桥梁铺装碾压质量受不等厚结构影响的探讨

王 博

(安徽省高等级公路工程监理有限公司，安徽 合肥 230031)

0 引 言

桥面铺装层是桥梁结构的重要组成部分，与普通路面相比，桥面铺装层所使用的施工材料性能、施工工艺及铺装层结构型式均对施工质量有较大影响。桥面铺装施工技术作为钢桥施工关键技术之一，始终受到学术界和施工技术人员的重视和关注。对于具体工程而言，为减轻钢桥结构自重，压缩施工成本，往往采用不等厚铺装结构，但这种结构由于存在厚度较大、厚度较小及过渡区三个不同区域，且不同区域施工参数及施工质量控制要求不尽相同，无形中增大了桥面铺装层碾压施工质量控制难度。为此，必须依托现行公路桥涵设计及施工规范，充分结合公路桥铺装结构受力情况，进行不等厚铺装结构碾压施工过程仿真分析，根据分析结果优化施工机械组合和施工参数，确保不等厚铺装结构公路桥碾压施工质量。

1 工程概况

102省道颍东枣庄至口孜段改建工程颍河公路桥起讫桩号K12+323.7～K14+090.7，桥梁全长1 767 m，按照双向八车道公路标准建设。该公路桥依次由30 m预制组合箱梁、90 m网状吊杆系杆拱、100 m+180 m+100 m预应力混凝土斜拉桥、30 m预制组合箱梁等结构形式组成，分别编号为1～4分桥，其中100 m+180 m+100 m预应力混凝土斜拉桥为主桥，采用变截面钢箱梁设计形式，单箱单室结构，长380 m，桥面全宽52.5 m，桥墩处梁高9.0 m，中跨跨中与边跨端部直线段梁高4.5 m。桥面从道路中心线开始依次向两侧设置2%排水横坡，并按照6 m间隔设置泄水管，将桥面纵向集水管所收集到的雨水全部汇集至沉淀池集中处理。主桥桥墩均为钻孔灌注桩基础，墩身为双肢薄壁墩结构，横、纵桥向宽度分别为6.3 m和3.0 m。

出于控制桥梁结构自重、降低建设成本考虑，该公路桥钢箱梁采取变截面结构，顶层钢板不等厚设计，整个桥梁顺纵桥向共设置数个不等厚过渡区，均以1∶8的线性斜坡过渡。为适应不等厚结构形式，该公路桥铺装体系采用双层EA不等厚过渡形式。在进行该公路桥铺装结构设计的过程中，应始终将顶层钢板厚度和下层铺装厚度之和控制在7.1 cm，将上层铺装层厚度控制在2.5 cm，并将顶层钢板厚度和铺装层厚度之和控制在9.6 cm，也就是说，为减轻不等厚顶层钢板对铺装结构的不利影响，只能在顶层钢板和下层铺装结构中应用不等厚结构，同时提升下层铺装施工质量。每座分桥顶层钢板和桥面铺装层厚度的可能组合具体见表1。

表1 顶层钢板和下层铺装层厚度的组合

一般情况下，纵横隔板上方、U型加劲肋上方、跨中及支座弯曲应力较大区域均为钢箱梁桥铺装结构受力不利的区域，铺装结构承受的剪应力较大，在反复的行车荷载及环境影响下，出现脱层、裂缝等病害的可能性非常大。由于该公路桥不等厚结构较为特殊，受力不良的区域除以上常规区域外，还包括不等厚过渡区上方铺装层。该公路桥1和4分桥分别设置一条行车道和一条非机动车道，而2和3分桥分别设置三条同行向行车道，故本文以交通量和行车荷载较大的2和3分桥进行力学分析。

2 力学分析

2.1 整桥力学分析

应用midas Civil软件构建该公路桥2和3分桥整桥力学模型，并将全桥离散为包括131个节点和130个单元的空间杆系单元，按照设计，公路桥整体力学模型主要采用弹性模量2.06×10kN/m、泊松比0.3的Q370qD材料，车道荷载按照公路-Ⅰ级10.5kN/m的均布荷载确定，桥梁一期、二期恒载分别为109.1 kN/m和40.8 kN/m。向2和3分桥施加自重、车道荷载及二期恒重，由于该公路桥不等厚过渡区对称布置，为简化分析，只提取跨中横断面一侧过渡区进行弯矩分析即可。分析结果见表2。表中分析结果表明，因受到恒载和车道荷载的作用，在与桥头相距170 m处不等厚位置出现竖向正弯矩最大值2.12×10kN·m，该点顶层钢板厚度从22 mm增大至32 mm，下层铺装层厚度从49 mm减小至39 mm；与桥头相距96 m处不等厚位置出现竖向负弯矩最大值-5.01×10kN·m，此处顶层钢板厚度从28 mm增大至36 mm，下层铺装厚度则从43 mm减小至35 mm。弯矩越大意味着不等厚位置钢板出现形变的可能性也越大，上方铺装结构也因此而承受更大的集中应力，更容易出现脱层、裂缝等病害

表2 跨中横断面一侧过渡区弯矩

2.2 细部模型构建

沥青混合料和压路机碾压轮仿真模型，同时采用FLAC构建该公路桥2和3分桥弯矩值最大的不等厚结构细部模型和顶层钢板模型，并从碾压质量控制角度对不等厚铺装结构最佳碾压工序展开分析。

该公路桥工程拟采用半径60 mm、轮宽40 mm的碾压机械，碾压轮和沥青混合料接触通过接触刚度模型进行表征，碾压轮与混合料接触的摩擦系数取0.15。根据类似工程设计经验及《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)，将粒径在2.36 mm以下的沥青混合料简化成沥青砂浆，根据混合料级配、孔隙率和油石比计算不同粒径颗粒数量。沥青混合料材料属性通过微观参数验算法设定Burgers模型进行表征。

桥面铺装模型按照长200 m、宽71 mm、高50 mm确定边界尺寸，顶层钢板和下层铺装厚度共为7.1 cm，同时在模型中部纵向设置1:8的斜坡以进行公路桥不等厚结构模拟。顶层钢板弹性模量取2.06×10MPa，质量密度取7 800 kg/m，泊松比0.3。由于该公路桥铺装结构禁止采用振动压实方式，且碾压机械质量不宜过大，同时还应加强碾压施工工序控制。为增强仿真分析结果的准确性，降低分析难度，本文将碾压荷载作用形式简化为单一钢轮荷载静压方式，竖向压力通过伺服驱动系统控制。结合钢桥面铺装施工经验以及该公路桥施工技术指南，初压遍数应为4遍，碾压速度应为1.5～3.0 km/h；复压遍数应为4遍，碾压速度应为2.0～5.0 km/h；终压遍数分别为3遍和4遍，碾压速度分别为3.5～5.5 km/h和2.0～3.5 km/h。

2.3 细部力学分析

在力学分析阶段，首先验证表3中所提出的碾压参数，根据所提取到的碾压施工后过渡区斜坡两侧混合料颗粒下降量绝对量和相对量，绘制不同碾压施工阶段单次碾压下降量和累计碾压下降量变动趋势图。根据分析结果，在不同的碾压施工阶段，混合料颗粒下降量表现出不同的变化趋势：初压阶段，单次碾压的沥青混合料厚度下降量最大，此后随着碾压遍数的增大，混合料厚度下降量逐渐降低；累计碾压下混合料厚度降幅也为最大，当碾压遍数增大后，厚度的降低趋势减缓，在终压阶段趋于稳定。以上混合料颗粒含量及厚度的变动趋势与钢桥面铺装实际施工效果吻合，说明本文所构建的有限元模型能较好模拟该公路桥铺装层碾压施工过程及效果。

根据厚度大小将该公路桥桥面不等厚过渡区铺装结构分成厚度较大侧、厚度较小侧和过渡斜坡三个部分；为便于分析，将桥面铺装厚度由大至小碾压施工向标记为a向，而将桥面铺装厚度由小至大的碾压施工向标记为b向(见图1)。在此基础上，根据所提取的碾压施工期间横纵向混合料颗粒在混合料体积上的横纵向拉应力，进行铺装层应力响应受不等厚结构影响程度的定量分析。分析结构汇总至图2。

图1 碾压施工方向

图2 沥青混合料横纵向拉应力比较

通过比较该公路桥不等厚铺装层横纵向碾压施工过程中沥青混合料横纵向拉应力变化情况可以看出，不等厚过渡区沥青混合料应力响应与周围区域存在较大差异；不等厚过渡区厚度最小端横纵向沥青混合料横纵向拉应力均最大，说明在碾压施工过程中，不等厚过渡区厚度最小端沥青混合料受力状态最差。为有效解决这一问题，必须根据现场施工实际尽量减少碾压施工遍数，防止因过度碾压而引发混合料颗粒破碎。不等厚过渡区厚度最小端右侧横纵向沥青混合料横纵向拉应力约为不等厚过渡区厚度最小端混合料横纵向拉应力的1/2，但仍大于其余区域，这意味着碾压施工过程中，不等厚过渡区沥青混合料出现过压的可能性更大，除应适当减小碾压遍数外，还必须严格控制碾压机械在不等厚过渡区上方停留的时间。在其余区域中，横纵向拉应力均较小，顶部钢板厚度较小区因沥青混合料厚度较大，能对碾压机械碾压应力起到较好的分散作用，故横纵向拉应力最小。可见，加强对公路桥铺装层不等厚过渡区碾压层厚度及碾压遍数的控制，并防止碾压机械在铺装层上停留时间过长，才能保证铺装质量。

3 结 论

综上所述，通过构建102省道颍东枣庄至口孜段改建工程颍河公路桥2和3分桥整体结构力学模型及细部力学模型，对公路桥不等厚铺装层在行车荷载作用下的力学响应进行分析得出：与桥头相距170 m处和96 m处不等厚位置分别对应最大的竖向正弯矩2.12×10kN·m和最大的竖向负弯矩-5.01×10kN·m；初压和复压阶段单次碾压及累计碾压下铺装层沥青混合料厚度均表现出明显降幅，必须加强这两个碾压施工阶段施工质量控制；不等厚铺装层过渡区混合料受力比其他区域大，应防止碾压机械长期停留于该区域。基于本文的模拟分析结果，该公路桥不等厚铺装层施工过程中，应当密切结合现场实际，进行碾压施工参数的灵活调整，确保桥面各施工区域沥青混合料碾压施工质量。