本文對鋼筋混凝土橋柔性橋面鋪裝的早期病害及其原因進(jìn)行了分析與研究,在總結(jié)當(dāng)前國內(nèi)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)分析主要方法的基礎(chǔ)上,通過理論分析，提出了用有限元進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，需要重點研究的幾個問題,指出了今后主要的研究方向。
1 概述
橋面鋪裝層直接承受行車荷載、梁體變形和環(huán)境因素的作用,其變形和應(yīng)力特征與主梁及橋面板結(jié)構(gòu)型式密切相關(guān),一方面可分散荷載并參與橋面板的受力,另一方面起聯(lián)結(jié)各主梁共同受力的作用;既是橋面保護(hù)層又是橋面結(jié)構(gòu)的共同受力層,所以具有足夠的強(qiáng)度和良好的整體性,并具有足夠的抗裂、抗沖擊、耐磨性能。
近年來我國公路橋梁建設(shè)快速發(fā)展,橋梁結(jié)構(gòu)不斷創(chuàng)新,大跨橋梁已很普遍,但橋面鋪裝的設(shè)計與施工仍沿用傳統(tǒng)的習(xí)慣做法,在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計時,對橋面鋪裝層一般不作專門的計算分析。隨著交通量和重型車輛的增加,橋面鋪裝問題普遍[1-6]。這不僅妨礙了正常交通,影響了橋面的美觀,更易造成交通事故,也給維修工作帶來了很大困難。近年來,人們對于因橋面鋪裝問題造成的直接和間接的經(jīng)濟(jì)損失給予了足夠的重視。橋面鋪裝的早期損壞已成為影響高速公路使用功能的發(fā)揮和誘發(fā)交通事故的一大病害。
橋面柔性鋪裝能大大緩和行車對橋面板的沖擊,較易達(dá)到運營中平穩(wěn)舒適的要求,隨著瀝青材料性能的改進(jìn),應(yīng)用將更加廣泛。但現(xiàn)行[7]對瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要從所用材料、做法及厚度等方面作了指導(dǎo)性的說明,關(guān)于具體的設(shè)計理論與方法還是空白,鋪裝層的設(shè)計無章可循。這就造成了在實際設(shè)計中,橋面鋪裝層只作為橋梁工程的附屬結(jié)構(gòu),設(shè)計者對其甚少花費精力,從而為橋面鋪裝的早期損壞埋下了隱患。因此,應(yīng)加快對橋面鋪裝,特別是結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理和設(shè)計理論方面的研究。
2 破壞形式
瀝青混凝土橋面鋪裝與正常路面和水泥混凝土橋面鋪裝相比,損壞形式有所不同[8,9]。主要有 : ①鋪裝層內(nèi)部產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力,引起不確定破壞面的剪切變形,或者由于鋪裝層與橋面板層間結(jié)合面粘結(jié)力差,抗水平剪切能力較弱,在水平方向上產(chǎn)生相對位移發(fā)生剪切破壞,產(chǎn)生推移、擁包等病害;②因溫度變化并伴隨橋面板或梁結(jié)構(gòu)的大撓度而產(chǎn)生的裂隙,在車輛荷載及滲入的水的作用下產(chǎn)生面層松散和坑槽破壞。
歐美自20世紀(jì)70年代以來在橋面鋪裝中廣泛使用防水層, 隨著交通量的增加,出現(xiàn)了一些新問題,如面層的早期破損、開裂、坑槽、防水層與面層和橋面粘結(jié)強(qiáng)度不足而產(chǎn)生推移等病害。近年來,在我國的部分地區(qū)如北京、天津等地的橋面防水層也出現(xiàn)了相應(yīng)的病害。
設(shè)防水層的水泥混凝土橋橋面瀝青混凝土鋪裝在行車荷載作用下的破壞形式一般為剪切破壞,常表現(xiàn)為擁包和推移現(xiàn)象。剪切破壞有兩種情況 :一是橋面鋼筋混凝土模量遠(yuǎn)大于瀝青混凝土和防水層的模量,加之瀝青混凝土層厚度較薄,瀝青層內(nèi)產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力而引起的無確定破壞面的剪切變形;二是防水層與瀝青混凝土面層和橋面層間粘結(jié)力不足而發(fā)生剪切破壞。因此,剪切破壞是設(shè)防水層的水泥混凝土橋面瀝青混凝土鋪裝損壞的主要原因,故在實際設(shè)計中應(yīng)基于兩種形式的剪切破壞分別加以計算分析。
3 病害分析
3.1 結(jié)構(gòu)理論與設(shè)計
(1) 橋梁的結(jié)構(gòu)理論中對橋面鋪裝層的計算分析論述幾近于零,現(xiàn)行中只給定了厚度的推薦值[7],工程界一直在各等級的公路中運用了幾十年。隨著交通量的增大,現(xiàn)行鋪裝與重型、超重型汽車的增多和車速的增快已不相適應(yīng)。橋面鋪裝層直接承受車輪荷載的沖擊,橋面鋪裝部分或全部參與了主梁結(jié)構(gòu)的變形,因此橋面鋪裝是一個受力復(fù)雜的動力體系,各種形式的主梁及鋪裝本身的構(gòu)造均影響其應(yīng)力的分布。
(2)現(xiàn)行橋規(guī)第3.2.2條規(guī)定:……如無精確的計算方法,箱形梁也可參照T形梁的規(guī)定處理[9]。從眾多箱梁的設(shè)計來看,大部分設(shè)計者對箱梁構(gòu)件是按T形梁進(jìn)行處理的。而箱梁的實際受力雖有近于T梁的一面,又有異于T梁的一面,對于連續(xù)箱梁差別更大。尤其是近年來箱梁的橋面越來越寬,橋跨與橋?qū)捴�比越來越�?箱梁仍按T梁那種長細(xì)桿件設(shè)計配筋,就越來越不適宜了,導(dǎo)致按梁設(shè)計的箱梁骨架鋼筋在實際受力狀態(tài)下難以像T梁主筋那樣發(fā)揮應(yīng)有的作用。所以,設(shè)計的假設(shè)狀態(tài)與箱梁的實際受力狀態(tài)不一致。
(3)隨著材料工業(yè)的發(fā)展,橋梁承重結(jié)構(gòu)的改進(jìn),使橋梁主梁能以較柔的結(jié)構(gòu)達(dá)到受力的要求,高等級公路大跨橋梁的橫向越來越寬。特別在設(shè)計計算中側(cè)重于主梁縱向的計算分析,對橋梁橫向剛度重視不足,橫向構(gòu)造措施不利使橋面鋪裝分擔(dān)了過多的次內(nèi)力。
(4)對于連續(xù)梁橋、拱橋及懸臂梁橋等橋型結(jié)構(gòu),由于荷載的作用而產(chǎn)生負(fù)彎矩或拉力,使橋面鋪裝層受到拉力的作用而產(chǎn)生負(fù)彎矩區(qū)裂縫,從而造成橋面鋪裝的損壞。
(5)在對高速公路進(jìn)行交通組織管理中,由于車道功能的不同,人為強(qiáng)制地使橋梁結(jié)構(gòu)運營始終處于偏載狀態(tài),使主車道的鋪裝承擔(dān)了比超車道高得多（量值可達(dá)三至四倍）的運營應(yīng)力水平,因此加快了主車道鋪裝層的疲勞。特別是隨著私營運輸業(yè)的發(fā)展,貨運業(yè)主為追求短期經(jīng)濟(jì)利益,通過改變車廂結(jié)構(gòu)如加長車廂和加高車軸彈簧等使汽車的載重、軸重及輪載成倍增加。這些車輛對鋪裝層具有嚴(yán)重的毀壞作用,并使橋梁結(jié)構(gòu)局部超載,加快了主車道鋪裝層的病害發(fā)展。因此,在設(shè)計中應(yīng)根據(jù)運營中車輛荷載的實際分布情況,在明確了橋梁結(jié)構(gòu)受力的基礎(chǔ)上,對橋面鋪裝層進(jìn)行受力計算。
3.2 施工工藝
(1)鋪裝層厚度偏小。由于橋梁上部結(jié)構(gòu)在施工中支架的沉降及預(yù)應(yīng)力反拱無法十分準(zhǔn)確地預(yù)測,或由于施工工藝控制欠佳,施工中主梁頂面標(biāo)高與設(shè)計值相符是比較困難的,一般在測量主梁頂面標(biāo)高后對其進(jìn)行調(diào)整以保證橋面的厚度。如果調(diào)整不好,就會造成鋪裝層厚度不均,使有的地方厚度偏小。
(2)梁頂清理不利,造成鋪裝層與主梁結(jié)合欠佳。
3.3 橋面防水層的影響
由于柔性防水層的強(qiáng)度與主板和鋪裝層的強(qiáng)度有差異,它的存在使上部結(jié)構(gòu)按模量形成剛—柔—剛的板體受力體系,中間柔性夾層會增大橋面板板中部的板底拉應(yīng)力。處于防水層上的鋪裝層一經(jīng)開裂,在車輪的動力荷載作用下,彼此間的縫隙越來越大,直到松散脫落。另外,防水層的使用使鋪裝層發(fā)生剪切破壞的機(jī)率大大提高。
3.4 橋面鋪裝的約束條件
橋面鋪裝受橋梁結(jié)構(gòu)的約束,受荷后其邊界條件與一般路面相差甚大,加之梁體的撓度、扭曲等形變的耦合作用,給鋪裝層的工作性能造成不利影響。
4 橋面鋪裝設(shè)計方法的討論
目前關(guān)于橋面鋪裝的研究還很不成熟,并且現(xiàn)有研究主要集中在材料設(shè)計和鋪裝技術(shù)等方面,而關(guān)于理論分析和結(jié)構(gòu)計算的研究很少。
羅立峰[5]等人將橋面板簡化為正交異性的彈性小撓度薄板,將鋪裝層簡化為各向同性的大撓度薄板,并假定兩板之間相對滑動,完全沒有摩阻力且沒有脫空現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上提出了橋面鋪裝的平衡微分方程,并以豎向變形為主要控制指標(biāo)。張占軍[8,10]等人以彈性層狀體系為理論基礎(chǔ),用三維有限元的方法對水泥混凝土橋面柔性鋪裝的層間剪應(yīng)力進(jìn)行了計算和分析。并通過對瀝青類橋面鋪裝層的破壞現(xiàn)象的分析,發(fā)現(xiàn)使用摩爾___庫侖理論來確定鋪裝厚度是比較合適的,即以橋面板與瀝青鋪裝層之間的層間剪應(yīng)力為控制指標(biāo),要求其不超過層間抗剪強(qiáng)度。另外,還結(jié)合防水層、平整度、施工工藝和車轍指標(biāo)的要求,提出了橋面瀝青鋪裝層厚度的計算方法。張占軍[11] 等人用有限元的方法對設(shè)防水層的水泥混凝土橋瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)的層間剪應(yīng)力的計算進(jìn)行了分析,討論了防水層的厚度、模量、泊松比、瀝青混凝土鋪裝層厚度和模量等參數(shù)對結(jié)構(gòu)層層間剪應(yīng)力的影響。認(rèn)為層間最大剪應(yīng)力主要取決于面層厚度和防水層模量;在防水層模量相同的情況下，增加面層厚度是降低層間剪應(yīng)力的最有效手段。合理的控制指標(biāo)是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要依據(jù),也是此課題今后要重點研究的一個方面。
從現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)分析方法看,主要是用三維等參元模型進(jìn)行分析,目前較多采用的是三維八結(jié)點和二十結(jié)點單元。
合理的有限元模型是計算分析的前提,從目前的研究狀況來看,主要有如下幾個方面急需探討。
對于橋面鋪裝, 如何假設(shè)及模擬層間接觸狀況是有限元建模一個很重要的問題。對于不設(shè)防水層的情況,可以借鑒復(fù)合路面的處理方式。 胡長順[12]等人在進(jìn)行復(fù)合路面結(jié)構(gòu)分析時,利用各向異性線彈性理論和三維有限元的方法,構(gòu)造了一種正交各向異性接觸模型,模擬板與地基之間的接觸情況。 黃曉明[13]和劉玉榮[14]等人分別在對舊水泥混凝土路面混凝土加鋪層和水泥混凝土瀝青混凝土復(fù)合路面進(jìn)行力學(xué)計算時,接觸面采用了Goodman夾層單元模型模擬既非完全連續(xù)又非完全光滑的接觸狀態(tài)。 Goodman模型是由Goodman等人最先提出的用于模擬巖體節(jié)理的一種特殊單元,將它運用于夾層即為夾層單元。夾層單元由兩個面組成,兩個面之間假想由無數(shù)微小彈簧連接,單元厚度假定為0,每片接觸面有4個結(jié)點,一個單元共有八個結(jié)點,是一種二維單元。 對于設(shè)防水層的情況,實際施工中防水層的厚度在2～5mm之間,一般約為3mm。由于防水層的厚度很薄,有的將其簡化為一種接觸條件來處理,黃曉明[15]和黃衛(wèi)[16]等人在對設(shè)有防水層的鋼橋橋面鋪裝層進(jìn)行力學(xué)分析時,同樣采用了無厚度的Goodman夾層單元來模擬防水層的作用,夾層單元與相鄰的夾層單元或鋪裝體單元之間,只有結(jié)點處有力的聯(lián)系。 張占軍等人在文獻(xiàn)[11] 里在計算水泥混凝土橋瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)的層間剪應(yīng)力時考慮了防水層厚度。胡長順[17]等人在利用有限元法對有裂縫夾層的舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層進(jìn)行力學(xué)計算時,對有一定厚度的夾層直接使用三維等參元劃分單元,而對于土工織物這一類的無厚度夾層,則根據(jù)薄膜問題的物理方程與幾何方程推導(dǎo)4結(jié)點矩形單元,建立單元剛度矩陣,進(jìn)行力學(xué)分析。
總之,如何模擬層間接觸狀況,特別是如何考慮防水層的影響,是建立合理有限元模型的一個關(guān)鍵問題,是研究鋪裝層結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的一個重點。要采取理論計算與試驗分析相結(jié)合的方法,將計算結(jié)果與試驗和實測結(jié)果相對比,尋找一種與結(jié)構(gòu)實際受力吻合的模型。
橋面鋪裝層是一種特殊的路面結(jié)構(gòu),如何合理簡化荷載模型,以及如何進(jìn)行橫向和縱向布載,也直接關(guān)系到計算結(jié)果的精確程度。文獻(xiàn)[8,10,11]中在計算剪應(yīng)力時參照路面設(shè)計中的荷載模型,荷載參數(shù)為BZZ-100,p=0.7MP,δ=10.65cm,水平荷載與垂直荷載同時考慮。黃曉明在文獻(xiàn)[15]中,則對不同的橋跨截面在橫向不同位置進(jìn)行布載,找出最不利的荷位。只有將橋梁結(jié)構(gòu)分析和路面理論結(jié)合起來,才能較好的解決這一問題。
另外需要研究的一個重要問題是,橋梁在荷載作用下產(chǎn)生撓度及其它形變,這些因素對鋪裝層的力學(xué)特性有何影響,如何考慮這些影響,這也是橋面鋪裝不同于一般復(fù)合路面的一個方面。目前,國內(nèi)還沒有專門針對這方面的討論。
合理解決橋面鋪裝問題需要從理論分析和結(jié)構(gòu)計算兩方面入手,正確的理論基礎(chǔ)是根本,合理的力學(xué)模型是關(guān)鍵。 通過計算分析與實測對比,較好的解決如上述的接觸模型、荷載簡化等問題,搞清其它因素的影響;還要加強(qiáng)對模型尺寸及收斂條件的研究;在條件允許的情況下,加強(qiáng)對其動力性能的研究。在分析鋪裝層破壞形式的基礎(chǔ)上, 確定關(guān)鍵因素,提出控制指標(biāo)并建立相應(yīng)的破壞準(zhǔn)則,為設(shè)計提供依據(jù),要達(dá)到這一目標(biāo)需要做大量的基礎(chǔ)性研究工作。
5 小結(jié)
本文對鋼筋混凝土橋柔性橋面鋪裝的早期病害及其原因進(jìn)行了分析與研究,總結(jié)了當(dāng)前國內(nèi)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)分析的主要方法,提出了用有限元分析需要注意的一些問題,指出了今后主要的研究方向。
當(dāng)務(wù)之急是加快對瀝青混凝土橋面鋪裝的進(jìn)一步研究,以明確橋面鋪裝層各結(jié)構(gòu)層計算模型、力學(xué)特性及相關(guān)參數(shù),為橋面鋪裝的設(shè)計提供指導(dǎo)；同時,加強(qiáng)對各鋪裝層材料的材料性能指標(biāo)和測試技術(shù)的研究,開發(fā)適應(yīng)橋面破壞機(jī)理的新材料；另外,還要改進(jìn)鋪裝技術(shù)及提高施工質(zhì)量,保證設(shè)計模型的準(zhǔn)確性,從根本上解決橋面鋪裝早期損壞問題。