高速公路桥梁桥面铺装层受力和破坏机理分析

周迎新

(河北省高速公路京秦管理处，河北秦皇岛 066000)

桥面铺装层是高速公路桥梁的主要组成部分，桥面铺装层能为司机提供更加顺畅和安全舒适的行车条件，对于主梁也起到一定的保护作用。从受力上来说，车辆的重量通过车轮直接作用在铺装层上面，当有其他外力作用时，它需要协助主梁来承担。当桥面采用水泥沥青混凝土时，它会有一些特性，这种特性和柔性路面的弹性体系有所不同，与复合路面的情况也有一些差异。尽管都是铺装层，但因为下部承接结构的不同，其受力状态也大为不同，一般而言，桥面铺装层的受力状态要更加复杂。

1 桥面铺装受力规律分析

在研究和实际应用时，我们常用一块纵向板体结构来代替桥梁的整个上部结构，一般它由上层的桥面铺装层和下层的主板构成。一般我们认为桥面上部结构是由各个方向上挠度都相等的大挠度弹性薄板连续的支撑在挠度在各个方向上不同的小挠度弹性薄板。在建立桥面微分方程时，由边界条件可知，在双层体系中只有接触面上的垂直位移和垂直应力是连续的，其他都是不连续的，也就是说，在双层面板体系分析时，两层之间粘结良好，不存在脱空现象。

1.1 铺装层沿纵缝(弯)剪切受力分析

在已有工程实践和文献中发现，沿纵桥向铰缝开裂的现象在中小跨径的板(梁)桥中是非常普遍的，而且也是破坏当中最为严重的。在进行铺装层的分析时，考虑到主梁(板)有较大的抗弯刚度，使桥梁具有较小的位移，但是桥梁的横向刚度较小，由于铰缝可以抗剪，铺装层也可以传递横向力，因此铰缝和铺装层成为了板间横向力传递的主要构件。板和板之间的缝隙上的桥面铺装层能够承受弯曲和剪切变形，但是主要以抗剪为主。在桥梁超载运营时，由于荷载的加大，主梁的挠度也就随之增大，相邻主梁之间由于挠度的增大和相邻主梁下挠程度存在差异，使得桥面铺装纵向开裂更加严重。由于桥面纵向开裂的影响，桥梁的横向连接刚度被削弱，这种削弱很明显，因此造成了相邻主梁之间不能共同受力，有时甚至出现单板受力的病害，是十分不利的。

1.2 桥面铺装层横桥向受力分析

桥面铺装层横向开裂多数发生在距伸缩缝1 m～2 m范围内，尤其是接近主梁支座中心处和距伸缩缝20 cm～50 cm的地方最多，当跨径加大时，桥梁中部也有可能出现裂缝。经过讨论，认为可能的原因是:车辆在行驶时会对桥梁产生冲击，铺装层就会产生啃边的现象，再加上主梁支座处存在比较大的负弯矩，使得铺装层和之前布置的纵向钢筋的承载力达不到要求，就会产生横向的裂缝，随着这些裂缝的发展，最后就产生了开裂现象。从大量的实际工程中发现，一般桥梁投入使用5年～8年后，就有可能出现，不加以处理的话，就会形成局部坑槽。

2 桥面铺装的破坏机理

2.1 反复荷载作用下的开裂分析

反复荷载作用下的开裂，即疲劳开裂，是桥面铺装中的一个常见病害，它是指所有使用工况都在安全限值之内，由行车辆的反复作用造成的开裂。在受力时，桥面板刚性较大的部位，如纵向肋、横隔梁等，与桥面板连接处会产生很大的应力，特别是在箱梁中，这种现象更明显，因此在桥面铺装层中更容易产生裂缝。另外，在以上部位的铺装层也是负弯矩出现较大值的地方，因此会有比较大的拉应力(或拉应变)。综上所述，桥面铺装层的上部由于拉应力产生裂缝，然后再扩展到下部。桥面铺装层的疲劳裂缝通常出现在低温季节，也有出现在高温季节的例子。

2.2 防水层和粘结层破坏分析

一般，桥面铺装的防水层和粘结层常常会发生剪切破坏。防水层和粘结层是防止雨水腐蚀主梁和保证它们共同受力的结构层，它们对于桥梁有很重要的作用。如果粘结层遭到破坏，桥面铺装层和主梁就相当于两个构件，分别受力，这不是我们想要的，对于它们之间的共同受力必然不利，因为，各自受力之后铺装层会产生较大的应力，原有的设计强度不能满足这种应力幅值，就会遭到破坏，这在修复时也是个难题，并且修复费用也会比较昂贵。这种破坏的主要特征是虽然它们之间的粘结力丧失了，但是发生剪切破坏时，铺装面层和桥面板都没有发生严重破坏，而是各自为一个整体。

2.3 车轮荷载对桥面铺装的影响分析

在车轮荷载不断重复的对桥面铺装层进行挤压下，铺装层会在车轮行驶的地方产生不可恢复的变形，这就是车辙。车辙是非常容易辨认的，它就像路面上开了两条渠，车辆两侧的轮胎分别在这两个渠之间行驶。我国超载现象比较严重，车流量比较大，再加上路面材料的本身特性，在高温下发生软化，车辆行驶时很容易变形等，都会形成车辙。与道路铺装层的车辙相比，桥面铺装的车辙主要是沥青混凝土铺装层本身的残余变形，这主要是桥面铺装层的下面是主梁，主梁下面是空的，可以认为桥面板总能够在弹性阶段进行工作。以往桥面的铺装的车辙设计指标主要采用两种，第一种是铺装层厚度的改变量以及它的整体压应变的值，第二种是铺装层残留下来的应变。

2.4 推移、壅包和低温缩裂分析

桥面沥青混凝土铺装层经常会出现推移(或波浪)和壅包破坏。当重载车辆驶过桥梁时，由于沥青混凝土材料的塑性流动特性会在横桥向产生类似波浪形的变形，或者局部的凸起壅包现象。在车辆行驶的过程中，会产生对桥梁的垂直力和水平分力，以及一些动力效应，这往往会导致结构层中的内力超过了材料的剪切强度，这会造成桥面铺装层的破坏。

温度在桥梁中的变化是有时间差的，外部温度要比内部温度变化快，上部温度要比下部温度变化快，这就存在桥梁不同部位之间存在温度差的现象。在温度下降时，上部的温度要快于下部，因此产生的收缩也相对于上部要小一些，因此会对面层产生约束拉应力，刚开始时，沥青混合料承受拉应力的能力还比较大，而且刚开始，温度变化不大的时候，拉应力数值不会很大，但是如果温度变化剧烈，那么混合料的劲度会有变化，一般是增加，此时的拉应力也会迅速上升，当超过材料的最大允许拉应力时，会破坏铺装层，形成开裂。我们经常看到的这种裂缝是分布在横向，而且是一段的相间隔的。这是由于铺装层的横向宽度较小，而桥梁长度一般要比它的宽大很多，那么它就会在纵向受到较大的约束力，而横向受到的就比较小，如果不是很严重的话，一般是不会产生纵向开裂的。温度产生的应力引起的开裂与荷载没有关系，在应用中，一般要求在低温下铺装层的收缩应力最大不能超过该温度时材料允许的最大拉应力。

3 结语

桥面铺装层与路面的相比有着其特殊的地方所在，桥梁的受力状态、工作环境等都更加复杂。桥梁中的主梁是位于铺装层的下面，当荷载作用在铺装层上面时，主梁势必要发生变形，由于各主梁的荷载不一样以及各主梁抵抗变形的能力之间存在差异，主梁之间的变形也会有一些不同，温度的影响也是不可忽略的，这些作用的叠加让桥梁的铺装层受力更加困难。可以从纵桥向铰缝剪切受力、横桥向弯曲受力和局部非均匀受力三个方面分析。在分析桥梁的破坏机理时，可以从反复荷载作用下的开裂、防水层和粘结层破坏、车轮荷载对桥面铺装的影响、推移、壅包和低温缩裂等不同形式来分析。

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