桥面铺装病害及结构力学分析

刘铁军

（郑州第二市政建设集团有限公司，河南 郑州 450052）

桥面铺装病害主要有坑槽、车辙、滑移和水损坏，其中滑移和水损坏与粘结层有着非常重要的关系，只有优化的结构设计加上优质的材料才能保证桥面铺装的正常使用。

1 桥面铺装主要病害及成因

桥面铺装损坏情况随着重载车辆的增加越来越严重，有的桥梁在建成通车后不久即出现裂缝、拥抱，车辙、脱落等现象。

1.1 铺装层设计缺乏理论支持

我国现行设计规范没有关于桥面铺装的设计理论.只是对铺装类型和厚度提出了推荐值，缺乏具体的设计思想。设计者在进行桥面铺装体系设计时，通常会参考规范要求，以自己的设计经验提出一个桥面铺装结构，进行相关检测试验。但是这样的设计思想人为因素比较大，缺乏理论支持。

1.2 桥面铺装层的厚度不合适

早期的铺装层厚度大多小于8cm，如京珠高速安新段桥面铺装层厚度仅为6cm，过薄的厚度消弱了桥面铺装层的刚度和承载能力，过厚则铺装层刚度大.变形协调能力差。

1.3 重载车辆的作用

在我国超载现象比较普遍，对桥面铺装的损害远远大于标准轴载车辆对铺装层的损害，长大纵坡路段更是如此。通过计算，在水平路段、标准轴载下、0.3的水平力摩擦系数时和5。纵坡、l 3MPa、有加速度存在的情况下，后者的路面结构压应力是前者的3倍，水平剪应力是前者的4倍。

1.4 粘结能力不足

铺装层和桥面板之间粘结强度不足会导致铺装体系变成两层皮，桥梁的整体性遭到破坏.在重载车辆的作用下会发生滑移破坏。有的粘结层材料在常温下具有较强的粘结能力，高温时粘结力急剧降低，不仅失去了粘结能力反而起润滑作用，更是加剧了桥面铺装的过早损坏。

1.5 水损坏

桥面铺装渗下的水分会溶解水泥水化产物中的可溶物质，在桥面板表面形成空洞，破坏桥面板结构：含有可溶盐的水分又会进一步溶蚀钢筋，在铺装和桥面板之间形成隔离层，减弱了结构的整体性，影响了桥面铺装的正常使用。

2 桥面铺装力学分析

2.1 桥面铺装力学分析模型

目前对混凝土桥面铺装体系的研究较少实际工作中基本是依照经验进行设计，还没有形成统一设计方法。力学模型主要有以下三种：

2.1.1 由于梁体模量是铺装模量的数十倍.梁体变形相对于铺装层小.仿照路面弹性层状体系理论将桥面铺装体系简化为弹性层状体系，进行弹性半空间状态下的弹性层状体系力学分析.利用路面结构力学模型对桥面铺装体系进行力学分析。理论简单.应用成熟，虽然桥面铺装与路面结构不同，但是在中小跨径下的混凝土桥，粱体变行不是很大的情况下弹性层状体系还是适用的。对于刚桥面和大跨径桥梁，弹性层状体系不适用。

2.1.2 简化整个桥梁上部结构为一块纵向的板体结构，又将纵向扳分为两层，一层为桥面铺装，另一层为主粱、桥面板简化的主板，整个结构为叠合板体。主板假设为正交各向异性小挠度弹性薄板，铺装层属于各向同性大挠度薄板.进行以粱板体最大弯矩为基础，以桥面铺装开裂和剥离为控制指标的水泥混凝土桥面铺装设计。

2.1.3 使用三维有限元模型进行桥梁铺装体系粘结层位置的应力应变计算相比弹性理论具有模型更加接近实际、精度更高的优点，但是模型设置复杂.计算难度太，参数设置多。现今国内对于水泥混凝土桥桥面铺装进行有限元模型计算的实例不多，现有的研究大多只运用二维或者局部三维的结构模型。

华南理工徐伟等应用ANSYS力学分析软件通过对广东崖门大桥进行局部力学分析得出水平作用力对铺装层地面的应变影响显著；粘结层层间结合状态不同，铺装层底面应力应变差异巨大，滑动体系铺装层底部应力应变是连续体系的l0倍左右；大跨径混凝土桥梁整体变形不会造成沥青桥面铺装强度或疲劳破坏；大跨径混凝土箱粱桥面对铺装层沥肯混凝土性能要求与普通路面基本相同，局部变形应变水平也不会引起沥青混凝上强度或疲劳破坏；粘结层结构是影响整个铺装层体系性能的关键因素之一。三种主要的力学分析方法各有利弊，但分析结果大致相同，本研究采用弹力层状体系理论分析桥面板受力状况。假设桥面板材料为各向同性弹性体，铺装层与桥面板之间完全连续。

2.2 设计车辆轴载的选取

我国经济的高速前进带动了物流事业的蓬勃发展，大吨位卡车、集装箱车的数量在很短时间里上升到30万辆。但从总的货车结构看，大型运输货车只占到我国货车总数量的5%，我国货车的大型化趋势明显，必将成为今后货运汽车的主要组成形式。我国的货车运输普遍存在超载现象，额定载重l0吨的货车经常拉15吨甚至20、25吨。因此，还使用标准轴载进行像连霍高速这样的主交通线铺装结构设计略显不足。研究一条国主交通线的货车资料，所有满载卡车轮胎充气压强均>0.7MPa，86%满载卡车轮胎内压强>1.0MPa，有的甚至高达1.46MPa：满载卡车轮胎接地压强>0.7MPa占94.6%，轮胎接地压强>1.0MPa的占61%，最高者达到1.42MPa。选取这条主要交通线交通调查中的两辆代表性载重货车资料，A型汽车轴载为比较普通的四轴载重卡车，B型汽车轴载为具有代表性的重载五轴载重卡车。

2.3 BZZ-100标准轴载下桥面铺装粘结层位置应力应变分析

假设桥面铺装层为均匀弹性连续体系，粘结层与桥面板完全连接，桥面铺装为AC+SMA=3cm+4cm结构，进行在标准轴载BZZ-100荷载下、l5℃时轮胎接地而积处不同位置的应力应变。计算采用BISAR3.0沥青路面应力计算软件。路面滚动摩擦系数取0.3，正常行车：0.8，长大纵坡桥面铺装大构造深度情况下急刹车。由于防水层厚度很小，计算中暂不考虑。

2.4 防水粘结层厚度对粘结层位置应力应变影响分析

架设桥面铺装为3cm+4cm结构，防水粘结层在 50℃时模量为 200Mpa，15℃时模量为300Mpa，-5℃时模量为 500Mpa，进行 0.5mm、1mm、2mm粘结层厚度标准轴载作用下 轮胎1/2位置处防水粘结层位置的剪应力和剪应变计算。

2.5 防水粘结层位置应力及应变分析

在一般坡度或者小坡度情况下，粘结层位置的剪应力小于0.2Mpa,规范推荐值不小于0.4Mpa完全可以满足抗剪要求；长大纵坡条件下或者急刹车情况下粘结层位置的剪应力最大会达到0.5Mpa,大于规范推荐值的0.4Mpa。但是，如果增加桥面铺装厚度（4cm+5cm）,粘结层位置的剪应力会降低很多。比较经济性和材料特性，建议桥面铺装采用AC+SMA混合料形式，铺装厚度在9cm以上。虽然超重车不是道路交通组成的主力车型，并且在大纵坡上超重车辆一般不会以比较高的速度行驶然后再急刹车，基本会是采取部分制动使汽车以比较慢的速度行驶（这样横向力系数也会变小）。但是考虑到抗剪切储备和环境、施工因素，建议特殊地区长大纵坡桥面铺装采取单独设计，粘结层材料的抗剪切能力相比较一般桥面铺装应适当提高。

3 结语

综上所述，造成桥面铺装早期破坏的的主要原因是水和重载的作用，因此在桥面铺装的过程中，要对桥面排水系统以及控制车辆超载现象加大防范力度。

[1]李洪涛.大跨径悬索桥新型钢桥面铺装结构研究[D].中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士),2006,(04).

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[3]陈团结.大跨径钢桥面环氧沥青混凝土铺装裂缝行为研究[D].中国优秀博硕士学位论文全文数据库 (博士),2006,(04).

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