沥青混凝土桥面铺装早期病害原因分析

赵勇斌

摘要:针对沥青混凝土桥面铺装的早期病害及其原因进行了分析与研究,提出了用有限元分析需要注意的一些问题,指出了今后主要的研究方向。

Abstract:The analysis and research are done on the early disease in asphalt concrete pavement. The thesis points out the questions existing in the finite element analysis that we should pay attention to, and the direction of research is also proposed.

关键词:桥面铺装;早期病害;原因分析

Key words:bridge pavement;early disease;analysis of reason

中图分类号:TU445文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)04-0168-01

0 引言

桥面柔性铺装能大大缓和行车对桥面板的冲击,较易达到运营中平稳舒适的要求,随着沥青材料性能的改进,应用将更加广泛。但现行规范对沥青铺装结构的设计主要从所用材料、做法及厚度等方面作了指导性的说明,关于具体的设计理论与方法还是空白,铺装层的设计无章可循。这就造成了在实际设计中,桥面铺装层只作为桥梁工程的附属结构,设计者对其甚少花费精力,从而为桥面铺装的早期损坏埋下了隐患。因此,应加快对桥面铺装,特别是结构破坏机理和设计理论方面的研究。

1 破坏形式

沥青混凝土桥面铺装与正常路面和水泥混凝土桥面铺装相比,损坏形式有所不同。主要有:(1)铺装层内部产生较大的剪应力,引起不确定破坏面的剪切变形,或者由于铺装层与桥面板层间结合面粘结力差,抗水平剪切能力较弱,在水平方向上产生相对位移发生剪切破坏,产生推移、拥包等病害;(2)因温度变化并伴随桥面板或梁结构的大挠度而产生的裂隙,在车辆荷载及渗入的水的作用下产生面层松散和坑槽破坏。

设防水层的水泥混凝土桥桥面沥青混凝土铺装在行车荷载作用下的破坏形式一般为剪切破坏,常表现为拥包和推移现象。

2 病害分析

2.1 结构理论与设计。(1)桥梁的结构理论中对桥面铺装层的计算分析论述几近于零,现行规范中只给定了厚度的推荐值,工程界一直在各等级的公路中运用了几十年。随着交通量的增大,现行铺装与重型、超重型汽车的增多和车速的增快已不相适应。桥面铺装层直接承受车轮荷载的冲击,桥面铺装部分或全部参与了主梁结构的变形,因此桥面铺装是一个受力复杂的动力体系,各种形式的主梁及铺装本身的构造均影响其应力的分布。(2)随着材料工业的发展,桥梁承重结构的改进,使桥梁主梁能以较柔的结构达到受力的要求,高等级公路大跨桥梁的横向越来越宽。特别在设计计算中侧重于主梁纵向的计算分析,对桥梁横向刚度重视不足,横向构造措施不利使桥面铺装分担了过多的次内力。(3)在设计中应根据运营中车辆荷载的实际分布情况,在明确了桥梁结构受力的基础上,对桥面铺装层进行受力计算。

2.2 施工工艺。(1)铺装层厚度偏小。由于桥梁上部结构在施工中支架的沉降及预应力反拱无法十分准确地预测,或由于施工工艺控制欠佳,施工中主梁顶面标高与设计值相符是比较困难的,一般在测量主梁顶面标高后对其进行调整以保证桥面的厚度。如果调整不好,就会造成铺装层厚度不均,使有的地方厚度偏小。(2)梁顶清理不利,造成铺装层与主梁结合欠佳。

2.3 桥面防水层的影响。由于柔性防水层的强度与主板和铺装层的强度有差异,它的存在使上部结构按模量形成刚-柔-刚的板体受力体系,中间柔性夹层会增大桥面板板中部的板底拉应力。处于防水层上的铺装层一经开裂,在车轮的动力荷载作用下,彼此间的缝隙越来越大,直到松散脱落。另外,防水层的使用使铺装层发生剪切破坏的机率大大提高。

2.4 桥面铺装的约束条件。桥面铺装受桥梁结构的约束,受荷后其边界条件与一般路面相差甚大,加之梁体的挠度、扭曲等形变的耦合作用,给铺装层的工作性能造成不利影响。

3 桥面铺装设计方法的讨论

目前关于桥面铺装的研究还很不成熟,并且现有研究主要集中在材料设计和铺装技术等方面,而关于理论分析和结构计算的研究很少。

对于设防水层的情况,实际施工中防水层的厚度在2～5mm之间,一般约为3mm。由于防水层的厚度很薄,在对设有防水层的钢桥桥面铺装层进行力学分析时,同样采用了无厚度的Goodman夹层单元来模拟防水层的作用,夹层单元与相邻的夹层单元或铺装体单元之间,只有结点处有力的联系。在计算水泥混凝土桥沥青混凝土铺装结构的层间剪应力时考虑了防水层厚度。在利用有限元法对有裂缝夹层的旧水泥混凝土路面沥青加铺层进行力学计算时,对有一定厚度的夹层直接使用三维等参元划分单元,而对于土工织物这一类的无厚度夹层,则根据薄膜问题的物理方程与几何方程推导4结点矩形单元,建立单元刚度矩阵,进行力学分析。

总之,如何模拟层间接触状况,特别是如何考虑防水层的影响,是建立合理有限元模型的一个关键问题,是研究铺装层结构设计理论的一个重点。要采取理论计算与试验分析相结合的方法,将计算结果与试验和实测结果相对比,寻找一种与结构实际受力吻合的模型。

桥面铺装层是一种特殊的路面结构,如何合理简化荷载模型,以及如何进行横向和纵向布载,也直接关系到计算结果的精确程度。在计算剪应力时参照路面设计中的荷载模型,荷载参数为BZZ-100,p=0.7MP,δ=10.65cm,水平荷载与垂直荷载同时考虑。不同的桥跨截面在横向不同位置进行布载,找出最不利的荷位。只有将桥梁结构分析和路面理论结合起来,才能较好的解决这一问题。

合理解决桥面铺装问题需要从理论分析和结构计算两方面入手,正确的理论基础是根本,合理的力学模型是关键。通过计算分析与实测对比,较好的解决如上述的接触模型、荷载简化等问题,搞清其它因素的影响;还要加强对模型尺寸及收敛条件的研究;在条件允许的情况下,加强对其动力性能的研究。在分析铺装层破坏形式的基础上,确定关键因素,提出控制指标并建立相应的破坏准则,为设计提供依据,要达到这一目标需要做大量的基础性研究工作。

4 小结

对钢筋混凝土桥柔性桥面铺装的早期病害及其原因进行了分析与研究,总结了当前国内桥面铺装结构分析的主要方法,提出了用有限元分析需要注意的一些问题,指出了今后主要的研究方向。

当务之急是加快对沥青混凝土桥面铺装的进一步研究,以明确桥面铺装层各结构层计算模型、力学特性及相关参数,为桥面铺装的设计提供指导;同时,加强对各铺装层材料的材料性能指标和测试技术的研究,开发适应桥面破坏机理的新材料;另外,还要改进铺装技术及提高施工质量,保证设计模型的准确性,从根本上解决桥面铺装早期损坏问题。