（交通运输工程专业论文）桥梁砼面板及其铺装层受力分析研究.pdf

摘要 摘要 桥梁混凝土铺装层损坏的现象在国内外都比较严重，许多新桥在通车后不 久就因混凝土铺装层的破坏而使桥面出现了裂缝或坑槽，给交通和桥梁自身带 来了诸多的不良影响，造成了重大的经济损失。桥梁混凝土铺装层损坏的原因 出在哪里，它是如何与桥梁共同受力的，铺装层的合理设计厚度应该是多少， 将是本文研究的主要内容。 以往的桥梁设计，仅将混凝土铺装层作为磨耗层、防水层或车轮荷载扩散 层设置，而后浇的混凝土铺装层与主梁结构在承受荷载时的受力特点与其破坏 特征是有密切关系的。国内外对混凝土铺装层的受力分析多从理论上进行研究， 而且大多采用有限元法。本文选择了具有不同厚度铺装层的单梁进行试验，通 过这些试验分析铺装层在荷载作用下的受力状态以及梁体和混凝土铺装层之间 的应力分配关系，同时将研究混凝土铺装层的厚度对承载力的影响和其在荷载 作用下的破坏特征，得出了适合实际使用的铺装层厚度及其结构形式，提出了 有关改善混凝土铺装层结构设计的依据和构造要求。 进一步在实桥中的桥面混凝土铺装层受力性状试验分析表明，桥梁铺装层 与梁体共同受力，而且应力基本呈直线相关变化，与试验室得出的试验结果相 一致。 根据本文的研究成果进行桥梁的设计与施工，虽然在所建桥梁时，混凝土 铺装层的成本会略有增加，但大大提高了桥梁铺装层的耐久性，延长了其使用 寿命，将产生良好的经济和社会效益，同时对桥梁起到了更好的保护作用，大 大提高了桥梁的承载力和使用寿命。 最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：桥梁、混凝土面板、铺装层、受力、研究 a b s t r a c t a b s t r a c t b r i d g ec o n c r e t ep a v e m e n tl a y e rd a m a g e d a th o m ea n da b r o a di sq u i t es e r i o u s i t c a u s e sc r a c k so rp i t sa tm a n yb r i d g e si nt h eo p e n i n gs e v a ly e a r s a l s oc a u s e s s i g n i f i c a n tl o s s e s w h a tc a u s e st h ed a m a g eo fb r i d g ec o n c r e t ep a v e m e n t ? h o w d o e s i te n d u r et h ej o i n tf o r c ew i t hb r i d g e ? w h a ts h o u l db et h ep a v e m e n tl a y e rr e a s o n a b l e d e s i g nt h i c k n e s s ? a b o v e w i l lb et h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e r t h ep a s tb r i d g ed e s i g n ，o n l yt h ec o n c r e t ep a v e m e n tl a y e ri sr e g a r d e da saw e a r l a y e r , w a t e r p r o o fl a y e r o rw h e e ll o a dd i f f u s i o nl a y e rs e t t i n g s ，a n dt h ep o u r i n g f o l l o w i n gi nt i m ec o n c r e t ep a v e m e n tl a y e ra n d t h em a i nb e a mi nt h es t r u c t u r eb e a rt h e l o a dw h e nt h ef o r c ei sc h a r a c t e r i z e db yd e s t r u c t i o no fi t sf e a t u r e sa r ec l o s e l yr e l a t i o n s a th o m ea n da b r o a df o r t h ea n a l y s i so fc o n c r e t ep a v e m e n tl a y e rm o r ef r o mt h e t h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，m o s t l yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h i sp a p e rc h o s et oh a v e d i f f e r e n tt h i c k n e s so ft h ep a v e m e n tl a y e rs i n g l e - b e a me x p e r i m e n ta n dt h r o u g ht h e s e t e s t si nt h el o a do fp a v e m e n tl a y e ru n d e rt h ef o r c eo fs t a t ea n dt h eb e a ma n dc o n c r e t e p a v e m e n to ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s s ，w i l ls t u d yc o n c r e t e r e s u r f a c i n gl a y e rw i t ht h et h i c k n e s so ft h eb e a r i n gc a p a c i t yo fi n f l u e n c ea n di t sl o a d o fd a m a g ef e a t u r e s ，t h a tt h ea c t u a lu s ef o r t h ep a v e m e n tt h i c k n e s sa n ds t r u c t u r e ，m a d e o fc o n c r e t ep a v e m e n tl a y e ro ni m p r o v i n gt h eb a s i sf o rt h es t r u c t u r a ld e s i g na n d s t r u c t u r a lr e q u i r e m e n t s i nt h er e a lb r i d g ed e c kc o n c r e t ep a v e m e n ti nt h ef o r c eo fc h a r a c t e rf u r t h e rt e s t a n a l y s i ss h o w e st h a tt h eb r i d g ep a v e m e n tl a y e ra n dt h ec o b e a mo f t h ef o r c e ，b u tt h e b a s i cl i n e a rs t r e s s r e l a t e dc h a n g e s ，a n dt h a tt h el a b o r a t o r yt e s tr e s u l t s a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fr e s e a r c ht od e s i g na n dc o n s t r u c t i o n ，i tw i l lr a i s et h e c o s to fc o n c r e t ep a v e m e n t , b u tg r e a t l ye n h a n c e st h ed u r a b i l i t yo ft h eb r i d g e p a v e m e n t ，e x t e n d i n g t h es e r v i c el i f e s oi tw i l lh a v eag o o de c o n o m i ca n ds o c i a l b e n e f i t s ，t op l a yar o l ei nb e r e rp r o t e c t i o n , a n dg r e a t l yi n c r e a s et h ec a p a c i t ya n d s e r v i c el i f eo ft h eb r i d g e i nt h ef i n a l i t y ，t h er e q u i r i n gf u r t h e rs t u d yd i r e c t i o ni sd i s c u s s e d u a b s t r a c t k e yw o r d s ：b r i d g e s ，c o n c r e t es l a b s ，p a v e m e n tl a y e r , t h ef o r c e ，r e s e a r c h i i i 学位论文版权使用授权书 本入完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 嫦兰瞬s - 山吣十月7 u 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 姗：肾 l 遗吣月7 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 近年来，公路桥梁上有关桥面混凝土铺装层破坏的问题在各种桥型结构上 均有发生，显得非常突出，如何解决提高桥面混凝土铺装层结构的耐久性就成 为一个亟待解决的问题。以往的设计，桥面混凝土铺装层只作为构造层来考虑， 当载重车反复作用时，由于主要承重结构的变形，使得桥面混凝土铺装层不足 以抵抗外荷载及结构变形的要求，导致铺装层破坏，严重影响了桥梁的使用寿 命。目前采用的方法多为增加混凝土铺装层的厚度。然而铺装层厚度增加，结 构自重也随之增加。铺装层作为后浇层，其与主梁结构之间的工作状况如何， 铺装层结构的破坏是强度问题还是变形问题，均有待解决。 据了解目前大多数桥梁设计规范并未明确规定混凝土铺装层结构的设计计 算方法，对混凝土铺装层结构的受力特点、构造措施缺乏系统研究。本论文针 对桥面混凝土铺装层结构的受力特点、结构厚度及构造措施、施工工艺等方面 进行研究，以期找出适合目前实际要求的混凝土铺装层的结构形式、合理厚度 及其计算方法，并通过试验桥进行论证。 1 2 国内外研究现状问题 关于桥梁混凝土铺装层的研究，在国内和国外都有所报道。根据现有的资 料和山西省科技厅查新发现：有关混凝土铺装层材料、施工工艺及构造要求研 究的资料相对比较多，! z f l ：国内外好多桥梁混凝土铺装层采用的是钢纤维混凝 土。对混凝土铺装层的受力分析则多从理论上进行研究，而且大多采用有限元 法。 1 2 1 国外桥面铺装层使用现状 i 西德 第1 章绪论 1 9 7 9 年西德下撒克州道路工程管理部门对1 0 6 6 座钢筋混凝土及预应力混凝 土桥梁进行调查，其中4 4 5 的形车道铺装层结构破损。 i i 英国 在英国，桥面铺装层分整体式和双层式。英国工程师a j 蒙多塔多在“运 输研究报告6 5 1 号中，对在同一时期( 1 9 6 0 1 9 6 4 年) ，用同一产地骨料和水 泥修建的7 3 座公路桥梁的混凝土桥面所作调查结果表明：整体式混凝土桥面与 用环氧树脂粘贴的双层式混凝土桥面结构相比，前者更容易发生表面破损。一 种复合的环氧类粘结剂，在合理实用的情况下，具有比水泥灰浆更为稳定的粘 结性能。他总结了两种桥面使用情况，见表1 1 。 表1 1 英国整体式桥面与双层式桥面的调研( 1 9 6 4 年前) 桥面类型使用性能桥面数面积( m 2 )面积百分率 重铺面层或需重建 2 62 9 6 1 06 6 9 7 整体式 尚好 1 38 5 7 41 9 3 桥面优良96 2 3 2 1 4 1 合计4 84 4 4 1 61 0 0 重铺面层或需重建 21 9 1 64 1 双层式 尚好32 6 5 69 9 桥面 优良2 04 0 6 0 18 6 o 合计 2 54 7 1 7 31 0 0 1 2 2 国内部分地区桥面铺装调查 通过实地调查与资料调查相结合的方法对山西省、天津市、北京市等地的 桥梁铺装层结构的使用现状进行了调查分析。结果发现：许多公路桥的桥面铺 装层结构已经无法继续使用，必须补强和重新修建。 i 山西省部分地区公路桥梁调查 对山西省太旧高速公路1 5 座桥梁进行了调查，结果如表1 2 所示。 表1 2 太旧高速公路部分梁桥桥面板状况调查 2 第l 章绪论 车道沟 2 0 mi 型组合梁，搭板有纵向裂缝；梁与搭板接缝间，板裂缝中渗水严重， 1严重 中桥预制搭板 搭板混凝土腐蚀严重。 海落湾2 5 m t 梁，现浇湿有的粱间桥面板底有较长纵向裂缝6 = 0 。2 s 加3 r a m 。桥面板 2严重 2 大桥接缝渗水严重，板底混凝土遭受腐蚀，外观较为疏松。 龙门沟2 5 m t 梁，现浇湿2 # - - - 3 # 梁间桥面板跨中5 m 范围渗水。5 群、6 撑梁间桥面板 3较轻 5 群大桥接缝底有1 s r r l 长纵向裂缝，宽0 2 m m 。 大南沟3 0 m t 梁，现浇湿梁间桥面板与大梁接缝处有渗水现象，梁翼板与现浇带 4较轻 l 拌大桥接缝接缝处渗水。 坡头 2 5 m t 梁，现浇湿5 片大梁顶板均有纵向裂缝，l 撑、2 捍、3 群大梁较严重， 5一般 特大桥接缝每隔0 5 m 左右1 条，最大裂缝宽0 4 m m 。 聂家庄2 5 m t 梁，现浇湿5 拈6 撑梁间桥面板底有较长裂缝，最大裂缝宽度0 2 m m ， 6较严重 特大桥接缝1 # - - - 2 # 梁间桥面板底有渗水现象。 二电厂2 5 m t 粱，现浇湿 石家庄方向支点横隔板处渗水严重。4 牡5 撑梁间桥面板 7 底渗水严重，桥面铺装混凝土曾塌陷，进行过修补。严重 特大桥接缝 5 躺 梁间横隔板处桥面板底渗水严重。 2 0 mi 型组合梁，2 # , - - 3 # 梁间跨中有两块搭板有纵向裂缝，4 # , - - 5 # 梁间跨中 8 苇池大桥较轻 预制搭板有一块搭板有纵向裂缝。 南川河2 5 m t 梁，现浇湿 9 1 妣释 3 梁间桥面板底局部有渗水现象。较轻 大桥接缝 西风台 2 0 mt 梁，现浇石家庄方向支点横隔板处渗水严重，桥面铺装塌陷。大 l o 较严重 大桥 湿接缝梁翼板与现浇带接缝出多处渗水。 2 5 mt 梁，现浇2 # - - 3 # 梁间跨中横隔板处渗水，4 # - - - 5 # 一- 6 # 梁间桥面板底 1 1 军库中桥一般 湿接缝局部渗水。 3 0 mt 梁，现浇3 拌q 拌梁间板底渗水1 5x0 8 m 2 ，4 札5 撑梁问板底渗水0 8 1 2韩坡大桥 一般 湿接缝 0 8 m 2 ，多处梁翼与现浇湿接缝处渗水。 2 0 mi 型组合梁， 1 3峪口中桥 极个别地方梁与板接缝处有渗水。 较轻 预制搭板 丰子沟2 5 mt 梁，现浇 1 4 3 # - - - 4 # 梁间板底有横向裂缝，并有渗水，缝宽0 2 r a m 。一般 大桥 湿接缝 1 5 白马河 2 5 mt 梁，现浇板底有轻微渗水。 较轻 3 第1 章绪论 ll 型奎堑i 堡堡丝 1 i i i 天津市津围公路改造桥梁调查 1 9 9 8 年天津市公路局针对津围公路超载交通进行了对策研究，通过对津围 公路k 1 2 + 9 2 5 k 1 0 9 + 4 1 0 段9 6 k m 总计2 2 座桥梁的运营状况进行了实地调查，具 体状况见表1 3 。 表1 3 天津市津围公路桥梁基本状况 序年 桥名桥跨结构设计荷载桥面铺装结构现状 号 限 1蓟州立交桥预应力连续梁桥汽超2 0 3 桥面平整 2 宜兴埠立交预应力连续梁桥汽超2 0 8 局部纵向裂缝 3 潮白河右桥简支t 梁桥4 7 x1 4 1 4 m汽超2 0 1 0 一处开裂 4 潮白河左桥简支t 梁桥5 1 4 1 + 2 1 3 8 m 汽1 02 5 桥面纵裂、坑槽 5小石庄左桥简支空心板1 7 x1 l m汽超2 01 0 桥面基本平整 6小石庄右桥简支空心板1 7 1 0 9 m汽1 02 5 纵横向均有裂缝 7青龙湾右桥简支t 梁1 3 2 0 m 汽超2 0 1 0 伸缩逢处桥面破坏 8 青龙湾左桥双曲拱桥1 3 2 0 m汽1 03 0 桥面破损、开裂 9 九王庄右桥双曲拱桥5 2 0 m汽2 01 8 桥面破损、开裂 1 0 九王庄左桥简支t 梁5x 2 1 9 m汽超2 01 0桥面基本平整 l l 大张庄1 桥简支t 梁1 8 2 2 m汽2 02 0 桥面纵向裂缝、伸缩缝处 1 2大张庄2 桥 预应力t 梁4 3 0 m汽2 0 1 8 横向开裂 1 3 南王平右桥简支空心板7 x 4 m汽1 01 4 桥面塌陷、龟裂 1 4 后苏庄桥简支空心板5 1 3 + 2 xl o m 汽超2 0 8 局部裂缝、桥头沉陷 1 5 菜园右桥简支空心板6 6 6 m汽超2 08 桥面纵裂、局部坑槽 1 6菜园左桥 简支空心板5 6 6 + 2 x 3 3 m汽2 01 8 1 7 大白洼右桥 简支空心板8 5 5 m汽超2 08 桥面中间沉陷5 e r a 、纵向 1 8大白洼左桥简支空心板8 x 5 5 m 汽2 0 1 8 裂缝 4 第1 章绪论 1 9梅厂左桥板梁2 7 7 + 1x 8 m 汽1 02 6桥面网状裂缝、曾作修补 2 0石桥桥板拱1x 2 0 m 汽2 01 9 桥面坑槽 2 1 新河桥 双曲拱汽2 0 1 8 桥面网状开裂 桥面网状裂缝、坑槽曾作 2 2柳河桥简支板6 8 m汽2 0 1 0 修补 i i i 北京市部分桥梁桥面铺装调查 北京市针对主要桥梁桥面铺装结构损坏进行了调查和统计，其调查结果见 表1 4 。 表1 4 北京市部分城市桥梁桥面调查表 序竣工桥面铺装铺装层厚 桥梁名称破坏情况 号时间材料度( c m ) l西直门l 吣钢筋混凝土l o 纵缝、龟裂，程度严重 广渠门立交桥 21 9 魄1 2钢筋混凝土 8 横缝，程度一般 ( 东匝道) 东佃门立交桥 31 9 鼹1 2钢筋混凝土8 多处角裂、横缝，程度严重 3 撑、4 f 桥 4 东贞立交桥 1 9 8 5 j 6 钢筋混凝土8全部网裂，程度较严重 5 蓟门立交桥l 卿钢筋混凝土 8 多处角裂、横缝，程度一般 6 马甸立交桥 1 9 8 5 5 钢筋混凝土 1 0 基本完好，程度一般 7 劲松立交桥 1 9 8 & 1 2 钢筋混凝土 8 龟裂、角裂二处，程度一般 龟裂四处、角裂多处、横缝、纵缝， 8三元立交桥1 9 憎钢筋混凝土6 1 0 程度较严重 龟裂、角裂多处、横缝、纵缝，程 9 刘家桥立交桥 1 9 8 l l 钢筋混凝土 7 度较严重 沥青混凝土5 1 0 1 0木栩园立交桥1 9 鹤5 横缝，程度一般 钢筋混凝土4 - 9 5 第1 章绪论 沥青混凝土 赵公口立交桥1 9 鹤口6 1 2 + 5横缝每隔7 - 8 m 一道，程度一般 钢筋混凝土 1 3 研究背景 本文经过对北京市、天津市、河北省、山西省等地的公路桥梁混凝土铺装 层的现状进行调研，发现公路桥梁桥面混凝土铺装层破坏在各种桥型结构上均 有发生，这些问题的产生原因是多方面的，是设计、施工、管理各阶段综合作 用的结果。具体如下： 1 3 1 设计方面 过去设计的习惯做法是将桥面铺装层结构在设计中只作为桥梁工程的附属 结构，不参与梁体结构受力，在主梁内力分析中只将其作为恒载作用于主梁上， 或凭经验将混凝土铺装层厚度的一部分计入主梁高度，帮助主梁承担外力。为 满足行车舒适的要求，对桥面铺装层平整度要求很高。也就是说，人们对桥面 铺装作用的认识更多的倾向于“抗磨耗层 和调平层，而对铺装层的强度、刚 度则没有提出更多的要求。实际上桥面混凝土铺装层是铺设在主梁顶面的一层 薄板结构，其受力状态比较复杂。不但承受车轮荷载碾压作用，同时还要受铺 装层下板( 梁) 变形的影响。 ( 1 ) 以往的设计假定铺装层下的支撑面是完全刚性的平面，铺装层结构是刚 体上的薄板，铺装层与刚体粘结接触。 ( 2 ) 桥面混凝土铺装层结构中的钢筋网对铺装层的使用寿命也有着非常重要 的影响。混凝土铺装层施工完成后，由于铺装层与主梁的混凝土收缩不一致， 造成铺装层与梁的结合面内剪应力及法向拉应力很大，纵横缝的交角处产生严 重的应力集中。当混凝土铺装层内应力较低时，混凝土铺装层内的钢筋网可使 其应力分布均匀；当混凝土内应力较高时，钢筋网帮助承担局部应力，使混凝 土铺装层中应力重新分布，改善应力集中的现象。若钢筋网的配筋量较小，将 不足以抵抗混凝土本身收缩所产生的应力。调研表明，当钢筋间距小于1 4 d 时 ( d 为钢筋直径) ，才能防止混凝土的收缩变形，如果间距偏大，就难以起到防 止混凝土收缩的作用。 1 3 2 施工方面 6 第1 章绪论 ( 1 ) e h 于桥梁上部结构在施工中支架的沉降及预应力反拱无法准确预测，或 由于施工工艺控制欠佳，造成施工中主梁顶面标高与设计值不相符，或为了对 桥面进行调坡等等，都将使混凝土铺装层厚度不均，使得局部铺装层厚度偏薄， 这是缩短混凝土铺装层结构使用寿命的一个因素。 ( 2 ) 梁项面清洗不干净、未全部凿毛，主梁项面在施工中用来作为堆料场或 临时通车造成严重污染后未清理彻底等等，使铺装层与主梁结合不好，降低混 凝土铺装层结构与大梁共同工作的性能。 ( 3 ) 桥面混凝土铺装层的施工均采用小型拌和机现场拌制，施工变异性大， 难以保证均匀的质量。个别施工单位为施工方便，片面加大混凝土的坍落度。 混凝土养护不但达不到标准，而且在铺装层混凝土低龄期时加载，造成混凝土 强度不足，使得混凝土铺装层结构过早的破坏。 ( 4 ) 以往己建成的桥梁，大部分混凝土铺装中采用由8 钢筋2 0 c m x 2 0 c m 的钢 筋网。这种钢筋网柔度大，定位较难，施工人员或小型机具的作用均可导致位 置变化，造成桥面混凝土铺装层的钢筋网安装位置往往不准确、施工质量差等 普遍问题。钢筋网经常处于铺装层的底部，其在混凝土铺装层结构中的抗裂作 用不能充分发挥。 ( 5 ) 拆架顺序不正确或初期支架下沉，导致混凝土铺装层结构产生施工裂缝。 这也是桥面出现裂缝、桥面铺装层结构过早破坏的一个重要原因。 ( 6 ) 桥面铺装的混凝土必须有一定的合理养生期，但施工工期经常受到行政 干予，为了抢工期，提前通车，造成混凝土早期损伤。 1 3 3 运营期的管理方面 ( 1 ) 货运业主为追求短期经济效益，通过改变车箱结构，使汽车的载重量成 倍地增加，这些车辆对混凝土铺装具有严重损坏作用。超载对铺装层的破坏主 要体现在： a ) 局部应力过大造成局部混凝土破碎，当轴载超载1 0 0 时，混凝土铺装 层结构局部应力增大8 0 - - 1 2 0 。 b ) 超载使桥梁承重结构变形过大，导致铺装层与梁体结合面剪应力过大， 破坏结合层的粘结力，影响混凝土铺装层结构与主梁共同工作。 ( 2 ) 桥面养护管理不善，造成桥面排水不畅，桥面水从铺装层结构毛细缝下 渗，加剧了裂缝的开展。 7 第1 章绪论 ( 3 ) 高速公路为了便于交通组织管理，划分了主车道、超车道及路肩，使桥 梁运营始终处于偏载状态，主车道比超车道承担了大得多的运营荷载，从而加 快了主车道混凝土铺装层的疲劳。 1 4 本文研究的主要工作 在调查分析的基础上，本文主要研究的工作有：( 1 ) 桥面混凝土铺装层使用现 状、破坏特征调查及其解决方法的调研；( 2 ) 混凝土铺装层及其与异性桥面板的 受力分析，以及混凝土铺装层厚度的计算方法；( 3 ) 桥梁混凝土铺装层结构受力 特征及破坏的试验研究；( 4 ) 桥梁混凝土铺装层的试验桥实践等。 8 第2 章桥面混凝土铺装层厚度计算方法研究 第2 章桥面混凝土铺装层厚度计算方法研究 目前尚未见到成熟的混凝土铺装层结构计算的方法，公路桥涵施工技术规 范( j t j 0 4 1 2 0 0 0 ) 中亦未做明确规定。实际上铺装层的受力很复杂，计算方 法亦不尽相同，原则上不同的桥梁结构采用不同的计算方法。本章依据桥面混 凝土铺装层的调查和受力分析，提出两种计算方法：1 适用于装配式铰接板梁 桥的纵缝抗剪承载力计算方法；2 适用于肋板式桥梁的横桥向抗弯承载力计算 方法。 2 1 装配式铰接板梁桥的混凝土铺装层计算方法 2 1 1 基本假定 对于钢筋混凝土装配式板梁桥及仅在翼板间用焊接钢板或伸出交叉钢筋连 接的中小跨径的装配式梁桥，在车辆荷载垂直力通过铰键横向传递时，具有足 够强度和变形刚度的桥面混凝土铺装层共同参与了传递剪力，混凝土铺装层板 底受弯剪作用。当主梁纵向抗弯刚度较大时，竖向位移较小，混凝土铺装层作 为刚性板考虑以承受纵缝间直接剪力为主。将混凝土铺装层横桥向受力视为弹 性支撑上的板，剪力依靠主梁铰键和混凝土铺装层共同传递( 见图2 1 ) 。 p 妄襄贡司雾j 1 零： k 2k lk 3k 3 k l k 2 横桥向 入 工互丁一 剪应力图 p 衄 l 里2i 纵桥向 图2 1 弹性支撑板剪切受力图 ( 说明：q2 一车轮直接剪切纵向长度；h 一桥面铺装结构层厚度) 假设主梁抗弯弹性支承反力k i ，主梁抗弹性支承反力k 2 ，主梁铰键传力k 3 。 9 第2 章桥面混凝土铺装层厚度计算方法研究 一般情况下板梁单宽1 0 - 1 5 m ，当载重汽车后轮作用于板边，由铰键与混凝土 铺装层共同传力仅影响相邻板梁。进一步假设后轴重之半为p ，仅作用于相邻两 块板，荷载由两块板的弹性支撑反力承担，则p = k i 。板间直接剪力等于相邻 板支撑反力：o = k l + k 2 + k 3 。这是当汽车两轴的作用力在纵桥向的影响不重叠时的 情况。当汽车两轴的作用力在纵桥向的影响重叠时，则p 为两轴重之和的一半。 当铰键完好，板间剪力靠铰键与混凝土铺装层共同传递，其剪力按剪切刚 度分配，或近似按板厚与铰键最薄弱处加权分配。单铰键受多次重复荷载作用 发生相对剪切位移时，混凝土铺装层作为刚性板分配到的剪力加大。假定铰键 开裂，所传递剪力9 0 由混凝土铺装层完成。 2 1 2 直接抗剪强度计算公式 按直接剪切传递基本假定，局部剪切面上抵抗活载的截面抗剪强度计算公式 为： q j q 。= r j a o 式中：q j 一由活载引起的桥面铺装结构层荷载计算剪力； r j 一桥面铺装层混凝土直接抗剪强度；r ，= o 7 5 r 。局； r 。、r l 一桥面铺装混凝土轴心抗压、轴心抗拉设计强度； a o 一考虑混凝土铺装层内横向钢筋工作的剪切面换算截面面积； a o = 口2 h + n a g ； h 一桥面铺装结构层厚度； 口2 一车轮直接剪切纵向长度；车轮直接作用于混凝土铺装层上 时，口2 及为车轮纵向着地长度。 a g 一口2 范围内的混凝土铺装层内横向钢筋截面积； n 一钢筋弹性模量与混凝土弹性模量之比。 2 1 3 计算示例 某钢筋混凝土简支板梁桥，桥梁总长1 7 1 1 0 m ，桥梁宽：净9 + 2 x1 5 m 。 设计荷载汽一1 5 级，挂一8 0 。由于实际荷载等级提高及路线改造要求设计荷载提 高至汽- 2 0 级，挂- 1 0 0 。 实际使用情况：该桥上部结构桥面沿两板间的铰缝处纵向开裂，已接近单 板受力状态，按实测挠度分析，最大的荷载横向分布系数i n c = 0 4 2 5 ，比按铰接 1 0 第2 章桥面混凝土铺装层厚度计算方法研究 板理论计算大2 6 ，加固后的主要参数见表2 1 。 表2 1 桥梁 横向分布系数 单板承载弯距( k n m )荷载等级 状况理论值实测值理论值实测值设计值实测值 加固前 0 3 3 80 4 2 54 4 2 7 54 5 0 0 0 汽- 1 5 级汽- 1 5 级 加固后0 3 3 8o 3 1 05 2 6 2 15 6 4 3 3 汽- 2 0 级汽- 2 0 级 上部结构加固措施： 将原桥面铺装层剔除，并清理干净。重新浇筑钢筋混凝土铺装层，铺装层 混凝土采用c 3 0 。混凝土铺装层内配i i 级钢筋( 皇1 6 ) 2 0 0 2 0 0 r a m 钢筋网一层； 桥面伸缩缝1 5 m 范围内钢筋网加密( 1 0 0 l o o m m ) 。按照剪切强度计算公式q j _ r j ( a2 h + n a g ) 计算： 已知：r f l 7 5 m p a ，r 1 = 1 7 5 m p a ，e h = 3 o 1 0 4m p a ，r j = o 7 5 r 。r ，= 4 1 5 m p a ， e g - 2 0 1 0 sm p a ，( 91 6 筋：单根面积a g 2 1 0 1 0 6 r a m 2 假定汽一2 0 级两个后轴的作用力在纵桥向的影响不重叠 一个后轴重之半p - - 6 0 k n ， 按照p 完全由铺装层承担计算，即：q j = p - - 6 0 0 0 0 n 汽一2 0 级后轮着地长度a2 = 0 2m n = 彰e h = 6 6 7 以e 数据代入妒( 口2h + n ) 得： 6 0 0 0 0 = 4 1 5 ( 2 0 0 h + 6 6 7 2 0 0 ) 1 2 m 时，汽车- - 2 0 级和汽车一超2 0 级的重车的两重轴之间才能发生重叠。两重轴间距为1 4 m ，所以d = 1 4 m 。 第一种计算图式中，l 0 - - - i 0 m 时，汽车2 0 级和汽车超2 0 级的重车的两重轴之间无 重叠，按无重叠公式计算。 2 2 6 关于肋板式桥梁铺装层厚度的计算 前面已经讨论了刚性桥面铺装层破坏的主要机理，探讨了已知桥梁截面、 荷载情况，桥面铺装层内力的力学图示、计算公式及确定桥面铺装层厚度的简 1 9 第2 章桥面混凝土铺装层厚度计算方法研究 化计算方法，并列表给出了相应常见桥面混凝土铺装层的厚度范围。可以看到， 表2 3 中的计算结果基本符合工程实际应用的厚度范围。 综上所述，肋板式桥梁混凝土铺装层内力的力学图示主要归纳为两种：铰 接悬臂单向板和弹性支承连续单向板，并以此得出了决定桥面铺装层厚度的负 弯矩计算公式和桥面铺装层厚度的简化计算公式。 2 3 本章小结 本章在提出适用于装配式铰接板梁桥的纵缝抗剪承载力计算方法与适用于 肋板式桥梁的横桥向抗弯承载力计算方法的基础上，通过对受力条件进行设定， 并结合实例进行计算，得出桥面铺装层厚度计算的简化公式等结果，在设计计 算中有一定的参考价值。 2 0 第3 章静载作用下单梁梁体与铺装层工作性能试验分析 第3 章静载作用下单梁梁体与铺装层工作性能试验分析 为了进一步了解铺装层受力特性，本章着重对铺装层所用材料性能和常用 的三种桥梁的模型进行试验分析，研究混凝土铺装层在实桥中的受力情况，从 中探讨桥面混凝土铺装层破坏的原因和解决方法。并针对结合层面可能出现的 受力损坏，研究分析它们的成因。 3 1 材料性能试验 根据桥面铺装结构层混凝土破坏特征及桥面混凝土受力特点，为满足桥面 混凝土正常使用要求，对拟采用的各种混凝土进行材料力学性能试验，从中寻 找适合桥面铺装层使用的材料。考虑到铺装层抗弯拉、抗剪要求高的实际情况， 试验选用了不同配比的普通混凝土、钢纤维混凝土、聚丙烯酯高聚物混凝土进 行试验。 3 1 1 试验目的、内容 ( 一) 试验目的 通过对普通混凝土、钢纤维混凝土、高聚物混凝土材料的性能试验，得到 不同类型混凝土相应的抗压、抗折、抗拉( 劈裂抗拉强度) 强度以及混凝抗 压弹性模量，为桥梁混凝土铺装层力学分析提供材料参数。 对它们的结果进行对比分析，总结出不同类型的混凝土的力学性能，为桥 梁混凝土铺装层材料的选用提供依据。 ( 二) 试验内容 1 、混凝土立方体抗压强度试验 2 、混凝土抗折( 抗弯拉) 强度试验 3 、混凝士劈裂抗拉强度试验 4 、混凝土轴心抗压强度试验与抗压弹性模量试验 5 、混凝土抗渗试验 3 1 2 试验方法 c 一) 试件制备 2 1 第3 章静载作用下单梁梁体与铺装层工作性能试验分析 在进行材料试验之前，对水泥、砂、碎石等原材料进行了材料性能试