水泥混凝土桥面铺装结构设计方法.pdf

2 0 1 2 年 7 月第 7 期 城 市道桥 与防洪 桥梁结构 1 7 7 水泥混凝土桥面铺装结构设计方法 陈 攀 ，潘 宝林 ( 1 同济 大学 ， 上海 2 0 0 0 9 2；2 北京 公科 固桥 技术 有 限公 司 ， 北 京 1 0 0 0 8 8 ) 摘 要 ： 随着交 通 量和 重型 车辆 的增多 ， 许 多水 泥混 凝土 桥面铺 装 层都 出现 了不 同程度 的损 坏 。桥 面铺 装层 的早 期破 损 已经 成 为影 响桥 梁通 行功 能和 诱发 交通 事故 的一 大病 害 。水 泥混 凝土 桥面 沥青铺 装层 病 害调查 表 明 ， 粘结 层剪 切破 坏是 桥面铺 装 的主要 破坏类 型 之一 ， 也是 桥 面铺装 所 特有 的破坏 类型 。该 文 提 出了 以铺装 层 与水 泥混 凝土 层 间剪应 力 、 铺 装层 表 面托应 力 作为关键指标的混凝土桥面沥青铺装层结构设计方法 ； 并推荐适宜的沥青铺装厚度为 6 1 0 c m。 关 键词 ： 水 泥混 凝土 桥 ； 桥 面铺 装 ； 设计 方法 中图分 类 号 ： U 4 4 3 3 3 文献 标识 码 ： B 文 章编 号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 01 2 ) 0 7 0 1 7 7 0 3 0 前 言 在我 国 ，对 于水 泥混凝土桥 的桥 面铺装研究 起步较晚 ，目前还没有形 成 比较完善 的桥 面铺 装 结构设计方法 和相关规 范 ，大部分桥 面铺装 工程 不作专门的设计 ， 只是采取一般路 面铺装结构。随 着交通量 和重 型车辆 的增 多 ，许多桥 面铺装层都 出现 了破损 。桥 面铺装层 的早期破损 已经成为影 响桥梁通行功 能和诱发交通事故 的一 大病 害。水 泥混凝土桥 面铺装结构设计方法是需要解决 的问 题 。 1 水泥混凝土桥面铺装病害分析 水泥混凝土桥 面铺装 作为一种特殊 的铺 面工 程 ， 在长期使用过程中受到行车荷载、 自然因素等 影 响 ，其破坏类 型除具 有普通路 面铺 装常见 的破 坏类型外 ，还具有桥面铺装体系自身特有的破坏 类型 。通 常国内外研究将 沥青混凝 土路 面的破 坏 类 型分为桥 面开裂 、 补坑 与坑槽 、 表 面变形 、 表面 损坏 ， 以及其他破坏五大类 。由于桥面系的各个加 劲部件 的存在 ，使得桥 面铺装 的使用 条件和受 力 后 的变 形特性 显著 区别于普通 沥青混 凝土路 面 ， 通过大量的资料调研与现场调研情况分析，桥面 铺装的破坏类型 的主要类 型有 以下几种 。 1 1 粘结层剪切破坏( 见 图 1) 粘结层剪 切破坏 是桥面铺装 的主要 破坏类型 之一 ， 也是桥面铺装所特有 的破坏类 型。粘结层破 坏将 导 致 沥青 铺装 层 与桥 面板 之 间 的脱 空和 滑 移， 铺装层在失去桥面板的束缚和支撑的条件下， 出现剪切破坏 ， 以至沥青铺装层无法维修 ， 被认为 是桥面铺装 的完全破坏 。同时桥 面铺 装结构体系 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 5 0 2 作者简介： 陈攀( 1 9 7 8 一) ， 男， 江苏宝应人 ， 硕士研究生 ， 工程 师 ， 从事 道路 桥梁 设计 工作 。 中 ， 粘结层与 防水层是紧密联系在一起的 ， 粘结层 的破坏也就意 味着 防水层 的破坏 ，从 而又导致 桥 面板的水腐蚀破损。 图 1桥面剪切 破坏 实景 1 2 桥面开裂 桥 面开裂是混凝土桥面铺装上 的一种 重要 的 损坏形式 ，包括相邻两梁端之间的焊接头处出现 的横 向裂缝 ( 如 图 2所 示 ) 、 纵 向相邻 两片梁之 间 铰 接处 出现 的纵 向裂缝 ( 如 图 3所示 ) 、 连续 梁上 负弯矩处 出现 的裂缝 ，以及 由上述裂 缝构成的 网 裂 ( 如 图 4所示 ) 。由于两梁端相邻 的湿接头湿薄 弱环节又位 于盖梁上处 于负弯矩 区 ，在车辆 荷载 作用下 ， 较容易 出现横 向裂缝 ； 在调查 过程 中还发 现 ，在桥梁 的上下坡 的盖梁处铺装层 中较多 出现 贯穿整个路面的横 向裂缝 ， 当铺装层小于 5 e m， 这 种情况尤其严重 ；在相邻两 片梁 之问的铰接缝处 由于箱梁腹 板 的加 劲作用经 常 出现应 力集 中 ， 造 成桥 面铺装层 出现纵 向裂缝 ， 当铰接处 出现松动 ， 该处 的铺装层将 出现严重 的纵 向裂缝 ；还有一种 就是温缩 裂缝 ，多发生在冬季气 温较 低时或易发 生温度骤变的地 区， 裂缝 的间距 比较有规律 。 桥 面开裂破坏的主要原 因 ：一方 面是施 工 中 接缝 处理不 当 ， 留下 隐患 ， 在车辆 荷载 的作 用下 ， 导致铺装层的损坏 ，当铺装层下的结构缝处首先 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2 年 7 月第 7 期 城 市道桥 与防洪 桥梁结构 1 7 9 铺装层泛油 或者表面集料 逐渐被磨光 ， 足 ， 导致行车安全问题 。 2 桥面铺装结构设计方法 抗滑性不 为设计指标 ，设计 中控制层 间的最大剪应力不超 过粘结层 材料相应的容许抗剪强度 ： 通过力学分析 ， 桥面铺装层表 面拉 应力 、 铺 装 层与水泥混凝土层 问剪应力较 大 ，在重 载与水平 力作用下 ， 铺 装层 容易产生疲劳开裂与层 问滑移 。 同样随着重载 与水平作用 的增 大 ，铺装层层 内剪 应力增加 ，因此 由于剪切破坏导致车辙 出现 的可 能性大大增加 。 整体 上力学 分析铺装 层层 底拉 应变较 小 ， 国 外关于永久性路面研究结果认为 ，当沥青层拉应 变小于某个 临界点时 ，无论作用次数多 大都不会 引起开裂 。如 日本西泽认为拉应 变小 于 2 0 0 不 会 发生疲劳开裂 ， 而美 国 Mo n i s mi t h认 为拉应变小 于 6 0 不会发生疲 劳开 裂 ， A l 认 为拉应 变小 于 1 0 0 ， 沥青混合料将表现很长的疲劳寿命。根据 以上分析 ，重载作用下铺装层 的底部拉应变小 于 1 0 0 ， 出现层底疲 劳开裂的几率很小 。 因此 ，桥面铺装设计 的主要 目的和设计 的主 要任务是如何控制和减少开裂或避免裂缝 出现 ， 如何控制层间及面层 的剪切破坏 ，从而提 出合适 的铺装层组合与厚度 。 2 1 疲劳开裂控制指标 以疲 劳开裂作 为桥面 铺装 的设计 标准 时 ， 以 桥 面铺装层 表面 的最大拉 应力作 为设计 指标 ， 设 计 中控 制铺装层表面的最大拉应力不超过沥青混 凝 土铺装材料相应 的容许值 ， 即 ： t 一 ( 1 ) 式 中 ： 盯 理 论 计 算 的 桥 面 铺 装 层 表 面 最大拉应力 ， MP a ； 路 面 结 构 层 材料 的容 许 拉 应 力 ，MP a ； 一 沥青混凝土或半 刚性材料 的极 限抗 拉强度 ， MP a ； K 一 抗拉强度结构 系数 。 借鉴采用沥青路面设计规范计算公式 ： ( 1 ) 对沥青混凝 土的极 限抗拉强度 ， 系指 1 5 时 的极限抗拉强度 ； ( 2 ) 对沥青混凝土面层的抗拉强度结构系数 ， 宜按式f 2 ) 计算。 下 一 T _Ei= 阜 ( 3 ) 式 中 ： 一计算铺 装层与水泥混凝 土层 间剪 应力 ， MP a ； 【 r 容许层问剪应力， M P a ； 下 行 车 荷 载作 用 下 的层 间抗 剪强 度 ， MP a ， 由室内直接剪切试验确定 ； k 层间结构强度系数 。 当 y = o 5时 ， 对应紧急制 动情况 ， 不 考虑疲劳 作用 ： k = f ( a b ( 4 ) 式 中： a 公路等 级系数 ， 高速公 路 、 一级公 路为 1 0 ， 二级公路为 1 1 。 采用城市道路柔性 路面设 计方法 中的剪切结 构强度 系数计算公式 ， 即： k ( O 5 1 _ 旦 a ( 5 ) 水泥混凝土桥 沥青 桥面铺装采用 的粘结层 材 料一般为改性沥青 、 乳化沥青等高分子聚合物。这 些材料的性质随温度的改变而变化很大 。在高温 季节 ， 粘结 层材料的抗剪 强度较低 ， 很容 易发生剪 切滑移破坏 ， 事实也 表明 ， 粘结层 的剪切破 坏一般 发生在高温 的夏季 ，因此层 间剪应力这项设计 指 标特别适用于高温情况下的桥 面铺装层设计 。 通过力学分析， 根据桥面铺装的表面拉应力与 层间剪应力两个控制指标，随着铺装层厚度的增 加 ， 表面拉应力增加 ， 但是超过 8 c m后， 增加幅度 降低， 趋于稳定 ， 而层间剪应力随着厚度的增加而 减小 ， 超过 6 c m后 ， 减小幅度降低 ， 趋于稳定 。 因此结合力学分 析与室 内试验研究及 工程实 践 ， 并考虑 我 国目前 的实际情况 ， 推荐桥 面铺 装沥 青层厚度 范围为 61 0 c m，特殊情况可适 当增加 ( 见表 1 ) 。 表 1 水 泥混凝 土桥面沥青 铺装材 料一览表 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m