摘要：桥面铺装是不同于普通路面结构的一种特殊结构形式，它承担着保护公路桥梁和路面使用功能的双重作用。本文对桥面铺装常见的病害及出现病害的原因进行了进一步的研究，然后通过ANSYS10.0分析软件模拟分析各种不利状态下铺装层的受力规律，其中包括超载、高温、防水粘结层的粘结力不足、沥青层厚度太薄、层间的接触状态等。
关键词：桥面铺装，有限元分析，早期病害，防水粘结层
§1-1 桥面铺装层常见的破坏形式
随着交通量的不断增加和超载现象的频繁发生，桥面铺装层的破坏越来越严重，有些路段甚至在通车不久就发生了路面的早期破坏，不同的铺装结构层其破坏形式也不同[1~7]。对于沥青混凝土铺装层，其破坏形式主要有：
1）开裂类
环境因素或者是荷载作用，使得沥青铺装层出现开裂，产生不同程度的裂缝。根据产生裂缝的原因，铺装层开裂有：温度裂缝、角偶断裂、荷载裂缝、干缩裂缝、伸缩缝附近的裂缝等。根据裂缝的走向可以分为：横向裂缝、纵向裂缝和网裂。如下图1.1所示。
图1.3 桥面铺装层的损耗破坏
其中，铺装层脱落是桥面铺装中特有的破坏类型。在铺装结构体系中，桥面板和沥青层之间要加铺防水粘结层，一是防止渗水，另外可以把上下层连接一起成为一个整体，来共同受力。层间的粘结作用保证了铺装层和桥面板之间的复合作用以及在荷载作用下的协调变形，这不仅减小了铺装层自身内部的应力，也使得水泥混凝土板内部的应力有所降低。上下两层混合材料的模量越接近，复合作用的效果越明显，结构体系中各层内部的应力就越低。因此，防水粘结层的完好是非常重要的。
§1-2 桥面铺装层的破坏原因分析
1-2-1 破坏原因的归类
1）材料的性能
桥面铺装对材料的要求要远远高于一般的路面铺装，它是完全暴露的大气中的，其整天经受着风吹雨打日晒，还有温度的变化，更主要的是承受车辆的荷载，这就要求铺装层的材料要有相当好的性能。这些性能主要是：抗变形能力、高温稳定性、低温抗裂性、较强的粘结能力等。材料的有关试验有：测试桥面板和沥青层之间的抗剪切能力的直接剪切试验，材料耐高温能力的车辙试验，还有疲劳试验、冻融试验等等。
2）结构理论和设计
目前，桥面铺装的设计在桥梁结构理论中涉及的很少，我国的现行规范有关铺装层的设计只是涉及到其厚度，在铺装层设计和受力分析阶段，对铺装层是否参与结构受力没有过多的考虑，没有把铺装层看成主要受力界面进行布筋的设计。近些年来，重型、超重型汽车的不断增加，使得规范中的厚度推荐值已不能满足交通量的需求。
3）防水粘结层
防水粘结层是桥面铺装体系中的重要部分，它不及能够有效的防止雨雪水、雾气等对桥面板的侵蚀，还能够有效的把铺装层和桥面板连接成一体。桥梁设计规范中相关的规定是：水泥混凝土桥面板与铺装层之间是否设置防水粘结层，应根据当地的气温、雨量、桥梁结构和桥面铺装的形式等具体情况而定。防水粘结层的存在，使得结构层形成刚——柔——刚的受力体系，柔性夹层的存在会增加铺装层层底的拉应力，所以柔性层的厚度不能太大。一旦沥青铺装层出现开裂，在车辆动荷载的作用下，裂缝会逐渐增大，直到出现脱落失去使用性能。
4）超载车辆的作用力
桥面铺装体系中的沥青铺装层是柔性材质的混合料，在超载或者是超载车辆的活载作用下，桥面板的挠度有所增大，特别是竖向变形增加，当超载超过一定范围时，柔性沥青混合料在桥面板挠度的影响下，变形也很大，超载现象反复出现后，沥青层出现不可逆转的变形，导致面层产生开裂、坑槽、剥落等病害。
5）施工工艺
铺筑沥青混凝土前，桥面板表面应该进行界面处理，增加层间的摩阻力。界面处理常用的施工工艺有：刻槽、拉毛、凿毛等，处理后的表面要清洗干净，松动的碎石颗粒要清理。否则，会降低层间的粘结力，破坏结构层的整体性。
6）其他方面
①梁体出现横向裂缝，裂缝处沥青铺装层的应力改变
②日常养护不及时
③疏忽交通管理，特别是对超载车辆的监察
④为了交通组织管理，划分车道，产生渠化交通
⑤提前通车，等等
1-2-2 破坏的机理
受力是引起铺装层损坏的直接原因，找出铺装层之所以破坏的力学机理，作为桥面铺装设计的理论力学依据，可以尽可能的减少铺装层病害的发生。下面介绍主要 破坏类型（开裂和变形）的破坏机理：
（1）沥青铺装层在设计使用年限内发生开裂破坏的力学机理
沥青铺装层在行车荷载和温度应力的作用下，产生开裂的病害，原则上，铺装层内部的主应力σmax应该小于沥青混凝土的容许拉应力σR，计算容许拉应力σR可按下公式（2-1）：
式中：τmax——铺装层层间的最大剪应力（行车荷载引起的水平力、垂直力的共同作用）
τR——沥青混合料的抗剪强度（与沥青混凝土的摩阻力、粘聚力有关）
另外，层间可能出现的最大拉拔应力σmax应该小于防水粘结层的容许拉应力σR，即σmax≤σR。
§1-3 针对铺装层病害产生的原因进行理论分析
运用ANSYS10.0有限元软件，建立典型的水泥混凝土桥面铺装结构模型，利用有限元分析方法对模型进行力学分析。计算分析主要模拟：不利荷载（超载）作用下结构层的受力、面层竖向变形情况；防水粘结层的变化对层间受力的影响；沥青铺装面层的变化对层间受力的影响；不同的层间接触状态下结构层的受力状况[8~13]。
1-3-1 超载时铺装层的受力、变形分析
分析时，考虑水平方向的应力，轮胎和面层间的摩阻系数f=0.5，超载比例分别选择0%、20%、40%、60%、80%、100%。
（1）不同的超载比例，对应的水泥混凝土桥面板、沥青混凝土层内的各应力分析如下3.1所示。
图3.1 水泥层内各应力、沥青混凝土内各应力随超载变化图
随着超载比例的增大，水泥混凝土桥面板内的各个应力呈线性增长，其中第一主应力在超载100%时的大小，是没有超载时的1.88倍，和车辆荷载的增长速度几乎相近，过大的应力容易引起桥面板的开裂，大大降低了桥梁的安全性和承载能力，还会在沥青层上出现反射裂缝，对铺装层造成破坏。在特殊桥梁路段，为了保护桥梁不受损坏，应该限载。剪应力的增长速度比正应力的增长速度相对要小很多，因此，超载对剪应力的影响较小。
随着超载比例的增大，沥青层内的各应力同样也呈线性增长，其中应力σ1、σx和σz增大幅度达到110%左右，τxy和τyz的增大幅度也很大。可见，超载现象的出现对沥青混凝土层内的受力造成不利影响，很容易就出现剪切破坏。
（2）考虑到超载可能对层间的应力造成影响，分别对：水泥层和防水层之间的应力值、沥青层和防水层之间的应力值进行了分析。结果如下图3.2所示
图3.2 超载时水泥层和防水层之间、沥青层和防水层之间应力的变化趋势
超载比例从0%增加到100%时，水泥层和防水层之间的剪应力τsxy和τsyz分别增大到原来的2.1倍和1.9倍，增长幅度较大。从上图的斜率直接可以看出，层间的拉拔力σsy几乎不受影响。层间剪应力的增大，容易导致水泥层和防水层之间开裂，发生相对位移，超载现象严重时，相对位移较大，桥面铺装就会出现推移，引起拥包。另外，超载如果发生在拥包处，会出现网裂现象。
沥青层和防水层之间的应力受超载的影响都比较大，剪应力τrxy、τryz，拉拔力σry分别增大到原来的2.1倍、2.0倍、2.0倍。因此，超载很容易造成沥青铺装层和桥面板之间脱落，发生推移、拥包等破坏。在新修的高速公路上，桥梁或某些特殊路段都有限速要求，防止路面早期破坏的发生。
（3）高温季节，沥青面层的温度最高可达到60℃~70℃，由于沥青混合料较大的温度敏感性，在超载和高温的共同作用下，路面很容易出现车辙病害。因此，分析超载时候的面层竖向位移是十分必要的，分析结果如下图3.3
图3.3 面层竖向位移随超载的变化趋势
竖向位移随超载比例的增大变化比较明显，增大幅度近98%。经常出现超载的路段，容易造成铺装面层的疲劳变形，导致变形不可恢复，这就是出现车辙破坏的主要原因之一。特别在高温季节，这种现象更容易出现。
1-3-2 防水粘结层对层间受力的影响
分析不同的防水层厚度对层间受力的影响。
（1）防水粘结层厚度对层间受力的影响
防水粘结层的设置在桥面铺装体系中有着举足轻重的意义，其厚度一般在1mm~4mm之间，本次分析时选厚度依次为0mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm，其他条件不变。
水泥混凝土层和防水层之间、沥青层和防水层之间的应力随厚度变化的结果如下图3.4所示
图3.4 水泥混凝土层和防水层、沥青层和防水层层间应力随防水层厚度的变化趋势
经分析可知，随防水层厚度的增大，剪应力的变化趋势要比拉应力的明显。防水层厚度由0mm变化到2mm时，横向剪应力减小了30%，从2mm到5mm时只减小了10%；纵向剪应力的减小趋势和横向的类似；拉拔力在防水层厚度的变化下几乎不变。层间设置防水粘结层起到了消减水泥层和防水层层间剪应力的效果，防水层厚度大小对这一效果的影响不大。
防水层厚度变化对层间拉拔应力的影响不大，厚度从0mm到3mm时，只降低了2.5%，一般防水粘结层的厚度在1mm~3mm之间，因此可以忽略防水层厚度对拉应力的影响。
不设防水粘结层时的层间纵向剪应力是防水粘结层为1mm时的1.23倍，厚度由2mm变化到5mm时，τryz变化不明显。
1-3-3 沥青铺装层对层间受力的影响
主要分析沥青层厚度变化，对层间受力的影响，考虑层间的拉拔力和层间的横向、纵向剪应力的变化规律。
（1）沥青层厚度变化对层间受力的影响
采用单层式的沥青铺装结构，厚度分别为40mm、60mm、80mm、100mm、120mm、140mm，经分析水泥层和防水层间、沥青层和防水层间的应力随厚度的变化如下图3.5所示。
图3.5 层间应力随厚度的变化趋势
由上图可知，沥青层厚度增加时，水泥层和防水层间的拉应力变化不大，因此，增大面层厚度对减小层间的拉拔力没有太大影响。层间剪应力τsxy和τsyz，随厚度的增大都相应减小，变化趋势也比较接近，近似地呈线性的变化规律。
铺装层厚度由40mm增大到120mm的过程中，层间的拉拔力先是增大，后又减小，分界厚度在60mm左右。
层间的剪应力τrxy和τryz，都随着厚度的增大相继减小，减小幅度相当，近似线性。
纵向剪应力τryz在厚度变化时一直大于横向剪应力τrxy，也就是说，铺装层和桥面板之间的剪切破坏多发生在沿着路线的纵方向。
1-3-4 层间的接触状况对受力的影响
分析时，假设水泥混凝土层和粘结层之间是完全连续的，沥青层和粘结层之间是摩擦滑动的。取fs =0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0。其他条件不变。分析结果如下图3.6所示
图3.6 层间接触压力、接触摩擦力的变化趋势
层间接触压力随系数fs的增大而减小，减小幅度在7.3%左右，变化相对很小，可以忽略。
层间接触摩擦力的大小也随着随系数fs的变化而变化，在fs取0~0.6时，层间摩擦力由0MPa增加到0.1327MPa，fs大于0.6以后层间摩擦力变化幅度减小。
§1-4 总结
（1）超载不仅增加了铺装结构的竖直方向的剪应力，层间的水平方向剪应力也随着增大，水泥混凝土桥面板内的各应力也随着增大，所以对超载交通的控制，可以减少桥梁的负荷，防止铺装层的剪切破坏，延长了桥面铺装的使用寿命。
（2）防水粘结层厚度对沥青铺装层和防水层之间的剪应力影响相对较大，合理的防水层厚度设计，可以提高层间的抗剪切能力。分析得到，最佳的防水层厚度在2mm左右，太薄的防水粘结层，可能会在沥青混合料的施工过程中破坏，起不到防水、粘结的效果；太厚的防水粘结层，不仅浪费材料，在高温时还容易降低层间的抗剪切能力。
（3）沥青铺装层厚度变化，对层间剪应力的影响较为明显。铺装层厚度增大，水泥层和防水层之间的剪应力、沥青层和防水层之间的剪应力都线性减小，特别是能够减小沿路线方向的纵向剪应力。拉应力方面，水泥层和防水层之间的拉应力随铺装层沥青厚度的增大先是增大然后减小，沥青层和防水层间的拉拔力变化不大。因此，适当增加沥青铺装层的厚度，可以减少水平方向的剪切破坏，对其厚度的设计至关重要。
（4）层间的摩擦系数fs增大时，接触摩擦力增大，层间水平方向的相对位移减小。工程上，桥面板的处理工艺有好多，如拉毛、凿毛、刻槽等，有时候还用同步碎石封层，这些都一定程度上提高了摩阻系数fs，有更好的抗滑效果。铺装层设计中，有关接触状态的设计也是重要的环节。
参考文献
[1]王涓．水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装防水粘结层的性能研究[D]．东南大学，2004．3-9
[2]谢产庭，卢铁瑞，张家升，朱东．北京市立交桥防水层性能改善途径[J]．中国建筑防水材料，1995（3）．32-35
[3]王京元．水泥混凝土桥沥青混凝土桥面铺装早期病害原因分析和结构设计方法[D]．大连理工大学，2003．1-39
[4]石玉华．混凝土桥桥面沥青混凝土铺装体系试验研究与受力分析[D]．武汉理工大学，2004．2-16
[5]沙庆林．高速公路沥青路面早期破坏现象预防[M]．北京：人民交通出版社，2001
[6]长安大学．水泥混凝土桥桥面柔性防水材料性能研究[R]．河南省交通厅研究报告
[7]张永德．广西地区全厚式沥青路面材料与力学性能研究[D]．重庆交通大学，2008．59-60
[8]张立明．Algor、Ansys在桥梁工程中的应用方法与实例[M]．北京：北京人民交通出版社，2003
[9]F.Seible C.T.Latham．Analysis and Design for Structural Conctete Bridge Deck Overlays[J]．Journal of Structural Engineering，1994，19（2）．55~60.
[10]李黎明．ANSYS有限元分析实用教程[M]．北京：清华大学出版社，2005
[11]郝文化．ANSYS土木工程应用实例[M]．北京：中国水利电力出版社，2005
[12]黄国权．有限元法基础及ANSYS应用[M]．北京：机械工业出版社，2004
[13]Bathe K J．Finite Element Procedures in Engineering Analysis[M]．Prentice-Hall，inc，1982
论文作者:吕剑枫
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第13期
论文发表时间:2017/10/10
标签：应力论文; 桥面论文; 沥青论文; 防水层论文; 厚度论文; 混凝土论文; 受力论文; 《建筑学研究前沿》2017年第13期论文;