混凝土桥面超薄沥青铺装层应力分析

2014-11-17郑金刚

交通运输研究 2014年12期

郑金刚

（河北燕峰路桥建设集团有限公司，河北石家庄 050091）

由于西部地区特有的自然地理条件，为缩短公路里程，保护自然环境，降低工程难度，在山区、丘陵、河流及一些特殊地区经常需要架设桥梁，从而使桥梁的使用质量成为整个路网服务质量的关键一环。而桥面铺装是桥梁主体结构的第一道保护层，也是最直接承受行车荷载的层位，因此其性能和质量不仅直接影响着桥梁的使用品质，也影响桥梁的使用寿命。采用超薄结构可以降低原材料的用量，同时便于维修，符合可持续发展的社会需求。

1 我国西部地区水泥混凝土桥梁桥面铺装的典型病害

我国西部地区地域广阔，因此桥梁类型也较多，其中连续刚构结构的桥梁占较大比例，如表1所示。

表1 西部地区常见桥梁结构

表1 （续）

目前在高等级公路上的桥梁多数采用了沥青混凝土铺装结构；但随着使用年限的增加以及铺装层本身存在问题，沥青混凝土上会出现各种形式的病害。各种典型病害的表现及其产生原因，以及需要进行的改进措施如表2所示。

表2 水泥混凝土桥梁沥青铺装层病害分析

表2 （续）

通过对水泥混凝土桥面沥青铺装层典型病害形成原因的分析，可以看出，虽然其病害的表现形式有多种，但分析病害的形式成原因，主要为水泥混凝土桥梁设计和施工原因、沥青混凝土铺装层结构设计和材料设计及施工原因、防水黏结层设计和施工原因等三个方面。

2 混凝土桥面超薄沥青铺装层的应力分析

调查发现，连续刚构桥梁是目前高等级道路上的主要桥梁类型，因此本研究选取连续刚构桥梁作为主要研究对象，进行铺装层力学分析，应用ABAQUS有限元程序，对大跨径连续刚构桥沥青铺装体系进行“从整体到局部”的系统分析。

利用有限元模型，笔者分别针对下铺装层的厚度2～8cm的不同情况进行了应力计算，结果表明：

（1）随着上、下层铺装层厚度的增加，上下铺装层的纵横向拉应力都呈增加的趋势，经计算，上面层厚度为3cm时，当下层厚度由2cm增加到8cm时，铺装层拉应力增大5.8%；

（2）随着下铺装层厚度的增加，层间最大剪应力逐渐减小，经计算，上面层厚度为3cm时，当下层厚度由2cm增加到8cm时，层间剪应力减小3.8%。

由上述计算结果可以看出，虽然铺装层的厚度变化会引起铺装层受力的变化，但由于桥梁本身的刚度远大于铺装层的刚度，因此单纯变化铺装层的厚度对其应力影响较小。

考虑到在旧桥改造时，原桥面铺装层会有不同程度的裂缝，以及新桥的水泥混凝土找平层也会出现一定程度的微小裂缝，因此本课研究分别针对不同裂缝宽度、不同铺装层厚度情况下，在温度应力作用下及荷载应力作用下的裂缝扩展规律进行了分析。计算结果表明：

（1）在正荷载或偏荷载作用下，应力强度因子K1始终是负值，裂缝没有张开型扩展趋势；

（2）温度场引起的K1值远大于荷载引起的K1值，如图1所示，表明在桥面存在裂缝的情况下，降温将是引起沥青铺装层裂缝扩张的主要原因；

图1 加铺层厚度对加铺层纵向裂缝起裂时应力强度因子K1的影响

（3）由正荷载、偏荷载及温度场作用下的K1、K2变化规律可以看出，当铺装层较薄时，应力强度因子较大，当厚度大于2～3cm时，应力强度因子的变化明显趋于稳定，因此建议做桥面铺装设计时，厚度宜大于2～3cm，这样有利于减小应力强度因子以避免开裂；但过厚的铺装对于进一步减小应力强度因子没有明显的效果。

桥梁纵坡和车辆刹车均将引起桥面铺装层的层间产生较大的剪应力，如图2所示，可以看出，刹车情况下，随着坡度的增加，纵横向剪应力都呈线性增加趋势，但纵横向剪应力增加的幅度较小。刹车情况相对于匀速行驶时，各向剪应力增加比较明显，其中纵向剪应力最大增幅达60.2%。由此可以看出，刹车对铺装层材料的损坏特别严重，必须提高铺装材料及其层间接触面的抗剪强度，以减少或防止推挤、拥包等病害的出现。

针对薄层铺装不利于桥面平整度的提高，本课题专门进行了平整度传递规律的分析，通过对摊铺机找平机理的简化，获得了摊铺施工中的平整度传递规律，如公式（1）所示。

图2 纵坡和刹车对铺装层抗剪稳定性的影响

图3 摊铺机找平原理示意图

依据公式1的计算可知，下承层的不平整度明显会反映的到铺装层的表面，并且随着铺装层厚度的增加，铺装层表面的平整度有明显提高，因此当水泥混凝土找平层的平整度较差时，宜使用较厚的沥青铺装层。同时也可以看到，通过增加铺装层厚度来提高平整度的效果是较差的；更适宜的方法是通过增加铺装层的层数来提高平整度，也即在水泥混凝土桥面宜采用多层铺装结构。