淺談混凝土橋面的病害分析及設(shè)計方法
2015-06-03
橋面柔性鋪裝能大大緩和行車對橋面板的沖擊,較易達到運營中平穩(wěn)舒適的要求,隨著瀝青材料性能的改進,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)計主要從所用材料、做法及厚度等方面作了指導性的說明,關(guān)于具體的設(shè)計理論與方法還是空白,鋪裝層的設(shè)計無章可循。這就造成了在實際設(shè)計中,橋面鋪裝層只作為橋梁工程的附屬結(jié)構(gòu),設(shè)計者對其甚少花費精力,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)破壞機理和設(shè)計理論方面的研究。
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
(1)橋梁的結(jié)構(gòu)理論中對橋面鋪裝層的計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受力復雜的動力體系,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)計來看,大部分設(shè)計者對箱梁構(gòu)件是按T形梁進行處理的。而箱梁的實際受力雖有近于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梁那種長細桿件設(shè)計配筋,就越來越不適宜了,導致按梁設(shè)計的箱梁骨架鋼筋在實際受力狀態(tài)下難以像T梁主筋那樣發(fā)揮應(yīng)有的作用。所以,設(shè)計的假設(shè)狀態(tài)與箱梁的實際受力狀態(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,使橋梁主梁能以較柔的結(jié)構(gòu)達到受力的要求,高等級公路大跨橋梁的橫向越來越寬。特別在設(shè)計計算中側(cè)重于主梁縱向的計算分析,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)生負彎矩或拉力,使橋面鋪裝層受到拉力的作用而產(chǎn)生負彎矩區(qū)裂縫,從而造成橋面鋪裝的損壞。
(5)在對高速公路進行交通組織管理中,由于車道功能的不同,人為強制地使橋梁結(jié)構(gòu)運營始終處于偏載狀態(tài),使主車道的鋪裝承擔了比超車道高得多的運營應(yīng)力水平,因此加快了主車道鋪裝層的疲勞。特別是隨著私營運輸業(yè)的發(fā)展,貨運業(yè)主為追求短期經(jīng)濟利益,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)計中應(yīng)根據(jù)運營中車輛荷載的實際分布情況,在明確了橋梁結(jié)構(gòu)受力的基礎(chǔ)上,對橋面鋪裝層進行受力計算。
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)力反拱無法十分準確地預(yù)測,或由于施工工藝控制欠佳,施工中主梁頂面標高與設(shè)計值相符是比較困難的,一般在測量主梁頂面標高后對其進行調(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度與主板和鋪裝層的強度有差異,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)計和鋪裝技術(shù)等方面,而關(guān)于理論分析和結(jié)構(gòu)計算的研究很少。
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行分析,目前較多采用的是三維八結(jié)點和二十結(jié)點單元。
合理的有限元模型是計算分析的前提,從目前的研究狀況來看,主要有如下幾個方面急需探討。
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很重要的問題。對于不設(shè)防水層的情況,可以借鑒復合路面的處理方式?？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關(guān)鍵問題,是研究鋪裝層結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的一個重點。要采取理論計算與試驗分析相結(jié)合的方法,將計算結(jié)果與試驗和實測結(jié)果相對比,尋找一種與結(jié)構(gòu)實際受力吻合的模型。
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,以及如何進行橫向和縱向布載,也直接關(guān)系到計算結(jié)果的精確程度。
另外需要研究的一個重要問題是,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合路面的一個方面。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)計算兩方面入手,正確的理論基礎(chǔ)是根本，合理的力學模型是關(guān)鍵。通過計算分析與實測對比，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；還要加強對模型尺寸及收斂條件的研究；在條件允許的情況下,加強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,提出控制指標并建立相應(yīng)的破壞準則,為設(shè)計提供依據(jù),要達到這一目標需要做大量的基礎(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行了分析與研究,總結(jié)了當前國內(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。
當務(wù)之急是加快對瀝青混凝土橋面鋪裝的進一步研究,以明確橋面鋪裝層各結(jié)構(gòu)層計算模型、力學特性及相關(guān)參數(shù),為橋面鋪裝的設(shè)計提供指導；同時,加強對各鋪裝層材料的材料性能指標和測試技術(shù)的研究,開發(fā)適應(yīng)橋面破壞機理的新材料；另外,還要改進鋪裝技術(shù)及提高施工質(zhì)量,保證設(shè)計模型的準確性,從根本上解決橋面鋪裝早期損壞問題。
