沥青混凝土桥面铺装结构设计及力学性能分析

沥青混凝土桥面铺装结构设计及力学性能分析发表时间：2016-01-08T10:00:08.280Z 来源：《基层建设》2015年18期供稿作者：何扬春[导读] 广东华美加工程顾问有限公司本文在综合分析国内沥青混凝土桥面铺装结构形式的基础上，对沥青混凝土桥面铺装材料选择及结构层的合理厚度进行了分析，提出了依托工程桥面铺装结构设计推荐方案。

广东华美加工程顾问有限公司广东广州 510000摘要：本文在综合分析国内沥青混凝土桥面铺装结构形式的基础上，对沥青混凝土桥面铺装材料选择及结构层的合理厚度进行了分析，提出了依托工程桥面铺装结构设计推荐方案。

同时，针对不同桥型结构的受力特点，采用ANSYS大型通用有限元软件对不同桥型结构的沥青混凝土桥面铺装力学性能进行分析，计算了在车辆标准荷载作用下，沥青混凝土桥面铺装面层的层底拉应力和剪应力。

结果表明，在合理确定桥面铺装材料后，桥面铺装的最小厚度不宜小于10cm，桥面铺装在车辆荷载作用下的最大拉应力及剪应力均小于材料的极限应力，能够满足使用要求。

关键词：沥青混凝土；桥面铺装；桥型结构；有限元；力学计算桥面铺装是桥梁结构组成的一部分，在桥梁运营过程中主要担负着保护主梁不受破坏、分散桥面所受荷载和排水等任务，桥面铺装的合理设计对于桥梁的正常使用有很大的影响。

而在我国的桥面铺装层设计过程中，对于不同的桥型结构基本采用同一种桥面铺装层，而不是针对不同的桥型结构受力特点合理的选择不同的桥面铺装结构，为此，本文结合广东省某高速公路的建设，针对该项目桥梁结构的特点，在分析国内桥面铺装常用结构的基础上，提出适合于该项目中不同桥型结构的桥面铺装设计方案。

借助ANSYS大型有限元软件，对不同桥型结构桥面铺装的力学特性进行分析。

1 国内桥面铺装结构形式（1）国内常规桥桥面铺装我国对于常规桥桥面铺装方面的研究比较少，对于常规桥桥面铺装层结构、材料的要求仅限于满足公路桥涵设计规范的要求。

《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）中规定：高速公路、一级公路上桥梁的沥青混凝土桥面铺装厚度不宜小于70mm；二级及二级以下公路桥梁的沥青混凝土桥面铺装厚度不宜小于50mm；对于水泥混凝土桥面铺装，层内应配置钢筋网，钢筋直径不应小于8mm，间距不宜大于100mm。

且水泥混凝土桥面铺装应符合《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2003）的有关规定。

（2）国内连续刚构桥桥面铺装从调查的国内部分预应力混凝土连续刚构桥的桥面铺装资料可知，国内对于大跨径预应力混凝土连续刚构桥桥面铺装主要采用沥青混凝土材料，一般采用双层桥面铺装形式，沥青与桥面板之间设置防水粘结层。

例如厦门海沧大桥西航道桥上面层采用30mmSMA-13改性沥青玛蹄脂碎石混合料，下面层35mm AC-20中粒式改性沥青混合料。

在材料使用方面，由于改性沥青SMA由于其具有较好的密水、耐高温、抗滑以及抗老化与油污等性能，经常用于大跨径桥梁桥面铺装的上面层，中、下面层的材料比较多选用改性沥青混凝土SMA和AC改性沥青混凝土，目前双层SMA铺装技术在大跨径桥梁的桥面铺装中应用较为广泛，其效果也较为理想。

（3）国内斜拉桥桥面铺装从国内斜拉桥桥面铺装结构调查可知，国内早期斜拉桥桥面铺装层多数为水泥混凝土桥面铺装，但是由于水泥混凝土自身重量大对于桥梁的承载能力的影响比较大，且维修养护比较麻烦等缺点，桥面铺装形式逐渐被沥青混凝土取代。

早期铺筑的沥青混凝土桥面铺装由于比较薄，材料较粗，摊铺时容易发生离析现象，铺筑后许多桥面出现了排水不畅，层间脱离等现象，影响了整个沥青铺装层的使用性能；后期多数采用了双层铺装结构，其中沥青混凝土铺装层的厚度在4~8cm之间，要小于一般的常规桥的铺装层厚度。

在铺装层材料使用方面，水泥混凝土桥多采用密级配中粒式沥青混凝土和改性沥青玛蹄脂碎石SMA，而钢箱梁斜拉桥主要采用环氧沥青混凝土桥面铺装，从我国最近几座大型斜拉桥桥面使用状况的调查中发现，环氧沥青混凝土在钢桥桥面铺装的使用效果比较好，而SMA 沥青玛马蹄脂混合料在预应力水泥混凝土桥桥面铺装中的使用效果较好。

2 桥面铺装结构层材料选择本文依托项目地处珠三角经济发达地区，夏季气温高、时间长，对于沥青混合料的高温稳定性要求高，同时，雨季比较长、降雨量比较大，对沥青混合料的密水性、均匀性及抗滑性能要求比较高。

（1）上面层国内对于常规桥桥面铺装的要求较少，本次常规桥桥面铺装主要结合项目的特点，在综合降噪效果、抗滑、耐久性及经济等方面的基础上，推荐采用OGFC沥青混合料。

国内连续刚构桥和斜拉桥桥面铺装上面层主要采用SMA（沥青玛蹄脂碎石）混合料，由于SMA具有粗集料多、矿粉多、沥青结合料多、细集料少、掺加纤维增强剂及材料要求高等特点，使得SMA既保持了大孔隙排水路面表面功能好的优点，又克服了其耐久性差的缺点，兼具嵌挤和密实型混合料的长处，即同时具有较高的粘结力和内摩阻力，SAM沥青混合料近几年广泛用于大跨径桥梁桥面铺装中，使用效果比较好。

因此，本文连续刚构桥及斜拉桥磨耗层推荐采用SMA改性沥青玛蹄脂混合料。

（2）下面层从工程投资和施工难易性等因素分析，本文常规桥桥面铺装下面层推荐采用改进型AC-16型改性沥青混合料；基于SMA良好的抗裂能力、耐久性和防水性能，对于连续刚构及斜拉桥桥面铺装下面层推荐采用SMA改性沥青玛蹄脂混合料。

3 桥面铺装结构层合理厚度分析采用合理厚度的桥面铺装是避免铺装层早期病害，保证桥面铺装使用寿命的有效手段。

对桥面铺装厚度的选择，主要应考虑以下几个方面：（1）桥面铺装层间剪应力水泥混凝土桥面弹性模量是沥青混凝土的20倍，在这种情况下沥青混凝土铺装层不会出现弯拉破坏。

从力学的角度出发，桥面出现推移、波浪等病害往往是由于层间抗剪强度不足引起的，因此，层间剪应力应作为铺装层厚度设计的主要控制指标。

对层间剪应力影响的主要因素有沥青铺装层厚度、沥青混凝土的力学参数、桥面板（梁）的厚度与力学参数及桥梁跨径等。

力学分析表明，沥青层厚度对层间剪应力的影响最大。

层间剪应力随沥青铺装层厚度增加而减小，而且开始减小的速度最快，当铺装层厚度较大时，其剪应力随厚度增加而减小的速度减慢。

根据有关的抗剪强度试验和分析计算结果，以层间剪应力为主要控制指标，满足抗剪要求的水泥混凝土桥面沥青铺装层厚度在4~9cm之间。

但值得说明的是，由于桥面铺装层处于自然环境、汽车荷载等复杂因素作用下，铺装层工作环境与理论计算假设的差异可能会引起层间抗剪强度较大变化，因此由理论计算得到的铺装层厚度是偏小的。

（2）防水粘结层要求粘结层结构是影响铺装层体系性能的一个关键因素，粘结层破坏或失效是导致加速桥面铺装层破坏的一个重要原因。

加强粘结层结构性能，减少粘结层的滑动效应，可以提高铺装层体系的整体性能，并改善铺装层的受力状态，因此应从桥面板施工清理、粘结材料性能等方面保证粘结层结构的可靠性。

相关力学计算和试验表明：沥青层厚度在5~12cm之间时，由增大沥青层厚度来降低层间剪应力的效果最好。

其中，当沥青层厚度大于7cm时，基本可满足防水层不被剪切破坏的要求。

如果沥青厚度在10cm以上，防水层一般不会因水平剪力而破坏。

（3）平整度要求我国规范对桥梁顶面标高和平整度都有严格的规定，但实际上，桥梁顶面的平整度状况有时并不令人满意，这跟目前的施工水平和重视程度有关。

梁顶面的不平整性只有依靠桥面铺装沥青混凝土调整。

有关研究表明，在目前我国通常的施工水平下，满足平整度指标要求的沥青层厚度大于9cm。

（4）满足施工工艺要求结合关于沥青混合料最大骨料粒径与厚度对压实效果的影响规律，《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）规定：“沥青面层集料的最大粒径宜从上至下逐渐增大，并应与压实厚度相匹配。

对热拌热铺密级配沥青混合料，沥青层一层的压实厚度不宜小于集料公称最大粒径的2.5~3倍，对SMA和OGFC等嵌挤型混合料不宜小于公称最大粒径的2~2.5倍，以减少离析，便于压实”。

目前，桥面铺装多采用中、细粒式沥青混合料，粒料最大公称粒径按16mm计，则满足工艺要求的最小厚度应控制不小于4cm。

另外，在连续的路段内，桥面铺装层沥青混合料类型和厚度也应与路基路段相协调，以保证在路面施工时的连续性。

（5）满足抗车辙指标要求借鉴车辙指标的研究结果，沥青路面竖向永久变形与车辙有如下关系式中为侧向隆起系数，；为动态修正系数，用于考虑车辆荷载动态特性对沥青混合料变形的影响，。

高速公路设计年限内容许车辙控制在10～15mm，则范围为4.975~7.642mm。

沥青层厚度和存在以下回归关系计算可得沥青层厚度范围为2～7cm。

对处于珠三角这样的湿热地区，由于往往较大，以上计算厚度还应适当加大。

综合考虑以上几个方面的影响，水泥混凝土桥面沥青桥面铺装厚度不宜小于10cm。

4 桥面铺装结构推荐方案（1）常规桥桥面铺装结构设计方案常规桥桥面铺装整体受力分析表明，桥梁桥面板整体变形产生的应变比较小，该值远小于铺装层沥青混凝土的破坏临界应变，铺装层完全可以追随桥面板结构的这些变形。

产生的铺装顶面纵向拉应变较小，不会造成桥面铺装的强度破坏或疲劳破坏，沥青混凝土可满足桥面板整体变形的要求。

因此，混凝土常规桥桥面铺装方案如图1所示：图1 混凝土常规桥桥面铺装推荐方案（2）连续刚构桥及斜拉桥桥面铺装结构设计方案连续刚构桥的力学性能分析表明，在荷载作用下支点处会产生负弯矩，造成桥面铺装上部产生较大的拉应变，对于桥面铺装粘结性能、高温稳定性、水稳性、耐久性有较高的要求。

斜拉桥的整体力学性能的分析表明，预应力混凝土宽箱梁斜拉桥在汽车荷载及温度荷载作用下，桥面铺装产生的应变比较小。

靠近桥墩处在负弯矩的作用下，桥面板上部受拉应变。

在宽箱梁横向弯矩的影响下，桥面板产生一定的横向拉应变，但是对于铺装层正常使用影响比较小。

随着桥梁跨径的增大，桥梁恒载在设计荷载中所占的比例不断的增大。

为减小恒载对桥梁的影响，提高桥梁的承载能力，桥面铺装的厚度不宜设计太大。

因此对于大型桥梁桥面铺装厚度取小值7cm。

具体设计方案如图2所示。

图2 连续刚构桥及斜拉桥桥面铺装推荐方案5 桥面铺装结构有限元仿真分析（1）计算荷载铺装层力学分析时车辆荷载采用均布荷载进行计算，水平荷载与垂直荷载同时考虑。

荷载作用面积按现行《公路工程技术规范》规定的轮胎接地形状由圆形面积等效转换成0.2m×0.3m矩形面积，保持两轮中心间距1.8m不变。

加载时，汽车荷载的局部加载冲击系数采用1.3和考虑30%的超载作用。

由于本文依托项目桥梁的设计荷载为公路Ⅰ级，根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）的要求，车辆计算荷载标准值为100KN，考虑冲击系数和超载后，双轮总重为118.3KN。