浅析沥青混凝土桥面铺装早期病害原因

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　　【摘要】本文对钢筋混凝土桥柔性桥面铺装的早期冰河及其原因进行了分析与研究，在总结当前国内桥面铺装结构分析主要方法的基础上，通过理论分析，提出了用有限元进行结构分析时，需要重点研究的几个问题，指出了今后主要的研究方向。
　　【关键词】水泥混凝土桥面；沥青混凝土；桥面铺装；早期病害原因分析；结构分析
　　1、概述
　　桥面铺装层直接承受行车荷载、桥梁变形和环境因素的作用，其变形和应力特征与主梁及桥面板结构型式密切相关，一方面可分散荷载并参与桥面板的受力，另一方面起连结各主梁共同受力的作用；既是桥面保护层又是桥面结构的共同受力层，所以具有足够的强度和良好的整体性，并具有足够的抗裂、抗冲击、耐磨性能。
　　近年来我国公路桥梁建设快速发展，桥梁结构不断创新，大跨桥梁已经很普遍，但桥面铺装的设计与施工仍沿用传统的习惯做法，在进行桥梁结构设计时，对桥面铺装层一般不作专门的计算分析。随着交通量和重型车辆的增加，桥面铺装问题普遍。这不仅妨碍了正常交通，影响桥面的美观，更易造成交通事故，也给维修工作带来了很大困难。近年来，人们对于因桥面铺装问题造成的直接和间接的经济损失给予了足够的重视。桥面铺装的早期损坏已成为影响高速公路使用功能的发挥和诱发交通事故的一大病害。
　　2、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。剪切破坏有两种情况：一是桥面钢筋混凝土模量远大于沥青混凝土和防水层的模量，加之沥青混凝土层厚度较薄，沥青层内产生较大的剪应力而引起的无确定破坏面的剪切变形；二是放水层和沥青混凝土面层和桥面层间粘结力不足而发生剪切破坏。因此，剪切破坏是设防水层的水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装损坏的主要原因，故而在实际设计中应基于两种形式的剪切破坏分别加以计算分析。
　　3、病害分析
　　3.1结构理论与设计
　　（1）桥梁的结构理论中对于桥面铺装层的计算分析理论论述几近于零，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）现行桥柜第3.2.2条规定：……如无精确的计算方法，箱形梁也可参照T形梁的规定处理。从众多箱梁的设计来看，大部分设计者对箱梁构件是按T形梁进行处理的。而箱梁的实际受力虽有近于T梁的一面，又有异于T梁的一面，对于连续梁的差别更大。尤其是近年来箱梁的桥面越来越宽，桥跨与桥宽之比越来越小，箱梁仍按T梁那种长细杆件设计配筋，就越来越不适宜了，导致按梁设计的箱梁骨架钢筋在实际受力状态下难以像T梁主筋那样发挥应有的作用。所以，设计的假设状态与箱梁的实际受力状态不一致。
　　（3）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，横向构造设施不利使桥面铺装分担了过多的次内力。
　　3.2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已保证桥面的厚度。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。
　　3.3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几率大大提高。
　　3.4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。
　　4、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。
　　从现有的结构分析方法看，主要是用三维等三元模型进行分析，目前较多采用的三维八结点和二十结点单元。
　　合理的有限元模型是计算分析的前提，从目前研究状况来看，主要有如下几个方面急需探讨。对于桥面铺装，如何假设及模拟层间接触状况是有限元建模一个很重要的问题。对于不舍防水层的情况，可以借鉴复合路面的处理方式。
　　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。
　　另外需要研究的一个重要问题是，桥梁在荷载作用下产生挠度及其其他形变，这些因素对铺装层的力学特性有何影响，如何考虑这些影响，这也是桥面铺装不同于一般复合路面的一个方面。目前国内还没有专门针对这方面的讨论。
　　5、小结
　　本文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。
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