水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層技術研究現狀與發(fā)展趨勢

水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層技術研究現狀與發(fā)展趨勢

0橋面瀝青鋪裝層。在中國,我國自20世紀80年代以來，中國的道路建設取得了前所未有的成就。海上、河流、橋梁和城市交叉口的快速發(fā)展。自2011年底以來，中國已有68.94萬輛公路橋梁，其中水泥混凝土橋和城市橋仍占主導地位。但是,早期橋梁結構設計時僅將橋面鋪裝作為自重考慮,在結構受力分析時未考慮鋪裝層的影響,特別在近些年交通軸載的加大以及交通流的猛增致使橋梁整體結構及橋面局部結構均發(fā)生了大量的病害,甚至導致了一些災難性的破壞,其中部分因為結構設計或施工問題之外,有重要一部分是因橋面鋪裝層的早期破壞而導致水分等侵入橋梁結構內,加快了橋面混凝土及內部鋼筋的銹蝕破壞,最后使得整體結構承載力大大下降?；炷翗蛎鏋r青鋪裝屬于水泥混凝土橋梁上部結構的附屬工程,從材料上可分為瀝青表面處治、瀝青混凝土和水泥混凝土鋪裝層等,但瀝青表面處治鋪裝層耐久性較差,不宜在高速、一級公路上使用。中國規(guī)范就明確規(guī)定:高速公路和一級公路上特大橋、大橋的橋面鋪裝宜采用瀝青混凝土橋面鋪裝,說明瀝青鋪裝層將成為主流［１］。不過,對于鋼橋面或混凝土橋面的瀝青鋪裝層設計,國內外目前多數沿用了瀝青路面設計理念,均缺乏針對性設計指南或規(guī)范。尤其目前廣泛采用的瀝青鋪裝層多數出現了早期破壞,加劇了橋梁結構的整體破壞,說明對瀝青鋪裝層的材料及結構設計、施工及養(yǎng)護等更加值得思考和深入研究。首先,世界各國對正交異性鋼橋面板的研究起步較早,研究也比較系統(tǒng)、深入,比如Bild等對鋼橋面瀝青鋪裝層都進行過較為深入的探索［２－４］。德國市政工程與水務管理部早在1985年就發(fā)現正交異性鋼橋面板鋪裝層具有表面應變水平較高、耐疲勞性能較差等缺陷,其使用壽命與普通路面相比則較短,這在荷蘭、英國、德國、泰國、中國、日本等國家都有類似的結論。當然,這兩類橋面的應用各有所長,適用于不同的環(huán)境。Mangus通過對挪威、俄羅斯、瑞典等國多座橋梁研究,發(fā)現混凝土橋低溫地區(qū)施工時存在一定的局限性,鋼橋面更加適應于低溫地區(qū)［５］。所以,目前國內外對鋼橋面和混凝土橋面的瀝青鋪裝層的研究實際上仍處于探索階段,不論是材料設計、結構組合、整體設計和運營養(yǎng)護等都未形成一個類似于瀝青路面設計的完整體系。本文將主要從混凝土橋面瀝青鋪裝層應用、鋪裝材料、結構設計、檢測評價等方面的國內外研究現狀進行詳細分析。1混凝土橋面板的使用1.1瀝青鋪裝層主要病害種類近年來國內外對橋面鋪裝層的研究有了長足進步,但從設計理論、規(guī)范要求、試驗檢測等方面仍有深入研究的余地,特別在中國本來設計100年的大橋,結果在通車十幾年就成為了危橋,有的鋪裝層在通車當年就出現了嚴重病害,造成了不良的社會、經濟影響。國外也有同樣的教訓,比如早在1990年蘇格蘭京斯頓大橋就出現了嚴重病害,為了在開放交通的情況下進行維修,費用高達1.3億美元,比新建費用高出5倍多［６］?？傮w上來看,混凝土橋面瀝青鋪裝層的病害除了具有瀝青路面病害特征之外,在剪切破壞方面有其明顯特點,比如李明國對廣東省87座混凝土橋梁的瀝青鋪裝層進行調查,發(fā)現車轍、推移、擁包病害占78.1%［７］;郭渭彬對佛山大橋14925m２瀝青鋪裝層病害進行調查,認為車轍、擁包、推移是瀝青鋪裝層的典型病害［８］。實際上,不同結構的水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層在經受交通、環(huán)境荷載共同作用下,病害的主導類型及其成因均有其獨特性,且與地區(qū)、橋梁結構、交通條件、氣候環(huán)境、施工條件、設計水平等因素有關。本文從病害的表現形式將其分為顯性病害和隱性病害兩大類。(1)顯性病害類。顯性病害指瀝青鋪裝層表面直接表現出來的病害形式,比如裂縫、唧漿、坑槽、車轍、推移、擁包等病害,往往可以通過人工或者其他快速成像系統(tǒng)從表觀識別出來,主要外觀形態(tài)見圖1、2。(2)隱性病害類。隱性病害指發(fā)生在瀝青鋪裝層內部、層間以及瀝青層與橋面板之間,且未能在鋪裝層表面表現出來的病害,比如水損害、層間粘結失效等病害(圖3),往往通過人工或者儀器難以從表觀識別。實際上,目前隱性病害是較難檢測的,是致命的,往往進一步發(fā)展為顯性病害,加劇結構性病害產生。1.2主要癥狀的原因1.2.1梁橋的結構及瀝青鋪裝層的透水性以及耐久性混凝土橋梁結構壽命與瀝青鋪裝層的相互作用是密切相關的,一方面瀝青鋪裝層作為橋面系的主要組成部分,在承受輪載的作用、胎面的磨耗以及雨雪侵蝕的同時,更起到了保護主梁結構、橋面板及其鋼筋的作用,當然也將車輪集中荷載向下傳遞,使其在橋梁結構中更加均勻分布。同時,瀝青鋪裝層的平整度也將影響行駛車輛對橋梁結構的沖擊、振動,其透水性、耐久性對于橋梁使用壽命的延長有著重要的作用。另一方面,橋梁結構也直接影響著瀝青鋪裝層路用性能的發(fā)揮,比如簡支梁橋由于存在橫向、縱向絞縫,從結構上存在應力集中的特殊部位,上部瀝青鋪裝層的破壞將在所難免,特別對于連續(xù)梁橋來說,鋪裝層表面還要受到支座處負彎矩造成的內力影響。橋梁的上部結構及橋梁線形對橋面鋪裝層的耐久性影響較大,其對瀝青鋪裝層病害的影響是永久性的,比如梁橋橫隔梁或連續(xù)梁支座處負彎矩的影響、橋面板橫向傳荷體系的破壞以及橋梁伸縮縫的影響。如果橋面防水和排水體系缺失或不完善,水分將通過瀝青鋪裝層進入混凝土橋面板,使其發(fā)生凍融破壞、鋼筋銹蝕與堿集料反應。1.2.2橋面板防水粘結層施工不良因素不論多么卓越的材料,多么合理的設計,如果沒有高質量、嚴要求的施工,都將難以保障鋪裝層的耐久性,鋪裝層病害將層出不窮。主要表現在:橋面板的不平整度及混凝土強度不足都將使得在鋪裝瀝青鋪裝層之前橋面板就出現裂紋或微裂縫,這在京秦高速公路大石河橋上得到了驗證［９］;橋面鋼筋網設置不合理引起橋面板受力不均;混凝土橋面板表面處治不合理以及下承層表面污染都可能引起或加劇推移、擁包等病害的出現;橋面板養(yǎng)生不足將造成防水粘結層產生鼓包、脫皮等,產生層間粘結實效;防水粘結層施工不良使其難以發(fā)揮作用;瀝青鋪裝層厚度不一、壓實不足都將引起早期水損壞、松散、坑槽等;瀝青鋪裝層下承層施工溫度過高也造成防水層的破壞。1.2.3瀝青混凝土抗壓強度分析首先,瀝青鋪裝層主要材料為瀝青粘結料、集料及其他改性劑,其路用性能與病害有直接關系,而級配、瀝青用量、空隙率、高低溫性能及疲勞性能也至關重要,當然氣溫、水分、交通等外因作用也對病害起到推波助瀾的作用。其次,與“瀝青混凝土+半剛性基層+土基”的路面結構不同的是瀝青鋪裝層結構體系由瀝青鋪裝層、防水粘結層、混凝土橋面板組成了“剛+柔+剛”的三明治結構,柔性防水粘結層的存在將使得本來具備抗壓優(yōu)勢的瀝青混凝土層底承受了較大的彎拉應力,更容易在層間產生“剪切滑動效應”。第三,鋪裝層及防水粘結層厚度也有一定影響,據國內工程實踐及計算分析,當鋪裝層厚度小于8cm時,易產生層間剪切破壞,但當厚度增加至16cm時,鋪裝層表面最大剪應力不再變化,不過從抗疲勞性能考慮,厚度不易太大。1.2.4解決了解決路面彎沉需要解決的問題超載、超限對橋面鋪裝層的破壞尤為嚴重,盡管對此進行了治理,但仍然較為普遍。在2012年垮塌的哈爾濱陽明灘大橋上,4輛重卡中有3輛超載均大于300%,這給了深刻的教訓,因為:超載、超限將大大增加了一次性破壞的可能性,通過瀝青路面及水泥路面規(guī)范［１０－１１］發(fā)現,計算瀝青路面彎沉時超載300%的一次軸載相當于標準軸載作用次數的416倍,層底彎拉應力驗算時相當于標準軸載的65536倍,這一點也得到美國、南非研究的證實,即軸載超限100%時,對路面的損害將是標準軸載的4~60倍,超載使車輛在橋頭、橋梁伸縮縫處的剎車和換檔幾率大大增加,加劇了對橋面鋪裝層的沖擊,更容易產生剪切破壞;交通過度渠化使得行車道上瀝青鋪裝層經受3~5倍于其他車道的交通荷載作用;橋梁結構都暴露在空氣中,對溫度更為敏感,容易出現冬季“冰柜效應”和夏季的“煎烤效應”;混凝土橋面板與瀝青混凝土的差異性脹縮將導致表面干縮裂縫;瀝青鋪裝層的脹縮受到混凝土板約束時將產生較大的溫縮裂縫;當車速較低時,雨水將通過地表徑流的形式“滲入”混合料中;當車速較高時,動水壓力作用將使得水分被高速“擠入”瀝青混合料中;冰凍、海洋、工業(yè)酸霧及酸雨地區(qū)的融冰雪劑、鹽、酸等均對鋪裝層有一定的影響。2對瀝青路面結構的研究2.1橋面鋪裝層防水層的研究發(fā)展歷程混凝土橋面瀝青鋪裝層一般由混凝土橋面板+透層+防水粘結層+保護層+磨耗層以及鋪裝層之間的粘結層組成的多層組合結構,其中防水粘結層的好壞直接決定著鋪裝層橋梁整體結構的壽命。國外一般在混凝土橋面上采用防水層+瀝青層的兩層式結構和防水層+粘層+磨耗層的三層式結構,厚度多為40~100mm,都比較重視防水材料的使用,比如日本主要采用瀝青混凝土+卷材/3層氯丁橡膠/橡膠瀝青防水層+混凝土橋面板結構;德國采用雙層澆筑式瀝青混凝土+改性瀝青卷材或彈性體材料/環(huán)氧樹脂防水體系+混凝土橋面板結構;丹麥采用SMA+改性瀝青混凝土聯接層+開級配瀝青混凝土保護層+環(huán)氧樹脂防水層+混凝土橋面板結構;美國則采用雙層澆筑式瀝青混凝土/鋼纖維混凝土+改性瀝青卷材/環(huán)氧樹脂防水層+混凝土橋面板等典型結構。中國的瀝青鋪裝層結構發(fā)展經歷了漫長的過程,主要分為3個階段。(1)20世紀50~60年代的探索階段。20世紀50年代以前,基本不鋪裝專門的鋪裝層,采用“混凝土橋面板+不超過5cm水泥砂漿磨耗層”結構。20世紀50年代中國柔性鋪裝層俗稱“黑色鋪裝”,主要以渣油瀝青混凝土、柏油貫入式碎石為主。1956年原設計四分局才開發(fā)了瀝青浸漬磚的橋面鋪裝層技術［１２］。另外,當時木橋上已廣泛采用木板、砂石、級配(礫)碎石、水泥混凝土、石板鋪裝層以及貫入式和表面處治的黑色鋪裝層［１３］。在1952年相關規(guī)范才提出了設防水層的要求,但考慮到經濟、恒載過大、施工繁瑣等原因,加之當時在中國1933年建好的未設防水層的某橋梁運營22年未見水損害,以及前蘇聯、美國、歐洲都有不設防水層而直接鋪設瀝青混凝土鋪裝層的成功鋪裝,因此,導致20世紀50~60年代國內外學術界一直對橋面鋪裝層是否應設防水層的問題都處于爭論階段,比如西德、法國當時急于減輕大跨徑混凝土橋和鋼橋面的自重和斷面尺寸,一度打算采用瀝青混凝土鋪裝層兼作防水層。閔子超對公路混凝土橋梁的橋面防水及鋪裝層技術進行研究,在1956年建成的南昌八一大橋中采用了未設防水層的鋪裝體系,運營了6年之后狀況一致良好［１４］;陳偉章以北京某橋為例證明未設防水層的“混凝土橋面板+0.4kg·m－２瀝青粘層+5cm中粒式HMA+5cm粗粒式HMA”結構取代“混凝土橋面板+100＃混凝土墊拱+防水層+4cm200?；炷?5cmHMA”后2~3年內未見病害［１５］;吳銳推薦了在橋面板上不設防水層而改為瑪蹄脂整平層上直接加鋪或澆筑的水泥混凝土鋪裝或瀝青層結構［１６］;楊振清認為中小跨徑混凝土橋因減薄防水層和鋪裝層對減輕自重作用不明顯而推薦采用貼鋪式防水層,對于大跨徑橋因其下部結構較大、上部結構剛度大而適于采用瀝青鋪裝層［１７］。(2)20世紀70~80年代的發(fā)展階段。20世紀70年代橋面鋪裝普遍采用了防水層,陳偉章較早提出了“混凝土橋面板+4~8cm瀝青混凝土或瀝青碎石+0.5cm三油兩布防水層+3cm瀝青石屑面層”的中置式防水層［１８］;20世紀80年代日本對防水層也處于研究階段,但只在連續(xù)剛梁橋的負彎矩區(qū)、重復應力區(qū)鋪設防水層［１９］;沈巍等建議陽離子乳化瀝青膠乳防水層粘結強度為0.20~0.35MPa,抗剪強度大于0.2MPa的要求［２０］。(3)20世紀90年代以后的應用階段。進入20世紀90年代,隨著不同結構、構造、形態(tài)的大跨徑水泥混凝土橋快速發(fā)展,因橋梁結構導致鋪裝層發(fā)生病害,因橋面鋪裝破壞而加快橋梁混凝土結構破壞、鋼筋銹蝕等現象越來越多,這就使得橋面鋪裝層的發(fā)展又進入一個新的階段。進入21世紀后,隨著超載、超限的常態(tài)化,對橋梁結構及鋪裝層的耐久性提出了更大的考驗,這勢必將鋪裝層的研究由單獨功能性的需求向復雜環(huán)境條件下混凝土橋瀝青鋪裝層的綜合研究而邁進。目前,中國對瀝青鋪裝層結構組合及設計進行了深入研究,盡管鋪裝層都有一定的橋梁結構局限性、氣候環(huán)境地域性,但是人們還是通過數值模擬、實驗室試驗以及現場實踐來尋找類似于瀝青路面一樣應用更加廣泛的“典型結構”。比如李洪東通過對佛開高速公路上聯星跨線橋等10多座大橋橋面鋪裝進行了調查,發(fā)現可采用3cm細粒式開級配玄武巖瀝青磨耗層+5cm瀝青混凝土的雙層薄層結構,但最小厚度不小于5cm［２１］;張劍等在鋪裝組合結構60℃動穩(wěn)定度試驗、小梁4點彎曲疲勞試驗的基礎上,分別對Ⅰ、Ⅱ級防水體系提出了12種典型結構組合［２２］。總體來看,世界各國的瀝青鋪裝層結構組合更加復雜,趨于多層次組合;結構層材料更多考慮了耐久性要求;結構層厚度有增加的趨勢,越來越重視防水粘結層體系。2.2瀝青混凝土與透層力學性質的檢測英國Sutanto基于改進Leutner試驗、人工及自動扭轉試驗、LINK水敏感試驗對瀝青層之間的粘結性能進行了評價,并與瑞士、德國的規(guī)范進行了對比,提出了英國關于粘結、剪切最低強度標準［２３］。澳大利亞、英國BSEN13863-2、德國DIN2003及瑞士均采用拉伸粘結試驗來確定拉伸粘結強度,英國BBA針對混凝土橋面卷材類、液體瀝青類防水膜提出了初步試驗和125℃集料穿透試驗等技術規(guī)范［２４］。EMPA的RaabandPartl(1999)開發(fā)了用于評價混凝土上加鋪瀝青層界面粘結的卡車后輪現場剪切試驗法。美國Aubern大學NCAT(NationalCenterforAsphaltTechnology)的West等設計了剪切-法向組合荷載的直剪試驗［２５］。德國Leutner開發(fā)了可在Marshall或CBR上進行的簡易直接剪切試驗———Leutner試驗,并納入德國標準ALPA-StbTeil4(DIN1999)。加拿大Carleton大學、英國Nottingham大學及美國NCHRP(2005)LTRC(LouisianaTransportationResearchCenter)開發(fā)了扭轉剪切試驗儀［２６］。法國Limoges大學開發(fā)了評價瀝青混凝土與透層剪切疲勞特性的雙剪切試驗儀。德國Wellner和Ascher、英國Nottingham大學及Crispino等開發(fā)了確定瀝青層界面動態(tài)剪切反應模量的動態(tài)剪切試驗。Collop等通過自動扭轉剪切試驗(AutomaticTorqueTest,ATT)獲得的剪切反應模量和扭轉角來估計界面的剪切反應模量和扭轉角。西班牙BarcelonCatalonia技術大學開發(fā)了LCB剪切試驗儀［２７］。Liu等通過建立剛/膜、多孔瀝青混凝土/膜、澆筑式瀝青混凝土/膜三種試模的薄膜粘結試驗(MembraneAdhesionTest-MAT),得到正交異性鋼橋面板粘結層應變能釋放率G模型［２８］。Doyle等利用凸軸加載鼓包試驗檢測了環(huán)氧樹脂粘結玻璃的應變能釋放率［２９］。當然,隨著橋面鋪裝技術的進步,中國在防水粘結層性能檢測及評價方法、儀器方面一直在探索,但總體上看國產儀器和檢測方法相對單一,主要有同濟大學、西安交通大學、長安大學、高遠公司開發(fā)的拉拔儀和直接剪切儀、斜剪儀、扭轉剪切儀,目的在于檢測粘結強度和抗剪強度。但拉拔試驗與鋪裝層實際受力狀態(tài)不符,鋪裝層在荷載作用下并非處于法向受拉的應力狀態(tài),而直剪試驗、斜剪試驗在試件破壞的過程剪切面受加載桿件的彎矩影響,并非因純剪切而破壞。東南大學趙永利等開發(fā)了檢測界面內摩擦角和粘聚力的界面綜合分析儀?！冻擎?zhèn)道路路面設計規(guī)范》(CJJ169—2012)采用孫立軍提出的“瀝青混合料單軸貫入抗剪強度試驗方法”檢測容許抗剪強度,不過該方法中的抗剪參數需要通過有限元數值計算來確定?？傮w上看,鋪裝層材料、結構組合及鋪裝技術方面國內外都比較成熟,目前研究的重點大多集中于瀝青層間及防水粘結層的應用、評價,中國在這方面相對比較落后。2.3防水系統(tǒng)與防水層系統(tǒng)的研究發(fā)展歷程目前,國外在防水層材料方面有比較完善的規(guī)范,美國、英國、荷蘭、德國等發(fā)達國家20世紀50年代已經基本完成了公路和橋梁的快速規(guī)模建設,直到20世紀60年代末才發(fā)現橋面出現的各種病害主要與水有關,從而開始橋面防水設計、材料開發(fā)、檢測評價標準的研究。英國于1965年在DTTMBE27提出鋪設防水體系的強制性規(guī)定;美國公路合作研究組織20世紀60年代提出在橋面鋪裝中采用由柔性防水材料鋪設的不透水防水層;德國20世紀70年代引入法國防水系統(tǒng),1999年提出包含40余項試驗檢測方法的TP-BEL-B規(guī)范;國際經濟發(fā)展與合作組織20世紀70年代提出了混凝土橋面板防水層的研究報告,推薦了防水材料的具體檢測和評價方法、標準;日本公路公司1994年簽署了涉及卷材防水與涂膜防水的系列指南JH,1998年已推廣到所有類型混凝土橋面;英國交通研究實驗室1965年開始防水層的抗?jié)B、粘結、耐高溫性能的對比研究,20世紀80年代對47種防水系統(tǒng)測試后發(fā)現防水層粘結性不足,鋪裝層高溫攤鋪破壞及粗集料刺破是主要破壞原因,于1994年指定了包含14項試驗的BD47/94規(guī)范［３０］。中國的相關規(guī)范比較多,但規(guī)定均不太一致,比如《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTJ014—97)中對鋪裝層結構組合、粘結層、防水層做了規(guī)定,但未推薦典型結構組合,要求高速、一級公路瀝青鋪裝層厚度為60~100mm。2.4國內的瀝青混凝土鋪裝技術現行《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTGD50—2006)明確提出“表面層+防水體系(下面層+下封層+防水層)”的典型結構組合?！豆窐蚝O計通用規(guī)范》(JTGD60—2004)中規(guī)定:高速公路和一級公路上特大橋、大橋的橋面鋪裝宜采用瀝青混凝土橋面鋪裝,且厚度不宜小于70mm,對二級及二級以下公路,厚度不宜小于50mm,其設計尚應符合《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTGD50—2006)的要求?！豆窐蚝┕ぜ夹g規(guī)范》(JTG/TF50—2011)只要求在混凝土橋面板鋪筑瀝青混凝土前應灑布0.3~0.5L·m－２的粘層瀝青?！冻鞘袠蛄涸O計規(guī)范》(CJJ11—2011)規(guī)定可采用瀝青混凝土或水泥混凝土材料。快速路、主干路橋梁和次干路上特大橋、大橋橋面鋪裝宜采用與橋頭引道瀝青面層一致的瀝青混凝土,厚度不宜小于80mm,一般采用上層細粒式HMA+下層中粒式HMA雙層式結構;次干路、支路時,橋梁瀝青混凝土鋪裝層和水泥混凝土整平層厚度均不宜小于60mm?！冻鞘袠蛄簶蛎娣浪こ碳夹g規(guī)程》(CJJ139—2010)規(guī)定:對防水等級為Ⅰ級的橋梁,卷材防水層以上瀝青混凝土面層的厚度不應小于80mm?！豆饭こ藤|量檢驗評定標準第一冊土建工程》(JTGF80-1—2004)及《公路工程竣(交)工驗收辦法實施細則》(2010—65號)對混凝土橋面瀝青鋪裝層的評定盡管借鑒了瀝青路面的標準,但棄掉了一個很重要的“滲水系數”指標。總體上,從目前國內主要采用的鋪裝層結構(圖4)來看,基本趨勢為:組合由單層式向雙層式發(fā)展,且以4~5cmSMA+4~6cmSMA及樹脂反應類更為普遍;防水粘結層更受關注,由卷材、涂膜類逐漸向AR或SBS改性瀝青碎石封層類發(fā)展;混凝土橋面板或整平層表面處理技術發(fā)展較快,由傳統(tǒng)的刻槽、打毛逐漸向拋丸等發(fā)展,現在出現了更為高效的高壓水沖毛技術。3鋪裝層設計方法從目前的橋面鋪裝層設計來看,僅限于線彈性理論、經驗性的設計,而沒有專門的鋪裝層設計方法,這將很難適應近幾十年來重交通、超載車輛以及寬基單胎迅速增長的現狀。所以,研究者開始致力于橋面板的結構設計來解決和克服鋪裝層出現的若干問題,隨之經歷了半經驗法、理論分析法、結構分析法以及有限元數值分析法的發(fā)展。3.1鋪設設計參數起初,人們對橋面鋪裝層的設計來自于一些經驗,比如1996年荷蘭的NPC(NetherlandsProteomicsCentre)采用SCB(Semi-CircularBending)試驗確定了橋面鋪裝層的設計參數。3.2車橋面鋪裝平面內理論早在1967年Metcalf就將鋪裝層+鋼橋面板橋面系簡化為倒置復合梁理論模型,提出鋪裝層拉應變計算公式。Cullimore等采用艾瑞應力函數對鋼箱梁腹板以外懸臂部分的縱向應力進行理論求解［３１］。Seible等基于足尺試驗,對混凝土橋面水泥混凝土鋪裝層的破壞形式和機理進行了探究,建立了粘結層非線性滑動-彎曲模型［３２］。自從20世紀80年代開始,中國對鋼橋面的鋪裝層設計進行了研究,普遍在正交各向異性橋面板上加鋪瀝青層后采用正交異性板理論進行分析、計算。國內對水泥混凝土鋪裝層的研究比較少,人們大多將其視為與橋面板、調平層為一體的整體受力層,很少單獨對其進行設計。王虎等基于彈性梁和疊層理論推導了混凝土主梁上緣計算應力和單層、雙層鋪裝層內及表面彎曲正應力的理論計算公式,并對T型鋼構懸臂箱梁橋和預應力混凝土連續(xù)梁橋的水泥混凝土鋪裝層進行了數值分析,推薦了最小鋪裝層厚度［３３］。羅立峰等將混凝土橋面板及瀝青鋪裝層簡化為“正交異性小撓度薄板的主板+各向同性大撓度薄板的瀝青鋪裝層”雙層式結構,并提出了以中面力表征豎向位移來代替水平位移、水平拉應力、鋪裝層表面拉應變及拉應力、層間最大剪應力作為控制指標的設計方法［３４］。羅立峰等依照薄板彎曲及梁彎曲理論得到其撓曲微分方程和撓曲線方程［３５］。張占軍等基于主梁承擔上部結構所有恒載、主梁及鋪裝層承擔車輛活載、層間連續(xù)的彈性狀態(tài)假定,提出了鋪裝層表面、主梁上緣、防水層表面的彎曲應力理論公式［３６］。趙鋒軍等針對簡支梁橋面鋪裝的橫向彎拉受力特征,將橋梁結構、橋面板及瀝青鋪裝層組合沿橫向簡化為“疊層梁”力學模型,提出了橋面板/鋪裝層層間壓應力、層間剪應力的理論計算公式［３７］。方志禾等將水泥混凝土鋪裝層簡化為支撐于“混凝土主梁+水泥整平層+防水粘結層”之上的彈性薄板［３８］。3.3面板結構的影響結構分析法主要針對當時橋面鋪裝層的研究僅限于鋪裝層材料、設計、性能方面,而忽略了橋面板結構對鋪裝層耐久性的影響,以DeBacker、Tabchi、Bild等為代表進行了通過控制橋面板結構特性來減少、避免鋪裝層裂縫等病害的研究。德國Bild首先對規(guī)則正交異性鋼橋面板的彎曲、扭轉、變形給出了解析解,對不規(guī)則板的響應則給出了近似解。3.4橋面板及鋪裝層厚度設計季節(jié)等基于4個基本假定條件:橋面鋪裝層有一定厚度且水平方向無限大,連續(xù)跨徑的水泥混凝土橋面板為水平方向無限大,鋪裝層與主梁之間連續(xù)接觸,主梁結構層模量是鋪裝層模量12~32倍將導致主梁抗變形能力可視為彈性半空間體,將橋面系簡化為雙層彈性層狀體系,提出了以橋梁活載撓度修正值作為設計彎沉來確定鋪裝層厚度［３９］。3.5多層分量多層體系設計方法Castro從結構工程觀點出發(fā),提出依次確定橋梁荷載位置、將橋面板及橋梁當量為雙層系統(tǒng)、采用多層體系法計算鋪裝層與橋面板雙層當量系統(tǒng)的應力和應變以及通過疲勞破壞準則評估鋪裝層壽命的逐層當量多層體系設計方法,其適用于肋板梁、板梁、箱梁混凝土橋面板瀝青鋪裝層結構設計［４０］。3.6數值模擬的應用隨著計算機發(fā)展以及有限元理論在橋梁、道路領域的應用,特別對一些難以求得解析解的復雜工程問題,采用有限元方法得到滿足工程精度需求的數值解已經足夠了,所以數值分析法應運而生。Huurman等基于CAPA-3D有限元軟件對正交異性鋼橋面板瀝青鋪裝層結構進行了數值模擬［４１］;Walter以荷蘭大貝爾橋為例,建立了二維簡支梁整體模型以及橫隔梁二維簡支局部模型,計算整體模型和局部模型最敏感橫隔梁位置的剪力和彎矩,又采用DIANA軟件對三維有限元模型進行模擬［４２］;Medani等基于2跨連續(xù)梁模型數值分析,發(fā)現鋼板中應變呈線性分布,而瀝青層呈非線性分布［４３］。4需要考慮的問題、技術熱點和發(fā)展趨勢4.1瀝青鋪裝層防水粘結性能的控制因素(1)人為地對瀝青鋪裝層賦予了超乎其本身功能、物理、力學極限的要求。瀝青鋪裝層及其層間粘結層基本功能到底是什么?在結構及材料設計中,首先要考慮其功能需求,橋面鋪裝層與瀝青路面在功能方面有著較大的區(qū)別?；炷翗蛎驿佈b層鋪筑在梁體支撐的橋面板上,盡管瀝青鋪裝層由于追隨橋面板而產生較大的正彎矩(連續(xù)梁支座處存在負彎矩),但大部分承載力應該由混凝土橋面板來承擔,因此,瀝青鋪裝層的結構承載力需求就遠沒有功能需求重要了。所以,是否有必要設計大厚度、高模量的瀝青鋪裝層值得考慮。(2)粘結層的粘結性能與應力吸收性能中哪一個應為主導性能?混凝土橋梁受力結構應該是水泥混凝土構件和橋面板,瀝青鋪裝層在靜態(tài)、動態(tài)荷載作用下的局部變形較小。目前,不論是防水粘結材料設計,還是試驗檢測方法制定,都將抗剪、粘結強度作為重要控制指標,試圖采用環(huán)氧樹脂等高強度粘結層來“抵抗”橋梁在溫度、車輛荷載作用下的溫度應力、彎拉應力、剪應力,這很值得思考。(3)瀝青鋪裝層靜態(tài)碾壓造成的先天性壓實不足。傳統(tǒng)上混凝土橋面瀝青鋪裝層的碾壓與瀝青路面碾壓不同,盡管JTGF40—2004中規(guī)定“橋面鋪裝的復壓宜采用輪胎壓路機、鋼筒式壓路機進行,經試驗或經驗證明不致損壞橋梁結構時,也可采用振動壓路機碾壓”,但實際施工中仍然