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混凝土桥面沥青铺装粘结层抗剪设计方法

(1. 同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室, 上海201804; 2. 田纳西大学土木与环境工程系, 诺克斯维尔, 37996)

摘要：介绍一种新的混凝土桥面沥青铺装粘结层抗剪设计方法．采用有限元法分析混凝土桥面铺装粘结层水平剪应力与法向正应力的分布关系．基于该关系图提出层间剪应力临界边界，分别从铺装结构参数、荷载方面分析影响层间剪应力临界边界的因素，给出了临界边界方程形式，并检验其合理性．提出荷载作用下满足层间不发生剪切破坏的基本条件为：层间剪切强度包络线与临界边界相离．最后给出了应用算例．
关键词: 混凝土桥面；沥青铺装；层间剪切；设计标准
中图分类号：U443.33 文献标识码： A

A Design Guide to Shear Resistance of Bonding Layer in Concrete Bridge Deck Asphalt Pavement
JIA, Xiaoyang1,2, LI Lihan1
(1. Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China;
2. University of Tennessee, Department of Civil and Environmental Engineering, Knoxville, 37996, U.S.A)
Abstract: A new approach to evaluate shear resistance of bonding layer in concrete bridge deck asphalt pavement was proposed. The distributions for shear stress and normal stress in the interface between asphalt pavement and bridge slab under vertical and horizontal load by finite element method. Based on the scattergram of shear stress and normal stress, the conception of shear stress critical boundary was proposed. Parameters of pavement and load were considered to analyze its effects on critical boundary. Also, equation formation of critical boundary was tested by χ2-test. The basic condition which would guarantee the performance of shear resistance for bonding layer is that there is no intersection of shear stress critical boundary and shear intensity envelope line, which is the design standard for bonding layer in concrete bridge deck asphalt pavement. Finally, a case study was presented.

Key words: Concrete bridge deck; asphalt pavement; interlayer shear; design standard

层间推移与拥包是混凝土桥面沥青铺装常见病害之一，其主要原因是由于铺装层与桥面板层间粘结力差，在水平方向上产生相对位移以致剪切破坏[1]．一般采用层间剪应力作为设计指标，以层间剪应力最大值小于层间抗剪强度容许值作为评价铺装层间是否满足抗剪要求的标准[2]．通过斜剪试验[3]或直剪试验[4]可以得到铺装层间抗剪强度，在考虑层间剪切强度结构系数[5]后得到层间抗剪强度容许值．根据莫尔强度理论，界面滑移主要由剪应力引起，但又和正应力有关[6]．Uzan等[7]的试验结果表明，层间抗剪强度与层间法向正应力近似成正相关．因此，粘结层界面上不同位置的法向正应力不同，其相应的抗剪强度也应不同．在建立层间剪切设计标准时需要考虑层间抗剪强度的这一特点．
本文采用有限元法，根据荷载作用下桥面铺装层间水平剪应力与法向正应力的分布特点，提出层间剪应力临界边界概念，分析其影响因素，提出其基本形式并检验了其合理性。由此提出层间抗剪设计基本原则、标准，并建立了用于铺装粘结层抗剪设计的基本步骤，最后结合工程实例给出了该设计方法的应用，为混凝土桥面铺装粘结层设计提供参考．

1模型建立、计算路径和取值方式
选取简支空心板桥面铺装模型．跨径20 m，桥面净宽7.0 m+2×0.75 m．依据桥梁设计荷载城-A级中最大轴重200 kN作为分析荷载．假设轮载接地面积为正方形，单轮接地面积一定，则可将矩形荷载转化为双轮中心35 cm，25 cm×25 cm双正方形荷载，轮载接地压强为0.8 MPa．有限元模型如图1所示．其边界条件为：桥面端部三个垂直方向固定，沿桥面中心线对称约束，桥面铺装与桥面板层间完全连续[8]．

图 1桥面铺装有限元模型
Fig. 1 Finite element model for bridge deck pavement
根据计算，横桥向层间最大水平剪应力出现于双轮迹内、外侧边缘，纵桥向层间最大水平剪应力出现于轮迹前、后侧边缘．由此在层间最大水平剪应力出现的位置选择4条路径（图2），分别计算沿各路径桥面铺装层间法向正应力σ和层间纵桥向水平剪应力τv、横桥向水平剪应力τh，提取τv、σ和τh、σ并绘制成图（图3）．为了便于分析，所有法向正应力值取正．

图 2 计算路径
Fig.2 Calculation paths

图 3 τ-σ图取值方法
Fig. 3 Sketchs of shear stress and normal stress

2桥面铺装层间水平剪应力-法向正应力分布
2.1层间水平剪应力-法向正应力分布特征
路径1、2分别记录了τh、σ沿位置的变化情况（图4a和4b）．在荷载作用区域边缘τh取到最大，而在荷载作用区域的中心位置的σ为最大，此时的τh为零，在双轮迹中心位置的τh为零而此处的σ约为最大值的1/4．路径3、4分别记录了τv、σ沿位置的变化情况．（见图4c和4d）在荷载作用区域边缘τv为最大，在荷载作用区域的中心处的σ最大此处的τv为零．
综合4条路径，可知层间水平剪应力τ与σ分布的基本特征①轮迹作用区域中心位置（如，路径1~2，x=0.175；路径3~4，x=0）的σ最大，τ为0；②在轮迹边缘位置（如，路径1~3， x=0.3；路径4~6，x=0.125）τ最大，此时的σ约为层间界面上最大法向正应力的一半．

a 路径1 b 路径2

c、路径3 d、路径4
图4不同路径位置关于法向正应力、层间剪应力的关系
Fig.4 Relationships of normal stress and shear stress to position along different paths

2.2层间剪应力最大边界
将同一位置的τ与σ提取，按图3所示的方式得到沿不同路径的τ-σ图．图5为沿路径1、2的τh与σ关系，图6为沿路径3、4的τv与σ关系．由图5—6可见，沿不同路径的τ-σ图边界呈现规则的椭圆形式，并关于法向正应力轴对称．其中，当σ达到最大值时，τ为0；当τ达到最大值时，σ约为界面最大法向正应力的一半．
这里根据τ-σ图提出层间剪应力最大边界的概念．将层间界面所有点相应的层间水平剪应力与法向正应力提取，在τ-σ图上形成散点图，这个散点图的最外侧边界即为层间剪应力最大边界．经分析发现，当计算路径由轮迹作用区域中心位置向轮迹作用区域边缘位置平行偏移过程中（即横桥向由路径1向路径2平行偏移，纵桥向由路径3向路径4平行偏移），层间剪应力与法向正应力均逐渐减小，在τ-σ图上所为区域面积也减小．因此确定路径1与路径3分别为横、纵向层间剪应力最大边界．

图 5 路径1，2的 τ-σ图 图 6 路径3，4的τ-σ图
Fig. 5 Sketch of shear stress and normal stress Fig. 6 Sketch of shear stress and normal stress
for Path 1 and 2 for Path 3 and 4
3层间剪应力临界边界形式的确定
3.1层间剪应力临界边界
层间剪应力最大边界表明：铺装粘结层界面任意一点的层间水平剪应力与法向正应力点均处于该边界限定的区域以内（如图7中“散点区域”），而不会超出该区域．因此若层间剪应力最大边界不超出层间剪切强度包络线，则粘结层界面上所有层间水平剪应力与法向正应力点均不超出层间剪切强度包络线．通过分析层间剪应力最大边界发现，层间水平剪应力随着法向正应力的增加而增加，当σ＞σk（σk为层间水平剪应力最大值τmax对应的法向正应力）时，层间水平剪应力将随法向正应力的增加而减小．根据层间剪切强度包络线，层间剪切强度随层间法向正应力的增加而单调增加．因此在进行铺装粘结层剪切设计时只需关注层间剪应力最大边界为0＜σ＜σk的部分，这部分称之为层间剪应力临界边界．

图7 层间剪应力最大边界与层间剪应力临界边界关系
Fig. 7 Shear stress maximum boundary vs shear stress critical boundary

3.2层间剪应力临界边界影响因素
保持铺装模量E不变，改变铺装层厚度h（图8）．可以发现，随着厚度的增加，层间剪应力临界边界线位降低，同时层间水平剪应力最大值与相应点的法向正应力值也减小，说明铺装厚度的增加有利于降低层间剪应力水平．
保持铺装厚度h不变，改变铺装层模量E（图9）．可以发现，随着模量的增加，层间剪应力临界边界线位提高，铺装层间水平剪应力最大值增加，但层间水平剪应力最大处的法向正应力值却有所减小．这是由于铺装层模量的增加将加强铺装层对竖向荷载的应力扩散作用，使层间界面的法向正应力有所减小．
考虑三种不同荷载模式，分别描述正线（竖向荷载）、匝道（竖向+纵向水平荷载）、弯道（竖向+横向水平荷载）处的铺装层间受力状态，其中纵、横向力系数为0.2、0.5。计算了层间剪应力临界边界形式（图10—11）．可以看出，随着纵、横向力系数的增加，层间剪应力临界边界的线位所有提高，表现为纵、横向层间水平剪应力最大值及其相对应的法向正应力值均所有提高，但不同荷载情况的层间剪应力临界边界基本形状不变．

图 8 不同厚度临界边界(E=2 000 MPa) 图9 不同模量临界边界(h=8 cm)
Fig.8 Critical boundary of shear stress Fig.9 Critical boundary of shear stress
at different pavement depth (E=2 000 MPa) at different pavement modulus (h=8 cm)

图 10 不同横向力系数临界边界 图11 不同纵向水平力系数临界边界
Fig.10 Critical boundary of shear stress Fig.11 Critical boundary of shear stress
at different transverse friction coefficients at different longitudinal friction coefficients
3.3 层间剪应力临界边界形式的确定
通过分析不同铺装厚度、模量以及不同荷载条件下的层间剪应力临界边界形式发现，各种不同情况下的层间剪应力临界边界形式基本一致．根据临界边界的形式，拟采用式(1)作为基本形式．
(1)
式中：τ为层间水平剪应力；σ为法向正应力；a、b为曲线参数．
经比较分析，当 a=τmax；b=σk时与最大边界的形式较吻合．采用χ2拟合优度检验[9]临界边界方程(1)是否能够代表最大边界．结果如表1，可见，所有情况下，Σ (τ实际- τ拟合)2/ τ拟合的值均小于χ2值，说明临界边界方程式(1)的形式是可接受的．

表 1 χ2拟合优度检验结果（α=0.05）
Tab. 1 Results for χ2 –test（α=0.05）
水平力系数
厚度/cm
模量/MPa
Σ (τ实际- τ拟合)2/ τ拟合
χ2值
结论
0
8
500
0.051
30.114
接受
0
8
5 000
0.272
30.114
接受
0
8
15 000
0.427
30.114
接受
0
6
2 000
0.140
30.114
接受
0
10
2 000
0.382
30.114
接受
0
14
2 000
0.139
30.114
接受
0
8
2 000
1.209
23.685
接受
0.2
8
2 000
0.939
27.587
接受
0.5
8
2 000
0.789
27.587
接受
0
8
2 000
0.042
38.885
接受
0.2
8
2 000
0.119
38.885
接受
0.5
8
2 000
0.238
38.885
接受

4桥面铺装层间抗剪评价标准
桥面铺装层间剪切设计以层间某点i所受剪应力 τi小于该点容许剪应力[τi]为设计标准．设层间某点i所受法向正应力为 σi，则通过层间剪切强度包络线[7]可以得到该点的剪切强度 τsi为
τsi=σi tan φ+c (2)
式2中：φ为层间内摩阻角，°；c为层间粘聚力，MPa．
由式(1)和式(2)得到层间某点i的剪切强度与剪应力之间的比值 di为
(3)

剪切强度 τsi与容许剪应力[τi]存在一个安全余量，即铺装结构层间抗剪强度系数 Ks．Ks是一个体现层间剪切疲劳特性的参数，其确定依赖于经过野外试验的标定后的层间剪切疲劳方程[5]．不同层间i点的 di是不同的，在设计时需要找出一个最小的 di,min，使其能够大于铺装结构层间抗剪强度系数 Ks．一旦di,min >Ks，则可以保证层间其他点均能够满足．确定了 di,min就可以计算相应法向正应力 σi、层间水平剪应力 τi与剪切强度 τsi．层间剪切设计概念见图11．

图 11 层间剪切设计概念
Fig.11 Conception of design for shear resistance of interlayer

当0<σi<σk．求式(3)的最小值，将其求关于 σi的一阶偏导数，并令为零，得到相应的法向正应力 σi为．
(4)
由 σk、tanφ、c三参数确定 σi值，带入式(1)—(3)可以确定相应的 τi、 τsi与 di,min．
5 应用
5.1 工程背景
某工程空心板混凝土桥梁结构设计标准荷载为城-A级荷载．桥面铺装结构形式为：双层式，上面层为4 cm SMA -13，下面层为4 cm SMA -10．拟采用的三种层间粘结材料分别为：丁苯橡胶（SBR）改性乳化沥青粘层油（编号1）；桥面防水用热融型SBS改性沥青（编号2）；混凝土桥面用环氧沥青防水粘结材料（编号3）．采用本文提出方法评价这些粘结材料的适用性．有限元计算时的结构模型见图1，计算时铺装材料模量采用动态模量[10]．分别为：5697 MPa(SMA -13)和5013 MPa(SMA -10)．
5.2铺装层间材料抗剪性能评价
采用本文分析荷载参数，分别计算在竖向荷载、竖向和纵向水平荷载共同作用时的铺装层间最大水平剪应力与相应点的法向正应力，其中纵向水平力系数0.5．计算结果为：仅考虑竖向荷载时，τmax=0.147 MPa、σk=0.398 MPa；考虑水平力系数后，τmax=0.307 MPa、σk=0.535 MPa．
测定了3种材料层间剪切强度包络线，其粘聚力c与内摩阻角φ，并采用本文方法对不同材料的层间抗剪切性能评价见表2．可见，所有层间处置方案的di,min均大于1，其中3号方案的最大，而1号最低．考虑了纵向水平荷载后的层间抗剪性能评价结果见表3．可知，法向正应力σi增加，层间的剪应力τi也增加，由于σi增加使i点的剪切强度τsi也有所提高，但di,min有所下降，表明了施加水平荷载后将导致层间剪切破坏风险增大．其中1号材料的di,min接近1说明层间i点计算剪应力τi与层间抗剪强度τsi接近。铺装层间抗剪切性能不满足要求．参考有关研究的层间剪切疲劳方程[5]，反推不同材料能够承受的累计标准轴载作用次数Ne，见表2．
表 2 不同铺装材料层间剪切性能评价（仅竖向荷载）
Tab.2 Evaluation of different interlayer material under vertical load
编号
c/ MPa
tanφ
σi/ MPa
τi/ MPa
τsi/ MPa
di,min
Ne/ 次
1
0.195
0.375
0.225
0.132
0.280
2.11
3.3×106
2
0.328
0.322
0.286
0.141
0.420
2.98
1.7×107
3
0.920
0.324
0.349
0.146
1.033
7.09
>2.5×107

考虑紧急制动情况，不同材料层间剪切性能评价见表3．可见，考虑了紧急制动水平荷载后1、2号材料的累计标准轴次大大降低．从计算结果看，3号材料累计标准轴次仍然较高，因此适用于频繁起动、制动的区域，如匝道、跨线桥、长大纵坡等．

表 3 不同铺装材料层间剪切性能评价（纵向水平系数0.5）
Tab.3 Evaluation of different interlayer material under longitudinal load
编号
c/ MPa
tanφ
σi/ MPa
τi/ MPa
τsi/ MPa
di,min
Ne/ 次
1
0.195
0.375
0.264
0.264
0.294
1.11
1.6×105
2
0.328
0.322
0.351
0.288
0.441
1.53
7.2×105
3
0.920
0.324
0.450
0.303
1.066
3.52
>2.5×107
6结论
(1) 采用有限元法，分析了荷载作用下，混凝土桥面铺装铺装层间水平剪应力与法向正应力分布特点，并提出层间剪应力最大边界概念．
(2) 基于层间剪应力最大边界提出了用于桥面铺装粘结层抗剪评价的层间剪应力临界边界，分析了铺装结构参数、荷载对临界边界形式的影响，提出了临界边界基本式，并验证了其合理性．
(3) 提出混凝土桥面铺装粘结层抗剪评价标准为：层间剪应力临界边界与层间材料剪切强度包络线相离．并给出了相应标准计算过．
(4) 给出算例说明本文提出方法的应用．
参考文献
[1] 张占军 胡长顺, 王秉纲. 水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装结构设计方法研究[J]. 中国公路学报. 2001, 14(1):56.
ZHANG Zhanjun, HU Chuangshun, WANG Binggang. Research on the design method of asphalt concrete pavement for concrete bridge deck structure[J]. China Journal of Highway and Transport, 2001, 14(1):56.
[2] 胡晓. 混凝土桥梁沥青混凝土桥面铺装力学分析研究[D]. 上海：同济大学交通运输工程学院. 2007
HU Xiao. Mechanic analysis research on the asphalt pavement of the concrete bridge decks[D]. Shanghai: Tongji University, School of Transportation Engineering, 2007.
[3] 周孔. 城市高架桥防水粘结层设计参数研究[D]. 上海：同济大学交通运输工程学院. 2010
ZHOU Kong. Research on design parameters of waterproof-adhesive layer for urban viaducts[D]. Shanghai: Tongji University, School of Transportation Engineering, 2010.
[4] 张占军. 混凝土桥桥面防水系统性能及设计方法研究[D]. 西安：长安大学公路学院. 2004.
ZHANG Zhanjun. Research on performance and design method of waterproofing system on concrete bridge decks[D]. Xi’an: Chang’an University, School of Highway, 2004.
[5] 刘丽. 沥青路面层间处治技术研究[D]. 西安：长安大学公路学院. 2008.
LIU Li. Study on technology performance of asphalt pavement layer interfaces[D]. Xi’an: Chang’an University, School of Highway, 2008.
[6] 宋子康, 蔡文安. 材料力学[M]. 上海：同济大学出版社. 2003
SONG Zikang, CAI Wenan. Mechanic of material[M]. Shanghai: Tongji University Press. 2003
[7] Uzan, J., Livneh, M.,and Eshed, Y. Investigation of adhesion properties between asphaltic concrete layers [C] Proceeding Association of Asphalt Paving Technologists, Technical Session. Lake Buena Vista, Florida: University of Minnesota, 1978: 495-521.
[8] 贾晓阳. 混凝土桥面沥青铺装层结构设计指标研究[D]. 上海：同济大学交通运输工程学院. 2012
JIA Xiaoyang. Research on structure design indexs of concrete bridge deck asphalt pavement [D]. Shanghai:Tongji University, School of Transportation Engineering, 2012.
[9] 同济大学概率统计教研组. 概率统计[M]. 3版. 上海：同济大学出版社. 2004.
Teaching and Research Group of Probability Statistics of Tongji University. Probability statistics[M]. The Third Edition. Shanghai, Tongji University Press, 2004.
[10] 姚祖康, 刘伯莹. 沥青路面新设计指标和参数体系研究[J]. 公路交通科技. 2008, 25(9):1.
YAO Zukang, LIU Boying. Research on new design index and parameter system of asphalt pavement[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development. 2008, 25(9):1.