王 虎, 韩 飞

(长安大学 理学院， 陕西 西安 710064)

大跨径连续刚构桥桥面铺装层技术研究现状综述

王 虎, 韩 飞

(长安大学 理学院， 陕西 西安 710064)

通过对国内外大跨径连续刚构桥铺装层技术领域研究成果和发展趋势的分析和总结，研究了设计缺陷，施工质量以及交通荷载环境等因素对连续刚构桥桥面铺装层耐久性的影响。针对铺装层病害的机理，主导原因和病害的分类方法以及铺装层结构设计存在的问题等进行了较为全面的剖析。分析结果表明：连续刚构桥桥面铺装的耐久性除了取决于铺装材料本身的强度和疲劳性能，更取决于铺装层结构、材料与桥面板的适应性；铺装层及桥面板的综合设计、施工质量和工艺的保障是铺装层耐久性的关键；现有文献对连续刚构桥桥面铺装层有限元计算尚有缺陷和不合理之处，为了给今后的工程实践和相关规范提供更可靠的数据，应对现有分析采用的有限元实体模型及其边界条件进行研究和完善。

桥梁工程；连续刚构桥；桥面铺装；耐久性；有限元分析

0 引 言

“十二五”期间末，我国高速公路里程将达到10.8万km[1]，伴随着城市化建设和高速公路的迅猛发展，公路桥梁和城市立交桥的大量兴建，截至2011年底,全国公路桥梁达68.94万座,其中小跨径公路桥梁以及城市桥梁在水泥混凝土桥中仍占有很大比例。在我国，连续刚构桥在跨径在100～200 m的水泥混凝土桥梁中被优先选择[2]，其特点是梁体连续、墩梁固结和桥墩为柔性。梁体连续和墩梁固结的结构形式使得连续刚构桥既拥有连续梁桥无伸缩缝行车舒适平顺的特点，又拥有T形刚构桥不设支座，施工方便的优点，因此得到了广泛的应用。而在早期的桥梁结构设计中，规范仅从梁体的安全性和耐久性出发，将铺装层作为二期恒载施加在梁体上，而伴随着交通运输量的激增，重型车辆、超载车辆的频繁作用，加之施工与设计存在的缺陷，已致使桥梁整体结构以及桥面铺装层局部皆发生了大量乃至灾难性的破坏。在20世纪，西方发达国家正处于大规模公路建设初期阶段，正是由于对桥面铺装的重要性考虑欠佳，才于桥梁的后期使用过程中付出了沉重的维修养护代价[3]。目前许多学者已经重视并开始对桥面铺装做出了研究，可调研重心偏向于钢桥的铺装层：S.BILD等[4]，T.NISHIZAWA等[5]对钢桥面沥青铺装层进行过较为深入的探索;A.R.MANGUS[6]通过对挪威、俄罗斯、瑞典等国家多座桥梁研究，发现混凝土桥低温地区施工时存在一定的局限性，钢桥面更加适应于低温地区。对于混凝土桥面的沥青铺装层设计，国内外多数沿用了沥青路面设计理念，均缺乏针对性设计指南或规范。目前国内对连续刚构桥桥面铺装的研究成果相对较少,且未结合连续刚构桥的结构变形特点,只是针对桥梁局部铺装层或铺装材料进行分析，对连续刚构桥的桥面铺装几乎不作专门的计算分析。笔者将针对现有关于连续刚构桥桥面铺装的研究情况，主要从连续刚构桥桥面铺装的应用现况，病害类型及主导原因，现有铺装层有限元计算的主要方法和存在的问题等方面进行详细分析。

1 连续刚构桥面铺装应用状况

1.1 连续刚构桥桥面沥青铺装层主导病害类型

桥面铺装层能使桥面板免遭车轮或履带直接磨耗，同时能够良好的分散车轮的集中荷载，并与梁体共同承受弯矩和抵抗变形，起到了保护主梁、桥面板，防止钢筋锈蚀的作用。桥面铺装技术问题已成为当下公路建设技术的热点，由于桥面铺装受力情况与一般路面不同[7]，随着对桥面铺装层重视程度的增加，近年来，国内外对桥面铺装层的研究已经有了长足的进步，但具体到设计理论，设计规范，检测维修等方面尚存不足。在早期，国内外通车后不久铺装层便出现病害，而维修费用达新建费用数倍的例子数见不鲜。事实上，混凝土桥面铺装病害的主要类型及其成因与桥梁结构形式，所在地区，施工条件，设计水平等密不可分。美国的LTPP (沥青路面长期性能研究)的沥青路面损坏鉴别手册(SHRP-P338,1993)[8]根据沥青混凝土桥面铺装的破坏特点，归纳了五大类破坏类型，分别是开裂、补坑与坑槽、表面变形、表面缺陷以及其它混杂破坏。笔者根据连续刚构桥面铺装的病害的成因将病害归纳为结构固有特点导致、结构设计认识不足导致和施工原因导致三大类。

1.2 病害的主要成因

1.2.1 结构固有特点导致铺装层病害

由于连续刚构桥是墩梁固结的结构形式，其结构独特的受力变形特征决定了桥面铺装的受力特性，具体表现在以下两个方面：

1)墩顶负弯矩区。由于桥墩与梁体固结，在车辆荷载和恒载等荷载共同作用下，连续刚构桥负弯矩区会产生较大负弯矩，最大负弯矩会使墩顶区域的铺装层因受到长期反复的拉应力而致使混凝土铺装层过度疲劳而开裂，从而产生裂缝[9]。同时由于主梁的桥面板和铺装层协同受力，负弯矩会使铺装层层间产生法向拉拔力，一旦层间黏结失效，将导致层间脱空等病害的产生。

2)梁体跨中下挠变形。在役连续刚构桥在运营期间，随着混凝土的收缩徐变以及钢筋预应力损失的加剧，跨中梁段将下挠，致使梁体腹板斜裂缝产生，给铺装层带来很不利的影响。

1.2.2 设计存在的缺陷

铺装层设计缺陷主要有两类，一类是对材料的设计及选择欠佳，另一类是对结构的设计认识不足。

1)对材料的设计主要是针对沥青混合料与防水层材料的选择，二者的选择将直接决定铺装层的质量。铺装层承受着复杂的作用，然而实际施工过程中，很少对相关材料做出理论实验研究，桥面铺装材料抗剥离性能差易导致水损坏，若沥青混凝土材料过柔将出现车辙和拥包等病害，这些终将大大缩短铺装层的使用寿命[10]。

2)对结构设计的认识不足具体表现在：仅按照规范推荐的结构与厚度进行设计。在铺装层投入使用初期，在桥墩及跨中处将出现横向贯穿性裂缝等病害[9]；嘉陵江黄花园大桥下游半幅出现了裂缝，拥包，坑槽等病害，且破损情况不容乐观，病害原因在于桥梁设计纵坡为2.5%，且车辆行驶速度缓慢，换挡减档频繁，导致车辆行驶过程中产生很大水平制动力[11]，吴海军等[12]以重庆渝宜高速，云阳—万州段陈家沟大桥为例具体分析并得出结论：沥青铺装层厚度和由厚度决定的梯度温度对主梁受力影响显著，沥青铺装层厚度从5 cm增大到10 cm，每变化1 cm所引起的主梁上缘应力变化值可达到活载应力的30%～40%。由此可见结构设计中针对铺装层的厚度和梁体结构设计应予以足够重视。

1.2.3 施工等其他原因

即使材料再卓越,设计再合理,如果没有高质量，严要求的施工，铺装层的耐久性就不会有强有力的保障。典型的施工质量较差如桥面板的不平整及混凝土强度不够，这些都将导致在铺设沥青混凝土铺装层前，就有裂缝或微裂缝出现在桥面板，这些病害已经在京秦高速公路大石河桥上发生过[13]。

1)施工质量不过关。部分施工单位在防水黏结层施工前，桥面板混凝土泥浆、杂物过多，没有冲洗彻底，桥面板顶板的凿毛拉槽未达到要求。另外在施工过程中，工艺欠佳将导致桥面板标高与设计值偏大，进而造成桥面板水泥混凝土浇筑厚度过高或偏小。桥面铺装层施工阶段，沥青混凝土的质量无法控制在较为理想的水平，常伴随的施工的缺陷有沥青拌合料温度的偏高或偏低，碾压工艺混乱等。此类不规范的施工对铺装层的整体性能影响很大，对后期病害的发生埋下了祸根。

2)对日常养护的不重视。对铺装层早期的微裂缝未及时灌缝修补等，被杂物堵住的泄水管未及时清理致使桥面积水无法及时排除[14]。日常养护直接决定铺装层的耐久性。

1.3 连续刚构桥桥面铺装病害的基本类型

总体上看，混凝土桥面沥青铺装层病害有别于沥青路面破坏特点的是：沥青混凝土铺装层很容易发生剪切破坏：李明国[15]曾在广东省做过调查研究，在所调查的87座混凝土桥梁当中，铺装层病害的78.1%是车辙、推移、拥包等病害；郭渭彬[16]对佛山大桥14 925 m2的铺装层进行调查分析，发现沥青铺装层典型病害是车辙、推移、拥包。董玲云[10]等通过综合比选，通过调查分析7座在重庆具有代表性的大跨径连续刚构桥，其主跨均为160 m以上，对连续刚构桥桥面铺装病害主要形式及分布做出了详细研究：

1)裂缝类：铺装层裂缝主要分为横向裂缝、纵向裂缝、网状裂缝、龟裂、推移裂缝等。裂缝一旦形成，铺装层的防水性能将大大减小，加剧了铺装层的破坏，严重的还会使钢筋网锈蚀、黏结层失效等。连续刚构桥铺装层裂缝的产生是由于跨中与桥墩部位的拉应力、超载车辆及温度荷载的综合作用。重庆长江大桥复线桥的主要铺装层破坏是裂缝和松散类破坏，而裂缝类是主要病害。调查发现该桥裂缝中，横向裂缝有48条，58.3%的横缝集中在桥墩处；跨中横向裂缝有12条占了总数的25%。嘉陵江黄花园大桥下游半幅病害调查发现：该桥裂缝有43处，占总病害数量的53.1%，而裂缝的60%是横向裂缝。裂缝病害如图1。

图1 裂缝类病害Fig.1 Crack disease

2)变形类：主要类型有车辙，拥包以及波浪等。由于沥青混凝土的塑性流动特性，沥青铺装层往往产生推移破坏，其表现形式为横跨沥青表面起伏的波浪。拥包即表层铺装的局部隆起，此类破坏是由车辆水平制动力和轮压综合引起的，破坏原因是结构层内材料剪应力超限。鱼洞长江大桥上游半幅车辙长度明显较长，最大车辙处有20余m，拥包较多，且拥包间距较其他桥梁明显减小。车辙现象变形破坏严重，且主要分布在轮迹附近。变形类病害如图2。

图2 变形类病害Fig.2 Deformation disease

3)桥面防水黏结层破坏：铺装层防水层黏结失效破坏是桥面铺装破坏的主要类型之一，铺装层和桥面板，以及混凝土找平层与沥青混凝土铺装层之间依靠黏结力保证协同工作。黏结层的完好能改善桥面铺装层受力条件，减少层内应力，一旦黏结层失效，桥面铺装层将会出现滑移和脱落。其病害见图3。

图3 桥面防水黏结层破坏Fig.3 Damage of the deck waterproof layer

4)接缝类：桥面铺装层维护修补处理欠佳，维修后新旧铺装材料相接处裂缝、坑槽等病害出现较多。另外桥头跳车现象产生的剧烈跳动，竖向冲击力过大同样会导致接缝类破坏。此类病害如图4。

图4 接缝类破坏Fig.4 Hinge joints damage

1.4 小 结

针对现役连续刚构桥桥面铺装应用现状，从设计认识不足、施工因素、环境及养护方面，结合工程实例分析了病害产生的主导原因。就桥面铺装病害的特性进行分类。可以看出，连续刚构桥桥面铺装的病害主要集中于桥墩区域和跨中区域，桥墩处由于梁体的收缩徐变易产生横向裂缝；其他部位的病害主要由于层间黏结性能差，多表现为滑移，脱层拥包等剪切破坏，另外防水黏结材料黏结效果差也会导致铺装层黏结失效而破坏

2 有连续刚构桥桥面铺装有限元计算的方法和结论

由于铺装层直接承受车辆荷载，应力集中现象明显，铺装层病害往往发生在车轮接触面附近，且铺装层结构内部受力情况复杂，用空间梁理论无法准确分析铺装层的受力情况。故而必须对铺装层及梁体共同建立空间实体模型。

臧继成等[17]研究了调平层厚度及超载对连续刚构桥桥面铺装层内应力影响规律。笔者以綦江大桥为研究对象，该桥桥面铺装设计为5 cm厚C40混凝土调平层+5 cm沥青混凝土面层。笔者首先建立全桥模型，得出全桥受力特点，然后针对中跨L/2附近20 m的梁段建立局部模型，对铺装层的最大拉压应力进行详细计算。局部分析采用ABAQUS软件计算，荷载采用由空间杆系结构分析的结果。混凝土材料用三维八节点实体单元模拟，预应力钢筋用桁架单元模拟，预应力采用降温法施加，边界条件处理方式为：将梁段一端截面固结，另一端假定为平截面变形，即生成刚性域，然后于中性轴处施加由整理模型求出的最不利荷载(弯矩，轴力以及剪力)。通过模拟分析超载以及混凝土垫层厚度对铺装层内应力分布影响规律，得出以下结论：①车辆超载会致使铺装层内各项应力增大，容易导致铺装层发生剪切和开裂破坏；②在设置混凝土调平层的桥面铺装层中，调平层厚度直接影响铺装层内应力分布，调平层厚度在局部施工界面存在缺陷时不宜过薄，考虑经济性和适应性，混凝土调平层厚度不宜低于8 cm。

吴海军等[12]结合实例研究了铺装层厚度对连续刚构桥主梁温度梯度应力的影响，指出沥青铺装层厚度是影响主梁梯度温度效应的主要因素。结果表明沥青混凝土铺装层厚对主梁受到的温度应力影响显著，沥青混凝土厚度为5 cm时，温差对主梁上缘应力的影响明显大于汽车荷载影响；沥青铺装层厚度每变化1 cm时，其导致的主梁上缘压应力变化值可达到活载应力的30%～40%；在结构设计中可通过适当调整沥青铺装层厚度来改善主梁应力状态。

余涛等[18]研究了大跨径预应力混凝土连续刚构桥收缩徐变对桥面铺装应力的影响。以泾河特大桥为实例，首先用MIDAS/Civil软件建立全桥整体模型，计算得到不同时间的收缩徐变值，提取出局部模型计算截面节点处的徐变值。再运用ANSYS对桥墩和跨中区域进行局部建模分析，局部模型的边界条件用位移法模拟：先在局部模型的断面节点上建立质量单元，再将断面上的所有节点与质量单元用刚臂连接从而形成刚性面，再将从MIDAS/Civil提取出来的计算截面节点处的主要徐变值当做位移边界条件施加于质量单元。分析结果表明：①收缩徐变在铺装层内产生的剪应力相对较小，而对纵桥向拉应力影响较明显，桥墩处铺装层使用半年后，铺装层内纵桥向拉应力可达0.905 MPa，极易导致横桥向裂缝产生；②收缩徐变对桥墩处铺装层内拉应力影响较大，相比桥墩处的应力，收缩徐变对跨中铺装层应力贡献很小。

刘小燕等[19]采用线性徐变理论进行混凝土徐变效应分析，编制徐变效应分析的平面有限元程序，对桥梁各工况下的挠度y(x)进行计算，再根据铺装层到截面中性轴的距离h(x)，利用Mathematica数学软件拟合徐变变形曲线，得到曲线y(x)和函数h(x)的关系式，进而利用材料力学理论得到铺装层的正应力和层间剪应力。

郭祥[20]研究了连续刚构桥桥面铺装在超载作用下，沥青混凝土铺装层的应力分布规律。文中同样先采用MIDAS/civil先建立全桥模型，然后利用影响线加载求出最不利荷载位置(跨中和墩顶截面)的内力，不同于文献[17]的是在局部模型边界处理上，郭祥[20]对模型一端断面固结，另一端没有生成刚性面，而是用静力等效的原理，将从整体模型截面提取出来的弯矩、轴力、剪力平均分配到铺装层每一个节点上。通过对单列、双列和三列车加载的情况分别计算并得到桥面铺装层面层最大弯沉、最大拉应力和层间剪应力。结果表明随着超载水平增加，顺桥向拉应力超过容许拉应力极限，横桥向拉应力也将于超载30%后超限。而最大弯沉值会随着超载程度增大而增大但在容许范围内。罗君等[21]针对有施工缝缺陷和铺装层与桥面板接触界面有黏结缺陷的连续刚构桥进行局部建模分析，研究了铺装层有施工缺陷时的受力情况及界面黏结情况对铺装层间剪应力及拉应力的分布情况。荷载选取单辆重车，主要分析铺装层有缺陷部位附近的应力分布情况。局部建模时选取长方形实体，将模型下边界固定约束以表示主梁受到的约束作用，有限元模型如图5。文章指出这样简化边界条件虽与实际不符，但这样模拟对缺陷部位附近的应力影响不大。和无施工缺陷时对比表明：在铺装层有施工缝时，在汽车荷载下会产生较大层间剪应力，同时横向和纵向的拉应力也较大，容易发生剪切破坏和混凝土开裂。为了防止施工缺陷的产生，铺装层垫层施工时，应尽量将施工纵缝预留在远离中线的位置，靠近两边的护栏，避免桥面中线出现施工缝的薄弱层。

图5 有限元模型(cm)Fig.5 Finite element model

3 现有有限元计算过程中存在的问题及建议

臧继成等[17]，余涛等[18]计算时均先采用MIDAS/Civil建立全桥模型，然后整体计算，提取出关注荷载作用下，局部模型计算截面节点处的内力和变形，然后将局部模型的边界断面一端固接，另一端截面所有节点和质量单元通过刚臂连接形成刚性面，最后在质量单元上施加力的边界条件或位移边界条件。虽然文献中指出，根据圣维南原理，边界条件只对边界一定范围内的应力分布有影响，但是在局部分析时下存在以下问题：①在细部分析时，箱梁和铺装层端面上不同节点的受力情况复杂且差别很大，单独施加力的边界条件或位移边界条件都是欠妥当的；②边界条件的刚性化会对模型内部产生约束应力，尤其是对较柔的沥青混凝土铺装层内部的应力影响更大。边界条件的简化对铺装层局部应力分析影响到底有多大，为满足结果的可靠度，局部模型纵桥向尺寸究竟取多少合适，文献中并未做具体分析；③在局部模型计算截面节点处施加整体模型对应节点的内力时，只施加了纵向弯曲时的轴力、剪力和弯矩3个内力作为边界条件，未考虑箱梁在偏载作用下横向弯矩和扭矩对铺装层结构的影响情况。笔者认为应当更加真实的施加边界条件，或者在计算分析前，先建立典型模型，对比简化边界条件后的模型和真实模型在关键位置处的计算结果，对边界条件简化的可行性做详细分析。

吴海军等[12]只分析了铺装层厚度对主梁温度应力的影响情况，尚未对厚度变化对铺装层内部的温度应力分布规律进行讨论。桥面铺装层的温度场是随时间和空间变化的场函数,要准确分析沥青混凝土铺装层的温度应力需要更加详尽的温度监测数据并准确到赋予到模型当中。

余涛等[18]忽略了铺装层的收缩徐变并假设铺装层和桥梁体位移边界条件相同，然而铺装层材料自身的收缩徐变对铺装材料内部各项应力的影响更为重要，将其与梁体的收缩徐变剥离开来讨论又欠妥当。另外，沥青铺装层与垫层和梁体的模量相差很大，铺装层的拉应力和剪切应力大小都与弹性模量成正比，将整个断面刚性化后很难准确得出铺装层和桥面板接触面间的剪切应力。

文献[19]较文献[18]在边界条件处理上较为合理，考虑到了铺装层徐变在厚度方向上的变化情况，而不是将铺装层与桥梁体施加同一位移边界条件，不足之处在于文献[19]采用的计算理论只能求出铺装层纵向正应力和纵桥向剪应力，无法计算接触层间的横向剪应力以及铺装层层间的竖向拉拔力。文献[19]的计算理论无法考虑超载车辆的偏载效应以及车轮荷载作用下的局部效应，而箱梁在偏载作用下截面同时会产生纵向弯曲、刚性扭转、畸变和横向挠曲，横桥向的正应力和剪应力超限引起的铺装层病害不容忽视，所以在进行铺装层应力分析时应当考虑偏载的影响。由于轮载作用下局部效应明显，所以笔者认为应同时对横向受力情况以及局部效应予以考虑。

4 结 论

笔者对国内外大跨径连续刚构桥面铺装的研究现状进行了较为全面的研究分析，对现有计算模型及边界条件的处理存在的问题提出了改进的建议，主要得出以下结论：

1)连续刚构桥桥面铺装病害成因不仅于材料自身强度有关，与设计方面存在的问题、施工工艺和质量、交通及环境因素等密不可分。

2)采用局部有限元建模分析铺装层受力时，箱梁和铺装层端面上不同节点的受力情况复杂且差别很大，单独施加力的边界条件或位移边界条件都是欠妥当的，边界条件的刚性化会对模型内部产生约束应力，尤其是对较柔的沥青混凝土铺装层内部的应力影响更大。应于计算分析前，先建立典型模型，对比简化边界条件后的模型和真实模型在关键位置处的计算结果，确定简化模型的可行性。

3)将梁体的收缩性徐变引起的应力值作为边界条件施加在铺装层上，近似假设桥面板和铺装层位移边界条件相同，很难准确得出收缩徐变影响下铺装层和桥面板的层间应力。此时应将边界条件细化，不同结构层施加相应的边界条件。

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Literature Review of Research Status of Deck Pavement Technology of Long-Span Continuous Rigid Frame Bridge

WANG Hu, HAN Fei

(School of Science, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, P.R.China)

Through the analysis and summary of research status and development trend of deck pavement technology of long-span continuous rigid frame bridge deck pavement at home and abroad, the influence of factors such as design flaw, constructional quality and traffic load on the durability of continuous rigid frame bridge deck pavement was studied. Aiming at the mechanism of the deck pavement disease, the cause of disease, the classification method of disease and the structure deficiency in the deck pavement design were comprehensively analyzed. The analysis results show that: the durability of continuous rigid frame bridge deck pavement not only depends on the strength and fatigue performance of pavement material, but also on the pavement structure, the material and the adaptability of the bridge deck. The integrated design of pavement and bridge deck, construction quality and craft are the guarantee of deck pavement durability. Besides, the finite element calculation of continuous rigid frame bridge deck pavement still has some imperfection and unreasonableness in current literatures. In order to provide more credible data for the future engineering practice and the relevant standard, the proposed finite element model and its boundary conditions should be studied and improved.

bridge engineering; continuous rigid frame bridge; deck pavement; durability; finite element analysis

2015-03-10；

2015-07-01

陕西省自然科学基金项目(2013GM7002)

王 虎(1959—)，男，陕西兴平人，教授，工学博士，主要从事桥梁与道路工程方面的研究。E-mail：19509256@qq.com。

韩 飞(1991—)，男，陕西西安人，硕士研究生，主要从事桥梁与道路工程方面的研究。E-mail：67463368@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.01.04

U443.+33

A

1674-0696(2016)01-016-06