旧混凝土桥面板与铺装层之间更易发生层间剪切破坏，其铺装层耐久性取决于铺装材料性能，更取决于铺装层合理的结构设计^[1-3]。美国最早提出了相关桥面铺装设计理念，并研究桥面铺装材料性能和合理结构。德国也较早进行了相关桥面铺装结构设计及工程实践等研究。随后法国和日本亦进行水泥混凝土桥面沥青铺装研究且形成了相应技术规范。

我国研究桥面铺装结构起步相对较晚，当前国内主要还是凭经验对桥面铺装层进行结构设计，然后再由铺筑试验段加以验证。随着经验积累，我国逐渐地认识到选择合理的力学设计控制指标对桥面铺装结构设计尤为重要。因此，越来越多的专家学者对桥面铺装层受力特点进行了大量的深入研究。如胡晓等^[4-5]利用有限元软件建立了实体模型，发现简支T梁混凝土桥随着铺装层上面层厚度和模量的增加铺装层的层间剪应力逐渐减小，而增加铺装层下面层厚度和模量有利于降低铺装层的疲劳损伤并改善桥面的疲劳性能。万晨光等^[6-7]应用ANSYS软件分析混凝土调平层与沥青铺装层层间结构受力，提出层间极限剪切边界的概念，并得出层间极限剪切边界的主要影响因素是荷载水平力系数，且层间结构剪切状态会随荷载水平力系数的增加而迅速恶化，进而建立铺装结构层间剪切评价指标，为桥面铺装结构设计提供参考。徐永丽等^[8]采用Abaqus软件针对长大纵坡水泥混凝土桥沥青铺装层，计算了上坡、下坡、紧急制动以及重复荷载作用4种受力模式对铺装层应力影响，分析了铺装层纵向剪应力和铺装层与桥面板间的层间剪应力分布规律，较好地解释了车辙, 疲劳等病害产生的力学机理。王丕祥等^[9]采用ANSYS软件分析铺装层厚度、铺装层混凝土强度等级、桥面板与铺装层结合能力等对铺装层应力分布的影响，结果发现，随铺装层混凝土强度等级的提高或厚度的增加，铺装层内第一主应力，横桥向正应力，桥面板与铺装层间剪应力均明显降低；简支梁桥铺装层厚度为12~16 cm时，应力分布较均匀；随着铺装层与桥面板间摩擦系数的增加，简支梁桥面铺装层主应力和桥面板与铺装层间剪应力呈明显下降趋势，且桥面板与铺装层间摩擦系数大于1.0时，铺装层应力分布较均匀。胡涛等^[10]则通过多角度斜剪试验, 模拟桥面铺装层间的不同受力状态，研究发现同一试验温度下, 层间抗剪强度与法向正应力存在线性相关性, 符合摩尔-库伦理论中对于抗剪强度与正应力之间关系的描述，为桥面铺装层结构和材料参数设计提供了指导。

总之国内很多学者已经开始采用有限元分析和室内试验对水泥混凝土桥梁铺装层进行受力分析研究，总结了铺装层内部应力随铺装层参数变化的规律。针对日益增大的交通量以及超载的常态化，通过数值模拟、实验室试验和现场实践来寻找一种应用广泛的典型铺装结构，成为混凝土桥面铺装结构组合研究的重要内容。故研究桥面铺装结构设计方案，建立桥面铺装三维有限元模型，分析行车荷载作用下不同铺装层厚度和模量对铺装层内部应力的影响规律，提出铺装层合理的厚度和模量取值范围，并通过室内高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性以及渗水性能等相关试验，综合优选桥面铺装材料。

依托南京长江大桥公路引桥的基本参数，桥面总宽20 m，双向4车道行车道宽15 m，两侧人行道各宽2.5 m。桥面系结构分为3层，18 cm厚的水泥混凝土板+2层沥青混合料铺装层(厚度待定)。在设计标准轴载(BZZ-100)作用下，分析桥面铺装层内应力分布特性。根据对称原理选择其中完整一跨桥梁的横桥向的一半，建立水泥混凝土桥面铺装层有限元基准模型如图 1所示。

图 1 桥面铺装力学分析模型 Fig. 1 Mechanical analysis model of bridge deck pavement

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根据规范推荐的参数取值范围和模量实测值^[11-12]，结构计算参数如表 1所示。

根据《公路桥涵设计通用规范》荷载作用形式采用双矩形均布荷载，将后轴一侧的双轮简化为两个相同的荷载矩形，两个矩形相距10 cm，横桥向矩形宽20 cm，顺桥向矩形长23 cm，如图 2所示，轮胎接地压强为0.707 MPa，后轴两侧车轮荷载中心间距为1.8 m。桥面沥青铺装结构受力分析时，还需考虑水平荷载的影响，水平荷载的大小主要取决于车轮竖向荷载及表面与轮胎接触面之间的摩擦系数，在计算分析时摩擦系数取0.5^[13]。进一步简化分析模型，忽略轮内侧间距，把两个20 cm宽的矩形简化为一个40 cm宽的矩形(图 3)，此模型同向并列两辆货车，荷载在桥面的分布形式见图 4。

图 2 汽车后轴等效双轮均布荷载平面图(单位：cm) Fig. 2 Plane of equivalent double-wheel uniform load of automobile rear axle (unit: cm)

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图 3 单个矩形的均布荷载平面图(单位：cm) Fig. 3 Plane of uniform load of single rectangle (unit: cm)

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图 4 荷载分布模型 Fig. 4 Load distribution model

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混凝土桥面板采用四面体实体单元，沥青铺装层采用六面体实体单元C3D20R，网格划分时，在荷载附近区域设置较细网格进行局部加密，其他区域网格较大。划分结果见图 5，共分47 874个单元。

图 5 桥面铺装网格划分模型 Fig. 5 Bridge deck pavement mesh model

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铺装层材料和结构特性直接影响桥面铺装体系的受力状态和使用性能。有限元分析中铺装层材料和结构特性主要体现在铺装材料模量和铺装厚度的差异性上^[14-15]。因此，选择合理的材料模量和铺装厚度有利于铺装层应力的合理分布。在旧混凝土桥面板上进行沥青铺装，桥面铺装层剪切破坏和疲劳破坏是其桥面铺装破坏主要的形式，因此选择铺装层层间拉应力、层间剪应力、表面剪应力作为主要力学指标，分析铺装模量和厚度对其内部应力分布的影响。

黏结防水层是桥面铺装体系的薄弱环节^[16-17]，在行车荷载反复作用下，容易在铺装层薄弱处出现层间推移和脱落等现象^[18-19]，计算铺装材料模量和厚度组合层间纵向剪应力的分布，结果见图 6、图 7。

图 6 纵向剪应力与厚度之间关系 Fig. 6 Relationship between longitudinal shear stress and thickness

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图 7 纵向剪应力与模量之间关系 Fig. 7 Relationship between longitudinal shear stress and modulus

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从图中可以看到当铺装厚度相同时，铺装层间纵向剪应力随模量变化几乎成一条水平线，而相同模量时，铺装层间纵向剪应力随厚度的增加有较大幅度的减小，当铺装厚度取值5~7 cm时，铺装层间纵向剪应力衰减速度最快，随着铺装厚度的继续增加，衰减速度趋于平缓，说明铺装层材料模量对层间纵向剪应力影响小，铺装厚度对层间纵向剪应力影响大。因此，桥面铺装结构设计时可以通过增加铺装厚度来降低层间纵向剪切应力。

分析铺装层材料模量和厚度的组合时层间横向剪应力的分布规律，结果见图 8、图 9。

图 8 横向剪应力与厚度之间关系 Fig. 8 Relationship between interlayer transverse shear stress and thickness

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图 9 横向剪应力与模量之间关系 Fig. 9 Relationship between transverse shear stress and modulus

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由图可见，当铺装材料模量保持不变，层间横向剪应力随铺装厚度由5 cm增加到7 cm时，以较大幅度增加，之后再以较大幅度减小，直到增加到9 cm后减小趋势开始逐渐变缓；当铺装层厚度保持不变时，层间横向剪应力随铺装模量的增加略有所增加，但基本无太大变化。同时，铺装层横向剪应力在模量厚度两参数变化下，层间横向剪应力均小于0.15 MPa远小于材料自身抗剪强度。所以铺装层模量和厚度对横向剪应力影响不大，可以不考虑铺装材料和结构对层间横向剪应力的影响。

车轮荷载作用在铺装层上的车轮周围区域会产生竖向拉应力，从而可能引起层间变形而破坏。计算铺装层材料模量和厚度组合层间竖向拉应力的分布，结果见图 10、图 11。

图 10 竖向拉应力与厚度之间关系 Fig. 10 Relationship between vertical tensile stress and thickness

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图 11 竖向拉应力与模量之间关系 Fig. 11 Relationship between vertical tensile stress and modulus

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由图可知，铺装模量保持不变，层间竖向拉应力随厚度在5~9 cm范围内增加而大幅减小，9 cm后逐渐增加并保持平缓，且拉应力值一直较小；铺装厚度保持不变，层间竖向拉应力随铺装模量增加有较小幅度减小且在铺装模量为2 000 MPa时，拉应力达到最小值，所以铺装模量和厚度对其影响都不大。

铺装层表面经常出现车辙、推移、拥包等病害，其原因主要是铺装层表面抗剪切能力不足。在行车荷载作用下，表面横向剪应力一般较小，主要考虑纵向剪应力的影响，结果见图 12、图 13。

图 12 铺装层表面纵向剪应力与厚度之间关系 Fig. 12 Relationship between longitudinal shear stress and thickness of pavement surface

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图 13 铺装层表面纵向剪应力与模量之间关系 Fig. 13 Relationship between longitudinal shear stress and modulus of pavement surface

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由图可知，相同模量下，铺装层表面纵向剪应力随铺装层厚度增加而减小，铺装层厚度在5~9 cm范围内，表面纵向剪应力减小速度最快，随着铺装层厚度继续增加，纵向剪应力以较缓慢速度减小直至趋于平缓。而在相同厚度条件下，铺装层表面纵向剪应力随铺装层模量增加呈下降趋势。

为了确定公路引桥桥面铺装结构类型，在桥面铺装设计时先确定铺装层厚度，根据上述力学指标随铺装层厚度变化的规律，可以看出桥面沥青铺装层厚度的增加有利于降低层间和表面剪应力，铺装层厚度取值在9~13 cm有利于改善其内部应力的分布，同时铺装层厚度不宜过大，因为自重增加对桥梁整体结构不利，所以初步确定桥面铺装结构为厚度9 cm的双层铺装结构。根据桥面铺装受力分析结果，结合原引桥桥面铺装主要病害形式以及铺装层沥青混合料基本技术性能要求等因素，拟考虑采用双层沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)和双层密级配高弹高黏改性沥青混凝土(AC)两种铺装方案作为引桥的铺装结构形式^[19]。两种铺装方案为：(1)5 cm SMA-10下面层+4 cm SMA-13上面层; (2)5 cm AC-13下面层+4 cm AC-13上面层。两种铺装方案详见表 2。

桥面铺装主要功能有为车辆提供长期平整的行驶界面要求，因此铺装材料需具备较高的强度耐久性，较好的耐磨抗滑性，优良的高温稳定性、低温抗裂性及防水渗透能力^[20]。为了合理评价各铺装材料，对AC-13，SMA-10，SMA-13这3种沥青混合料分别进行高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性以及抗渗水性等基本路用性能试验，同时考虑经济、施工等其他各种因素对所选材料的影响, 最后综合评选出适合该桥面的铺装材料。

采用试验温度为60 ℃车辙试验来评价沥青混合料的高温稳定性能，3种沥青混合料的动稳定度结果见图 14。

图 14 沥青混合料车辙试验结果 Fig. 14 Rutting test result of asphalt mixture

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由图 14可知，采用高弹高黏改性沥青的3种沥青混合料，动稳定度都满足规范要求，其动稳定度大小顺序依次为SMA-13>AC-13>SMA-10。而AC-13和SMA-13的动稳定度数值都达到了10 000以上远远超出了规范要求，说明AC-13和SMA-13这两种沥青混合料都具有优良的高温稳定性，都适合作为桥面铺装材料。

在MTS材料试验机上以加载速率50 mm/min进行小梁弯曲试验，试验温度为-10 ℃，3种沥青混合料的最大弯拉应变结果见图 15。

图 15 沥青混合料低温弯曲试验结果 Fig. 15 Low temperature bending test result of asphalt mixture

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从图可知AC-13，SMA-10，SMA-13这3种沥青混合料在-10 ℃的最大弯拉应变值均大于3 000，表明3种沥青混合料的低温性能都符合设计规范要求。然而在3种沥青混合料中，SMA-10最大弯拉应变最大，而SMA-13比AC-13最大弯拉应变略有所增加，表明粒径较小的沥青混合料低温抗裂性较好，增加沥青用量有利于提高混合料的低温抗裂性。总之，根据桥面铺装力学分析对铺装材料性能的要求，这3种沥青混合料都适合于桥面铺装。

采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来检验沥青混合料水稳定性。AC-13，SMA-10，SMA-13水稳定性试验结果见图 16、图 17。

图 16 沥青混合料残留稳定度试验结果 Fig. 16 Residual stability test result of asphalt mixture

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图 17 沥青混合料冻融劈裂试验结果 Fig. 17 Test result of freeze-thaw splitting of asphalt mixture

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由图可知3种沥青混合料残留稳定度和劈裂强度比均大于90%，符合设计规范要求。AC-13的残留稳定度值均比SMA-10和SMA-13要大，且AC-13的劈裂强度相比于SMA-10和SMA-13也远远超过了自身设计规范80%的要求，表明AC-13沥青混合料具有更佳优良的水稳定性。

为验证3种沥青混合料的渗水性能，利用车辙板进行渗水试验，试验结果见图 18。

图 18 沥青混合料渗水试验验结果 Fig. 18 Water percolation test result of asphalt mixture

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由图可知3种沥青混合料的渗水系数为AC-13>SMA-13>SMA-10，同时三者中SMA-10的渗水系数远远小于规范值，抗渗性能最好；AC-13的渗水系数虽然较大但也依然满足设计规范的要求，具有良好的抗渗性能。总之，3种沥青混合料的渗水性能均能满足桥面铺装对材料抗渗性能的要求。

通过对AC-13，SMA-10和SMA-13的各项路用性能试验结果分析可知，使用高弹高黏改性沥青并掺入聚酯纤维的3种沥青混合料各项技术性能都符合要求。由于SMA施工要求较为苛刻，AC-13施工环节相对要求较低，所以从施工质量控制角度出发，AC-13更易于现场铺筑。其次SMA沥青用量比AC-13沥青用量高，其使用的是具有较强的抗车辙和抗开裂能力^[21]的高弹高黏改性沥青，相比于普通沥青在价格上也要高很多，加之SMA对集料的要求也较高，在性能都能满足工程要求的情况下，从经济性方面考虑，选择高弹高黏改性AC-13作为桥面铺装材料更加合理。另外在桥面铺装时不宜使用高频振荡压路机^[22]，若选择SMA进行铺筑，一般至少需要2台振荡压路机对其进行多次振动压实以提高其压实度，其对旧的桥梁主体结构必然有不利影响，但AC结构采用的碾压组合无需振动对桥梁主体结构的影响较小，为保证桥梁结构安全，防范桥梁结构损伤，综合考虑选择AC-13(高弹高黏改性)沥青混合料作为旧混凝土桥面铺装的上下面层铺装材料。

(1) 通过旧混凝土桥面沥青铺装受力分析，根据铺装层各应力计算结果及实际情况，确定了以层间纵向剪切应力、横向剪应力和表面纵向剪切应力作为铺装层设计力学控制指标。

(2) 研究了不同铺装模量和厚度对铺装层内部受力状态的影响，发现铺装层厚度是影响铺装层内部应力分布的主要因素，而铺装层材料模量对应力分布几乎没有影响。对于旧混凝土桥面而言，铺装层剪切破坏是其主要破坏形式，所以在选择铺装材料时，材料必须具有良好的高温稳定性。

(3) 通过试验研究了AC-13，SMA-10和SMA-13这3种沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和渗水性，可知3种沥青混合料各项性能指标都满足设计规范要求，但在不同的性能上各有其优劣。

(4) 为了选择最合适的桥面铺装材料，按照桥面铺装材料选择的基本要求，对3种沥青混合料分别从使用性能、施工操作性、经济性、桥梁结构安全性等各项因素进行考虑，综合各方面因素得出AC-13(高弹高黏改性)沥青混合料最适合作为旧混凝土桥面铺装的材料。