（道路与铁道工程专业论文）水泥混凝土桥面防水粘结层力学分析及性能研究.pdf

摘要 摘要 混凝土桥防水粘结层作为铺装结构中重要的一环必须具有足够的强度、防水性以及与铺装层 问良好的变形协凋能力。实际i ：程中，水泥混凝十桥经常出现耐久性差、使用寿命短笆病害，h 时 沥青混凝十铺装经常出现绢害频发、路用性能差、寿命短等，这些都与铺装内防水枯结层的设置密 切相关。因此对混凝土桥防水粘结层进行研究成为一个迫切的要求。 随着今后的研究深入，必须注重理论计算、材料研究以及铺裟结构设计的结合，这样才能找到 行之有效的方法来解决铺装层的破坏 、u 】题。 首先，论文依托沪j 。扩建项目中某新建桥梁，用有限元软件，分别建立了设置与不设置防水粘 结层的局部梁段二维模型，就荷载集度、铺装层厚度、防水粘结层材料等参数对铺装体系内最人剪 应力f 。的影响进行了分析，找出了铺装体系最不利受力状态及最人剪应力f 。出现的位置，结果 表明铺装体系内f 。均在梁体顶面取得。 其次，用粘接理论来分析防水粘结材料如何与水泥桥面板之间产生表面、界面作用：防水粘结 材料如何润湿、粘附界面；枯接体系的破坏机理。以此来指导实际工程中，如何有效处理水泥桥面 板以增人牯结强度。 然后根据桥面铺装力学计算和粘接理论分析结果，对防水粘结层材料和水泥桥面板进行了系统 的试验研究。试验中选取了四种有代表性的材料如国产环氧、涂料、s b s 改性乳化沥青以及防水卷 材，对比了这几种材料的性能，并对试验方法及技术指标进行探讨，通过研究得剑国产环氧沥青具 有优异的性能。另外通过卷材室内和现场外试验结果的对比，分析了桥面粗糙平整状况以及混合料 摊铺过程对材料粘结性能的影响。 最后，对现有的桥梁的施丁状况和出现的病害进行了调研，对桥面板、伸缩缝处理、施工注意 事项等提出了要求。同时在研究和总结以往成果的基础上，建议了一种适合于大型水泥混凝土桥梁 和特殊地带如跨海等桥梁的防水粘结层结构，对其进行了理论上的探讨和研究。 关键词：水泥混凝土桥面铺装防水粘结层有限元法粘接理论环氧沥青铺装结构 a b s t r a e l a b s t r a c t a sa ni m p o r t a ml a y e r , w a t e r p r o o fa n dc o h e s i r el a y e ro fc o n c r e t eb r i d g ed e c ks h o u l dh a v eh i g hs t r e n g t h w a t e r p r o o f i n ga n dg o o dd e f o r m a t i o na n dt h ev a r i a t i o n i nt h ea c t u a lp r o j e c t m a n yc o n c r e t eb r i d g e sh a v et h e e x p e r i e n c e so fp o o rd u r a b i l i t y 、s h o r ts e r v i c el i f ea n da n yo t h e rd i s e a s e s a n dt h ea s p h a l tp a v e m e n th a s f r e q u e n to c c u r r e n c eo f d i s e a s e s 、p o o rp e r f o r m a n c e 、s h o r ts e r v i c el i r e t h e s ed i s e a s e sa l ec l o s e l yr e l a t e dw i t h t h es e t t i n go ft h ew a t e r p r o o fa n dc o h e s i v el a y e ri nt h ep a v e m e n t n e r e f o r e t h er e s e a r c ho nt h et h e w a t e r p r o o fa n dc o h e s i v el a y e ri st ob eam o s tu r g e n td e m a n d a st h el u c u b r a t i n g ，t h ec o m b i n a t i o no ft h e o r yc a l c u l a t i n g 、m a t e r i a ls t u d ya n ds t r u c t u r ed e s i g nm u s tb e e m p h a s i z e d ，i ti st h ew a y t os o l v et h ed e s t r o yo ft h ep a v e m e n t f i r s t ，b a s i n go nan e wb u i l d i n gb r i d g ei nh u n i n ge x p a n d i n gp r o j e c t ，t h ef i n i t ee l e m e n tm e c h a n i c sm e t h o d i su s e dt oe s t a b l i s ht w o3 d i m e n s i o n a ls p a c em o d e l so fs e t t i n ga n dn os e t t i n gt h ew a t e r p r o o fa n dc o h e s i v e l a y e r t h ec h a n g eo fm o s ts h e a r i n gs t r e n g t h z m i ss t u d i e do nc o n s i d e r i n gt h ec h a n g i n go ft h el o a dv o l u m e 、 t h et h i c k n e s so fp a v e m e n t 、p a r a m e t e r so ft h ew a t e r p r o o fa n dc o h e s i v el a y e rm a t e r i a la n ds oo n t h em o s t d i s a d v a n t a g es t a t ea n dt h el o c a t i o no ft h em o s ts h e a f i n gs t r e n g t h zm xa l ef i n d e do u t ，t h er e s u l ti n d i c a t e s t h a tt h el o c a t i o ni sa l w a y so nt h et o po ft h eg i r d e r s e c o n d ，t h ef e l tt h e o r yi su s e dt oa n a l y s e dh o wt h ew a t e r p r o o fa n dc o h e s i v el a y e rm a t e r i a lc o m ei n t ob e i n g e x t e r i o ra n di n t e r f a c ea c t i o nw i t hc o n c r e t eb r i d g ed e c k ：h o wt h ew a t e r p r o o fa n dc o h e s i v el a y e rm a t e r i a l w e t 、a d h e r i n gt h ei n t e r f a c e ；t h ed e s t r o ym e c h a n i s mo ft h ef e l ts y s t e m t h e s er e s u l t sa r eu s e dt os o l v eh o wt o d e a lw i t ht h ec o n c r e t eb r i d g ed e c kt oa u g m e n tt h eb o n d i n gs t r e n g t hi nt h ep r o j e c t s t h e n t h ed e c kp a v e m e n tm e c h a n i c sa n da d h e r e n c em e t h o d o l o g ya r eu s e dt oa n a l y s et h er e s u l t s t u d yt h e w a t e r p r o o fb i n d i n gc o u r s ea n dc o n c r e t ed e c ks y s t e m i c a l l y i nt h et e s t ，f o u rr e p r e s e n t a t i v em a t e r i a l sh a v e b e e ns e l e c t e d ，i n c l u d ed o m e s t i ce p o x y , c o a t i n gm a t e r i a l a s p h a l to fs b s w a t e r p m o fc o i l e dm a t e d a l t h e p e r f o m m n c eo ft h e s e f o u rm a t e r i a l sw e r ec o m p a r e da n dt h et e s tm e t h o da n dt e c h o l o g yi n d e xw a s d i s c u s s e d ，a n dt h ed o m e s t i ce p o x ym a d ei no u rc o u n t r yh a st h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c e a tt h es a r i l ct i m e ， t h et e s tr e s u l to f c o i l e dm a t e r i a l l nl a b o r a t o r ya n df i e l dw a sc o m p a r e d t h e n t h ei m p a c to f c o n d i t i o no f d e c k r o u g h n e s sa n dp r o c e s so f a d m i x t u r em a t e t i a lp a v m gf o rt h em a t e r i a la d h e r e n c ew e r ea n a l y s e d t h ee n d ，ai n v e s t i g a t ei st a k e no nt h ec o n s t r u c t i o ns t a t u so ft h eb r i d g ea n dt h ed i s e a s ea p p e a r i n g ，t h e r e q u e s t e sa r cb r i n gf o r w a r do nb r i d g ed e c k 、t h ed e a l i n go fe x p a n s i o nj o i n ta n da t t e n t i o np o i n t so f c o n s t r u c t i o n b yt h ew a yaw a t e r p r o o fa n dc o h e s i v el a y e rs t r u c t u r ew h i c hi sf i tf o rt h el o n g s p a nc o n c r e t e b r i d g ea n di ns p e c i a lb e l ti sp u tf o r w a r d ，t h et h e o r yd i s c u s s i n ga n dr e s e a r c hi sd o n e k e y w o r d s ：c o n c i e t eb d d g ed e c kp a v e m e n lw a t e r p r o o fa n dc o h e s i v el a y e r ，f e m ，a d h e s i o nt h e o r y ， e p o x yb i t u m e n , p a v e m e n ts t r u c t u r e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：鹳师签名： 日期： 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 高速公路的高设计标准和全封闭使得桥涵r 吁总长的比例很高，尤其是在河流湖泊众多的南方及 山区丘陵地带。例如，宁淮高速公路全长约4 0 是桥涵，宁蚌高速公路全长约6 0 是桥涵。 桥梁的设计寿命一般是铺装层的几倍，为保证在铺装层的维修或翻修施r = 中不对桥梁造成损坏， 有必要在桥面板与铺装层之问设置一结构层，使既能方便地对铺装层进行维修或翻新，又能仃效地 保护桥梁，而防水粘结层的设置可起到这一作用。同时防水粘结层还具有以f 几方面的作用：( 1 ) 使桥面铺装和桥面板更好地联为一体，使主梁和铺装共同受力；( 2 ) 防止水分下渗接触桥面板。 下图为水泥混凝七桥防水粘结层设置示意图。 图1 - 1 水泥混凝土桥防水粘结层设置示意图 l - 1 1 防水粘结层设计及病害 防水粘结层是桥面铺装中至关重要的一环，但实际中工程中经常出现耐久性差、使用寿命短等 问题，主要有以下几个方面的问题。 1 、因粘结强度不足出现病害 铺装层内部产生较大的剪应力，引起不确定破坏面的剪切变形，或者由于铺装层与桥面板层问 结合面粘结力差，抗剪切能力较弱，在水平方向上产生相对位移发生剪切破坏，产生推移、拥包等 病害。 设置防水粘结层的水泥混凝土桥桥面沥青混凝土铺装在行车荷载作用下的破坏形式一般为剪切 破坏，常表现为拥包、推移和脱层现象。剪切破坏有两种情况：一是桥面钢筋混凝士模量远大于沥 青混凝土和防水粘结层的模量，加之沥青混凝土层厚度较薄，沥青层内产生较大的剪应力而引起的 无确定破坏面的剪切变形；二是防水枯结层与沥青混凝七面层和桥面层间粘结力不足而发生剪切破 坏。因此，剪切破坏是设防水粘结层的水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装损坏的主要原因。 2 、因防水功能不足出现病害 混凝土是由水泥砂浆和级配骨料组成的多孔体，在自身应力和荷载作用下，桥面板混凝土常会 发生裂缝，所以，水分必然进入桥面板。孔隙水在低温时结冰，体积可膨胀约9 ，冈而在冻融及 荷载的反复作用下将引起主梁和桥面板破坏。水的进入将会造成多种破坏，而合适的桥面防水措施 将可避免和减少这些破坏的发生。桥面防水的重要性在于三个方面，即保护桥面板，防止或减少冻 东南人学硕1 学位论文x 融破坏；防j j ：桥面混凝 = j t 粱钢筋出现腐蚀破坏；防止出现渗漏和盐霜等现象影响桥梁荚观。图 1 2 和吲i 竹圳y t 咝轿和带啦坼f ，q ；冬水， 图卜2t 棠桥墩台处渗水 ( 1 ) 因结构开裂造成雨水渗入 图卜3 箱粱内渗水 混凝七桥梁一直被认为具有足够的耐久性，但在汽车超载作用下，可能发生开裂：裂缝即使在 荷载卸除后能够闭合，但由于混凝土结构内部已经受到损伤，构件的开裂弯矩降低、刚度下降；于 是在正常使h j 荷载作用下，本米不该开裂的结构产生裂缝或本来较小的裂缝成为超出规范允许的裂 缝或产生较大的变形。这些都会对结构长期的使用性能和耐久性产生不利的影响。 ( 2 ) 钢筋锈蚀 文献资料表明，钢筋锈蚀引起钢筋混凝土结构的过早破坏，已成为世界各国普遍关注的一大灾 害。美国标准局1 9 7 5 年的调查表明，混凝土中钢筋的腐蚀全美各种腐蚀的4 0 ；我国北京、天津 的许多钢筋混凝土立交桥，使用时间不长，却已广泛显示钢筋腐蚀和混凝十开裂的破坏迹象；建于 8 0 年代初的北京两直门立交桥冈钢筋腐蚀，混凝r = 开裂和不足的交通流鼙j 而不得小拆除重建。 钢筋锈蚀的诱因较多，从大的方面可概括为“先天因素”和“后天因素”。前者与 程结构的 设计，施j ：质量有关，如在设计中末考虑耐久性问题，保护层过薄及在施l ：中使用大量活性材料或 低碱度水泥等；后者则与结构所处环境和人为因素有关，如建筑物处于海边以及处于其他酸性介质 或潮湿环境中。 综上所述，良好的桥面防水保护体系旨在解决后天因素中，因水分渗入而造成的混凝土结构的 破坏。 1 1 2 防水粘结层病害发生的原因分析 笔者通过实际参与的工程及相关资料，研究发现在实际施工及运营过程中存在一些问题，这些 问题与水泥混凝土桥面早期破坏有重要的关系。这些因素归纳起来主要有以下四点：设计理念、超 载、施工、材料选择。 1 、设计理念 国内的桥梁铺装设计过程中，有这样的倾向： ( 1 ) 桥梁的结构理论中对桥面铺装层计算分析的论述几近于零，现行规范中只给定了厚度的推 荐值，工程界一直在各等级公路中运用至今。而各地的气候、交通、原材料、桥梁主体结构等条件 差异极大，在进行高速公路桥面铺装设计时，应考虑各地具体情况采用不同的铺装体系结构型式： ( 2 ) 对防水粘结层的粘结性认识不够，孤立地考虑防水粘结层的粘结强度，没有将其与桥面结 构综合考虑。 ( 3 ) 桥梁铺装建设过程中关注经济性，但需要指出的是该阶段对经济性的评估往往是只注重考 虑建设成本，而对于后期的养护、维修等的长期综合成本缺乏考虑，因此这种评估经常是比较片面 的。 2 、超载的问题 由于高气压可以减少行车阻力，经常性超载的车辆一般都把气压打到超过标准气压。据有关调 查获得的轮胎内压力分布情况，9 l 的后轮胎压超过0 7 m p a ( 我国沥青路面设计规范中的设计接地压 力) 更有4 9 的载货货车后轮胎压超过了i i m p a l 0o 而沥青面层的犬部分破坏类型与接地压力的相 关性超过与轴载的相关性，轮胎压力过度增加对沥青面层的危害最大，超载盛行是桥面铺装早期损 坏的重要原因。 2 第一章绪论 通过后面的有限无数债计算，发现胎压与铺装层内最大剪应力至线性关系，即随着后轴胎压的 增加，铺独内剪应力迅速增加。 3 ，施j ：的问题 前面已提剑与桥梁主体结构相比，桥面铺装一般被认为是次要结构没有引起足够的重视。在 实际施i ：过稃中，绝人部分桥梁的主体结构的施工质量得到保证，而桥面铺装特别是防水粘结层的 施工经常存在施工不规范，监管缺失等现象。 图l o 新桥面上的裂缝蚓l _ 5 处埋 j 的老挢桥旺u 4 、材料选择的问题 防水粘结材料是建筑涂料中重要的组成部分。与内外墙涂料所强调的高装饰性和耐久性不同， 防水粘结材料应具有的荩本功能是它的粘结功能。目前桥面上应用的防水粘结材料主要可分为：热 熔型防水粕结材料、溶荆璎防水粘结剂和热同性防水粘结材料。 ( 1 ) 所形成的防水粘结层应其有良好的枯结强度。良好的粘结性才能抵御车辆行驶时造成的剪 应力，保持铺装层与桥梁主体结构连为一体共同受力，避免脱层及其他耐久性n u 题。 ( 2 ) 所形成的防水粘结层必须具有极好的弹性和韧性，具有良蚶的动态和静态防水功能，也就 是说当桥梁顶面出现开裂时，防水粘结层应具有的延伸性，不会冈基材的开裂析断裂，而且，随着 裂纹的发展及昼夜的伸缩变动，至少应保证使用蒯内反复伸缩不出现裂纹。 ( 3 ) 应具备良好的耐水性、密闭性、耐紫外光照性、耐老化性等性能。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 二十世纪二十年代，丹麦和美国堪萨斯州开始在混凝土桥面采用较为原始的防水层，四、五十 年代伴随发达国家大规模的公路建设，防水层逐步得到应用。防水系统的概念在人十年代出现，由 于认识到防水系统对保证桥梁耐久性的重要意义，英国于1 9 6 5 年开始强制在混凝土桥面设置防水系 统。 1 9 7 2 年7 月经合组织十四个国家联合就“混凝士桥面防水”发表了一份研究报告，报告中总结 了各个国家桥面防水的状况和采取的防水方式，主要就成员国大多采用的桥面防水膜进行了系统的 研究，提出了一些检测防水材料的具体方法。 美国是较早开始桥面防水研究的国家之一，n c h r p 在1 9 7 6 年发表的一份桥面防水报告中介绍 了防水薄膜性能的室内研究方法，研究包括北美大多数防水系统，提出性能筛选试验( 确定极限抗 拉强度和断裂时的延伸率、硬度、吸水性、玻璃化温度、薄膜铺设时间、弹性和增塑剂离析等) 、路 用性能试验( 抗渗性、抵抗桥面变形、抵抗高温破坏能力、抵抗施工机具损伤、抵抗骨料刺破等) 。 试验的目的是筛选出高质量的材料，同时为进一步提高产品质量提供实践依据。 美国n c h r p 在1 9 9 5 年发出的一份桥面防水报告”1 指出：美国最早是六十年代认识到桥面腐蚀 的严重性。当时研究后认为水分和防冻盐是桥面混凝十冻融破坏和主要钢筋腐蚀的主要原因，这就 促使开始提高和改进公路工程中混凝土的质量，增厚钢筋混凝士中钢筋的保护层，甚至要求对桥面 板采取其它专门的保护措施。于是，防水膜( 柔性防水材料敷设于桥面板形成不透水层统称为防水 膜) 开始广泛应用丁二桥面铺装”。 美国的e m a r t i n e l l i 曾对桥面防水层破坏形式，气温和沥青混凝土施工温度、桥面准备状况对防 3 东南大学顾t 学位论文x 水层与桥面的粘结性的影响等进行研究，并认为当沥青混凝上层厚度人j ：1 2 c m 时，由行车荷载引 起的剪应力将不会造成酗水层的破坏”。 9 0 年代后，美国a s t m 在此期间对旧的防水材料试验规程的总结和完善，制定了比较完善的桥 面防水标准。 在英国，从1 9 6 5 年起防水层就已经出现在汽车专用公路桥梁上，但是在防水层的使用过程中暴 露出了很多问题，包括材料渗漏、粘结强度不足、低温脆断和易破损等，严重影响了防水效果。为 了调查清楚这些u 】题，t r l ( t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 从1 9 8 9 年开始对桥面防水进行一 次系统的研究。研究的内容包括防水材料在高温沥青混合料碾压作用下的变化，层问粘结强度的影 响冈素等。考虑到现场试验并不能模拟防水材科所面临的全部状况，t r l 在此基础上又补充了- 部 分室内试验，这样就丁囊括外界环境的所仃变化情况。室内试验主要观察了当环境温度、摊铺温度 变化时，薄膜的性能、长期的吸水性、抵抗氯化物的穿透能力、系统的粘附性和耐久性等的变化规 律限“。 t r l 对常见的桥面防水层材料进行了系统的试验研究后认为，桥面防水层达不到设计要求的主 要原冈是：施工过程的持续高温与碾压会对防水层造成不良的影响。如果防水层过薄的，极易破坏， 因此t r l 推荐了不同类犁防水层的最小厚度。 瑞典国家公路与运输研究所( v 1 1 ) 在处理重大工程时，如高海岸大桥，根据该桥所在地的气 候、地理等冈素，测试多种防水粘结层路面体系产品，以独立或产品组合等方式来进行评估，最终 推荐适合该桥的最 t 体系。在研究过程中，研究人员测试了低温和高温下多种产品体系的特性和性 能，记录了整个体系的重要参数，包括粘结性能、抗剪性能和抗滑性能等。在测试防水层的性能时， 主要考察了以下几个参数：厚度、软化点、抗动水压力、粘结强度、抗剪强度以及搭接带的各项性 能等。 9 0 年代后，为了统一欧洲各国关于桥面防水材料的试验规程，欧洲标准委员会( c e n ) 针对柔 性桥面防水材料的试件成型过程( p r e n l 3 3 7 5 ) 、防水层层间剪切强度( p r e n l 3 6 5 3 ) 、粘结强度 ( p r e n l 3 5 9 6 ) ，抵抗梁体开裂性能( p r e n l 4 2 2 4 ) 、防水材料吸水性( p r e n l 4 2 2 3 ) 的试验方法提 出了统一的标准。 日本在桥面防水层方面也做了一定的研究，他们将防水层材料分为卷材系列和涂膜系列，并规 定在防水层与桥面之间要涂刷枯结材料。日本多田宏行”分析了防水层的影响，分析了铺装层厚度 及粘结层模量对层问剪力的影响，并提出了以层间抗剪强度为指标的沥青混凝土桥面铺装设计方法。 1 2 2 国内研究概况 我国最早是在2 0 世纪8 0 年代初开始逐渐认识到钢筋腐蚀的严重性和桥面防水粘结的重要性， 开始陆续在北京、天津等地铺没柔性防水粘结层。但当时并末对此做系统研究，只是参照屋面防 水技术规范和防水粘结材料厂商推荐产品的简单说明材料执行。 1 9 9 4 年北京市政研究总院针对北京市城市立交桥的桥面渗漏现象做了初步研究，对比了阳离子 氯丁胶乳沥青涂料、盘锦禹王防排水卷材、北京奥克兰防水卷材和h j 型聚氨酯防水涂料等四种防水 粘结材料的使用性能，并将成果应用于北京市的立交桥桥面防水工程。与此同时，同济大学也针对 上海市的城市高架桥桥面防水技术展开了应用研究，提出：将聚合物沥青防水涂料改进后用于桥面 防水。 长安大学裴建中1 对防水材料、环境温度和混凝土表面状况等因素对粘结性能和抗剪性能的影 响进行了分析后，得出不同材料类型、同一材料类型不同材料组成的粘结、抗剪性能差别很大，另 外材料的粘结、抗剪性能随温度变化很大，不同地区不同气候条件下材料选择应用有所不同。 长安大学的张占军”“对水泥混凝士桥面沥青混凝t 铺装结构进行了较为系统的研究后，认为 防水层剪切破坏是水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装损坏的主要原因。作者通过有限元方法，得出了 车辆荷载作用_ f 铺装层内及铺装层各个界面产生的剪应力，随后通过对常见防水层材料和层间结合 料进行直剪试验，确定桥面板与沥青层粘结面抵抗水平剪切的能力，建立相应的抗剪指标，并且提 出了桥面沥青铺装层厚度的计算方法。 华南理工大学罗立峰”“”利用有限元程序对桥面铺装存在的接触界面非完全连续问题进行了 分析，得出存在非完全连续接触界面时荷载作用下铺装材料、厚度以及非完善接触界面的几何尺寸 等对界面层的应力强度因子、最大剪应力、最大接触应力等参数的影响规律；另外应用线弹性理论， 对水泥混凝士桥面铺装层的受力进行了简化，在考虑桥面铺装层本身的功能要求的前提f ，将桥梁 整个上部结构简化为一块正交各向异性小挠度弹性薄板结构，提出了以梁板体的最大弯矩为基础， 4 第一章绪论 以桥面铺装开裂和剥离为控制指枷：的水泥泓凝t 桥面铺袈的计铮方法和桥而铺装设计的控制指标。 北京建筑i ：程学院的季1 s - 1 1 5 1 借鉴路面结构多层弹性体系的研究厅法，将桥向铺裟简化成桥面铺 装层+ 水泥混i 疑上j i 车道扳+ 主梁( 弹性半空问体) 的：层弹性层状体系的力学模型，利h j 有效活载 挠度作为设计弯沉值，计算了桥面柔性铺装层的厚度范围，并给出了沥青铺装层与挠度的关系诺谟 图。 武汉工业大学的卢哲安、丁庆军、魏文晖 1 6 - 1 8 1 等人，对湖北省武黄高速公路桥涵桥面铺装层破 坏开展了包括现场静力及动力测试，材料强度试验、老桥跟踪凋奄以及设置铺装阻尼减震器在内的 一系列跟踪试验研究。通过研究发现：( 1 ) 发现对于兴建桥梁铺装层破坏不是由铺装层材料的强度 不足引起的，1 ：；：载作用下界面粘结强度不够是桥涵铺装层破坏的一个原因；( 2 ) 通过对使用一年后 的桥面铺装层混凝上钻芯取样进行力学性能测试，发现混凝上抗压强度利抗拉强度1 - j 设计强度相比 已大大降低这说明混凝十在 r 车的反复作用下而疲劳火效，另外还发现界面枯结强度亦不能满足 要求，可见在常年的汽车荷载作用f ，铺装层的疲劳效应是存在且不容忽视的；( 3 ) 桥面结构安装 了粘弹性阻尼器后，能够产生较强的耗能控制力，显著地增加r 整个结构的耗能能力，达到了对结 构振动控制的目的。粘弹性阻尼器减振效果明显，是一种十分方便、有效的减震装置。 哈尔滨 业大学的徐伟i l ”采用三维有限元分析技术，对大跨径混凝土斜拉桥桥面铺装体系进行 了三个层次的力学分析，通过研究发现大跨径混凝十桥梁桥面铺装受力特点变形不会造成沥青桥面 铺装破坏，粘结层结构是影响整个铺装层体系性能的关键冈素之，也是桥面铺装与普通路面结构 的一个主要区别，粘结层破坏或失效是目前许多桥面铺装破坏的一个重要原冈。 罗剑”对钢箱梁上粘结层进行力学分析，通过比较最不利位置下铺装粘结层横向最大剪戍力与 纵向最人剪应力，认为在分析枯结层剪切破坏时，应综合考虑横向剪应力和纵向剪应力的影响。 长安大学周庆华”详细介绍了国外t r l 和a s t m 关r 桥面防水材料的性能试验和检测方法，分 析了以往试验的优劣性和适用性，在此基础上，结合我国现有公路相关试验规程，制定出防水材料 的性能指标试验方法和检测技术 长安大学陈拴发”等在分析现场施_ t 损伤的基础上，研究采用抗施工机械损伤、抗热集料刺破 及不透水性等评价桥面防水层的抗施 损伤特性，提出相应的试验方法，对常见防水材料的抗施工 损伤性能进行对比和评价，确定出防水层的最小设计、施l 厚度。 目前，我国通彳j ：的几个规范”对防水粘结层的设计和施工等做了一些规定，认为桥面沥青 铺装应由枯结层、防水层及沥青面层组成。其中路桥用水性沏青基防水涂料j 1 厂r 5 3 5 2 0 0 4 规定 了材料检验的项目如外观、固体含量、延伸性、柔韧性、耐热性、粘结性、不透水性、抗冻性、耐 腐蚀性、干燥性、高温抗剪、抗硌破及渗水、人工气候加速老化等项目并简略介绍了试验方法，路 桥用塑性体( a p p ) 沥青防水卷材j 研5 3 6 2 0 0 4 规定了检验项目如可溶性含量、不透水性、耐热 度、拉力、最大拉力时延伸率、低温柔度、撕裂强度、人工气候加速老化、抗硌破等物理力学性能 指标大小。 根据近几年高速公路采用的防水粘结材料的资料搜集，常用的桥面防水秸结材料主要有乳化沥 青、改性乳化沥青、涂料、s b s 卷材、a p p 卷材等，国产环氧沥青材料的开发研究也逐渐成熟，因 其优良的粘结性能开始得到实际应用。 理论研究和试验研究是不可分割的，在开始从事铺装材料及施工技术方面进行研究的同时一 些学者对车辆荷载作用下混凝士桥梁桥面铺装层的进行受力分析，为混凝十桥梁桥面铺装设计提供 计算依据。总的来说，我国现在对于水泥混凝土桥沥青铺装层的研究还处于起步阶段，取得了一些 探索性的研究成果，随着今后的研究深入，必须注重理论计算和材料试验的结合，这样才能找到行 之有效的方法来解决铺装层的破坏问题。 1 3 课题研究意义和主要内容 研究水泥混凝土桥面防水粘结层，要注重其与铺装材料、桥面混凝土层间的粘结效果，又要考 查其防水性。同时，防水枯结层应具有适应桥面板的灵活性，抵抗行车荷载冲击和施工车辆碾压、 推挤的能力，以及抵抗桥面变形和裂缝的能力。 有限元计算是材料研究的前提和指导，可以模拟各种复杂状况下防水枯结层的受力状况，对材 料提出技术指标。同时，笔者进行了比较深入和广泛的资料检索和实地调查，确定了以下的几点主 要研究内容： 1 、建立水泥混凝土梁的三维有限元模型，重点研究在汽车行驶下铺装体系内最大剪应力的变化 规律。利用有限元程序对桥面铺装中防水粘结层与梁体和沥青混凝土铺装之间存在的接触界面问题 5 东南大学硕士学位论文x 进行分析，重点研究存在接触界面时铺装材料厚度筲对界面层的破坏影响。 2 、防水粘结材料与铺装层和桥面板之问是一种粘附现象。采用粘附理论研究三者之间的界面行 为，发扦材料的潜在粘附强度。 3 、进行材料的室内研究和现场试验研究，归纳和完善材料的评价方法和试验选择。同时运用粘 附理论来分析防水枯结材料的粘结性能，以更有效发挥材料的潜力，增强材料与铺装材科和桥面问 的粘绐强度。 4 、将理论计算结果与室内试验数据和现场试验数据对比分析，进而对材料性能要求和选择进行 总结，完善水泥混凝土桥面防水粘结层的材料选择和施_ 亡要求。 6 第二章混凝土桥面沥青混凝上铺装力学分析 第二章混凝土桥面沥青混凝土铺装力学分析 至今世界各国采用的表面沥青混凝土可分为两大类四种。一类是密实式沥青混凝土，另一类是 多空隙沥青混凝土( 粗集料断级配) 。密实式沥青混凝土又分为三种。一种是传统连续级配沥青混凝 土，第一二种足粗集料断级配沥青混凝土( 如德囝的碎l i 沥青胶砂混凝十s m a 、法隔的薄沥青混凝土 b b m 、我国的多碎钉沥青混凝十s a c 等) ，第二种是细集科断级配沏青混凝七( 如英国的热_ r ；叵式沥青 混凝卜h r a ) 。水泥混凝_ 十桥面铺装由于其特殊的性质，既不a ，照搬路面沥青混凝土，也不同于钢桥 面铺装。 由f 所用的桥面铺装沥青混凝土的差别，在骨料、级配、胶结料、层问粘结材料、施工工艺等 方面备有特色，常常表现出不同的力学性能。但是在一定条件下它们仍可看作是弹性材料，有限 单元法是一l 程分析中被广泛应圳的数值讨算方法，可以真实地模拟材料和结构的行为，因此本章通 过变化铺装层的厚度和模量，柬模拟不同的铺装材料_ 手i i 结构。 本文基于沪个线上某桥梁实际结构和1 支承状况的铺装体系，运用有限元软件a d i n a ，建立了两 个模型，一个是直接加铺沥青混凝上铺装层，另一个足设有防水粘结层的铺装体系。对两个模颦各 自做参数敏感性分析。重点分析住结构内各部位所受剪应力变化情况，并对比两个模型的计算结果， 分析设与不设防水粘结层对结构受力的影响，为铺装层的材料选择、结构设计提供可靠的依据。 2 1 计算模型与方法 2 1 1 桥梁结构简介 本章以沪宁高速公路( 江苏段) 扩建工程路线两侧分线上某新建桥梁为模型。沪宁高速公路扩 建项目中，在老桥两侧各建半幅宽1 3 5 m 的桥，为单行线。该桥为l = 2 0 m 的预应力混凝土t 梁桥， 计算跨径为1 8 6 6 m ，单幅桥面宽度为0 5 m + 1 2 5 m + o 5 m = 1 3 5 m ，桥面设置2 的单向横坡。预制梁、 现浇桥面板均采用5 0 号混凝上：桥面采用沥青混凝七铺装，厚度为4 c m 上铺装+ 4 c m 下铺装；实际 施工中以涂料作为防水粘结材料。图2 - 1 为新建桥梁的右半幅示意图。 2 1 2 有限元模型建立 粘结层结构是影响整个铺装层体系性能的关键因素之一，也是桥面铺装与普通路面结构的一个 主要区别，设置防水粘绐层的水泥混凝士桥桥面沥青混凝土铺装在行车荷载作用f 的破坏形式一般 为剪切破坏，常表现为拥包和推移现象。粘结层破坏或失效是目前许多桥面铺装破坏的一个重要原 因f l l2 5 2 “。 有限元法及计算技术的发展为分析接触和碰撞问题提供了有力的工具，对接触的全过程进行计 算机数值模拟，故分析中将粘结层与下铺装底面和梁体之间做接触处理，上铺装和下铺装之间很少 发生破坏，因而将其定义为完全连续。 研究铺装体系中防水粘结层的受力，将其作为一个接触问题。接触过程在力学上常常同时涉及 三种非线性，即除大变形引起材料非线性和几何非线性以外，还有接触界面的非线性，这是接触问 题所特有的”“。接触界面非线性来源于两个方面： ( 1 ) 接触界面的区域大小和相互位置以及接触状况不仅事先都是未知的，而且是随时间变化的， 需要在求解中确定。 ( 2 ) 接触条件的非线性。接触条件的内容包括：接触物体不可相互侵入；接触力的法向分 量只能是压力；切向接触的摩擦条件。这些条件区别与一般约束条件，其特点是单边性的不等式 约束，具有强烈的非线性。 下面简要介绍一下模型的建立过程，采用足尺理论选取桥梁右半幅局部粱段建立有计算模型。 根据模型本身的几何对称性，建模时横向选取结构的右半幅，纵向选取两个横隔粱中间的部分，并 施加荷载。纵向采用词结处理，由于模型是整个桥梁结构的右半幅，横向不发生位移或者位移极小， 故而约束模型左侧的横向位移。 整体坐标系依照如下规则建立，沿桥纵向为z 轴，沿桥横向为x 轴，z 轴垂直于x y 平面。建立 的模型如图2 2 所示，图2 - 3 、2 - 4 、2 - 5 、2 - 6 为拆分模型。 7 匝旧颦赠霎齄叫麟副b一繇赆r翅聪_【由匝 h杖秘翠扑书辱扑长惺婿 第二章混凝七桥面渤青混凝上铺装力学分析 图2 - 2 铺装体系的有限元模型 图2 - 3 上铺装层的网格化图2 4 下铺装层的网格化 图2 - 5 防水粘结层的网格化图2 - 6 粱体的网格化 1 基本假定 应用有限单元法对三维桥梁局部梁段进行受力分析时，为了提高效率简化计算，引入如下假定： 1 、防水枯结层在铺装和桥面问起粘结作用，与铺装和桥面间设置为接触，上铺装和下铺装之间 为完全连续； 2 、所有材料均为线弹性，为连续的、均匀的、各向同性的，用e 、表征； 3 、不计桥梁自重，忽略桥面负弯矩和桥梁震动对计算的影响； 4 、模型中梁段的两段为完全固结，左侧约束横向位移； 5 、忽略桥面横坡对计算的影响。 2 单元的选择 本模型是用大型有限元软件a d i n a 建立的三维模型。选用了三种单元，上铺装层、下铺装层和 梁体用8 节点的3 - - d s o li d 单元，若设有防水粘结层则用8 节点的s h e ll 单元。 三维单元可能有的几何形状很多，下图2 - 7 列出8 节点单元的模型，图2 - 8 为局部坐标下的壳 单元。 9 东南大学硕士学位论文 画矽 图2 78 节点实体单元的模型 本章中所用的壳单元有八个节点i 、j 、k 、l 、m 、n 、0 、p 。 图2 - 8 局部坐标系下的壳单元 桥面铺装层采用六面体单元( 八节点) 划分结构，可以得到较为精确的位移及应力的分析结果； 利用四面体( 四节点) 或三棱柱( 六节点) 单元划分结构，虽然可得到较精确的位移分析值，但得 到的应力值的计算误差较大。所以为了得到较精度的分析结果，通常采用六面体单元作为结构的主 单元。 梁体面板与沥青铺装层间的防水粘结层以及梁体的横隔板采用8 节点的板壳单元，如图2 8 所示。 该单元也是含有中节点的二次单元，能够和前述的实体单元协调变形，单元的每个节点具有6 个自由 度，即分别是x 、y 、z 3 个方向的位移自由度和转角自由度。该单元具有塑性、应力刚化、大变形和 大应变的特性。 3 轮载的选择 轮胎与桥面铺装层接触面上的单位压力同轮载的大小、轮胎的充气内压力及其性质有关。一般 汽车的轮胎气压为0 4 m p a o 7 归a 。由于轮胎本身刚度的差异，轮胎在铺装层接触面上的压力分布 并不均匀，也不完全同轮胎气压相等。在计算时，通常将接触压力视为均匀分布，并直接采用轮胎 气压作为轮胎与桥面的接触压力。 目前还没有针对桥面铺装设计来规定标准的轮载形式，国内外在进行桥面铺装设计研究中采用 过多种轮载，主要可分为单轮均布荷载形式和双轮均布荷载形式两种本文采用单轮均布荷载形式。 在进行有限元分析时，将规范规定的轮胎接地形状由圆面积等效转换成正方形面积，实际的轮 胎着地的大小依据胎压的不同而变化，但基本上可近似为矩形，因此本文为分析计算考虑，取轮胎 着地的形式为矩形，考虑单轮矩形均布荷载对桥面铺装层受力的影响。 根据公路桥涵设计通用规范( j t g i ) 6 0 2 0 0 4 ) ，汽车荷载分为公路一i 级和公路一i i 级。汽车荷 载由车道荷载和车辆荷载组成，车道荷载由均布荷载和集中荷载组成。桥梁结构的整体计算采用车 道荷载，桥梁结构的局部加载采用、涵洞、桥台和挡土墙土压力等的计算采用车辆荷载。车辆荷载 和车道荷载不得叠加。 本文采用车辆荷载进行计算，水平荷载与垂直荷载同时考虑。加载时，汽车荷载的局部加载的 冲击系数采用1 3 ，根据规范”。，后轴重力标准值1 4 0 k n ，考虑冲击系数后，单轮总重为9 1 k n ，取 标准轮压为0 7 0 7 m p a ，反算得受力面积为0 1 2 8 7 m 2 ，取短边长为0 2 m ，则长边约为0 6 4 m 。水平荷 载通过垂直荷载乘以轮胎与路面间的摩阻系数f 得到，摩阻系数f 取0 3 ，即：0 7 0 7 m p a x 0 3 = 0 2 1 2 1 m p a 。 用三角形原理将水平荷载与垂直荷载进行受力合成，如图2 9 所示，荷载作用面积如图2 - 1 0 所 示。 1 0 第二章混凝土桥面沥青混凝上铺装力学分析 o7 3 8 1 h p a 图2 - 9 受力合成图图2 - - 1 0 荷载作用面积图 4 基本参数选择及计算荷位的确定 在计算前，先确定基本参数的取值，如沥青混凝土弹性模量及泊松比、水泥混凝土弹性模量及 泊松比、防水粘结层模晕及泊松比、防水牯结层厚度等，如表2 1 所示。 规范”中规定c 4 0 混凝土的弹性模量为3 2 5 1 0 4 m p a ，c 4 5 为3 3 5 x1 0 4 l p a ，c 5 0 为3 4 5 x 1 0 4 m p a ( 当采用引气剂及较高砂率的泵送混凝土且无实测数据时，该e 。应乘以折减系数0 9 5 。根据 该桥设计文件，上下铺装层厚度均为4 c m 。防水粘结层材料模量根据有关资料“”采用2 0 0 m p a ，泊松 比为0 3 。 表2 1 基本参数取值 沥青混 卜铺下铺垂直 冲 防水粘防水 参凝t 弹 泊水泥混凝 泊松 装厚装厚力 击 结层材粘结 防水粘 数 性模量 松 土弹性模 比 系料模量层泊