沥青混凝土桥面铺装早期病害原因分析2

　　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。

　　罗立峰[5]等人将桥面板简化为正交异性的弹性小挠度薄板，将铺装层简化为各向同性的大挠度薄板，并假定两板之间相对滑动，完全没有摩阻力且没有脱空现象。在此基础上提出了桥面铺装的平衡微分方程，并以竖向变形为主要控制指标。张占军[8，10]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，发现使用摩尔___库仑理论来确定铺装厚度是比较合适的，即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。另外，还结合防水层、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[11]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、泊松比、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，也是此课题今后要重点研究的一个方面。

　　从现有的结构分析方法看，主要是用三维等参元模型进行分析，目前较多采用的是三维八结点和二十结点单元。

　　合理的有限元模型是计算分析的前提，从目前的研究状况来看，主要有如下几个方面急需探讨。

　　对于桥面铺装，如何假设及模拟层间接触状况是有限元建模一个很重要的问题。对于不设防水层的情况，可以借鉴复合路面的处理方式。胡长顺[12]等人在进行复合路面结构分析时，利用各向异性线弹性理论和三维有限元的方法，构造了一种正交各向异性接触模型，模拟板与地基之间的接触情况。黄晓明[13]和刘玉荣[14]等人分别在对旧水泥混凝土路面混凝土加铺层和水泥混凝土沥青混凝土复合路面进行力学计算时，接触面采用了Goodman夹层单元模型模拟既非完全连续又非完全光滑的接触状态。Goodman模型是由Goodman等人最先提出的用于模拟岩体节理的一种特殊单元，将它运用于夹层即为夹层单元。夹层单元由两个面组成，两个面之间假想由无数微小弹簧连接，单元厚度假定为0，每片接触面有4个结点，一个单元共有八个结点，是一种二维单元。对于设防水层的情况，实际施工中防水层的厚度在2～5mm之间，一般约为3mm.由于防水层的厚度很薄，有的学者将其简化为一种接触条件来处理，黄晓明[15]和黄卫[16]等人在对设有防水层的钢桥桥面铺装层进行力学分析时，同样采用了无厚度的Goodman夹层单元来模拟防水层的作用，夹层单元与相邻的夹层单元或铺装体单元之间，只有结点处有力的联系。张占军等人在文献[11]里在计算水泥混凝土桥沥青混凝土铺装结构的层间剪应力时考虑了防水层厚度。胡长顺[17]等人在利用有限元法对有裂缝夹层的旧水泥混凝土路面沥青加铺层进行力学计算时，对有一定厚度的夹层直接使用三维等参元划分单元，而对于土工织物这一类的无厚度夹层，则根据薄膜问题的物理方程与几何方程推导4结点矩形单元，建立单元刚度矩阵，进行力学分析。

　　总之，如何模拟层间接触状况，特别是如何考虑防水层的影响，是建立合理有限元模型的一个关键问题，是研究铺装层结构设计理论的一个重点。要采取理论计算与试验分析相结合的方法，将计算结果与试验和实测结果相对比，寻找一种与结构实际受力吻合的模型。

　　桥面铺装层是一种特殊的路面结构，如何合理简化荷载模型，以及如何进行横向和纵向布载，也直接关系到计算结果的精确程度。文献[8，10，11]中在计算剪应力时参照路面设计中的荷载模型，荷载参数为BZZ-100，p=0.7MP，δ=10.65cm，水平荷载与垂直荷载同时考虑。黄晓明在文献[15]中，则对不同的桥跨截面在横向不同位置进行布载，找出最不利的荷位。只有将桥梁结构分析和路面理论结合起来，才能较好的解决这一问题。

　　另外需要研究的一个重要问题是，桥梁在荷载作用下产生挠度及其它形变，这些因素对铺装层的力学特性有何影响，如何考虑这些影响，这也是桥面铺装不同于一般复合路面的一个方面。目前，国内还没有专门针对这方面的讨论。

　　合理解决桥面铺装问题需要从理论分析和结构计算两方面入手，正确的理论基础是根本，合理的力学模型是关键。通过计算分析与实测对比，较好的解决如上述的接触模型、荷载简化等问题，搞清其它因素的影响;还要加强对模型尺寸及收敛条件的研究;在条件允许的情况下，加强对其动力性能的研究。在分析铺装层破坏形式的基础上，确定关键因素，提出控制指标并建立相应的破坏准则，为设计提供依据，要达到这一目标需要做大量的基础性研究工作。 设为首页

　　5小结

　　本文对钢筋混凝土桥柔性桥面铺装的早期病害及其原因进行了分析与研究，总结了当前国内桥面铺装结构分析的主要方法，提出了用有限元分析需要注意的一些问题，指出了今后主要的研究方向。

　　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。

?二级结构工程师

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