水泥混凝土桥面铺装层厚度的估算

刘 锐 王武刚

1 概述

桥面铺装的寿命是近年来工程界关注的焦点,许多新建桥面的严重破坏造成了重大经济损失,这是研究者面临的重要的课题。分析桥面铺装层的受力状态及其与桥梁结构主体受力之间的相互关系,以便为桥面铺装层的设计提供理论依据,这显然是非常重要的。本文将重点讨论水泥混凝土桥面铺装层的破坏机理进而确定铺装层厚度的简化方法。

2 桥面铺装层损坏的形式

根据对现有桥梁的调查,桥面铺装层破损形式通常有:裂缝、坑槽、塌陷、鼓包。

3 桥面铺装层破坏机理和形式

在温度变化或外界荷载作用下,桥面铺装层表面出现负弯矩,进而引起铺装层上缘的拉应力,当拉应力超出材料的抗拉极限便产生开裂。表现为水泥混凝土铺装层沿纵向(多数)或横向(少数)的裂缝。车辆轮载和水的渗入等因素的影响还会使裂缝进一步扩展,这种属于挠曲破坏。此外还有剪切破坏和局部冲压破坏,剪切破坏会引起铺装层的空鼓及脱离,冲压破坏会导致在铺装层薄弱区域出现局部碎裂或网状裂缝。

实际调查资料表明桥面铺装损坏的最主要表现形式是裂缝,所以下面我们以裂缝破坏作为主要讨论对象。

4 裂缝破坏的力学性能分析

4.1 桥面铺装层纵向裂缝

行车道板支撑于主梁肋之上,从弹性力学原理可知,当荷载作用于板块中时,便会引起板肋交接部位附近产生负弯矩,而当负弯矩区域内桥面铺装层的拉应力超过其材料的抗拉强度时,纵向裂缝就会产生。温度变化和箱形截面的畸变也有可能导致铺装层出现纵向裂缝。

4.2 桥面铺装层横向裂缝

众所周知连续梁桥、刚构桥等在荷载和其他影响力的作用下,往往会在梁跨支点附近产生负弯矩,而此区间桥面铺装处于受拉状态,一旦铺装层的拉应力超过材料的抗拉强度,横向裂缝便会产生,但有关资料表明横向开裂的现象很少,因而横向裂缝将不作为本文的讨论重点。

本文先就荷载作用产生的纵向开裂问题做进一步的探讨,建立关于桥面铺装层及行车道板内力计算的简化模型,且通过计算分析提出桥面铺装层的推荐厚度。

5 关于计算模型的基本假定

1)桥面铺装与行车道板为双层单向受力刚性板;

2)该双层单向板各向同性,并不产生相对滑动;

3)桥面铺装与行车道板共同承担车轮荷载的作用;

4)桥面铺装层上面的纵向裂缝仅由车轮荷载引起;

5)板的内力计算采用两种简化模型(见图1a),图1b)),即:a.连续弹性简支单向板;b.铰接悬臂简支单向板;

6)弯曲抗拉强度取材料的标准抗拉强度;

7)在正常使用阶段,材料处于弹性状态,两层材料取相同的弹性模量。

6 内力计算方法

6.1 第一种计算图式

装配式钢筋混凝土T形梁桥行车道板与铺装层内力计算图式取用“铰接悬臂板”。

1)当a＜d时,轮载的有效分布宽度无重叠(见图2a))。

单轮荷载的有效分布宽度:a=a1+l0=a2+2h+l0,此时单位板宽的最大负弯矩为:

2)当 a≥d时,轮载的有效分布宽度有重叠(见图2b))。

此时轮载的有效分布宽度应为:a′=a1+d+l0=a2+2h+d+l0,b1=b2+2h。

相应单位板宽的最大负弯矩为:

6.2 第二种计算图式

预应力箱形梁桥行车道板与铺装层内力计算图式采用“弹性连续支撑单向板”。

1)当 a＜d时,轮载的有效分布宽度无重叠(见图3a))。单轮荷载的有效分布宽度且应大于因 a2=0.2,h暂按不超过0.2 m计,l0=1.8 m～3 m,故取

此时单位板宽的跨中弯矩为:

2)当 a≥d时,轮载的有效分布宽度有重叠(见图3b))。

支撑处单位板宽的负弯矩为:

7 桥面铺装层厚度的估算公式

假设行车道板的平均厚度为t,铺装层厚度为h,根据上文关于计算模型的基本假定,且因为负弯矩使桥面铺装层上缘产生拉应力,故可以得到单位宽桥面铺装层上缘最大拉应力的近似表达式:

其中,Mq为行车道板与铺装层内所存在的最大负弯矩,取绝对值代入;ftk为桥面铺装层材料的标准抗拉强度;t为行车道板的平均厚度。

为了使混凝土铺装层不出现开裂应满足条件:σsl≤ftk,由以上公式可以看出Mq值与h大小有关,如直接求解比较繁琐,在实际应用中可利用现代工具采用试算确定h值。

8 铺装层厚度h的估算

桥面铺装层混凝土标号常为C35号、C40号,相应抗拉强度标准值为 ftk=2.2 MPa,ftk=2.4 MPa,设计荷载为:公路—Ⅰ级,相应重车最大轴重P=140 kN。求解铺装层内力时,第一种计算图式即“铰接悬臂板”,计算跨径取l0=1.6 m～2.5 m;第二种计算图式即“弹性连续支撑单向板”,计算跨径取l0=1.8 m～3.0 m。铺装层厚度的估算见表1。

同上道理,变换车道板厚度 t,我们可以估算出相应于不同力学图式的桥面铺装层的厚度范围。

9 结语

前面我们已经讨论了刚性桥面铺装层破坏机理,探讨了已知桥面梁截面、荷载情况下桥面铺装层内力的力学图式、计算公式及确定桥面铺装层厚度的简化计算方法,并列表给出了相应常见混凝土铺装层的厚度范围。可以看到,表中的计算结果基本符合工程实际应用的厚度范围。值得注意的是本文主要从受力角度探讨了确定桥面铺装层厚度的方法,而决定此“厚度”的因素还有其他方面,这有待于今后的进一步研究。

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