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

何扬春

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》（JTGD60-2004）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》（JTGD40-2003）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35mmAC-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》（JTGF40-2004）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》（JTGD60-2004）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。水平荷载通过垂直荷载乘以轮胎与路面间的摩阻系数f得到，摩阻系数f取0.3。

（2）有限元模型

采用ANSYS大型通用软件建立了预应力混凝小箱梁桥、连续刚构桥主梁跨中标准梁段及斜拉桥预应力混凝土箱梁典型结构的空间实体有限元模型，采用SOLID65单元对主梁及桥面铺装结构进行离散，预应力小箱梁桥共建立106002个节点，110849个单元；连续刚构桥及斜拉桥主梁跨中标准梁共建立37689个节点，37168个实体单元，桥梁模型如图3所示，桥面铺装各结构层的材料计算参数如表3所示。

（3）小箱梁桥面铺装结构力学分析

在车辆荷载作用下，预应力混凝土小箱梁桥桥面铺装各结构层的最大压应力与剪应力分布情况如图4~图5所示。在车辆荷载作用下，沥青混凝土上面层最大压应力为1.13MPa，最大剪应力为0.193MPa；沥青混凝土下面层的最大压应力1.05MPa，最大剪应力为0.18MPa，桥面铺装各结构层的最大压应力和最大剪应力均远小于相应层位材料的极限应力，桥面铺装结构满足使用要求。

图5沥青下面层最大压应力与剪应力分布图

（4）连续刚构桥桥面铺装结构力学分析

由图6~图7可知，在车辆计算荷载作用下，连续刚构桥面铺装主要承受压应力，其中，沥青混凝土上面层层底最大压应力为1.13MPa，最大剪应力为0.192MPa；下面层的最大压应力1.05MPa，最大剪应力为0.173MPa，桥面铺装各结构层的最大压应力和最大剪应力均小于材料的极限应力，桥面铺装结构满足使用要求。

图9沥青下面层最大压应力与剪应力分布图

由图8~图9可知，在车辆计算荷载作用下，斜拉桥铺装层以受压为主，沥青混凝土上面层最大压应力为1.15MPa，最大剪应力为0.198MPa；下面层的最大压应力1.10MPa，最大剪应力为0.156MPa，桥面铺装各结构层的最大压应力和最大剪应力均小于材料的极限应力，桥面铺装结构满足使用要求。

6结语

（1）通过对桥面铺装的合理厚度分析可知，水泥混凝土桥面沥青桥面铺装厚度不宜小于10cm。

（2）桥面铺装结构在车辆计算荷载作用下，桥面铺装结构的受力主要以压应力为主，斜拉桥铺装结构中的压应力和剪应力最大，最大压应力和剪应力分别为1.15MPa，0.198MPa。

（3）由于桥面铺装结构主要受压应力，因此在桥面铺装设计时，应以沥青混合料与桥面板之间的最大剪应力为设计控制指标，提高沥青混合料的抗剪强度减少沥青混凝土因剪切引起的推移、拥包等病害。

（4）桥面铺装各结构层的最大压应力和剪应力均远小于相应层位的临界应力，桥面铺装结构能够正常使用而不发生疲劳破坏。

参考文献：

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[4]公路桥涵设计通用规范JTJD60-2004[S].北京：人民交通出版社，2004.

[5]公路沥青路面设计规范JTGD50-2006[S].北京：人民交通出版社，2006.

[6]公路沥青路面施工技术规范JTGF40-2004.北京：人民交通出版社，2004.

的熨平板可以对铺层起到熨平作用，从而使平整无痕。但也注意防止熨平板过热而发生变形。若摊铺宽度大于8m，一般宜用两台摊铺机进行摊铺，尤其对中、下面层是如此。对于上面层，因为大多采用细粒式沥青混合料，不会发生严重离析，可以考虑采用一台摊铺机全幅进行摊铺，以避免纵向接缝。

料车到达现场后，当等待的料车有5辆以上时即可组织摊铺。不宜为求得连续摊铺而过分长时间等待。在摊铺过程中，一般不宜随意改变摊铺速度，更不能随意停顿，要尽量保持匀速摊铺，这样有助于获得摊铺表面良好的平整度，保持表面粗糙度的均匀性，而这一点对于上面层尤其重要。切忌不可采取来一车摊铺一车，快速摊铺完毕就停机休息的作业方式。一般摊铺机的摊铺速度可控制在2～4m／min范围内，具体速度还取决于拌和机的生产能力。如果摊铺速度太快，则往往会在摊铺面上出现短的横向裂纹，同时也影响压实度。注意摊铺过程中有无发生离析现象。中、下面层因采用相对对较粗的沥青混合料而容易发生离析。离析的原因是多方面的，如拌和机给料车卸料时下落的高度太大，大颗粒容易滚到料堆的四周；摊铺机的送料螺旋杆太高，摊铺宽度过宽；摊铺机的受料斗在摊铺一车料将结束时，两侧的侧板收起较晚，大颗粒集中而造成离析。因此需要在摊铺过程中注意观察，并采取必要的措施以减少离析现象的发生。

2.5碾压

沥青混合料摊铺后应及时组织碾压，一般不需要等待。初压时料温应不低于140。C。近两年的研究认为，初压时的料温越高压实效果越好，在160℃时就可以上压路机。碾压时驱动轮应对着摊铺机，前进时静压，后退时沿轮迹行驶并振动压实。复压是碾压的主要工序，复压温度不宜低于110～120℃。可采用双轮振动压路机或16t以上的轮胎压路机先后进行复压。通常碾压遍数不少于8遍。对于改性沥青混合料碾压温度应予相应提高约10℃左右。终压是为了消除缺陷，保证面层有较好的平整度的最后一道工序。终压温度不能太低，应不低于80℃，改性沥青则不低于90～100℃。

振动碾压可获得良好的碾压效果，但应注意选择合适的振动频率和振幅。振动频率宜控制在42～50Hz范围内。振幅与路面的摊铺厚度有关，当路面较薄时，宜选择高振动频率、低振幅：路面较厚时，则宜选择较低的振动频率、较大的振幅，这样可收到较好的压实效果。采用轮胎压路机，要注意检查所有轮胎的气压是否一致。若气压不一致，则可能造成路面不平整。碾压过程中，可采用无核密度仪，用作随时检查压实情况。

2.6质量检验与验收

施工质量检验分为施工单位的自检和监理单位抽样检查验收。检查验收包括拌和场质量检查验收和施工现场检查与验收两部分。

（1）、拌和场质量检查与验收

在沥青混合料拌和场，质量检查的内容主要有：原材料试验资料，包括沥青材料、碎石材料、矿粉以及添加剂等。沥青材料包括针入度、软化点、延度等，改性沥青则另外有黏度、离析等指标。碎石材料的指标有抗压强度、压碎值、磨耗率、级配组成、密度、吸水率、针片状颗粒含量等指标。沥青混合料检验的指标有马歇尔稳定度、流值、空隙率、残留稳定度、动稳定度、抽提试验等。还应包括沥青混合料拌和生产过程中的温度检测、油石比等检测指标。

（2）、施工现场检查与验收

在施工现场的检测与验收包括过程检查与成活验收。过程检查的项目有沥青混合料到场温度、摊铺温度、碾压温度等。成活验收项目有摊铺层厚度、平整度、压实度、路面摩阻系数、渗水系数、构造深度、路面弯沉、路面表观等。

3结语

沥青路面是公路工程建设的重要组成部分，提高施工的质量，加强对沥青路面的施工技术管理和质量控制，需要对施工的全过程进行监理和管理，规范使用施工工艺，检验技术指标的完成情况。施工过程中，充分考虑影响沥青路面质量的主要因素，采取合适的抽样检验方法，科学的检验方案，保证沥青路面质量。

参考文献：

[1]李庆庆.浅谈公路工程沥青路面施工技术与质量控制[J].交通与建筑科学.2013（03）

[2]邢志强.浅析沥青路面施工技术[J].黑龙江科技信息.2013（04）