淺談混凝土橋面的病害分析及設(shè)計(jì)方法
2015-06-03
橋面柔性鋪裝能大大緩和行車對橋面板的沖擊,較易達(dá)到運(yùn)營中平穩(wěn)舒適的要求,隨著瀝青材料性能的改進(jìn),應(yīng)用將更加廣泛。但現(xiàn)行規(guī)范對瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要從所用材料、做法及厚度等方面作了指導(dǎo)性的說明,關(guān)于具體的設(shè)計(jì)理論與方法還是空白,鋪裝層的設(shè)計(jì)無章可循。這就造成了在實(shí)際設(shè)計(jì)中,橋面鋪裝層只作為橋梁工程的附屬結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)者對其甚少花費(fèi)精力,從而為橋面鋪裝的早期損壞埋下了隱患。因此,應(yīng)加快對橋面鋪裝,特別是結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理和設(shè)計(jì)理論方面的研究。
一、對瀝青混凝土橋面的病害分析
1、結(jié)構(gòu)理論與設(shè)計(jì)
(1)橋梁的結(jié)構(gòu)理論中對橋面鋪裝層的計(jì)算分析論述幾近于零,現(xiàn)行規(guī)范中只給定了厚度的推薦值,工程界一直在各等級的公路中運(yùn)用了幾十年。隨著交通量的增大,現(xiàn)行鋪裝與重型、超重型汽車的增多和車速的增快已不相適應(yīng)。橋面鋪裝層直接承受車輪荷載的沖擊,橋面鋪裝部分或全部參與了主梁結(jié)構(gòu)的變形,因此橋面鋪裝是一個(gè)受力復(fù)雜的動力體系,各種形式的主梁及鋪裝本身的構(gòu)造均影響其應(yīng)力的分布。
(2)現(xiàn)行橋規(guī)第3.2.2條規(guī)定:……如無精確的計(jì)算方法,箱形梁也可參照T形梁的規(guī)定處理。從眾多箱梁的設(shè)計(jì)來看,大部分設(shè)計(jì)者對箱梁構(gòu)件是按T形梁進(jìn)行處理的。而箱梁的實(shí)際受力雖有近于T梁的一面,又有異于T梁的一面,對于連續(xù)箱梁差別更大。尤其是近年來箱梁的橋面越來越寬,橋跨與橋?qū)捴仍絹碓叫?箱梁仍按T梁那種長細(xì)桿件設(shè)計(jì)配筋,就越來越不適宜了,導(dǎo)致按梁設(shè)計(jì)的箱梁骨架鋼筋在實(shí)際受力狀態(tài)下難以像T梁主筋那樣發(fā)揮應(yīng)有的作用。所以,設(shè)計(jì)的假設(shè)狀態(tài)與箱梁的實(shí)際受力狀態(tài)不一致。
(3)隨著材料工業(yè)的發(fā)展,橋梁承重結(jié)構(gòu)的改進(jìn),使橋梁主梁能以較柔的結(jié)構(gòu)達(dá)到受力的要求,高等級公路大跨橋梁的橫向越來越寬。特別在設(shè)計(jì)計(jì)算中側(cè)重于主梁縱向的計(jì)算分析,對橋梁橫向剛度重視不足,橫向構(gòu)造措施不利使橋面鋪裝分擔(dān)了過多的次內(nèi)力。
(4)對于連續(xù)梁橋、拱橋及懸臂梁橋等橋型結(jié)構(gòu),由于荷載的作用而產(chǎn)生負(fù)彎矩或拉力,使橋面鋪裝層受到拉力的作用而產(chǎn)生負(fù)彎矩區(qū)裂縫,從而造成橋面鋪裝的損壞。
(5)在對高速公路進(jìn)行交通組織管理中,由于車道功能的不同,人為強(qiáng)制地使橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營始終處于偏載狀態(tài),使主車道的鋪裝承擔(dān)了比超車道高得多的運(yùn)營應(yīng)力水平,因此加快了主車道鋪裝層的疲勞。特別是隨著私營運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展,貨運(yùn)業(yè)主為追求短期經(jīng)濟(jì)利益,通過改變車廂結(jié)構(gòu)如加長車廂和加高車軸彈簧等使汽車的載重、軸重及輪載成倍增加。這些車輛對鋪裝層具有嚴(yán)重的毀壞作用,并使橋梁結(jié)構(gòu)局部超載,加快了主車道鋪裝層的病害發(fā)展。因此,在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)運(yùn)營中車輛荷載的實(shí)際分布情況,在明確了橋梁結(jié)構(gòu)受力的基礎(chǔ)上,對橋面鋪裝層進(jìn)行受力計(jì)算。
2、施工工藝
(1)鋪裝層厚度偏小。由于橋梁上部結(jié)構(gòu)在施工中支架的沉降及預(yù)應(yīng)力反拱無法十分準(zhǔn)確地預(yù)測,或由于施工工藝控制欠佳,施工中主梁頂面標(biāo)高與設(shè)計(jì)值相符是比較困難的,一般在測量主梁頂面標(biāo)高后對其進(jìn)行調(diào)整以保證橋面的厚度。如果調(diào)整不好,就會造成鋪裝層厚度不均,使有的地方厚度偏小。
(2)梁頂清理不利,造成鋪裝層與主梁結(jié)合欠佳。
3、橋面防水層的影響
由于柔性防水層的強(qiáng)度與主板和鋪裝層的強(qiáng)度有差異,它的存在使上部結(jié)構(gòu)按模量形成剛―柔―剛的板體受力體系,中間柔性夾層會增大橋面板板中部的板底拉應(yīng)力。處于防水層上的鋪裝層一經(jīng)開裂,在車輪的動力荷載作用下,彼此間的縫隙越來越大,直到松散脫落。另外,防水層的使用使鋪裝層發(fā)生剪切破壞的機(jī)率大大提高。
4、橋面鋪裝的約束條件
橋面鋪裝受橋梁結(jié)構(gòu)的約束,受荷后其邊界條件與一般路面相差甚大,加之梁體的撓度、扭曲等形變的耦合作用,給鋪裝層的工作性能造成不利影響。
二、橋面鋪裝設(shè)計(jì)方法的討論
目前關(guān)于橋面鋪裝的研究還很不成熟,并且現(xiàn)有研究主要集中在材料設(shè)計(jì)和鋪裝技術(shù)等方面,而關(guān)于理論分析和結(jié)構(gòu)計(jì)算的研究很少。
從現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)分析方法看,主要是用三維等參元模型進(jìn)行分析,目前較多采用的是三維八結(jié)點(diǎn)和二十結(jié)點(diǎn)單元。
合理的有限元模型是計(jì)算分析的前提,從目前的研究狀況來看,主要有如下幾個(gè)方面急需探討。
對于橋面鋪裝,如何假設(shè)及模擬層間接觸狀況是有限元建模一個(gè)很重要的問題。對于不設(shè)防水層的情況,可以借鑒復(fù)合路面的處理方式?？傊?如何模擬層間接觸狀況,特別是如何考慮防水層的影響,是建立合理有限元模型的一個(gè)關(guān)鍵問題,是研究鋪裝層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的一個(gè)重點(diǎn)。要采取理論計(jì)算與試驗(yàn)分析相結(jié)合的方法,將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)和實(shí)測結(jié)果相對比,尋找一種與結(jié)構(gòu)實(shí)際受力吻合的模型。
橋面鋪裝層是一種特殊的路面結(jié)構(gòu),如何合理簡化荷載模型,以及如何進(jìn)行橫向和縱向布載,也直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的精確程度。
另外需要研究的一個(gè)重要問題是,橋梁在荷載作用下產(chǎn)生撓度及其它形變,這些因素對鋪裝層的力學(xué)特性有何影響,如何考慮這些影響,這也是橋面鋪裝不同于一般復(fù)合路面的一個(gè)方面。目前,國內(nèi)還沒有專門針對這方面的討論。
合理解決橋面鋪裝問題需要從理論分析和結(jié)構(gòu)計(jì)算兩方面入手,正確的理論基礎(chǔ)是根本，合理的力學(xué)模型是關(guān)鍵。通過計(jì)算分析與實(shí)測對比，較好的解決如上述的接觸模型、荷載簡化等問題,搞清其它因素的影響；還要加強(qiáng)對模型尺寸及收斂條件的研究；在條件允許的情況下,加強(qiáng)對其動力性能的研究。在分析鋪裝層破壞形式的基礎(chǔ)上,確定關(guān)鍵因素,提出控制指標(biāo)并建立相應(yīng)的破壞準(zhǔn)則,為設(shè)計(jì)提供依據(jù),要達(dá)到這一目標(biāo)需要做大量的基礎(chǔ)性研究工作。
本文對鋼筋混凝土橋柔性橋面鋪裝的早期病害及其原因進(jìn)行了分析與研究,總結(jié)了當(dāng)前國內(nèi)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)分析的主要方法,提出了用有限元分析需要注意的一些問題,指出了今后主要的研究方向。
當(dāng)務(wù)之急是加快對瀝青混凝土橋面鋪裝的進(jìn)一步研究,以明確橋面鋪裝層各結(jié)構(gòu)層計(jì)算模型、力學(xué)特性及相關(guān)參數(shù),為橋面鋪裝的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)；同時(shí),加強(qiáng)對各鋪裝層材料的材料性能指標(biāo)和測試技術(shù)的研究,開發(fā)適應(yīng)橋面破壞機(jī)理的新材料；另外,還要改進(jìn)鋪裝技術(shù)及提高施工質(zhì)量,保證設(shè)計(jì)模型的準(zhǔn)確性,從根本上解決橋面鋪裝早期損壞問題。
