基于病害控制的城市中小跨徑鋼橋面鋪裝設(shè)計

張德佳

（上海市政養(yǎng)護(hù)管理有限公司，上海市　201805）

基于病害控制的城市中小跨徑鋼橋面鋪裝設(shè)計

張德佳

（上海市政養(yǎng)護(hù)管理有限公司，上海市201805）

通過對城市中小跨徑鋼橋面鋪裝進(jìn)行力學(xué)分析，明確了不同荷載條件和結(jié)構(gòu)條件對鋪裝體系的受力影響，在此基礎(chǔ)上，提出基于病害控制的鋪裝設(shè)計力學(xué)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)。此外，結(jié)合城市中小跨徑橋梁的荷載和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給出鋪裝材料和防水粘結(jié)材料的性能要求，以及鋪裝結(jié)構(gòu)組合的設(shè)計原則和建議。研究成果對城市中小跨徑鋼橋面鋪裝設(shè)計具有一定的參考價值。

瀝青鋪裝層；城市中小橋；設(shè)計指標(biāo)；結(jié)構(gòu)組合

0　引言

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市中小跨徑橋梁在市政道路中應(yīng)用已十分普及，尤其在高架道路跨越交叉口、立交匝道等處應(yīng)用尤為普遍。但是，作為橋梁建設(shè)的配套工程，中小橋的鋪裝層研究并沒有得到應(yīng)有的重視。城市中小跨徑橋梁跨徑小、轉(zhuǎn)彎多、匝道坡度大以及超載、慢載嚴(yán)重等特點(diǎn)，對鋪裝材料的路用性能提出了較高的要求。經(jīng)調(diào)查，上海同濟(jì)路立交、北翟路立交、虹梅路立交等橋面鋪裝都出現(xiàn)了不同程度的病害。本文對城市中小跨徑鋼橋面鋪裝的受力特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出基于病害控制的鋪裝設(shè)計力學(xué)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，明確選擇鋪裝層材料和防水粘結(jié)層材料的主要考慮因素，并給出鋪裝結(jié)構(gòu)組合的設(shè)計原則和建議，為城市中小跨徑鋼橋面鋪裝設(shè)計提供參考。

1　城市中小橋荷載與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1荷載特點(diǎn)

作為城市交通要道，中小跨徑橋梁所承受的超載交通量與大跨徑橋梁相比要嚴(yán)重得多，同時，慢載交通和頻繁剎車制動對鋪裝結(jié)構(gòu)的受力也有顯著的影響，這與轉(zhuǎn)彎半徑小，匝道坡度大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)密切相關(guān)［1］：車輛在上坡時，動能轉(zhuǎn)化為勢能，車速變慢（慢載），鋪裝層承受荷載時間將變長，運(yùn)營溫度也有所提高；車輛下坡和轉(zhuǎn)彎路段，為確保安全，需采取剎車制動措施。

1.2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

受匝道坡度的影響，車輛的重力將產(chǎn)生一個沿行車方向的分力，而車輛進(jìn)入彎道時，還會由離心力產(chǎn)生沿徑向的水平分力［2］，離心力為車輛荷載（不計沖擊力）乘以離心系數(shù)C，離心力系數(shù)按公式（1）計算：

式中：V為設(shè)計車速，km/h；R為曲線半徑。

轉(zhuǎn)彎半徑越小，車速越大，離心力就越大，產(chǎn)生的水平分力也就越大。這種特殊的受力要求鋪裝結(jié)構(gòu)有更高的耐磨性、高溫抗車轍性以及層間穩(wěn)定性。

同時，轉(zhuǎn)彎半徑小，匝道坡度大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得橋面鋪裝的施工難度增大。目前，鋼橋面鋪裝通常采用環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)層，而為了保證鋪裝層材料與防水粘結(jié)層材料之間良好的粘結(jié)性能，在環(huán)氧瀝青固化前就要攤鋪和碾壓鋪裝層，而在匝道轉(zhuǎn)彎處，壓路機(jī)會在鋪裝層與鋼板間施加較大的水平剪力，容易造成防水粘結(jié)層在未固化前就發(fā)生破壞［3］，給鋪裝結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量留下隱患。

2　城市中小跨徑鋼橋面鋪裝力學(xué)分析

2.1模型及參數(shù)

利用ANSYS軟件中提供的8節(jié)點(diǎn)實體單元Solid45，建立的有限元模型如圖1所示。其中，橫向尺寸取7個U型肋的距離，縱向取3跨且兩端為簡支約束，橫隔板底部的約束采用全固定約束。對鋼橋面瀝青混合料鋪裝結(jié)構(gòu)作如下的假設(shè)［4］：鋼橋面板和瀝青混合料鋪裝為均勻、連續(xù)和各向同性彈性材料；正交異性鋼板的位移和變形微小；鋪裝層與鋼橋面板之間是完全連續(xù)的；不計鋪裝層與橋面系的自重。采用第二結(jié)構(gòu)體系，即橋面板為支承在腹板肋上的由蓋板、縱梁、橫肋組成的正交異性板，承受作用在橋面上的荷載。

圖1　有限元模型

參考《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50-2006）及相關(guān)研究成果［5，6］，確定數(shù)值模型材料參數(shù)和尺寸，分別見表1和表2，U型縱肋布置見圖2所示。

表1　材料參數(shù)

表2　橋面板結(jié)構(gòu)尺寸

圖2　U形縱肋布置

2.2荷載及臨界荷載位

鋼橋面瀝青鋪裝層設(shè)計以雙輪組單軸載100 kN為標(biāo)準(zhǔn)軸載，以BZZ-100表示。標(biāo)準(zhǔn)軸載的計算參數(shù)按表3確定。

表3　標(biāo)準(zhǔn)軸載參數(shù)

考慮到計算求解的便利性及與橋梁設(shè)計荷載的通用性，可將規(guī)范規(guī)定單輪矩形荷載轉(zhuǎn)化為雙輪均布正方向正方形荷載，如圖3所示?？紤]30%的沖擊荷載，緊急剎車的摩擦系數(shù)取0.6。

圖3　等效雙輪均布荷載（單位：m）

為了明確臨界荷載位，以鋪裝層表面最大豎向位移、最大橫向拉應(yīng)變和層間最大剪應(yīng)力為指標(biāo)，荷載的橫向布置考慮以下三種工況：荷載位置1——車載施加于兩加勁肋中心之間的正上方；荷載位置2——車載以加勁肋邊為中心對稱施加于正上方；荷載位置3——車載對稱施加于加勁肋正上方，如圖4所示。荷載的縱向分別布置在縱向中心線上、橫隔板與中心線的中間和橫隔板上，如圖5所示。

圖4　荷載橫向布置

圖5　荷載縱向布置

當(dāng)橫向荷載以加勁肋邊為中心對稱施加于鋪裝結(jié)構(gòu)正上方時，鋪裝層表面豎向位移、最大拉應(yīng)變及層間剪應(yīng)力達(dá)到最大值；橫向荷位沿橋面縱向移動，表面最大拉應(yīng)變和層間最大剪應(yīng)力隨荷載的移動具有相似的變化規(guī)律，在橫隔板上方達(dá)到峰值。因此，荷載位1-2為臨界荷載位。

2.3設(shè)計指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)

2.3.1設(shè)計指標(biāo)提出

針對最不利荷載位，分析在不同荷載條件（超載和制動）和結(jié)構(gòu)條件（轉(zhuǎn)彎和匝道）下鋪裝層的受力特點(diǎn)，限于篇幅，僅給出主要結(jié)論：（1）計算0.7 MPa、0.91 MPa、1.12 MPa、1.33 MPa等4種荷載情況，超載30%、60%、90%時，層間最大剪應(yīng)力分別增加29.8%、60.1%、91.1%；考慮制動的情況，摩擦系數(shù)分別取0.1、0.3、0.6，層間最大剪應(yīng)力分別增加11.6%、29.3%、50.4%，在超載的情況下制動對層間受力更為不利，增加了層間剪切破壞的可能。（2）當(dāng)匝道坡度從0增大至7%，相同鋪裝層模量下的層間剪應(yīng)力增幅超過10%；鋪裝結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)彎路段，在車輛制動產(chǎn)生的沿行車方向的水平力和離心力沿徑向的水平力共同作用下，層間最大剪應(yīng)力增加141%。

城市中小橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和荷載特點(diǎn)使鋪裝結(jié)構(gòu)不利的受力狀態(tài)在轉(zhuǎn)彎和大坡度處鋪裝結(jié)構(gòu)的層間最大剪應(yīng)力明顯增加，在超載和制動的條件下，增加了鋪裝結(jié)構(gòu)脫層損壞發(fā)生的可能性，因此，對于城市中小橋而言，尤其是在轉(zhuǎn)彎和大坡度等特殊橋面鋪裝段，因制動、慢載頻繁，應(yīng)以層間剪應(yīng)力為指標(biāo)進(jìn)行鋪裝層的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.3.2設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)確定

以層間剪應(yīng)力作為城市中小橋鋪裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計指標(biāo)，保證鋪裝結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用期內(nèi)不發(fā)生層間失穩(wěn)破壞，對于整個鋪裝體系而言具有重要的意義。這要求鋼板與鋪裝層間最大剪應(yīng)力不得超過鋪裝層層間粘結(jié)材料容許抗剪強(qiáng)度，如式（2）所示：

式中：τmax為橋面鋪裝層間最大剪應(yīng)力計算值，可采用數(shù)值方法求出；［τr］為鋪裝層間最大剪應(yīng)力的設(shè)計值，可通過對層間抗剪試驗以及抗剪疲勞的預(yù)估模型的研究確定。

3　城市中小跨徑鋼橋面鋪裝方案設(shè)計

3.1鋪裝層材料

鋪裝材料的選擇應(yīng)滿足以下條件：（1）鋪裝上層必須具有良好的抗裂、抗滑、抗沖擊以及耐磨性能。（2）鋪裝下層要有良好的高溫穩(wěn)定性、變形協(xié)調(diào)性，同時還應(yīng)具備一定的致密性，以減少水分下滲，降低腐蝕鋼板的機(jī)率。除了滿足常規(guī)的路用性能以外，考慮城市中小跨徑鋼橋面鋪裝的特點(diǎn)，優(yōu)良的施工性能和經(jīng)濟(jì)性也是鋪裝材料選擇考慮的主要因素。

3.2防水粘結(jié)材料

防水粘結(jié)材料良好的粘結(jié)性能是橋面鋪裝與鋼橋面板協(xié)同工作的關(guān)鍵，同時也是鋪裝結(jié)構(gòu)在運(yùn)營期內(nèi)不進(jìn)行結(jié)構(gòu)性大修的重要保證措施。除了基本的防水和粘結(jié)性能外，防水粘結(jié)層材料還必須具備優(yōu)良的層間抗剪切性能和抗施工損傷的能力。

在匝道坡度大、交通量大、超載嚴(yán)重情況下，會在層間產(chǎn)生較大剪應(yīng)力，當(dāng)防水粘結(jié)材料無法滿足層間抗剪性能要求時，鑒于以往上海地區(qū)大量的鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)及養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗，可考慮設(shè)置層間抗剪鋼筋以提高鋼橋面瀝青鋪裝層間抗剪性能。

3.3鋪裝結(jié)構(gòu)組合

在滿足最小攤鋪厚度和其他力學(xué)指標(biāo)要求下，鋪裝層厚度不宜過厚，同時，鋪裝層的模量不宜過高，選取模量接近的雙層瀝青混合料較為合理。同時，鋪裝層類型及厚度的選擇還應(yīng)考慮道路等級、設(shè)計年限、交通量及組成等因素，以滿足瀝青鋪裝層使用功能要求。推薦城市中小跨徑鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)組合，見表4。

表4　推薦鋪裝結(jié)構(gòu)組合

三種瀝青混合料的動穩(wěn)定次數(shù)由高到低依次為：環(huán)氧瀝青混合料＞瀝青瑪蹄脂混合料＞澆注式瀝青混合料，這也決定了不同的荷載情況應(yīng)選用不同的結(jié)構(gòu)組合形式。由于環(huán)氧瀝青混合料動穩(wěn)定次數(shù)高，具有極好的抗疲勞性能，因此對于特重交通，建議采用EA-10+SMA-13的結(jié)構(gòu)組合形式。澆注式瀝青混合料高溫穩(wěn)定性差，易形成車轍，但是當(dāng)上面層鋪裝SMA-13時，卻有較高的抵抗重行荷載的能力，因此在重交通的情況下，可以考慮采用GA10+SMA-13的結(jié)構(gòu)組合形式。澆注式瀝青混合料和環(huán)氧瀝青混合料的造價較高，施工難度較大，因此在輕交通的條件下，不建議采用GA和EA，推薦采用SMA-10+SMA-13的結(jié)構(gòu)組合形式。

4　結(jié)論

（1）城市中小跨徑橋梁轉(zhuǎn)彎半徑小和匝道坡度大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不僅導(dǎo)致制動、慢載頻繁，同時給鋪裝結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量留下隱患，要求鋪裝結(jié)構(gòu)有更高的耐磨性、高溫抗車轍性以及層間穩(wěn)定性。

（2）層間剪應(yīng)力隨著匝道坡度的增加而增大，尤其在轉(zhuǎn)彎路段，層間最大剪應(yīng)力可增加141%，在超載和制動的條件下，增加了鋪裝結(jié)構(gòu)脫層損壞發(fā)生的可能性，因此，中小跨徑鋼橋面鋪裝設(shè)計時，應(yīng)以層間剪應(yīng)力作為控制指標(biāo)。同時，提出了鋼板與鋪裝層間最大剪應(yīng)力不得超過鋪裝層層間粘結(jié)材料容許抗剪強(qiáng)度的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

（3）結(jié)合城市中小跨徑橋梁荷載和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出鋪裝材料和防水粘結(jié)材料的性能要求，考慮道路等級、設(shè)計年限、交通量及組成等因素，給出了適用于城市中小跨徑鋼橋面鋪裝的結(jié)構(gòu)組合建議。

［1］吳剛，葉奮，黃啟帝.環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝設(shè)計理論與方法.2010國產(chǎn)環(huán)氧瀝青材料鋪裝技術(shù)（上海）熱點(diǎn)論壇專輯，2010（6）：9-14.

［2］周孔.城市高架橋防水粘結(jié)層設(shè)計參數(shù)研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，2010.

［3］潘友強(qiáng)，郭忠印.大縱坡小半徑鋼橋面瀝青鋪裝設(shè)計研究［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，40（9）：1133-1136.

［4］朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社，1998.

［5］JTG D50-2006，公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范（）［S］.

［6］周基釗.梁式鋼橋防水粘結(jié)層的性能研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，2011.

U443.33

B

1009-7716（2016）06-0150-03

2016-03-24

張德佳（1983-），男，黑龍江佳木斯人，博士，工程師，從事市政設(shè)施運(yùn)營和養(yǎng)護(hù)工作。