瀝青混凝土橋面鋪裝早期病害原因分析
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| 摘 要：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。在總結(jié)當(dāng)前國(guó)內(nèi)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)分析主要方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析。提出了用有限元進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)。需要重點(diǎn)研究的幾個(gè)問(wèn)題，指出了今后主要的研究方向。 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 1 概述 橋面鋪裝層直接承受行車(chē)荷載、梁體變形和環(huán)境因素的作用，其變形和應(yīng)力特征與主梁及橋面板結(jié)構(gòu)型式密切相關(guān)，一方面可分散荷載并參與橋面板的受力，另一方面起聯(lián)結(jié)各主梁共同受力的作用；既是橋面保護(hù)層又是橋面結(jié)構(gòu)的共同受力層，所以具有足夠的強(qiáng)度和良好的整體性，并具有足夠的抗裂、抗沖擊、耐磨性能。 近年來(lái)我國(guó)公路橋梁建設(shè)快速發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)不斷創(chuàng)新，大跨橋梁已很普遍，但橋面鋪裝的設(shè)計(jì)與施工仍沿用傳統(tǒng)的習(xí)慣做法。在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)橋面鋪裝層一般不作專(zhuān)門(mén)的計(jì)算分析。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。近年來(lái)，人們對(duì)于因橋面鋪裝問(wèn)題造成的直接和間接的經(jīng)濟(jì)損失給予了足夠的重視。橋面鋪裝的早期損壞已成為影響高速公路使用功能的發(fā)揮和誘發(fā)交通事故的一大病害。 橋面柔性鋪裝能大大緩和行車(chē)對(duì)橋面板的沖擊，較易達(dá)到運(yùn)營(yíng)中平穩(wěn)舒適的要求。隨著瀝青材料性能的改進(jìn)，應(yīng)用將更加廣泛。但現(xiàn)行規(guī)范對(duì)瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要從所用材料、做法及厚度等方面作了指導(dǎo)性的說(shuō)明，關(guān)于具體的設(shè)計(jì)理論與方法還是空白，鋪裝層的設(shè)計(jì)無(wú)章可循。這就造成了在實(shí)際設(shè)計(jì)中，橋面鋪裝層只作為橋梁工程的附屬結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)者對(duì)其甚少花費(fèi)精力。從而為橋面鋪裝的早期損壞埋下了隱患。因此，應(yīng)加快對(duì)橋面鋪裝，特別是結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理和設(shè)計(jì)理論方面的研究。 2 破壞形式 瀝青混凝土橋面鋪裝與正常路面和水泥混凝土橋面鋪裝相比，損壞形式有所不同。主要有：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。 歐美自20世紀(jì)70年代以來(lái)在橋面鋪裝中廣泛使用防水層，隨著交通量的增加，出現(xiàn)了一些新問(wèn)題，如面層的早期破損、開(kāi)裂、坑槽、防水層與面層和橋面粘結(jié)強(qiáng)度不足而產(chǎn)生推移等病害。近年來(lái)。在我國(guó)的部分地區(qū)如北京、天津等地的橋面防水層也出現(xiàn)了相應(yīng)的病害。設(shè)防水層的水泥混凝土橋橋面瀝青混凝土鋪裝在行車(chē)荷載作用下的破壞形式一般為剪切破壞。常表現(xiàn)為擁包和推移現(xiàn)象。剪切破壞有兩種情況：一是橋面鋼筋混凝土模量遠(yuǎn)大于瀝青混凝土和防水層的模量，加之瀝青混凝土層厚度較薄，瀝青層內(nèi)產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力而引起的無(wú)確定破壞面的剪切變形；二是防水層與瀝青混凝土面層和橋面層間粘結(jié)力不足而發(fā)生剪切破壞。因此，剪切破壞是設(shè)防水層的水泥混凝土橋面瀝青混凝土鋪裝損壞的主要原因，故在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)基于兩種形式的剪切破壞分別加以計(jì)算分析。 3 病害分析 3．1 結(jié)構(gòu)理論與設(shè)計(jì) 橋梁的結(jié)構(gòu)理論中對(duì)橋面鋪裝層的計(jì)算分析論述幾近于零，現(xiàn)行規(guī)范中只給定了厚度的推薦值，工程界一直在各等級(jí)的公路中運(yùn)用了幾十年。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。 現(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[9]。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。導(dǎo)致按T 梁設(shè)計(jì)的箱梁骨架鋼筋在實(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。 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。 在對(duì)高速公路進(jìn)行交通組織管理中，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。特別是隨著私營(yíng)運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展。貨運(yùn)業(yè)主為追求短期經(jīng)濟(jì)利益。通過(guò)改變車(chē)廂結(jié)構(gòu)如加長(zhǎng)車(chē)廂和加高車(chē)軸彈簧等使汽車(chē)的載重、軸重及輪載成倍增加。這些車(chē)輛對(duì)鋪裝層具有嚴(yán)重的毀壞作用。并使橋梁結(jié)構(gòu)局部超載。加快了主車(chē)道鋪裝層的病害發(fā)展。因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)運(yùn)營(yíng)中車(chē)輛荷載的實(shí)際分布情況。在明確了橋梁結(jié)構(gòu)受力的基礎(chǔ)上。對(duì)橋面鋪裝層進(jìn)行受力計(jì)算。 3．2 施工工藝 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)?；蛴捎谑┕すに嚳刂魄芳选Ｊ┕ぶ兄髁喉斆鏄?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。使有的地方厚度小。 梁頂清理不利。造成鋪裝層與主梁結(jié)合欠佳。 3．3 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)按模量形成剛一柔一剛的板體受力體系，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。另外，防水層的使用使鋪裝層發(fā)生剪切破壞的機(jī)率大大提高。 3．4 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。 4 橋面鋪裝設(shè)計(jì)方法的討論 目前關(guān)于橋面鋪裝的研究還很不成熟。并且現(xiàn)有研究主要集中在材料設(shè)計(jì)和鋪裝技術(shù)等方面．而 關(guān)于理論分析和結(jié)構(gòu)計(jì)算的研究很少。羅立峰[5]等人將橋面板簡(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)。張占軍 [8.10]等人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。另外，還結(jié)合防水層、平整度、施工工藝和車(chē)轍指標(biāo)的要求，提出了橋面瀝青鋪裝層厚度的計(jì)算方法。張占軍[11]等人用有限元的方法法對(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)，也是此課題今后要重點(diǎn)研究的一個(gè)方面。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)方面急需探討。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。胡長(zhǎng)順[12]等人在進(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。黃曉明[13]和劉玉榮[14]等人分別在對(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Goodman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，將它運(yùn)用于夾層即為夾層單元。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，有的學(xué)者將其簡(jiǎn)化為一種接觸條件來(lái)處理，黃曉明[15]副和黃衛(wèi)[16]引等人在對(duì)設(shè)有防水層的鋼橋橋面鋪裝層進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，同樣采用了無(wú)厚度的Goodman夾層單元來(lái)模擬防水層的作用。夾層單元與相鄰的夾層單元或鋪裝體單元之間，只有結(jié)點(diǎn)處有力的聯(lián)系。張占軍等人在文獻(xiàn)[11]里在計(jì)算水泥混凝土橋?yàn)r青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)的層間剪應(yīng)力時(shí)考慮了防水層厚度。胡長(zhǎng)順[17]等人在利用有限元法對(duì)有裂縫夾層的舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層進(jìn)行力學(xué)計(jì)算時(shí)，對(duì)有一定厚度的夾層直接使用三維等參元?jiǎng)澐謫卧?，而?duì)于土工織物這一類(lèi)的無(wú)厚度夾層，則根據(jù)薄膜問(wèn)題的物理方程與幾何方程推導(dǎo)4結(jié)點(diǎn)矩形單元，建立單元?jiǎng)偠染仃嚕M(jìn)行力學(xué)分析。 總之，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。文獻(xiàn)[8.10.11]中在計(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一100。P=0．7MP，δ=10．65cm，水平荷載與垂直荷載同時(shí)考慮。黃曉明在文獻(xiàn)[15]中，則對(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。只有將橋梁結(jié)構(gòu)分析和路面理論結(jié)合起來(lái)，才能較好的解決這一問(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)生撓度及其它形變，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。目前。國(guó)內(nèi)還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)這方面的討論。 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。較好的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。 5 小結(jié) 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)了當(dāng)前國(guó)內(nèi)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，指出了今后主要的研究方向。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。 [參考文獻(xiàn)] [1] 趙滿，梅琪，趙庭耀．混凝土橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工[J]．東北公路，2000，23(3)：63～65． [2] 涂常衛(wèi)，黎增豐，凌子如．混凝土橋面鋪裝病害與設(shè)計(jì)和施工的關(guān)系淺析[J]．公路，1999， (2)：17-22． [3] 凌堅(jiān)，李志能．對(duì)橋面裂縫及鋪裝層破壞的討論[J]．公路，1996，(9)：7～9． [4] 粱志標(biāo)。何惠紅．橋面鋪裝過(guò)早損壞的原因分析及處治對(duì)策[J]．中南公路工程，1997，22 (2)：25～29． [5] 羅立峰，鐘鳴，黃成造．橋面鋪裝設(shè)計(jì)方法探討[J]、中南公路工程，1999，24(2)：20～22． [6] 季節(jié)，徐世法，羅曉輝、橋面鋪裝病害調(diào)查及成因分析[J]．北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，16(3)：33～ 39． [7] JTJ 014—97，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S]． [8] 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| 原作者： 劉 洋 |
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