趙勇斌

摘要:針對瀝青混凝土橋面鋪裝的早期病害及其原因進(jìn)行了分析與研究,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。

Abstract:The analysis and research are done on the early disease in asphalt concrete pavement. The thesis points out the questions existing in the finite element analysis that we should pay attention to, and the direction of research is also proposed.

關(guān)鍵詞:橋面鋪裝;早期病害;原因分析

Key words:bridge pavement;early disease;analysis of reason

中圖分類號:TU445文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1006-4311(2010)04-0168-01

0 引言

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)行規(guī)范對瀝青鋪裝結(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。

1 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。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。

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。

2 病害分析

2.1 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)行規(guī)范中只給定了厚度的推薦值,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)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。(3)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。

2.2 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。

2.3 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。

2.4 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。

3 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。

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,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。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。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。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。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。

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。

4 小結(jié)

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。