力影響較明顯，橋墩處鋪裝層使用半年后，鋪裝層內(nèi)縱橋向拉應(yīng)力可達(dá)0.905 MPa，極易導(dǎo)致橫橋向裂縫產(chǎn)生；②收縮徐變對(duì)橋墩處鋪裝層內(nèi)拉應(yīng)力影響較大，相比橋墩處的應(yīng)力，收縮徐變對(duì)跨中鋪裝層應(yīng)力貢獻(xiàn)很小。

劉小燕等[19]采用線性徐變理論進(jìn)行混凝土徐變效應(yīng)分析，編制徐變效應(yīng)分析的平面有限元程序，對(duì)橋梁各工況下的撓度y(x)進(jìn)行計(jì)算，再根據(jù)鋪裝層到截面中性軸的距離h(x)，利用Mathematica數(shù)學(xué)軟件擬合徐變變形曲線，得到曲線y(x)和函數(shù)h(x)的關(guān)系式，進(jìn)而利用材料力學(xué)理論得到鋪裝層的正應(yīng)力和層間剪應(yīng)力。

郭祥[20]研究了連續(xù)剛構(gòu)橋橋面鋪裝在超載作用下，瀝青混凝土鋪裝層的應(yīng)力分布規(guī)律。文中同樣先采用MIDAS/civil先建立全橋模型，然后利用影響線加載求出最不利荷載位置(跨中和墩頂截面)的內(nèi)力，不同于文獻(xiàn)[17]的是在局部模型邊界處理上，郭祥[20]對(duì)模型一端斷面固結(jié)，另一端沒有生成剛性面，而是用靜力等效的原理，將從整體模型截面提取出來的彎矩、軸力、剪力平均分配到鋪裝層每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上。通過對(duì)單列、雙列和三列車加載的情況分別計(jì)算并得到橋面鋪裝層面層最大彎沉、最大拉應(yīng)力和層間剪應(yīng)力。結(jié)果表明隨著超載水平增加，順橋向拉應(yīng)力超過容許拉應(yīng)力極限，橫橋向拉應(yīng)力也將于超載30%后超限。而最大彎沉值會(huì)隨著超載程度增大而增大但在容許范圍內(nèi)。羅君等[21]針對(duì)有施工縫缺陷和鋪裝層與橋面板接觸界面有黏結(jié)缺陷的連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行局部建模分析，研究了鋪裝層有施工缺陷時(shí)的受力情況及界面黏結(jié)情況對(duì)鋪裝層間剪應(yīng)力及拉應(yīng)力的分布情況。荷載選取單輛重車，主要分析鋪裝層有缺陷部位附近的應(yīng)力分布情況。局部建模時(shí)選取長方形實(shí)體，將模型下邊界固定約束以表示主梁受到的約束作用，有限元模型如圖5。文章指出這樣簡(jiǎn)化邊界條件雖與實(shí)際不符，但這樣模擬對(duì)缺陷部位附近的應(yīng)力影響不大。和無施工缺陷時(shí)對(duì)比表明：在鋪裝層有施工縫時(shí)，在汽車荷載下會(huì)產(chǎn)生較大層間剪應(yīng)力，同時(shí)橫向和縱向的拉應(yīng)力也較大，容易發(fā)生剪切破壞和混凝土開裂。為了防止施工缺陷的產(chǎn)生，鋪裝層墊層施工時(shí)，應(yīng)盡量將施工縱縫預(yù)留在遠(yuǎn)離中線的位置，靠近兩邊的護(hù)欄，避免橋面中線出現(xiàn)施工縫的薄弱層。

圖5 有限元模型(cm)Fig.5 Finite element model

3 現(xiàn)有有限元計(jì)算過程中存在的問題及建議

臧繼成等[17]，余濤等[18]計(jì)算時(shí)均先采用MIDAS/Civil建立全橋模型，然后整體計(jì)算，提取出關(guān)注荷載作用下，局部模型計(jì)算截面節(jié)點(diǎn)處的內(nèi)力和變形，然后將局部模型的邊界斷面一端固接，另一端截面所有節(jié)點(diǎn)和質(zhì)量單元通過剛臂連接形成剛性面，最后在質(zhì)量單元上施加力的邊界條件或位移邊界條件。雖然文獻(xiàn)中指出，根據(jù)圣維南原理，邊界條件只對(duì)邊界一定范圍內(nèi)的應(yīng)力分布有影響，但是在局部分析時(shí)下存在以下問題：①在細(xì)部分析時(shí)，箱梁和鋪裝層端面上不同節(jié)點(diǎn)的受力情況復(fù)雜且差別很大，單獨(dú)施加力的邊界條件或位移邊界條件都是欠妥當(dāng)?shù)?；②邊界條件的剛性化會(huì)對(duì)模型內(nèi)部產(chǎn)生約束應(yīng)力，尤其是對(duì)較柔的瀝青混凝土鋪裝層內(nèi)部的應(yīng)力影響更大。邊界條件的簡(jiǎn)化對(duì)鋪裝層局部應(yīng)力分析影響到底有多大，為滿足結(jié)果的可靠度，局部模型縱橋向尺寸究竟取多少合適，文獻(xiàn)中并未做具體分析；③在局部模型計(jì)算截面節(jié)點(diǎn)處施加整體模型對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力時(shí)，只施加了縱向彎曲時(shí)的軸力、剪力和彎矩3個(gè)內(nèi)力作為邊界條件，未考慮箱梁在偏載作用下橫向彎矩和扭矩對(duì)鋪裝層結(jié)構(gòu)的影響情況。筆者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)更加真實(shí)的施加邊界條件，或者在計(jì)算分析前，先建立典型模型，對(duì)比簡(jiǎn)化邊界條件后的模型和真實(shí)模型在關(guān)鍵位置處的計(jì)算結(jié)果，對(duì)邊界條件簡(jiǎn)化的可行性做詳細(xì)分析。

吳海軍等[12]只分析了鋪裝層厚度對(duì)主梁溫度應(yīng)力的影響情況，尚未對(duì)厚度變化對(duì)鋪裝層內(nèi)部的溫度應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行討論。橋面鋪裝層的溫度場(chǎng)是隨時(shí)間和空間變化的場(chǎng)函數(shù),要準(zhǔn)確分析瀝青混凝土鋪裝層的溫度應(yīng)力需要更加詳盡的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并準(zhǔn)確到賦予到模型當(dāng)中。

余濤等[18]忽略了鋪裝層的收縮徐變并假設(shè)鋪裝層和橋梁體位移邊界條件相同，然而鋪裝層材料自身的收縮徐變對(duì)鋪裝材料內(nèi)部各項(xiàng)應(yīng)力的影響更為重要，將其與梁體的收縮徐變剝離開來討論又欠妥當(dāng)。另外，瀝青鋪裝層與墊層和梁體的模量相差很大，鋪裝層的拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力大小都與彈性模量成正比，將整個(gè)斷面剛性化后很難準(zhǔn)確得出鋪裝層和橋面板接觸面間的剪切應(yīng)力。

文獻(xiàn)[19]較文獻(xiàn)[18]在邊界條件處理上較為合理，考慮到了鋪裝層徐變?cè)诤穸确较蛏系淖兓闆r，而不是將鋪裝層與橋梁體施加同一位移邊界條件，不足之處在于文獻(xiàn)[19]采用的計(jì)算理論只能求出鋪裝層縱向正應(yīng)力和縱橋向剪應(yīng)力，無法計(jì)算接觸層間的橫向剪應(yīng)力以及鋪裝層層間的豎向拉拔力。文獻(xiàn)[19]的計(jì)算理論無法考慮超載車輛的偏載效應(yīng)以及車輪荷載作用下的局部效應(yīng)，而箱梁在偏載作用下截面同時(shí)會(huì)產(chǎn)生縱向彎曲、剛性扭轉(zhuǎn)、畸變和橫向撓曲，橫橋向的正應(yīng)力和剪應(yīng)力超限引起的鋪裝層病害不容忽視，所以在進(jìn)行鋪裝層應(yīng)力分析時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮偏載的影響。由于輪載作用下局部效應(yīng)明顯，所以筆者認(rèn)為應(yīng)同時(shí)對(duì)橫向受力情況以及局部效應(yīng)予以考慮。

4 結(jié) 論

筆者對(duì)國內(nèi)外大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋面鋪裝的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了較為全面的研究分析，對(duì)現(xiàn)有計(jì)算模型及邊界條件的處理存在的問題提出了改進(jìn)的建議，主要得出以下結(jié)論：

1)連續(xù)剛構(gòu)橋橋面鋪裝病害成因不僅于材料自身強(qiáng)度有關(guān)，與設(shè)計(jì)方面存在的問題、施工工藝和質(zhì)量、交通及環(huán)境因素等密不可分。

2)采用局部有限元建模分析鋪裝層受力時(shí)，箱梁和鋪裝層端面上不同節(jié)點(diǎn)的受力情況復(fù)雜且差別很大，單獨(dú)施加力的邊界條件或位移邊界條件都是欠妥當(dāng)?shù)?，邊界條件的剛性化會(huì)對(duì)模型內(nèi)部產(chǎn)生約束應(yīng)力，尤其是對(duì)較柔的瀝青混凝土鋪裝層內(nèi)部的應(yīng)力影響更大。應(yīng)于計(jì)算分析前，先建立典型模型，對(duì)比簡(jiǎn)化邊界條件后的模型和真實(shí)模型在關(guān)鍵位置處的計(jì)算結(jié)果，確定簡(jiǎn)化模型的可行性。

3)將梁體的收縮性徐變引起的應(yīng)力值作為邊界條件施加在鋪裝層上，近似假設(shè)橋面板和鋪裝層位移邊界條件相同，很難準(zhǔn)確得出收縮徐變影響下鋪裝層和橋面板的層間應(yīng)力。此時(shí)應(yīng)將邊界條件細(xì)化，不同結(jié)構(gòu)層施加相應(yīng)的邊界條件。

[1] 余濤， 喬墩， 何兆益. “十二五”期間西部高等級(jí)公路建設(shè)面臨的機(jī)遇和瓶頸[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2010,10(4):11-14 . YU Tao, QIAO Dun, HE Zhaoyi. Opportunities and bottlenecks of construction of high-grade highways in west China during twelfth five-year period [J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(SocialScience), 2010,10(4): 11-14.

[2] 高雪池，黃曉明，許濤.大跨徑橋梁瀝青混凝土橋面鋪裝層力學(xué)分析[J].公路交通科技. 2005,22(1):70-72. GAO Xuechi, HUANG Xiaoming, XU Tao. Mechanical analysis of long-span concrete bridge asphalt concrete deck [J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment, 2005, 22(1): 70-72.

[3] 陳冰. 高墩大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋施工控制研究[D].北京:北京建筑工程學(xué)院,2008 CHEN Bing.ConstructionControlStudiesofLong-SpanPrestressedConcreteContinuousRigidFrameBridgeWithHighPier[D]. Beijing: Beijing University of Civil Engineering and Architecture, 2008.

[4] BILD S. Durability design criteria for bituminous pavements on orthotropic steel bridge decks [J].CanadianJournalofCivilEngineering, 1987, 14(1):41-48.

[5] NISHIZAWA T, HIMENO K, NOMURA K, et, al. Development of a new structural model with prism and strip elements for pavements on steel bridge decks [J].TheInternationalJournalofGeomechanics, 2001, 1(3): 351-369.

[6] MANGUS A R. Orthotropic design meets cold weather challenges: an overview of orthotropic steel deck bridges in cold regions [J].WeldingInnovation, 2002, 19(1): 1-7.

[7] 徐濤. 大跨徑混凝土橋梁橋面鋪裝結(jié)構(gòu)研究[D]. 南京: 南京大學(xué),2003 XU Tao.StudyofLong-SpanConcreteBridgeDeckPavement[D]. Nanjing: Nanjing University,2003.

[8] KELLY L Smith.ARussellRomine,MaterialsandProceduresforSealingandFillingCracksinAsphaltSurfacedPavements[R]. McLean: U.S. Department of Transportation,1999.

[9] 張健偉. 橋面鋪裝在墩頂負(fù)彎矩處出現(xiàn)病害的原因分析與對(duì)策[J]. 內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸,2014(2):64-66. ZHANG Jianwei. The analysis and measures to the diseases of pavement at the top of pier [J].Highways&TransportationinLnnerMongolia,2014(2):64-66 .

[10] 董玲云， 何兆益， 余濤. 連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)r青混凝土橋面鋪裝病害調(diào)查與分析[J].西部交通科技,2011,52(11):38-41. DONG Lingyun, HE Zhaoyi, YU Tao. Analysis and investigation on the defects of continuous steel bridge asphalt concrete surface decoration layer [J].WesternChinaCommunicationsScience&Technology,2011,52(11):38-41.

[11] 余濤. 大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋橋面鋪裝受力分析與合理結(jié)構(gòu)研究[D].重慶：重慶交通大學(xué),2012. YU Tao.StressAnalysisandReasonableStructureStudyonAsphaltConcreteDeckPavementofLargeSpanContinuousRigidFrameBridge[D].Chongqing: Chongqing Jiaotong University,2012.

[12] 吳海軍，張雷，陸萍，等. 瀝青鋪裝層厚度對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋主梁溫度梯度應(yīng)力的影響[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,30(1):4-8. WU Haijun, ZHANG Lei, LU Ping, et al. Effect of asphalt bridge deck pavement depth on beam temperature gradient stress of continuous rigid frame bridges [J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2011,30(1):4-8.

[13] 郭素軍. 京秦高速公路混凝土橋面鋪裝病害成因及維修措施[J].交通世界, 2009(15): 74-75. GUO Sujun. Concrete pavement failures and repair measures of Jingqin Highway [J].TransportWorld,2009(15):74-75.

[14] 于穎. 水泥混凝土橋橋面鋪裝受力機(jī)理分析[D]．重慶:重慶交通大學(xué),2004. YU Ying.MechanicsAnalysisofConcreteBridgeDeckPavement[D]. Chongqing: Chongqing Jiaotong University,2004.

[15] 李明國. 混凝土橋梁瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)分析與材料優(yōu)化研究[D].西安:長安大學(xué)，2010. LI Mingguo.StructureAnalysisandMaterialOptimizationforConcreteBeamBidgeAsphaltMixtureDeck[D]. Xi’an: Chang’an University, 2010.

[16] 郭渭彬.佛山大橋(舊橋)橋面鋪裝病害及其改建技術(shù)[J].廣東公路交通, 1996(4):14-17. GUO Weibin. Deck pavement failure and rebuilt technology of Foshan Bridge [J].GuangdongHighwayCommunications,1996(4):14-17.

[17] 臧繼成， 潘正華，羅君，等. 超載及調(diào)平層厚度對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋_橋面鋪裝層受力的影晌[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,32(6):1137-1140. ZANG Jicheng, PAN Zhenghua, LUO Jun, et al. Effect of overloading and the leveling layer thickness on deck pavement stress of continuous rigid frame bridge [J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2013,32(6):1137-1140.

[18] 余濤，何兆益，陳旭，等. 連續(xù)剛構(gòu)橋收縮徐變對(duì)橋面鋪裝應(yīng)力的影響[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012, 31(5): 919-923. YU Tao, HE Zhaoyi, CHEN Xu, et al. Stress analyses on bridge deck pavement of continuous rigid frame bridge with shrinkage and creep [J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2012,31(5):919-923.

[19] 劉小燕， 王光輝， 韋成龍，等. 大跨度橋梁混凝土收縮徐變對(duì)橋面鋪裝受力的影響分析[J]. 中外公路,2006,26(3):141-143. LIU Xiaoyan, WANG Guanghui, WEI Chenglong, et al. Stress analyses on bridge deck pavement of long-span concrete bridge with shrinkage and creep [J].JournalofChina&ForeignHighway,2006,26(3):141-143.

[20] 郭祥. 連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)r青混凝土橋面鋪裝線性及非線性受力分析特性分析[D].北京:北京交通大學(xué),2014. GUO Xiang.LinearandNonlinearMechanicalAnalysisonAsphaltConcreteBridgeDeckPavementofContinuousRigidFrameBridge[D].Beijing: Beijing Jiaotong University,2014.

[21] 羅君,黃小良,潘正華,等. 橋面鋪裝施工缺陷對(duì)鋪裝層受力的影響[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,33(3):22-26. LUO Jun, HUANG Xiaoliang, PAN Zhenghua, et al. Mechanical influence of bridge pavement construction defects on deck pavement [J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2014,33(3):22-26.

Literature Review of Research Status of Deck Pavement Technology of Long-Span Continuous Rigid Frame Bridge

WANG Hu, HAN Fei

(School of Science, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, P.R.China)

Through the analysis and summary of research status and development trend of deck pavement technology of long-span continuous rigid frame bridge deck pavement at home and abroad, the influence of factors such as design flaw, constructional quality and traffic load on the durability of continuous rigid frame bridge deck pavement was studied. Aiming at the mechanism of the deck pavement disease, the cause of disease, the classification method of disease and the structure deficiency in the deck pavement design were comprehensively analyzed. The analysis results show that: the durability of continuous rigid frame bridge deck pavement not only depends on the strength and fatigue performance of pavement material, but also on the pavement structure, the material and the adaptability of the bridge deck. The integrated design of pavement and bridge deck, construction quality and craft are the guarantee of deck pavement durability. Besides, the finite element calculation of continuous rigid frame bridge deck pavement still has some imperfection and unreasonableness in current literatures. In order to provide more credible data for the future engineering practice and the relevant standard, the proposed finite element model and its boundary conditions should be studied and improved.

bridge engineering; continuous rigid frame bridge; deck pavement; durability; finite element analysis

2015-03-10；

2015-07-01

陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013GM7002)

王 虎(1959—)，男，陜西興平人，教授，工學(xué)博士，主要從事橋梁與道路工程方面的研究。E-mail：19509256@qq.com。

韓 飛(1991—)，男，陜西西安人，碩士研究生，主要從事橋梁與道路工程方面的研究。E-mail：67463368@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.01.04

U443.+33

A

1674-0696(2016)01-016-06