桥面铺装施工缺陷对铺装层受力的影响

罗 君，黄小良，潘正华，臧继成

(1.重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074；2.重庆交通建设(集团)有限责任公司，重庆 400010；3.重庆中信渝黔高速公路有限公司，重庆 401349)

0 引 言

铺装层按其材料刚度大小可分为刚性桥面铺装和柔性桥面铺装，刚性桥面铺装主要是水泥混凝土桥面铺装，柔性桥面铺装主要是沥青混凝土桥面铺装。桥面铺装作为桥梁结构的一部分，在桥梁运营使用中担负着保护主梁、分散荷载、排水等重要的责任，因此在设计年限以内，桥面铺装层应同时具备4项功能：①保证提供完好的表面，以便于表面施工；②具有良好的平整性，以减少跳车现象，达到保证行车舒适的目的；③作为桥面板的防水层，应当保证桥梁梁体不受雨水侵蚀的影响；④保证其与桥梁桥面板的黏结情况处于良好的状态，进而可以有效地传递并分散荷载[1-2]，最终达到降低桥梁铺装层与桥梁桥面板之间的疲劳应力的目标。

近年来，随着各高速公路车流量的增加和重型车辆的增多，桥面铺装出现了许多病害，如桥面铺装的剥离、破碎、开裂、桥面磨光等，严重影响了交通，造成了巨大的经济损失和不良的社会影响。

桥面铺装层破坏是由多方面因素造成的，包括设计、施工以及运营管理等方面的原因。笔者仅从施工的角度，分析施工工艺缺陷(包括沿桥面中线的铺装层施工纵缝及层间局部脱空)对铺装层受力的影响。

桥梁的铺装层与桥面板之间存在或多或少施工缺陷。沿桥面中线的纵向施工缝是桥面中心线附近铺装层较早产生开裂的原因之一，铺装层与桥面板之间的粘结界面缺陷使得桥梁在投入使用几个月后铺装层即发展成大面积的脱空，逐步导致铺装层严重破损。由于桥面铺装结构的受力情况比较复杂，当铺装层与桥面板之间因黏结不良出现局部脱空缺陷时，车辆、温度荷载的反复作用将在缺陷附近区域产生较大的层间剪应力以及拉应力而很快导致铺装层开裂破坏。笔者采用三维有限元法，应用大型通用有限元软件ABAQUS建模，分析铺装层与桥面板黏结界面缺陷附近区域以及铺装层纵向施工缝附近区域的层间剪应力及铺装层拉应力变化规律，并与界面粘结良好的情况进行对比，分析施工缺陷的危害程度，为桥面铺装层进一步设计和施工提供参考。

1 有限元模型的建立及计算

1.1 工程概况

綦江大桥地处重庆—贵州重要交通要道渝黔高速綦江段，担负着两地物质运输往来的重要作用。该桥桥梁结构形式为双薄臂墩连续刚构，桥梁跨径布置为(75 + 130 + 75)m，全长为280 m，采用双幅分离式施工，双幅桥面净宽24.5 m，单幅桥面板净宽11.25 m。桥面铺装层设计为5 cm的C40混凝土垫层+5 cm的沥青混凝土面层。

1.2 建立桥梁有限元模型

对于空间受力，需建立三维实体结构模型，由于笔者仅考虑单辆重车作用于有缺陷的桥面铺装处，重点分析缺陷位置附近铺装层的应力情况。为简化计算，建立有限元模型时取局部长方体实体结构，将实体结构下边界固定约束，用以模拟桥面板下部边界约束情况，此方式虽与桥梁实际结构不符，但经箱梁顶板变形的实测数据分析，重车作用时箱梁顶板的变形几乎不到0.1 mm，变形甚微，因此，此种模拟方式对分析铺装层在缺陷位置附近的应力影响不大[3]，有限元模型如图1。

ABAQUS程序提供了多种实体单元形式可供选择。桥面铺装层及桥面板主梁均采用C3D8R单元。C3D8R单元本身是没有中间节点的8节点3D实体单元，此类单元每个结点均具有3个自由度(即Ux，Uy，Uz这3个平动自由度)。使用C3D8R单元的好处在于能得到较为理想的分析结果，同时因为没有中间节点，也适当缩短了软件分析时的运行时间。

为准确地模拟铺装层和桥面板的黏结情况，同时也为了提取计算数据和分析方便，采用体扫掠(VSWEEP)的方式生成三维体单元，划分时，对铺装层部分进行细化。

荷载条件主要包括：工况1——竖向力，为保持轮压与JTG D 50—2006《公路沥青路面设计规范》规定的胎压一致，本研究各轮胎的接地压强均取为0.707 MPa(相当于重车的后轴170 kN)；工况2——竖向力和水平力同时加载，竖向力加载采用与工况1相同的方式，水平力仅考虑车轮与铺装层间的摩擦力，同时考虑车轮的冲击作用,取0.8倍竖向力；工况3——竖向力和水平力同时加载并增加温度荷载，沥青铺装层降温幅度为10℃。车轮接地面积均按JTG D 60—2004《公路桥涵设计通用规范》取0.2 m×0.6 m。

在该模型中，桥面铺装与桥面板之间及两幅铺装垫层交界面的连接状况良好。采用结点耦合的方法进行模拟：将接触层处所有结点在x，y，z方向全部耦合，以模拟铺装层和桥面板以及先后施工的左右两幅混凝垫层之间黏结状况良好，两者共同受力并保持变形协调；而考虑桥面铺装与桥面板之间存在脱空、铺装垫层施工缝间的裂缝等缺陷的时候，均采用释放一部分节点的耦合来进行模拟。

2 施工缝缺陷对铺装层受力的影响

由于荷载作用位置相对缺陷位置的不同，结构材料的受力状况会有很大程度的差异。建立模型时，考虑了不同的加载位置条件及不同的荷载工况作用，在此基础上进行计算分析，以便更充分地了解两者的共同受力及变形状况。轮载相对于施工缝的位置示意如图2。

图2 车轮荷载作用位置Fig.2 Position of wheel load

根据有限元模型计算的各层材料的应力云图(图3)提取数据，得出铺装层在3种不同荷载位置及3种荷载工况下的最大应力如表1。

图3 应力云图Fig.3 Stress nephogram

表1铺装层最大应力

Table1Maximumstressofpavementlayer/MPa

由表1可以看出，在桥面铺装层施工缝上或附近作用车轮荷载时，车辆的静载作用将在施工缝附近5～10 cm处产生0.23 MPa的横向拉应力。考虑车辆的摩擦力作用时，将在纵向产生0.36 MPa的拉应力，在层间产生0.4 MPa的剪应力，考虑沥青层的降温收缩作用[4]，在混凝土垫层及沥青铺装面层产生的横向拉应力最大达到1.8 MPa，纵向拉应力达到1.9 MPa。且从图4可以看出，车轮荷载相对于施工缝的位置不同对铺装层的应力影响不大，上述最大应力的得出均未考虑由于车辆的冲击作用引起的动荷载效应，由于多数车辆均习惯于在桥梁中心线附近行驶，且施工缝位置也恰处于行车道，因此此处作为铺装层的薄弱环节却受到反复的车辆冲击与碾压，在荷载超过一定的限度及铺装材料达到一定的疲劳强度时[5]，施工缝处的垫层混凝土会较早的产生开裂甚至发生破坏。

图4 竖向力+水平力+温度荷载作用下混凝土垫层及沥青层最大应力Fig.4 Maximum stress of concrete cushion and asphalt surface under the vertical, horizontal force and temperature load

3 界面局部脱空对铺装层受力的影响

模拟铺装层与桥面板之间的脱空与上述模拟施工缝缺陷的原理类似，荷载工况选择也与上述模型一致，由于脱空面积的不同，以及车轮荷载相对于脱空区域的位置的差异均会对铺装层应力有较大影响，因此铺装层与桥面板之间的脱空面积及相对车轮的位置分为如图5(a)～5(d)的4种情况。

图5 脱空面积及其相对车轮位置Fig.5 Cavity area and the relative position of wheels

经过计算得出在4种不同脱空面积及分布位置的3种荷载工况下，铺装层材料最大应力如表2。

表2不同脱空程度下铺装层最大应力

Table2Maximumstressofpavementlayerfordifferentvoiddegrees/MPa

(续表2)

由表2可以看出，铺装层与桥面板脱空时，混凝土垫层受到的横向及纵向拉应力均较大。当铺装层与桥面板脱空面积大于轮载面积时，横向拉应力达到2.23 MPa，纵向拉应力值达到2.49 MPa,在温度应力的影响下混凝土垫层出现如此大的拉应力已接近材料的抗拉强度，在重车的反复作用下，铺装垫层易出现开裂破坏，且沿纵向及横向均会产生裂缝。由图6可以看出，当脱空缺陷面积大于轮载面积，在不同的荷载工况作用下，垫层应力变化趋势较小，沥青面层的应力变化趋势较大。

图6 铺装层脱空面积0.6 m×0.2 m时，混凝土垫层及沥青层最大应力Fig.6 Maximum stresses of concrete cushion and asphalt surface when cavity area is 0.6 m×0.2 m

从以上分析还可以看出，当铺装层与桥面板有局部脱空对层间的剪应力影响也较大，随着脱空面积的增加，铺装层及层间的剪应力均在提高。最大值达到1.32 MPa，如此大的层间剪应力，将使得沥青层与混凝土垫层之间黏结失效，也将会进一步使混凝土垫层与桥面板之间黏结薄弱位置的层间黏结力失效，从而导致铺装层与桥面板之间的大面积脱空[6]。如此循环，在重车反复碾压冲击的情况下最终将导致铺装层大面积破损。

4 结 论

通过三维有限元计算，分析了桥面铺装垫层存在施工缝及桥面铺装层与桥面板之间出现缺陷时铺装层的受力情况，并与铺装层无缺陷时进行了比较。研究表明，当桥面铺装层与桥面板之间出现缺陷后，铺装层在汽车荷载作用下将产生较大的层间剪应力，以及较大的纵向和横向拉应力，从而促使桥面铺装层结构发生剪切破坏和铺装垫层混凝土材料的开裂破坏。 因此，为了保证桥面铺装层与桥面板的良好结合，增加桥面铺装层的使用年限，应从设计、材料、施工工艺等方面采取如下措施来满足连接界面的性能要求：

1)以层间最大剪应力作为桥面铺装结构的主要设计指标，控制其剪切破坏。

2)添加界面黏结剂，选择物理及力学性能更适合桥面铺装结构黏结和受力要求的材料。

3)桥面铺装施工时控制桥面铺装层界面脱空。

4)铺装垫层施工时应将施工纵缝预留在桥面靠近两边护栏位置处，避免桥面中线位置出现施工缝的薄弱层。

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