【文章內(nèi)容簡介】 計理念，我國的道路學者已開始著手研究長壽命路面結(jié)構(gòu)，總的來說，我們還處于對長壽命路面設計理念的引進和消化階段，研究還存在不少問題。趙曉晴總結(jié)了三種可實現(xiàn)長壽命目標的路面結(jié)構(gòu)形式：連續(xù)配筋水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)、鋼纖維水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)和復合式路面結(jié)構(gòu)。運用國內(nèi)外的長壽命瀝青路面設計理念，結(jié)合己有的水泥混凝土橋面鋪裝設計方法，借鑒其合理的方面，改進其不足，將力學計算和試驗結(jié)合起來，相互驗證，得到能使鋪裝使用壽命大幅度提高的研究方法，將是一件對社會與經(jīng)濟非常有意義的事情[19]。同時，在鋪裝耐久性方面有很多關(guān)鍵的地方值得研究，例如，何種鋪裝材料與結(jié)構(gòu)組合能實現(xiàn)耐久性鋪裝；哪些設計指標能有效控制鋪裝病害的產(chǎn)生；如何讓鋪裝層層間穩(wěn)定性滿足耐久性鋪裝的要求等。 橋面耐久性鋪裝的基本要求我國《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTJ01497)對水泥混凝土橋面上設置瀝青混合料鋪裝層時，提出了瀝青面層應與水泥混凝土橋面板粘結(jié)牢固、防水滲入、抗滑耐磨、低溫抗開裂、高溫抗車轍、抗剝離的性能要求。鋪裝結(jié)構(gòu)應由粘結(jié)層、防水層及瀝青面層組成。而我國《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTJ02189)對水泥混凝土橋面上的瀝青混合料鋪裝層的結(jié)構(gòu)設計與材料要求規(guī)定較少，沒有具體可行的設計要求。通過前面的分析，為了達到耐久性的目的，在水泥混凝土橋面耐久性鋪裝設計中，在鋪裝層滿足各項力學標準的前提下，應該重視防水粘結(jié)層的設計與高溫穩(wěn)定性設計。因此對橋面鋪裝應有較高的材料性能要求和結(jié)構(gòu)要求，以適應其耐久性的要求，主要有以下幾個方面的要求： (l)應具備良好的高低溫穩(wěn)定性：在夏季高溫季節(jié)，瀝青混凝土鋪裝從上到下溫度都非常高(可高達70℃) [20]，為了有效防止車轍、推擠、擁包等永久變形，橋面鋪裝必須具備優(yōu)良的高溫抗蠕變和抗剪切性能。(2)應具備優(yōu)良的抗疲勞性能：橋面鋪裝在周期性荷載作用，及較高的變形作用下疲勞破壞現(xiàn)象較為明顯，因此要求橋面鋪裝材料具有較強的抵抗疲勞破壞的能力。(3)優(yōu)良的防水性能：要想保證橋梁的耐久性，首先必須保證橋面板不被雨水腐蝕。這就要求瀝青混凝土鋪裝層必須具有高度的密水性和抗水損壞能力，瀝青混凝土的空隙率要小(通常橋面鋪裝的空隙率要求小于4%)，以防止水透過瀝青混凝土鋪裝腐蝕橋面板；同時還要有優(yōu)質(zhì)的防水層。(4)良好的層間粘結(jié)性能：橋面鋪裝層與橋面板間的粘結(jié)力喪失是橋面鋪裝損壞的一種主要表現(xiàn)。一旦出現(xiàn)脫層現(xiàn)象，橋面鋪裝層將很快發(fā)生破壞，橋面鋪裝層與橋面板之間脫層可以認為是橋面鋪裝的完全破壞。因此層間粘結(jié)力是橋面鋪裝正常工作的關(guān)鍵。(5)對橋面板變形的追隨性：橋面鋪裝的剛度遠小于橋面板的剛度[21]，要求橋面鋪裝材料在具有較高強度的同時具有較強的形變能力，通過可靠的層間粘結(jié)力與橋面板協(xié)同工作。(6)良好的平整度及抗滑性能：良好的平整度，不僅可滿足行車舒適性要求，也會減小輪載對橋面鋪裝及橋面板的振動沖擊作用；良好的抗滑性能也是行車安全的一項重要要求。(7)合理的鋪裝層厚度：鋪裝層在不過分增加橋梁結(jié)構(gòu)恒載的情況下，要保證有足夠厚度以擴散輪載，并能滿足瀝青混凝土鋪裝層的自身強度要求。 耐久性鋪裝材料優(yōu)選與結(jié)構(gòu)確定保證鋪裝層與水泥混凝土板的良好結(jié)合是減少鋪裝層病害的重要前提，必須重視防水粘結(jié)層的設計。（1）鋪裝上面層混合料鋪裝上面層有如下功能要求：在橋面鋪裝中，較高的路表拉應力會路面內(nèi)部拉應力會使輪跡帶附近出現(xiàn)裂縫，這就要求鋪裝上層瀝青混合料的石料和瀝青之間必須有良好的粘結(jié)性能；同時，力學分析表明上面層（車輛荷載作用位置下方1cm7cm的范圍內(nèi)）是高剪應力區(qū)域，要求鋪裝上層材料的高溫穩(wěn)定性必須得到重視；此外，橋面鋪裝上面層還應滿足抗滑、耐磨、防水等要求。 （2）鋪裝下面層混合料鋪裝下面層有如下功能要求：力學分析表明車輛荷載作用位置下方1cm7cm的范圍內(nèi)都是高剪應力區(qū)域且上下層鋪裝的溫度十分接近，所以鋪裝下層材料的高溫穩(wěn)定性也必須得到重視；同時，下面層還應有對水泥混凝土板的良好追從性；此外，下面層混合料還應具有較高的模量、較好的抵抗變形的能力和良好的密水性。環(huán)氧瀝青混凝土（Epoxy asphalt concrete）由于其熱固性和優(yōu)良的力學性能，尤其適用于橋面鋪裝，因此在歐美等國應用較為廣泛，并且在國內(nèi)得到日益推廣使用。環(huán)氧瀝青優(yōu)良的性能在國內(nèi)多座大橋鋪裝工程中得以體現(xiàn)，其中南京二橋自2001年通車以來歷經(jīng)7年多時間重交通荷載并經(jīng)受了夏季高溫（68℃）、冬季低溫（14℃）的考驗[22]，至今使用性能良好。在水泥混凝土橋面鋪裝工程中，國產(chǎn)環(huán)氧瀝青混合料是理想鋪裝材料，為了使橋面鋪裝達到使用耐久性的目的，下面層混合料采用了國產(chǎn)環(huán)氧瀝青混合料。（3）防水粘結(jié)層材料通過文獻查閱可知防水粘結(jié)層材料可從以下幾個方面來考慮： ①具有很好的不透水性，在橋面各種情況下都應該是不透水，包括交通荷載造成的空隙水瞬間水壓力； ②在橋面可能遇到的溫度情況下，保證具有良好的力學穩(wěn)定性； ③要求防水材料應具有優(yōu)良的耐久性能； ④與其他材料的協(xié)調(diào)性； ⑤施工的可操作性。 國產(chǎn)環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)材料集防水與粘結(jié)功能于一體，它具有高粘結(jié)強度的同時還有良好的適應變形能力。對比于國內(nèi)其它熱塑性與熱溶性防水粘結(jié)材料，作為熱固性的國產(chǎn)環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)材料具有無可比擬的優(yōu)越性質(zhì)，在我國水泥混凝土橋梁工程中已得到廣泛的應用。它能有效滿足橋面鋪裝使用耐久性的目的，因此，本研究中防水粘結(jié)層采用國產(chǎn)環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)材料。（4）水泥混凝土橋面鋪裝結(jié)構(gòu)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)是由各組成部分協(xié)調(diào)工作的統(tǒng)一體，各部分結(jié)構(gòu)性能相統(tǒng)一協(xié)調(diào)是橋面鋪裝整體結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)。因此，合理的鋪裝結(jié)構(gòu)才能使各部分發(fā)揮最大的功能效用。本研究充分利用國產(chǎn)環(huán)氧瀝青粘結(jié)料的優(yōu)良的粘結(jié)性能，以及國產(chǎn)環(huán)氧瀝青混凝土的追從性、耐久性、防水性特點，以此作為水泥混凝土橋面的防水粘結(jié)層和鋪裝下面層；鋪裝的上面層采用SMA瀝青混凝土，以便能夠迅速開放交通，即環(huán)氧瀝青粘結(jié)層＋+，形成新型耐久性水泥混凝土橋面鋪裝。環(huán)氧瀝青粘結(jié)層環(huán)氧瀝青混凝土 （下面層）環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)層水泥混凝土橋面ECA10（上面層）第四章 水泥混凝土橋面耐久性鋪裝結(jié)構(gòu)的力學分析 考慮整橋結(jié)構(gòu)變形的水泥混凝土橋面鋪裝受力分析針對橋梁結(jié)構(gòu)型式以及交通氣候條件對橋面鋪裝的影響，通過力學分析得出各項控制指標，指導原材料選擇以及鋪裝混合料室內(nèi)試驗。有限元方法是目前用于實際工程設計、驗證及分析的有效手段。以往的鋪裝體系有限元分析模型基本分為三種類型：（一）局部鋪裝體系模型，僅考慮與鋪裝緊密連接的上部橋梁結(jié)構(gòu)，模型采用實體單元離散[23]。（二）局部梁段鋪裝體系模型，考慮整橋某一典型梁段，采用板殼單元模擬，鋪裝采用實體單元離散，通過剛性連接實現(xiàn)兩種剛度結(jié)構(gòu)共同承受外荷載作用[24]。（三）整橋到鋪裝體系的邊界條件轉(zhuǎn)換，首先，采用“一維”桿系單元建立三維整橋有限元模型，鋪裝結(jié)構(gòu)質(zhì)量考慮在主梁二期恒載上，在單位移動荷載作用下確定針對鋪裝結(jié)構(gòu)的最不利梁段；其次，采用“二維”板殼建立最不利梁段有限元模型，將整橋結(jié)構(gòu)分析的力學響應作為邊界條件施加在局部梁段模型上，鋪裝結(jié)構(gòu)質(zhì)量作為均布荷載布設在局部梁段鋼板上，計算得出受力集中區(qū)域；最后，在局部梁段模型上截取受力集中區(qū)域，采用“三維”實體單元建立局部鋪裝體系模型，將局部梁段力學響應作為邊界條件施加在鋪裝體系模型上，計算得出鋪裝結(jié)構(gòu)的力學響應[25]。第一種模型和第二種模型均沒有考慮整橋變形的影響，邊界條件采用簡單的固結(jié)。第三種分析方法，根據(jù)邊界等效原則，將整橋變形進行簡化逐層考慮到鋪裝體系模型上[26]。鑒于工程結(jié)構(gòu)特點，采用不同于上述三種建模策略進行花園路跨線橋的鋪裝結(jié)構(gòu)力學響應分析。首先，考慮到主橋縱坡較大的特點，采用實體單元建立連續(xù)梁橋的三維整橋模型；其次，考慮上、下兩層鋪裝結(jié)構(gòu)實際的結(jié)構(gòu)和剛度作用，采用實體單元對其進行離散，通過耦合連接實現(xiàn)與橋梁結(jié)構(gòu)的共同受力；最后，計算鋪裝結(jié)構(gòu)在車載作用下的力學響應。 水泥混凝土梁與鋪裝耦合作用的整橋結(jié)構(gòu)模型為精確計算鋪裝結(jié)構(gòu)在車載作用下的力學響應，在建立有限元模型時，對鋪裝體系模型不進行簡化，建立含鋪裝結(jié)構(gòu)的整橋三維有限元模型，選取實體單元對整體結(jié)構(gòu)進行離散，準確模擬結(jié)構(gòu)的三維變形。整橋兩端根據(jù)設計資料邊界設為固結(jié)，每跨兩端底部橋墩處設為固結(jié)，體現(xiàn)連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)特點。橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)為新型耐久性鋪裝體系，鋪裝上層（）、下層（），鋪裝上層、下層材料模量分別取1800MPa和2000MPa，具體材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。根據(jù)我國現(xiàn)行《公路瀝青路面設計規(guī)范》（JTG D502006），采用公路I級荷載，考慮30％沖擊系數(shù)[27]。為分析計算考慮，取輪胎著地的形式為矩形，計算模型采用雙輪矩形均布荷載。表41 鋪裝體系計算參數(shù)項目厚度（cm）模量（MPa）泊松比鋪裝上層1800鋪裝下層2000橋面板36000 雙輪均布荷載。 雙輪均布荷載作用下的整橋鋪裝結(jié)構(gòu)模型 鋪裝結(jié)構(gòu)受力控制荷位除了整橋每跨的縱坡變化，兩端及跨中部分的截面尺寸有少許區(qū)別，其他每跨均沒有較大區(qū)別，并且橋面鋪裝在車輛荷載作用下的受力具有明顯的區(qū)域性集中性，因此，沒有必要進行移動車輛荷載沿整橋橋面縱向運動的鋪裝結(jié)構(gòu)力學響應分析。采取分析策略如下：（一）在橫斷面的不同位置進行單位集中荷載沿整橋橋面縱向移動的鋪裝結(jié)構(gòu)受力分析，初步確定鋪裝結(jié)構(gòu)出現(xiàn)力學響應峰值的位置[28]；（二）以整橋橋面力學響應影響線結(jié)果為依據(jù)，選取出現(xiàn)力學響應峰值的單跨進行網(wǎng)格劃分加密，然后，用雙輪均布荷載代替單位集中荷載，從單跨的一端移動到另一端，計算鋪裝結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下的力學響應峰值及分布規(guī)律。 鋪裝結(jié)構(gòu)最不利受力區(qū)域的網(wǎng)絡加密 整橋集中荷載作用下的最不利鋪裝段經(jīng)過沿橋面寬度方向不同荷位的單位集中荷載沿橋梁縱向移動的鋪裝結(jié)構(gòu)力學響應影響線計算，分別控制橫向裂縫、縱向裂縫及鋪裝與橋面板之間剪切破壞的力學指標縱向拉應力、橫向拉應力及層間剪應力的峰值均出現(xiàn)在跨中段。因此，將跨中段沿橋梁橫向和縱向加密網(wǎng)格，作為后續(xù)鋪裝體系實際受力分析的基準模型。 集中荷載作用在跨中段 鋪裝結(jié)構(gòu)受力控制荷位用公路I級標準車的單后軸雙輪均布荷載代替集中荷載，進行跨中段加密后的鋪裝結(jié)構(gòu)力學響應分析。 網(wǎng)格加密后的均布荷載作用位置沿橋面橫向的布置、縱向拉應力及鋪裝與橋面板層間剪應力的應力分布云圖。 三種橫向荷位下的鋪裝結(jié)構(gòu)力學響應分布，鋪裝結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下受力集中區(qū)域范圍縱、橫向均為1m左右。由于荷位1的荷載中心作用在縱向加勁結(jié)構(gòu)上方，因此最大橫向拉應力出現(xiàn)在荷載中心位置的鋪裝結(jié)構(gòu)對應區(qū)域，荷位2的荷載作用在縱向加勁結(jié)構(gòu)的一側(cè)，但是橫向拉應力峰值仍然出現(xiàn)在縱向加勁結(jié)構(gòu)附近。荷位3作用位置離縱向加勁位置較遠，因此橫向拉應力峰值并不是出現(xiàn)在荷載作用位置附近。由于主梁結(jié)構(gòu)沒有明顯的橫向加勁結(jié)構(gòu)，因此縱向拉應力峰值分布沒有明顯的規(guī)律。鋪裝與橋面板之間的層間剪應力在三種橫向荷位作用情況下分布規(guī)律類似。經(jīng)過計算得出三種橫向荷位作用下鋪裝結(jié)構(gòu)最大橫向拉應力和最大縱向拉應力出現(xiàn)的位置均為跨中35m段1/4跨處，而鋪裝與橋面板之間的剪應力峰值出現(xiàn)在每跨的一端附近。三種橫向荷位作用下的鋪裝結(jié)構(gòu)力學響應峰值如表42所示，可見，橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的受力控制荷位為荷位2。表42 鋪裝結(jié)構(gòu)力學響應峰值荷位橫向拉應力（MPa）縱向拉應力（MPa）層間剪應力（MPa）123 鋪裝結(jié)構(gòu)力學響應為了體現(xiàn)本項目水泥混凝土梁與鋪裝耦合作用的整橋結(jié)構(gòu)模型分析結(jié)果與局部鋪裝體系模型的區(qū)別，在鋪裝結(jié)構(gòu)力學響應分析時，將整橋鋪裝結(jié)構(gòu)計算結(jié)果與局部鋪裝體系模型進行對比。，截取整橋跨中兩跨進行細部建模，沿縱向兩端模型邊界設為固結(jié)，車輛荷載仍采用如圖3所示的雙輪均布荷載。 局部梁段鋪裝體系模型不同荷位下的整橋鋪裝結(jié)構(gòu)力學響應與局部鋪裝體系模型的對比結(jié)果見表43。可見整橋鋪裝結(jié)構(gòu)力學響應要略大于局部模型的計算結(jié)果。表43 鋪裝結(jié)構(gòu)力學響應峰值對比荷位橫向拉應力（MPa）縱向拉應力（MPa）層間剪應力（MPa）1整橋局部2整橋局部3整橋局部 小結(jié)（1）通過鋪裝結(jié)構(gòu)力學響應分析得到，分別控制橫向裂縫、縱向裂縫及鋪裝與橋面板之間剪切破壞的力學指標縱向拉應力、橫向拉應力及層間剪應力的峰值均出現(xiàn)在跨中段。（2）不同橫向荷位的最大橫向拉應力均出現(xiàn)在對應縱向加勁結(jié)構(gòu)位置的鋪裝結(jié)構(gòu)附近。鋪裝結(jié)構(gòu)最大橫向拉應力和最大縱向拉應力出現(xiàn)的位置均為跨中35m段1/4跨處，而鋪裝與橋面板之間的剪應力峰值出現(xiàn)在每跨的一端附近。橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的受力控制荷位為荷位2。（3）不同荷位下的整橋鋪裝結(jié)構(gòu)力學響應要略大于局部模型的計算結(jié)果?；▓@路跨線橋的主要受力控制指標值如下：。第五章 環(huán)氧瀝青性能研究我國自南京長江二橋鋼橋面鋪裝引進美國環(huán)氧瀝青以來，著力于環(huán)氧瀝青自主開發(fā)研究。目前，東南大學橋面鋪裝課題組已研發(fā)生產(chǎn)供鋼橋面、水泥混凝土橋面、特殊道路使用的不同類型的國產(chǎn)環(huán)氧瀝青材料系列，并逐步得到工程應用。在水泥混凝土橋梁上按使用用途的不同，國產(chǎn)環(huán)氧瀝青分兩種，水泥混凝土橋面用鋪裝層材料和水泥混凝土橋面防水層材料。兩者都由兩組分組成：其中，組分A為環(huán)氧樹脂和組分B為一種由石油瀝青和固化劑組成的勻質(zhì)合成物。環(huán)氧瀝青由這兩組分經(jīng)復雜的化學改性而成。 國產(chǎn)環(huán)氧瀝青的技術(shù)指標與要求國產(chǎn)環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝選用了由江蘇省句容市寧武化工有限公司生產(chǎn)的國產(chǎn)環(huán)氧瀝青。該公司產(chǎn)品已在國內(nèi)多座大跨徑鋼橋及水泥混凝土橋面上成功使用，如蘇通長江大橋、杭州灣大橋、陽邏長江大橋、天津海河富民橋、武漢天興洲大橋、上海長江隧橋、上海閔浦大橋、宣大高速五馬房中橋、津汕高速子牙新河大橋、廊涿高速107國道跨線橋、山西介霍路廈門大橋、南京