水泥混凝土桥桥面铺装结构组合方法分析

刘 辉

0 引言

国内外众多学者已意识到导致桥面铺装结构组合设计的重要性，但各个研究者仅仅提出自己的设想，而没有将自己的方法用于实际工程中，没有得到实际检验。有的研究者致力于材料方面的研究，试图通过室内试验，为桥面铺装设计提供性能更佳的材料;也有些学者致力于理论计算，试图通过理论分析和计算，为结构组合提供理论标准。本文在总结现行各设计方法的基础上，着重分析其设计的合理性，进而为桥面铺装结构组合设计提出行之有效的建议。

1 现行桥面铺装结构组合设计方法分析

1)长大桥沥青混凝土桥面铺装结构形式及施工工艺研究。

东南大学高英［1］的博士后论文，针对特定桥梁进行有限元分析，并进行大量室内试验，最终提出最佳的结构组合方案。首先，进行有限元力学分析，研究了梁面体系构造对铺装层应力、应变的影响。根据计算分析，给出推荐铺装层厚度和模量;其次，通过大量试验研究了纤维加强沥青混凝土作为桥面铺装层的各项力学性质与路用性质;第三，比较了三种防水粘结材料的各项性能;第四，结合复合梁疲劳试验，给出最终推荐铺装结构形式。

2)千岛湖1号特大桥沥青混凝土桥面铺装结构与材料设计研究。

东南大学的黄晓明课题组［2］针对杭新景高速公路千岛湖支线千岛湖1号桥实体工程，重点研究了钢管混凝土拱桥上沥青混凝土铺装层的应力响应与结构组合形式，具体步骤如下:

首先，通过力学分析了解桥面沥青混凝土铺装层的应力与变形特性，对沥青混凝土材料性能与结构提出要求。其次，兼顾力学计算对铺装层提出的要求的基础上，根据上下铺装层的功能需求，分别提出几种铺装层材料。最后，对复合结构进行结构组合试验，对提出的几种结构组合材料进行室内复合梁疲劳试验，得出最佳结构组合。

3)水泥混凝土桥桥面铺装层结构合理性研究。

重庆交通大学的张领先［3］，提出根据桥梁设计等级和所在的气候区所拟定的桥面铺装防水等级，确定桥面铺装防水体系和铺装结构组成及材料，并以层间抗剪强度和粘结强度为指标，确定铺装层厚度和防水粘结层的设计，并对沥青铺装层在特殊部位和负弯矩区最大拉应力验算的桥面铺装设计方法。

4)水泥混凝土桥沥青铺装层力学分析与设计。

武汉理工大学的陈太原［4］提出，根据铺装层层位分工论，并针对当前桥面铺装层设计中，结构组合设计材料组成设计存在脱节的现象，提出了沥青混凝土铺装层结构与材料统一的设计方法。

以上设计方法，很大程度上依靠力学分析，相对于传统的设计方法，有所进步。但对于某些特定的桥梁或者特殊的铺装层结构要求，单纯从力学上进行分析，并不能为材料设计提供有价值的参考数据。基于力学验算的结构组合设计方法不一定适用于每座桥。

2 连续刚构桥桥面铺装体系力学分析

本文选取某典型连续刚构桥，根据桥梁实际尺寸，截取桥梁跨20 m，建立有限元分析模型，见图1。

桥面铺装层的厚度对其受力状态和使用性能都具有重要的作用。对于采用双层铺设方案的沥青混凝土桥面铺装而言，确定各层的厚度也是铺装层设计的一项重要设计指标。由于分别变化两层厚度时排列组合形式较多，计算量很大，因此本文分别固定上层厚度3cm和下层厚度2cm，通过改变另外一层的厚度进行计算，以得到铺装上下层厚度变化的敏感性。计算结果如图2，图3所示。

图1 连续刚构桥有限元分析模型

图2 铺装层应力随铺装下层厚度的变化

图3 铺装层应力随铺装上层厚度的变化

由结果可知:

1)随着上、下层铺装层厚度的增加，上、下铺装层的纵横向拉应力都呈增加的趋势。这是因为桥面在横隔板、腹板或加劲肋处，经车辆荷载的作用，容易出现负弯矩区。当铺装层厚度增加时，负弯矩就会增加，对应的拉应力也不断增加。因此，桥面铺装中，沥青铺装层不是越厚越好。

2)随着下铺装层厚度的增加，层间最大剪应力逐渐减小，这是因为铺筑下层越厚，越有利于缓和由于桥面板的变形而在铺装体系内形成相对滑移趋势;随着上铺装层厚度的增加，层间最大剪应力有所增加，这是因为下铺装层厚度较小，相当于在上铺装层和桥面板之间夹入一个薄层，不能很好向下传递车辆荷载和缓和桥面板的相对滑移趋势。

3 其他桥型桥面铺装体系力学分析结果

1)长大桥沥青混凝土桥面铺装结构形式及施工工艺研究。

针对部分预应力混凝土组合连续箱梁桥进行力学分析，当铺装层采用双层铺筑时，当改变上、下层厚度时，对整个铺装体系各层位的剪应力的影响。

假定铺装上层的厚度H上=40mm不变，铺装下层的厚度H下依次取40mm，60mm，80mm。分别计算铺装层之间横向τ1xmax、铺装层之间纵向τ1ymax、铺装层与桥面板之间横向τ2xmax、铺装层与桥面板之间纵向τ2ymax、铺装上层内τ3max和铺装下层内的τ4max。具体计算结果如图4所示。

图4 H上不变H下变化条件下铺装层间最大剪应力分布变化图

从图4可以看出，保持铺装上层厚度不变，铺装下层越厚，无论是铺装体系的层间剪切应力，还是层内的剪切应力都越小，变化趋势相对较平缓。

2)水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装防水粘结层的性能研究。

首先固定上层铺装厚度为5cm，下层铺装厚度分别取6cm，10cm，15cm;其次，固定铺装下层厚度为6cm，铺装上层厚度分别取2cm，4cm，5cm，结果如图5，图6所示，可知:综合荷载作用下，增加铺装层的厚度(铺装上层保持不变，增加铺装下层的厚度，或铺装下层保持不变，增加上层的厚度)对沥青混凝土铺装层的受力影响较为复杂，但铺装层厚度的增加对减小整个铺装层的最大剪应力，减少桥面剪切破坏是有效的。但是，随着厚度的增加，整个铺装层的剪应力减小趋势不明显。

图5 铺装下层厚度变化对剪应力的影响

图6 铺装上层厚度变化对剪应力的影响

4 结语

1)针对连续刚构桥、连续箱梁桥和双边箱预应力混凝土三种特定的桥梁，铺装层的受力情况(拉应力和剪应力)受铺装层厚度的影响并不大。

2)目前，我国大跨径水泥混凝土桥梁主要由上述三种桥型组成。因此，可以得出如下结论:现行的以力学验算为基础的结构组合设计方法并不适用于大跨径水泥混凝土桥梁。

3)对于大跨径的水泥混凝土桥梁，建议铺装体系在满足桥梁承重和受力要求的情况下，桥面铺装结构组合设计，应尽量从铺装层材料的功能上考虑，寻求适用于各种桥梁的铺装层结构形式。

［1］ 高 英.长大桥沥青混凝土桥面铺装结构形式及施工工艺研究［D］.南京:东南大学交通学院博士后论文，2003.

［2］ 王晓磊，赵永利，黄晓明.千岛湖1#特大桥沥青混凝土桥面铺装结构与材料设计研究［D］.南京:东南大学交通学院，2006.

［3］ 张领先.水泥混凝土桥桥面铺装层结构合理性研究［D］.重庆:重庆交通大学硕士学位论文，2008.

［4］ 陈太原.水泥混凝土桥沥青铺装层力学分析与设计［D］.武汉:武汉理工大学结构工程系硕士学位论文，2007.