从桥面塌陷探讨沥青混凝土桥面铺装问题

摘要:本文对钢筋混凝土桥柔性桥面铺装的早期损害及其原因进行了分析与研究,在总结当前国内桥面铺装结构分析主要方法的基础上,通过理论分析，指出了今后主要的研究方向。

关键词:

水泥混凝土桥面 沥青混凝土桥面铺装早期损坏

2010年春，天津市滨海新区彩虹大桥桥面铺装层开裂，形成一米见方的塌陷，妨碍了交通，影响了人们的正常工作和生活。由此可见，桥面铺装问题是亟待解决的大问题。

1．桥面铺装的设计的重要性。桥面铺装层直接承受行车荷载、梁体变形和环境等因素的作用,其变形和应力特征与主梁及桥面板结构型式密切相关,它可分散荷载并参与桥面板的受力,还起着联结各主梁共同受力的作用;既是桥面保护层又是桥面结构的共同受力层,所以它必须具有足够的抗裂、抗冲击、耐磨性能。

近年来我国公路桥梁建设发展速度之快令人目不暇接,桥梁结构不断创新，大跨桥梁也已很普遍。在我的家乡――天津，桥梁设计更是多种多样，海门大桥、蝶形立交桥、彩虹横跨桥、斜拉式跨河大桥等设计新颖。但大多数桥面铺装的设计与施工仍沿用传统的习惯做法,经调研在进行桥梁结构设计时,对桥面铺装层一般不作专门的计算分析。随着滨海新区的建设，交通量的增加，重型车辆的增多,这些给桥梁带来了不少隐患。因此桥面铺装如果有问题，这不仅妨碍了正常交通,影响了桥面的美观,更易造成交通事故,也给维修工作带来了很大困难。

近年来,人们对于因桥面铺装问题造成的直接和间接的经济损失给予了足够的重视。桥面铺装的早期损坏已成为影响高速公路使用功能的发挥和诱发交通事故的一大病害。桥面柔性铺装能大大缓和行车对桥面板的冲击,较易达到运营中平稳舒适的要求,随着沥青材料性能的改进,应用将更加广泛。但现行规范对沥青铺装结构的设计主要从所用材料、做法及厚度等方面作了指导性的说明,关于具体的设计理论与方法还是空白,铺装层的设计无章可循，这就造成了在实际设计中,桥面铺装层只作为桥梁工程的附属结构,设计者对其甚少花费精力,从而为桥面铺装的早期损坏埋下了隐患。因此,应加快对桥面铺装,特别是结构破坏机理和设计理论方面的研究。

2．桥面破损形式。沥青混凝土桥面铺装与正常路面和水泥混凝土桥面铺装相比,损坏形式有所不同 。

①铺装层内部产生较大的剪应力,引起不确定破坏面的剪切变形,或者由于铺装层与桥面板层间结合面粘结力差,抗水平剪切能力较弱,在水平方向上产生相对位移发生剪切破坏,产生推移、拥包等病害。

②因温度变化并伴随桥面板或梁结构的大挠度而产生的裂隙,在车辆荷载及渗入的水的作用下产生面层松散和坑槽破坏。

欧美自20世纪70年代以来在桥面铺装中广泛使用防水层, 随着交通量的增加,出现了一些新问题,如面层的早期破损、开裂、坑槽、防水层与面层和桥面粘结强度不足而产生推移等病害。近年来,在我国的部分地区如北京、天津等地的桥面防水层也出现了相应的病害。

3 产生损坏的原因

(1) 连续梁桥、拱桥及悬臂梁桥等桥型结构,由于荷载的作用而产生负弯矩或拉力,使桥面铺装层受到拉力的作用而产生负弯矩区裂缝,从而造成桥面铺装的损坏。

(2)现行桥规第3.2.2条规定:……如无精确的计算方法,箱形梁也可参照T形梁的规定处理[3]。从众多箱梁的设计来看,大部分设计者对箱梁构件是按T形梁进行处理的。而箱梁的实际受力虽有近于T梁的一面,又有异于T梁的一面,对于连续箱梁差别更大。由此看出设计的假设状态与箱梁的实际受力状态不一致。

(3)由于车道功能的不同,主车道的铺装承担了比超车道高得多的运营应力水平,因此加快了主车道铺装层的疲劳。这些车辆对铺装层具有严重的毁坏作用,并使桥梁结构局部超载,加快了主车道铺装层的病害发展等。

(4)梁顶清理不利,造成铺装层与主梁结合欠佳。

（5）桥面防水层的影响。由于柔性防水层的强度与主板和铺装层的强度有差异,它的存在使上部结构按模量形成刚―柔―刚的板体受力体系,中间柔性夹层会增大桥面板板中部的板底拉应力。处于防水层上的铺装层一经开裂,在车轮的动力荷载作用下,彼此间的缝隙越来越大,直到松散脱落。

4.桥面铺装设计方法的讨论。目前关于桥面铺装的研究还很不成熟,并且现有研究主要集中在材料设计和铺装技术等方面,而关于理论分析和结构计算的研究很少。张占军等人以弹性层状体系为理论基础,用三维有限元的方法对水泥混凝土桥面柔性铺装的层间剪应力进行了计算和分析。并通过对沥青类桥面铺装层的破坏现象的分析,发现以桥面板与沥青铺装层之间的层间剪应力为控制指标,要求其不超过层间抗剪强度，这样铺装厚度是比较合适的。另外,他们结合防水层、平整度、施工工艺和车辙指标的要求,提出了桥面沥青铺装层厚度的计算方法。张占军等人用有限元的方法对设防水层的水泥混凝土桥沥青铺装结构的层间剪应力的计算进行了分析,讨论了防水层的厚度、模量，沥青混凝土铺装层厚度和模量等参数对结构层层间剪应力的影响。认为层间最大剪应力主要取决于面层厚度和防水层模量;在防水层模量相同的情况下，增加面层厚度是降低层间剪应力的最有效手段。合理的控制指标是进行结构设计的重要依据,也是今后要重点研究的一个方面。

5.亟待解决的问题。当务之急是加快对沥青混凝土桥面铺装的进一步研究,以明确桥面铺装层各结构层计算模型、力学特性及相关参数,为桥面铺装的设计提供指导；同时,加强对各铺装层材料的材料性能指标和测试技术的研究,开发适应桥面破坏机理的新材料；另外,还要改进铺装技术及提高施工质量,保证设计模型的准确性,从根本上解决桥面铺装早期损坏问题。