王 博

(安徽省高等級公路工程監(jiān)理有限公司，安徽 合肥 230031)

0 引 言

橋面鋪裝層是橋梁結構的重要組成部分，與普通路面相比，橋面鋪裝層所使用的施工材料性能、施工工藝及鋪裝層結構型式均對施工質量有較大影響。橋面鋪裝施工技術作為鋼橋施工關鍵技術之一，始終受到學術界和施工技術人員的重視和關注。對于具體工程而言，為減輕鋼橋結構自重，壓縮施工成本，往往采用不等厚鋪裝結構，但這種結構由于存在厚度較大、厚度較小及過渡區(qū)三個不同區(qū)域，且不同區(qū)域施工參數及施工質量控制要求不盡相同，無形中增大了橋面鋪裝層碾壓施工質量控制難度。為此，必須依托現(xiàn)行公路橋涵設計及施工規(guī)范，充分結合公路橋鋪裝結構受力情況，進行不等厚鋪裝結構碾壓施工過程仿真分析，根據分析結果優(yōu)化施工機械組合和施工參數，確保不等厚鋪裝結構公路橋碾壓施工質量。

1 工程概況

102省道潁東棗莊至口孜段改建工程潁河公路橋起訖樁號K12+323.7～K14+090.7，橋梁全長1 767 m，按照雙向八車道公路標準建設。該公路橋依次由30 m預制組合箱梁、90 m網狀吊桿系桿拱、100 m+180 m+100 m預應力混凝土斜拉橋、30 m預制組合箱梁等結構形式組成，分別編號為1～4分橋，其中100 m+180 m+100 m預應力混凝土斜拉橋為主橋，采用變截面鋼箱梁設計形式，單箱單室結構，長380 m，橋面全寬52.5 m，橋墩處梁高9.0 m，中跨跨中與邊跨端部直線段梁高4.5 m。橋面從道路中心線開始依次向兩側設置2%排水橫坡，并按照6 m間隔設置泄水管，將橋面縱向集水管所收集到的雨水全部匯集至沉淀池集中處理。主橋橋墩均為鉆孔灌注樁基礎，墩身為雙肢薄壁墩結構，橫、縱橋向寬度分別為6.3 m和3.0 m。

出于控制橋梁結構自重、降低建設成本考慮，該公路橋鋼箱梁采取變截面結構，頂層鋼板不等厚設計，整個橋梁順縱橋向共設置數個不等厚過渡區(qū)，均以1∶8的線性斜坡過渡。為適應不等厚結構形式，該公路橋鋪裝體系采用雙層EA不等厚過渡形式。在進行該公路橋鋪裝結構設計的過程中，應始終將頂層鋼板厚度和下層鋪裝厚度之和控制在7.1 cm，將上層鋪裝層厚度控制在2.5 cm，并將頂層鋼板厚度和鋪裝層厚度之和控制在9.6 cm，也就是說，為減輕不等厚頂層鋼板對鋪裝結構的不利影響，只能在頂層鋼板和下層鋪裝結構中應用不等厚結構，同時提升下層鋪裝施工質量。每座分橋頂層鋼板和橋面鋪裝層厚度的可能組合具體見表1。

表1 頂層鋼板和下層鋪裝層厚度的組合

一般情況下，縱橫隔板上方、U型加勁肋上方、跨中及支座彎曲應力較大區(qū)域均為鋼箱梁橋鋪裝結構受力不利的區(qū)域，鋪裝結構承受的剪應力較大，在反復的行車荷載及環(huán)境影響下，出現(xiàn)脫層、裂縫等病害的可能性非常大。由于該公路橋不等厚結構較為特殊，受力不良的區(qū)域除以上常規(guī)區(qū)域外，還包括不等厚過渡區(qū)上方鋪裝層。該公路橋1和4分橋分別設置一條行車道和一條非機動車道，而2和3分橋分別設置三條同行向行車道，故本文以交通量和行車荷載較大的2和3分橋進行力學分析。

2 力學分析

2.1 整橋力學分析

應用midas Civil軟件構建該公路橋2和3分橋整橋力學模型，并將全橋離散為包括131個節(jié)點和130個單元的空間桿系單元，按照設計，公路橋整體力學模型主要采用彈性模量2.06×10kN/m、泊松比0.3的Q370qD材料，車道荷載按照公路-Ⅰ級10.5kN/m的均布荷載確定，橋梁一期、二期恒載分別為109.1 kN/m和40.8 kN/m。向2和3分橋施加自重、車道荷載及二期恒重，由于該公路橋不等厚過渡區(qū)對稱布置，為簡化分析，只提取跨中橫斷面一側過渡區(qū)進行彎矩分析即可。分析結果見表2。表中分析結果表明，因受到恒載和車道荷載的作用，在與橋頭相距170 m處不等厚位置出現(xiàn)豎向正彎矩最大值2.12×10kN·m，該點頂層鋼板厚度從22 mm增大至32 mm，下層鋪裝層厚度從49 mm減小至39 mm；與橋頭相距96 m處不等厚位置出現(xiàn)豎向負彎矩最大值-5.01×10kN·m，此處頂層鋼板厚度從28 mm增大至36 mm，下層鋪裝厚度則從43 mm減小至35 mm。彎矩越大意味著不等厚位置鋼板出現(xiàn)形變的可能性也越大，上方鋪裝結構也因此而承受更大的集中應力，更容易出現(xiàn)脫層、裂縫等病害

表2 跨中橫斷面一側過渡區(qū)彎矩

2.2 細部模型構建

瀝青混合料和壓路機碾壓輪仿真模型，同時采用FLAC構建該公路橋2和3分橋彎矩值最大的不等厚結構細部模型和頂層鋼板模型，并從碾壓質量控制角度對不等厚鋪裝結構最佳碾壓工序展開分析。

該公路橋工程擬采用半徑60 mm、輪寬40 mm的碾壓機械，碾壓輪和瀝青混合料接觸通過接觸剛度模型進行表征，碾壓輪與混合料接觸的摩擦系數取0.15。根據類似工程設計經驗及《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)，將粒徑在2.36 mm以下的瀝青混合料簡化成瀝青砂漿，根據混合料級配、孔隙率和油石比計算不同粒徑顆粒數量。瀝青混合料材料屬性通過微觀參數驗算法設定Burgers模型進行表征。

橋面鋪裝模型按照長200 m、寬71 mm、高50 mm確定邊界尺寸，頂層鋼板和下層鋪裝厚度共為7.1 cm，同時在模型中部縱向設置1:8的斜坡以進行公路橋不等厚結構模擬。頂層鋼板彈性模量取2.06×10MPa，質量密度取7 800 kg/m，泊松比0.3。由于該公路橋鋪裝結構禁止采用振動壓實方式，且碾壓機械質量不宜過大，同時還應加強碾壓施工工序控制。為增強仿真分析結果的準確性，降低分析難度，本文將碾壓荷載作用形式簡化為單一鋼輪荷載靜壓方式，豎向壓力通過伺服驅動系統(tǒng)控制。結合鋼橋面鋪裝施工經驗以及該公路橋施工技術指南，初壓遍數應為4遍，碾壓速度應為1.5～3.0 km/h；復壓遍數應為4遍，碾壓速度應為2.0～5.0 km/h；終壓遍數分別為3遍和4遍，碾壓速度分別為3.5～5.5 km/h和2.0～3.5 km/h。

2.3 細部力學分析

在力學分析階段，首先驗證表3中所提出的碾壓參數，根據所提取到的碾壓施工后過渡區(qū)斜坡兩側混合料顆粒下降量絕對量和相對量，繪制不同碾壓施工階段單次碾壓下降量和累計碾壓下降量變動趨勢圖。根據分析結果，在不同的碾壓施工階段，混合料顆粒下降量表現(xiàn)出不同的變化趨勢：初壓階段，單次碾壓的瀝青混合料厚度下降量最大，此后隨著碾壓遍數的增大，混合料厚度下降量逐漸降低；累計碾壓下混合料厚度降幅也為最大，當碾壓遍數增大后，厚度的降低趨勢減緩，在終壓階段趨于穩(wěn)定。以上混合料顆粒含量及厚度的變動趨勢與鋼橋面鋪裝實際施工效果吻合，說明本文所構建的有限元模型能較好模擬該公路橋鋪裝層碾壓施工過程及效果。

根據厚度大小將該公路橋橋面不等厚過渡區(qū)鋪裝結構分成厚度較大側、厚度較小側和過渡斜坡三個部分；為便于分析，將橋面鋪裝厚度由大至小碾壓施工向標記為a向，而將橋面鋪裝厚度由小至大的碾壓施工向標記為b向(見圖1)。在此基礎上，根據所提取的碾壓施工期間橫縱向混合料顆粒在混合料體積上的橫縱向拉應力，進行鋪裝層應力響應受不等厚結構影響程度的定量分析。分析結構匯總至圖2。

圖1 碾壓施工方向

圖2 瀝青混合料橫縱向拉應力比較

通過比較該公路橋不等厚鋪裝層橫縱向碾壓施工過程中瀝青混合料橫縱向拉應力變化情況可以看出，不等厚過渡區(qū)瀝青混合料應力響應與周圍區(qū)域存在較大差異；不等厚過渡區(qū)厚度最小端橫縱向瀝青混合料橫縱向拉應力均最大，說明在碾壓施工過程中，不等厚過渡區(qū)厚度最小端瀝青混合料受力狀態(tài)最差。為有效解決這一問題，必須根據現(xiàn)場施工實際盡量減少碾壓施工遍數，防止因過度碾壓而引發(fā)混合料顆粒破碎。不等厚過渡區(qū)厚度最小端右側橫縱向瀝青混合料橫縱向拉應力約為不等厚過渡區(qū)厚度最小端混合料橫縱向拉應力的1/2，但仍大于其余區(qū)域，這意味著碾壓施工過程中，不等厚過渡區(qū)瀝青混合料出現(xiàn)過壓的可能性更大，除應適當減小碾壓遍數外，還必須嚴格控制碾壓機械在不等厚過渡區(qū)上方停留的時間。在其余區(qū)域中，橫縱向拉應力均較小，頂部鋼板厚度較小區(qū)因瀝青混合料厚度較大，能對碾壓機械碾壓應力起到較好的分散作用，故橫縱向拉應力最小?？梢姡訌妼窐蜾佈b層不等厚過渡區(qū)碾壓層厚度及碾壓遍數的控制，并防止碾壓機械在鋪裝層上停留時間過長，才能保證鋪裝質量。

3 結 論

綜上所述，通過構建102省道潁東棗莊至口孜段改建工程潁河公路橋2和3分橋整體結構力學模型及細部力學模型，對公路橋不等厚鋪裝層在行車荷載作用下的力學響應進行分析得出：與橋頭相距170 m處和96 m處不等厚位置分別對應最大的豎向正彎矩2.12×10kN·m和最大的豎向負彎矩-5.01×10kN·m；初壓和復壓階段單次碾壓及累計碾壓下鋪裝層瀝青混合料厚度均表現(xiàn)出明顯降幅，必須加強這兩個碾壓施工階段施工質量控制；不等厚鋪裝層過渡區(qū)混合料受力比其他區(qū)域大，應防止碾壓機械長期停留于該區(qū)域?；诒疚牡哪M分析結果，該公路橋不等厚鋪裝層施工過程中，應當密切結合現(xiàn)場實際，進行碾壓施工參數的靈活調整，確保橋面各施工區(qū)域瀝青混合料碾壓施工質量。