季節(jié)， 李昊隆， 董陽， 于海臣， 楊躍琴， 李鵬飛

(1北京建筑大學 土木與交通工程學院， 北京市 100044； 2.北京未來城市設計高精尖創(chuàng)新中心；3.北京國道通公路設計研究院股份有限公司)

水泥混凝土橋面板+瀝青橋面鋪裝體系中，鋪裝層與橋面板的物理性能存在明顯的差異，這種“一剛一柔”的組合形式使得鋪裝體系內(nèi)部剪應力大，容易產(chǎn)生剪切變形；層間結合處黏結性差，容易產(chǎn)生水平向的相對位移；水分下滲導致面層松散。防水黏結層位于兩層面之間，具有增強上、下層黏結、防止水分下滲的作用，因此，黏結層的性能很大程度上影響了橋面鋪裝層體系的壽命和性能表現(xiàn)。近年來，隨著重載車輛數(shù)量的增多以及超載、超重現(xiàn)象的常態(tài)化，橋面鋪裝體系在使用初期即產(chǎn)生面層推擠、擁包和車轍等病害。目前，國內(nèi)外在橋面鋪裝體系的設計理論、材料選擇和評價方法等方面仍沒有統(tǒng)一的標準，各國多以經(jīng)驗為主導對各層材料的性能作出規(guī)定。防水黏結層材料的抗剪性能不足是造成防水黏結層失效、導致橋面鋪裝體系初期病害的主要原因。如何設計、開發(fā)符合重載交通的防水黏結層材料受到廣泛的關注。中國水泥混凝土橋面鋪裝層厚度的變化范圍較大，因而對抗剪性能的要求不盡相同，JC/T 975-2005《道橋用防水涂料》和JT/T 535-2015《路橋用水性瀝青基防水涂料》中規(guī)定的抗剪強度標準值已不適應目前的重載交通需求，也不適用于現(xiàn)在種類繁多、材料復雜的防水黏結層。因此，為開發(fā)適用于重載交通的新型防水黏結層材料，防止橋面鋪裝體系發(fā)生早期破壞，確定抗剪強度新標準值非常必要。

Mazzotta F等利用廢舊橡膠顆粒制作橡膠墊和SBS改性瀝青作為新型水泥混凝土橋面防水黏結層，測試其在常溫下最大拉拔強度和剪切強度分別為0.5 MPa和0.18 MPa，滿足規(guī)范要求；Canestrari F等對1 400個試樣進行室內(nèi)剪切試驗、雙剪切試驗以及扭矩試驗，研究了試驗溫度、加載速度以及試樣齡期等參數(shù)對路面層間剪切強度的影響，結果顯示隨著溫度的升高，瀝青路面層間剪應力不斷減?。籑ohammad LN等采用有限元方法研究了黏結層界面剪切特性對面層荷載的響應，發(fā)現(xiàn)路面厚度越薄，黏結層材料種類和用量對層間剪切特性影響越明顯；Liu等利用室內(nèi)力學試驗、溫度監(jiān)測和有限元分析法，發(fā)現(xiàn)混凝土橋面鋪裝體系的層間抗剪強度和拉拔強度隨溫度的升高而顯著降低，防水黏結層材料的安全系數(shù)(強度/應力)隨荷載與溫度梯度的增加而顯著減??；Xu等建立三維有限元模型分析了車輛荷載、環(huán)境溫度以及鋪裝層厚度等因素對橋面防水黏結層層間剪應力的影響，發(fā)現(xiàn)層間剪切強度隨車輛荷載法向壓力的增加而線性增大，隨溫度和鋪裝層厚度的增加而顯著減??；顧興宇等利用有限元分析認為鋪裝層厚度和水平荷載對防水黏結層的剪應力影響更為顯著，通過變剪切角試驗發(fā)現(xiàn)隨著溫度和剪切角的增大，層間剪應力不斷減??；萬晨光等利用Ansys有限元分析發(fā)現(xiàn)最不利節(jié)點的剪應力與壓應力的線性方程，確定了最大剪應力節(jié)點集合，研究了接地壓強、車輛行駛狀態(tài)和鋪裝層厚度對層間剪切狀態(tài)的敏感性，但其僅考慮了車輛荷載而未涉及橋面鋪裝在服役期間環(huán)境因素對防水黏結層剪應力的影響。

綜上，在計算橋面防水黏結層剪應力以及確定影響剪應力的因素方面，國內(nèi)外研究者多集中于荷載、溫度、鋪裝層厚度等因素對防水黏結層力學性能的影響，而很少研究荷載分布位置、鋪裝層模量變化等對剪應力大小的影響；另外，研究者們大多重視車輛荷載單一因素對防水黏結層剪應力大小的影響，很少考慮在多因素耦合作用下的防水黏結層層間剪應力變化，也未給出明確的推薦值。

基于此，該文擬將水泥混凝土橋面鋪裝體系作為整體建立有限元模型，考慮荷載大小及分布位置、鋪裝層厚度及模量變化等因素，依托2016年北京順密路上、下行超限車輛的軸載調(diào)查數(shù)據(jù)，探究重載交通、溫度等多因素耦合作用對防水黏結層剪應力的影響，確定溫度-荷載耦合作用下防水黏結層所能承受的最大剪應力，以此為開發(fā)重載交通條件下新型防水黏結層材料提供理論依據(jù)。

1 有限元模型的建立

采用Abaqus軟件建立一跨徑20 m的4片式T形梁橋，雙向車道，橋面凈寬為10 m+2×0.5 m的防撞護欄，水泥混凝土橋橋面鋪裝體系的三維有限元模型如圖1所示。假設橋面板為剛性半空間無限體，各層材料為均勻、連續(xù)和各向同性的彈性材料；防水黏結層厚度相較于其他鋪裝層的厚度較小，在建模過程中不單獨考慮，忽略其厚度以及各部件自重。模型邊界條件為橋梁兩端完全固結，約束X、Y、Z3個方向的自由度。橋面鋪裝層結構在靜力狀態(tài)下各層之間均無相對位移，橋面板和鋪裝層均處于無裂縫狀態(tài)，因此層間結合采用綁定連接。

圖1 有限元模型示意圖

橋面鋪裝結構層分別為AC-13瀝青上面層、AC-16瀝青下面層、水泥混凝土調(diào)平層和C40水泥混凝土橋面板?？紤]不同類型材料差異并結合實際測試值，模型各結構層材料計算參數(shù)取值如表1所示。

表1 各結構層材料參數(shù)

該文有限元模型計算中的車輛荷載，采用JTG D60-2015《公路橋涵設計通用規(guī)范》中規(guī)定的標準車輛后輪單軸軸載140 kN，荷載樣式如圖2所示。

圖2 荷載樣式(單位：m)

對于雙車道橋面鋪裝體系而言，左、右兩車道的力學性能關于縱橋向中線對稱，因此該文在一跨簡支梁橋的半幅布置荷載，即可確定最不利荷載位置。

2 結果與討論

2.1 最不利荷位

利用Abaqus軟件沿縱橋向在一跨簡支梁橋面布置車道荷載來確定最不利荷位?，F(xiàn)有文獻[24-27]多采用在橋面板上選取有限個荷位點來計算分析橋面鋪裝層間力學性能，最終確定最不利荷載位置。

該文先在縱橋向沿車道中心，在一跨橋梁范圍內(nèi)均勻布置5個標準車輪載來確定車道荷載中的集中荷載位置，如圖3所示。每次只在一個荷載位置布置輪載，在計算過程中采用瀝青層上面層層底剪應力表示鋪裝層間的剪應力；采用水泥混凝土橋面板頂面剪應力表示防水黏結層的剪應力。表2為計算得到的每個標準荷載下鋪裝層間剪應力和防水黏結層剪應力。

圖3 縱橋向荷載布置

表2 縱橋向不同荷載位置剪應力

由表2可知：任意荷載位置上，防水黏結層處無論是橫向剪應力還是縱向剪應力均遠大于鋪裝層剪應力；防水黏結層處縱向剪應力遠大于橫向剪應力。在對稱荷位位置，防水黏結層剪應力和鋪裝層剪應力分別相等。在荷位3時，防水黏結層剪應力和鋪裝層間的縱向剪應力分別達到各自的最大值0.741 MPa和 0.149 MPa，且兩者相差近5倍，主要是由于瀝青鋪裝層和混凝土橋面板模量相差達20倍，使得橋面受荷時應力集中于防水黏結層處，造成防水黏結層處縱向剪應力較大。由此可見，防水黏結層縱向剪應力應作為確定最不利荷位的控制指標，荷位3處是布置集中荷載的位置，即集中荷載的位置在橋梁跨中處。

沿縱橋向布置車道荷載，如圖4所示。集中荷載大小為300 kN，將其轉換為線荷載布置在荷位3的輪軸中心線上，線長3.75 m；線荷載大小為10.5 kN/m，將其轉換為面荷載布置于車道，面積大小為3.75 m×20 m。表3為計算該標準車道荷載下鋪裝層間和防水黏結層剪應力。

圖4 車道荷載布置(單位：m)

表3 鋪裝層間剪應力和防水黏結層剪應力 MPa

由表3可知：鋪裝層和防水黏結層的縱向剪應力大于其橫向剪應力。相對于鋪裝層的縱向剪應力，防水黏結層的縱向剪應力是其3.9倍，結合橫橋向不同方向上的剪應力分布，設計防水黏結層時應該重點考慮其縱向剪應力。施工荷載后，縱向剪應力變化云圖見圖5。

圖5 縱向剪應力變化云圖(單位：MPa)

由圖5可知：在施加車道荷載后，鋪裝層和防水黏結層的最大縱向剪應力均發(fā)生在梁端支座處，即混凝土橋最不利荷位在橋梁跨中處，最大剪應力產(chǎn)生于梁端支座處。

2.2 荷載大小

圖6為2016年北京順密路1年內(nèi)所有超限車輛最大軸載出現(xiàn)的頻率。

圖6 2016年北京順密路超限車輛軸載譜

從圖6可知：最大軸載為140～150 kN的車輛占比接近70%，車輛數(shù)最多；最大軸載160～170 kN的占比超過10%，車輛數(shù)次之。根據(jù)軸載換算公式，可計算出相應的荷載分別為1.0 MPa和1.2 MPa。

2.3 鋪裝層厚度

在最不利荷位處施加標準荷載，通過變換鋪裝層厚度分析其對鋪裝層及防水黏結層剪應力的影響。表4為不同鋪裝層厚度組合，各層最大剪應力計算結果如圖7所示。

表4 瀝青混凝土鋪裝層不同厚度組合

圖7 不同鋪裝層厚度下防水黏結層和鋪裝層間最大剪應力

從圖7可知：隨著鋪裝層厚度的增加，防水黏結層最大剪應力和鋪裝層最大剪應力逐漸減??；鋪裝層厚度由7 cm增加至14 cm時，防水黏結層和鋪裝層最大剪應力分別減小了24.0%和19.0%；鋪裝層厚度由7 cm增加至10 cm時，防水黏結層和鋪裝層最大剪應力分別下降17.7%和12.6%；鋪裝層厚度由10 cm增加至14 cm時，防水黏結層和鋪裝層最大剪應力分別下降7.6%和7.3%。隨著鋪裝層厚度的增加，防水黏結層最大剪應力先快速下降再緩慢下降。

在同一鋪裝層厚度下，防水黏結層處最大剪應力遠大于鋪裝層間最大剪應力，因此，防水黏結層是混凝土橋最易發(fā)生剪切破壞的層位。

2.4 鋪裝層模量

瀝青混合料模量受環(huán)境溫度變化的影響很大，圖8為AC-13和AC-16瀝青混合料在0～60 ℃的抗壓回彈模量變化曲線。

圖8 瀝青混合料模量隨溫度變化

由圖8可知：在0～60 ℃，AC-13的抗壓回彈模量略高于AC-16，且兩者的抗壓回彈模量均隨溫度的升高而下降。在0～40 ℃，AC-13和AC-16的抗壓回彈模量下降迅速，分別下降了78.9%和77.8%，在40～60 ℃，兩者抗壓回彈模量的下降速率趨于平緩，基本保持一致，均下降了41.7%。

2.5 溫度-荷載耦合作用下防水黏結層剪應力

依據(jù)第三強度理論，當橋面防水黏結層在荷載作用下產(chǎn)生的剪應力達到了防水黏結層材料的剪切強度時，防水黏結層就會出現(xiàn)破壞。利用表1的材料參數(shù)，采用上層4 cm+下層6 cm的鋪裝層厚度，鋪裝層上面層模量采用0～60 ℃下AC-13瀝青混合料的抗壓回彈模量(2 850～350 MPa)，下面層模量采用0～60 ℃下AC-16瀝青混合料的抗壓回彈模量(2 700～350 MPa)，在最不利荷位處施加0.7～2.0 MPa的輪載，計算防水黏結層處在最不利荷位下不同溫度和荷載耦合作用下的剪切強度(圖9)。

圖9 溫度-荷載耦合作用下防水黏結層剪應力

由圖9可知：

(1) 防水黏結層處剪應力隨溫度或荷載的增大而線性增加。相同荷載條件下，鋪裝層溫度每升高15 ℃，防水黏結層處剪應力則平均增加0.013 MPa；相同溫度條件下，荷載每增加1.0 MPa，防水黏結層處剪應力則平均增加0.86 MPa。相對而言，荷載對橋面防水黏結層剪應力的影響要顯著于溫度，故在橋面服役期間應嚴格控制超限超載車輛。

(2) 溫度越高、荷載越大，防水黏結層的剪應力也隨之增大，防水黏結層鋪裝體系越容易產(chǎn)生剪切破壞。如在60 ℃，2.0 MPa耦合作用下，防水黏結層處的剪應力高達1.76 MPa，是0 ℃，0.7 MPa耦合作用下剪應力值的3倍。因此，在實際設計和材料選擇中需要綜合考慮溫度和荷載對防水黏結層剪應力的耦合作用。

(3) JC/T 975-2005《道橋用防水涂料》中規(guī)定50 ℃時防水黏結層材料的剪切強度不小于0.2 MPa，而通過實際交通荷載的調(diào)查，再結合溫度的耦合作用，計算出在85%橋面服役期間防水黏結層剪應力值均遠遠大于現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定值，這也是橋面鋪裝層體系容易出現(xiàn)早期病害的原因之一。

3 結論

該文依托2016年北京順密路超限車輛的軸載調(diào)查數(shù)據(jù)，研究分析了荷載分布位置及大小、鋪裝層厚度及模量變化等對防水黏結層剪應力的影響規(guī)律，得出以下結論：

(1) 混凝土橋防水黏結層最不利荷位出現(xiàn)在橋梁跨中處，最大剪應力出現(xiàn)在梁端支座處。

(2) 通過在混凝土橋最不利荷位處施加荷載發(fā)現(xiàn)，防水黏結層剪應力隨鋪裝層厚度的增加而逐漸減小，但當鋪裝層厚度為8～12 cm時，防水黏結層最大剪應力減小幅度比較緩慢。

(3) 在0～60 ℃時，對鋪裝層厚度為10 cm的最不利荷位處施加荷載發(fā)現(xiàn)，荷載對防水黏結層剪應力的影響尤為顯著，防水黏結層的剪應力會隨溫度或荷載的升高而線性增加，在高溫和重載耦合作用下，防水黏結層剪應力遠遠大于現(xiàn)行規(guī)范的技術要求，說明現(xiàn)行規(guī)范的技術標準難以滿足現(xiàn)有的交通和環(huán)境要求，這也是橋面鋪裝層體系容易出現(xiàn)早期病害的原因之一。