劉 云，于 新，戴憂華，吳建濤

（1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京210098；2.同濟(jì)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海201804）

由于瀝青混凝土鋪裝能大幅度緩和行車對混凝土橋面板的沖擊，較易達(dá)到行車平穩(wěn)舒適的要求，因此，瀝青混凝土鋪裝經(jīng)常用在混凝土橋面.防水粘結(jié)層作為中間夾層設(shè)置在橋面板與鋪裝層之間用來防止水滲透和加強(qiáng)界面粘結(jié)強(qiáng)度.當(dāng)鋪裝層底部防水粘結(jié)層的剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力超過界面剪切強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生脫層破壞，影響橋面的使用耐久性.

國外對水泥混凝土橋面防水粘結(jié)層的研究多集中在材料選取和試驗(yàn)研究方面，相關(guān)的理論研究較少［1－3］.國內(nèi)目前仍沒有統(tǒng)一的橋面防水粘結(jié)層設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和施工規(guī)范.另外，防水粘結(jié)層的層間粘結(jié)性能很容易受現(xiàn)場條件的未知因素影響，包括施工條件、材料特性、車輛荷載和橋梁結(jié)構(gòu).因此，在設(shè)計(jì)性能更佳的材料和結(jié)構(gòu)時(shí)，需要進(jìn)行關(guān)鍵因素的影響分析.

本文基于滬杭高速公路拓寬改建工程入城段箱梁段高架橋，通過有限元方法和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的手段探討了防水粘結(jié)層的關(guān)鍵路用性能及影響因素.

1 混凝土箱梁橋鋪裝體系仿真模型

1.1 結(jié)構(gòu)模型

以滬杭高速公路拓寬改建工程入城段的高架箱梁段橋?yàn)楣こ瘫尘埃喜拷Y(jié)構(gòu)采用簡支預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制小箱梁，標(biāo)準(zhǔn)跨徑基本為30m，橫斷面由9片箱體組成，預(yù)制段梁寬度中梁為2.400 m，邊梁2.450m，相 鄰 梁 中 心 距 為3.025 m，腹 板 厚 度0.180～0.250m.1.6m 梁高梁縱向在跨中和兩端各設(shè)1道橫隔板，共3 道橫隔板，采用雙層SMA13瀝青混合料進(jìn)行橋面鋪裝.

橫向選取2個(gè)小箱梁，縱向選取兩跨簡支梁，建立一個(gè)足尺的三維有限元模型來分析混凝土箱梁橋的受力狀態(tài)，如圖1所示.采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元（3－D solid）模擬SMA（stone matrix asphalt）瀝青混合料鋪裝層、C40鋼筋混凝土鋪裝層及小箱梁.采用四節(jié)點(diǎn)薄膜單元（shell）模擬防水粘結(jié)層.通過靈敏度分析確定有限元網(wǎng)格劃分密度，直到應(yīng)力值穩(wěn)定（重新劃分網(wǎng)格后計(jì)算結(jié)果誤差在5%以內(nèi)）.輪載作用區(qū)域及其他受力關(guān)鍵區(qū)域劃分較密，其他位置劃分較粗.

對各結(jié)構(gòu)層作如下假定［4］：①各結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)、各向同性的體系；②各層層間豎向、水平位移均連續(xù)；③箱梁底部支座進(jìn)行約束；④不計(jì)結(jié)構(gòu)的自重影響.

圖1 混凝土箱梁橋鋪裝體系有限元模型Fig.1 FE model of pavement system on concrete girder bridge

1.2 計(jì)算參數(shù)

混凝土是一個(gè)脆性材料，在低應(yīng)力水平時(shí)不會(huì)達(dá)到強(qiáng)度極限，保持彈性變形.C40鋼筋混凝土鋪裝層、小箱梁均假定為線彈性材料.參考橋面鋪裝及瀝青混合料路面的已有研究成果［4－5］在不考慮瀝青混合料隨溫度場變化的力學(xué)特性且僅考慮鋪裝在某一溫度條件下的力學(xué)響應(yīng)時(shí)，將SMA13瀝青混合料鋪裝層和防水粘結(jié)層在有限元模型中假定為線彈性材料，具體材料參數(shù)見表1，常溫條件（20℃）鋪裝層模量為1 200MPa，高溫條件（60℃）鋪裝層模量為500 MPa.

表1 鋪 裝 體 系 計(jì) 算 參 數(shù)［6－7］Tab.1 Calculating parameters of pavement system［6－7］

1.3 車輛荷載及作用荷位

根據(jù)我國現(xiàn)行《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2006），采用公路I級荷載，考慮30%沖擊系數(shù)，輪載接地壓力為0.91 MPa.為分析計(jì)算考慮，取輪胎著地的形式為矩形，計(jì)算模型采用雙輪矩形均布荷載，如圖2所示.輪胎與鋪裝摩擦系數(shù)在車輛加速或剎車時(shí)取0.5［8］.為了考慮輪胎摩擦力，假設(shè)車輛突然剎車，這樣就產(chǎn)生一個(gè)附加的正切力施加在瀝青混合料鋪裝層表面.

圖2 雙輪均布荷載（單位：mm）Fig.2 Uniform loading area（unit：mm）

根據(jù)輪載沿橫橋向分布設(shè)置4 種荷位，荷位1為車載中心位于相鄰兩小箱梁中間濕接縫的正上方，荷位2為車載中心位于濕接縫一端的正上方，荷位3為車載中心位于一箱室一端正上方，荷位4為車載中心位于一箱室正上方，如圖3所示.對于每個(gè)橫向荷位工況，沿橋縱向在跨中（荷位a）、1／4跨（荷位b）及墩頂（荷位c）布置3種荷載位置（圖4）.

圖3 橫橋向荷位布置Fig.3 Transversal loading position

圖4 縱橋向荷位布置Fig.4 Longitudinal loading position

2 防水粘結(jié)層力學(xué)響應(yīng)

根據(jù)上述荷位布置，分別計(jì)算常溫和高溫條件下鋪裝體系防水粘結(jié)層的最大拉應(yīng)力及最大剪應(yīng)力，得到常溫條件下的不同荷位計(jì)算結(jié)果如圖5.由于高溫條件下防水粘結(jié)層力學(xué)響應(yīng)分布規(guī)律與常溫條件下相似，只是峰值有所區(qū)別，所以在控制荷位以及后續(xù)的超載和動(dòng)載對防水粘結(jié)層力學(xué)響應(yīng)影響分析時(shí)，限于篇幅就不再列出高溫條件下的計(jì)算結(jié)果，只是在有限元分析的最后列出常溫和高溫條件下防水粘結(jié)層力學(xué)響應(yīng)峰值，作為室內(nèi)試驗(yàn)的理論參考依據(jù).由圖5可見，不同橫向荷位作用條件下的防水粘結(jié)層各項(xiàng)力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)變化規(guī)律也不盡相同，防水粘結(jié)層拉應(yīng)力峰值的計(jì)算控制荷位為橫向荷位3的墩頂位置處的1／4跨處（3b，其中數(shù)字為橫向荷位代號，字母為縱向荷位代號，下同），剪應(yīng)力峰值的計(jì)算控制荷位為橫向荷位1條件下的跨中處（1a）.

各控制荷位的力學(xué)響應(yīng)峰值分布如圖6所示.從圖6a可見，在荷載作用面積區(qū)域內(nèi)，防水粘結(jié)層主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，荷載作用之間出現(xiàn)拉應(yīng)力峰值；從圖6b可見，剪應(yīng)力分布在荷載作用面積區(qū)域邊緣，沿荷載作用中心呈橫向反對稱分布.

3 荷載影響因素分析

3.1 剎車及超載因素的影響

高架線路地處繁重交通位置，重載、超載現(xiàn)象較為普遍，分別考慮常載、常載剎車、超載以及超載剎車條件下的防水粘結(jié)層力學(xué)響應(yīng).選取公路I級荷載，考慮超載比例為50%，考慮剎車時(shí)的水平荷載系數(shù)為0.5［9］.計(jì)算結(jié)果如圖7.可見，超載條件下的防水粘結(jié)層拉應(yīng)力峰值是常載條件下的1.5倍左右，而目前重要交通線路的超載現(xiàn)象也相當(dāng)普遍，因此，在防水粘結(jié)層設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮超載的影響.剎車對防水粘結(jié)層剪應(yīng)力的影響不大，但對拉應(yīng)力峰值影響較大，在常載和超載條件下，考慮剎車因素的拉應(yīng)力峰值與不考慮剎車相比增幅為68%.綜合考慮剎車和超載因素的拉應(yīng)力峰值是常載條件下的2.5倍，剪應(yīng)力峰值是常載條件下的1.5倍.可見，在橋面設(shè)計(jì)和施工中剎車和超載都應(yīng)該是重要考慮因素.

圖7 剎車和超載對防水粘結(jié)層力學(xué)響應(yīng)的影響Fig.7 Influence of braking and overloading on the stress of waterproof adhesive layer

3.2 動(dòng)載的影響

在瀝青混凝土橋面設(shè)計(jì)中車輛荷載的動(dòng)力作用通?？紤]在荷載沖擊系數(shù)中，而在車橋?qū)嶋H相互作用的過程中，橋面不平度的存在會(huì)造成車輛與橋面之間的耦合振動(dòng)，產(chǎn)生隨機(jī)動(dòng)荷載作用于鋪裝層表面.因此，動(dòng)荷載對防水粘結(jié)層的影響應(yīng)該考慮橋面不平度.

3.2.1 橋面不平度

采用模擬路面不平度的功率譜密度函數(shù)（PSD）來表征水泥混凝土橋面的不平度.通過三角級數(shù)法模擬時(shí)域范圍內(nèi)的橋面不平度［4］，得到橋面平整度較差情況下的相對高程變化如圖8所示.將平整度高程作為外部激勵(lì)輸入車橋振動(dòng)方程便可得到車輛作用于橋面的隨機(jī)動(dòng)荷載，作為防水粘結(jié)層力學(xué)響應(yīng)的外載輸入.

圖8 橋面不平度沿縱向高程Fig.8 Bridge deck roughness

3.2.2 移動(dòng)荷載

計(jì)算模型選取靜力分析時(shí)的有限元模型，移動(dòng)荷載分析時(shí)不考慮剎車水平制動(dòng)力的作用，但考慮超載作用.通過時(shí)間函數(shù)和時(shí)間步控制荷載的大小、作用位置以及荷載發(fā)生作用的時(shí)刻，以模擬車輛荷載在鋪裝層表面沿橋縱向勻速移動(dòng)時(shí)的情況，根據(jù)設(shè)計(jì)資料，設(shè)計(jì)車速為100km·h－1，荷載移動(dòng)的最小長度為0.2m，荷載步總數(shù)為68步，移動(dòng)荷載從跨中移動(dòng)到一跨墩頂處，即從圖4中的荷位a移動(dòng)到荷位c.

3.2.3 動(dòng)響應(yīng)

圖9a為移動(dòng)荷載作用下的防水粘結(jié)層不考慮平整度和考慮平整度的動(dòng)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果.由圖9a可見，當(dāng)車載從跨中向墩頂移動(dòng)時(shí)，拉應(yīng)力峰值開始幾乎沒有明顯的變化，當(dāng)車載接近墩頂上方時(shí)，拉應(yīng)力峰值有明顯的增加，且最大峰值出現(xiàn)在荷載作用區(qū)域內(nèi).由圖9b可見，隨著行車荷載從一跨跨中向一跨墩頂移動(dòng)，剪應(yīng)力峰值在行車荷載處于跨中時(shí)達(dá)到最大值，在向墩頂移動(dòng)過程中，剪應(yīng)力沒有明顯變化，而靠近墩頂鋪裝層表面時(shí)，峰值又明顯增加.

不考慮橋面不平度和考慮橋面不平度的力學(xué)響應(yīng)峰值變化規(guī)律基本一致.考慮動(dòng)載影響的拉應(yīng)力峰值為0.09 MPa，是考慮剎車荷載作用靜載計(jì)算結(jié)果的1.4倍；而剪應(yīng)力峰值增幅達(dá)20%.可見，考慮不平度的防水粘結(jié)層力學(xué)響應(yīng)比靜載作用下的計(jì)算結(jié)果有明顯的增幅，在防水粘結(jié)層的設(shè)計(jì)與施工中對動(dòng)載的影響也是應(yīng)該加以考慮的.

常溫和高溫條件下考慮剎車超載和動(dòng)載因素的防水粘結(jié)層有限元分析結(jié)果（表2）可見高溫條件下防水粘結(jié)層拉應(yīng)力峰值和剪應(yīng)力峰值均大于常溫條件下的計(jì)算結(jié)果，但在本文的依托工程中誤差較小.

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對橋面防水粘結(jié)層力學(xué)響應(yīng)分析結(jié)果以及主要路用性能要求，對橡膠瀝青、SBS（styrene butadiene styrene）改性瀝青、SBS改性乳化瀝青、涂膜類防水粘結(jié)層材料等幾種水泥混凝土橋面防水粘結(jié)層材料進(jìn)行了常溫和高溫條件下的層間粘結(jié)性能試驗(yàn)，包括層間拉拔和剪切試驗(yàn).

表2 不同溫度條件下的防水粘結(jié)層力學(xué)響應(yīng)峰值Tab.2 Peak value of mechanical response of waterproof adhesive layer under different temperatures

4.1 試驗(yàn)方案

4.1.1 剪切試驗(yàn)

進(jìn)行室內(nèi)剪切試驗(yàn)的目的是為了確定防水粘結(jié)層抵抗剪切的能力，評價(jià)瀝青混凝土與防水粘結(jié)層、水泥混凝土面板與防水粘結(jié)層之間的粘結(jié)力.根據(jù)水泥混凝土橋面鋪裝的實(shí)際使用條件進(jìn)行粘結(jié)層剪切強(qiáng)度試驗(yàn).預(yù)制厚8cm 的水泥混凝土試件，按表面處理、涂刷防水粘結(jié)層、碾壓瀝青混凝土鋪裝的順序成型試件，試件受力面與加載方向取45°夾角，試驗(yàn)加載速度為10 mm·min－1，實(shí)驗(yàn)示意圖如圖10a.

4.1.2 拉拔試驗(yàn)

粘結(jié)性試驗(yàn)評價(jià)防水粘結(jié)層與橋面板的粘結(jié)能力，與剪切試驗(yàn)同，利用車轍板預(yù)制厚8cm、直徑為10cm的水泥混凝土試件，然后按表面處理、涂刷防水粘結(jié)層、碾壓瀝青混凝土鋪裝的順序成型試件.該試驗(yàn)采用瀝青混合料與水泥混凝土的復(fù)合試件，與實(shí)際橋面情況更為相符，實(shí)驗(yàn)示意圖如圖10b.

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

常溫及高溫條件下的復(fù)合結(jié)構(gòu)防水粘結(jié)層剪切強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果（幾次試驗(yàn)結(jié)果的平均值）如表3所示.前3種防水粘結(jié)層材料的剪切強(qiáng)度均達(dá)到理論分析結(jié)果的指標(biāo)要求，在考慮剎車超載和動(dòng)載等因素下常溫條件的橡膠瀝青試驗(yàn)值相對力學(xué)分析峰值結(jié)果的安全系數(shù)達(dá)到2.39，而高溫條件的橡膠瀝青試驗(yàn)值安全系數(shù)僅為1.36，可見，高溫條件下防水粘結(jié)層材料容易出現(xiàn)剪切破壞.各種防水粘結(jié)層材料的拉拔強(qiáng)度均滿足理論分析結(jié)果的指標(biāo)要求，在考慮剎車超載和動(dòng)載等因素下，常溫條件的橡膠瀝青試驗(yàn)值相對力學(xué)分析結(jié)果的安全系數(shù)達(dá)到11.9，而高溫條件的橡膠瀝青試驗(yàn)值安全系數(shù)僅為8.5，可見，無論是高溫還是低溫條件層間拉拔強(qiáng)度基本能滿足力學(xué)性能要求.從剪切及拉拔試驗(yàn)結(jié)果可見，SBS改性瀝青和橡膠瀝青是防水粘結(jié)層材料的首選，具體應(yīng)用效果還需通過試驗(yàn)段的實(shí)施來評價(jià).

表3 不同防水層材料剪切強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度Tab.3 Shear strength and drawing strength of different materials MPa

5 結(jié)語

（1）防水粘結(jié)層拉應(yīng)力峰值的計(jì)算控制荷位為橫向荷位1的墩頂位置處的1／4跨處，剪應(yīng)力的計(jì)算控制荷位為橫向荷位1條件下的跨中處.因此，當(dāng)荷載作用位置位于濕接縫上方對應(yīng)的鋪裝表面位置時(shí)，防水粘結(jié)層較易出現(xiàn)拉拔和剪切破壞.

（2）剎車對防水粘結(jié)層剪應(yīng)力的影響不大，但對拉應(yīng)力峰值影響較大，在常載和超載條件下，常溫條件考慮剎車因素的拉應(yīng)力峰值與不考慮剎車相比增幅為68%.綜合考慮剎車和超載因素的拉應(yīng)力峰值是常載條件下的2.5倍，剪應(yīng)力峰值是常載條件下的1.5 倍.可見，在防水粘結(jié)層的拉拔和剪切破壞中，剎車和超載的影響都是較為明顯的.

（3）考慮動(dòng)荷載作用時(shí)，拉應(yīng)力峰值出現(xiàn)在移動(dòng)荷載接近于墩頂上方對應(yīng)鋪裝表面；剪應(yīng)力峰值在行車荷載處于跨中時(shí)達(dá)到最大值.常溫條件下考慮動(dòng)載影響的拉應(yīng)力峰值為0.09 MPa，是考慮剎車荷載作用靜載計(jì)算結(jié)果的1.4倍；而剪應(yīng)力峰值增幅達(dá)20%.由橋面不平度引起的隨機(jī)動(dòng)荷載對防水粘結(jié)層的作用力較為明顯，但影響程度小于剎車超載作用.

（4）SBS改性瀝青、橡膠瀝青、柔性防水涂料及SBS改性乳化瀝青等幾種材料的防水粘結(jié)層拉拔強(qiáng)度均滿足理論分析結(jié)果要求，常溫條件下橡膠瀝青的安全系數(shù)達(dá)到11.9，而高溫條件下為8.5；前3種防水粘結(jié)層的剪切強(qiáng)度均達(dá)到理論分析結(jié)果的指標(biāo)要求，常溫條件下橡膠瀝青的安全系數(shù)達(dá)到2.39，而高溫條件下僅1.36，說明高溫條件下防水粘結(jié)層材料容易出現(xiàn)剪切破壞.結(jié)合理論與試驗(yàn)分析結(jié)果，推薦SBS改性瀝青和橡膠瀝青為水泥混凝土橋防水粘結(jié)層材料的首選.

［1］ National Cooperative Highway Research Program.Waterproof membranes for protection of concrete bridge decks－labraroty phase ［R ］. Washington D C： National Research Council，1976.

［2］ Manning D G.Waterproofing membranes for concrete bridge decks［M］.Washington D C：National Academy Press，1995.

［3］ Transport Research Laboratory.The adhesion of bridge deck waterproofing materials［R］.Crowthorne：Transport and Road Research Laboratory，1992.

［4］ 黃衛(wèi).大跨徑橋梁鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)理論與方法［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.HUANG Wei.Theory and method of deck paving design for long－span bridges［M］.Beijing：China Constr Ind Press，2006.

［5］ 王光輝，韋成龍，李斌，等.大跨度橋梁橋面鋪裝溫度效應(yīng)仿真分析［J］.湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，20（4）：83.WANG Guanghui， WEI Chenglong，LI Bin，et al.The emulation analysis to the temperature effect of the bridge deck pavement of long－span bridge［J］.Journal of Hunan Institute of Science and Technology ：Natural Sciences，2007，20（4）：83.

［6］ Xu Qinwu，Zhou Qinghua，Medina Cesar.Experimental and numerical analysis of a waterproofing adhesive layer used on concrete－bridge decks［J］.International Journal of Adhesion and Adhesives，2009，29（5）：525.

［7］ XU Qinwu，SUN Zengzhi，WANG Hu.Laboratory Testing Material Property and FE modeling structural response of PAM－modified concrete overlay on bridges ［J］.Journal of Bridge Engineering，2009，14（1）：26.

［8］ 羅劍.鋼混結(jié)構(gòu)混合橋橋面鋪裝體系受力分析——桃夭門大橋鋼橋面鋪裝力學(xué)分析［D］.南京：東南大學(xué)交通學(xué)院，2004.LUO Jian.Research on mechanical properties of combined bridge deck surfacing－research on mechanical properties of Taoyaomeng Bridge deck surfacing［D］.Nanjin：School of Transportation，Southeast University，2004.