（道路与铁道工程专业论文）基于复合梁的钢桥面铺装层疲劳特性研究.pdf

摘要 摘要 疲劳开裂是大跨径钢箱梁桥沥青混凝土铺装在使用过程中所面临的主要病害之一，如何在实验 室模拟交通荷载对正交异性钢桥面沥青混凝土铺装层的作用是钢桥面铺装领域亟待解决的关键技术 问题。到目前为止，世界各国均未形成系统的钢桥面铺装设计理论与设计方法本课题选用有广阔 应用前景的环氧沥青混凝土铺装层为研究对象，以复合粱为载体，研究了环氧沥青混凝土复合粱在 弯曲荷载作用下的特性，以及复合粱疲劳过程中的环氧沥青混凝铺装层的疲劳温升与能耗特性， 建立了考虑层问粘结效应的新型钢桥面铺装复合粱模型与基于修正能耗的环氧沥青混凝土铺装层疲 劳方程，提出了钢桥面环氧沥青混凝土铺装层的耐久性评估方法 ( 1 ) 考虑层问粘结效应的新型钢桥面铺装复合粱模型 根据对正交异性钢桥面铺装荷载- 变形响应特性的分析，将车轮荷载作用下正交异性钢桥面铺装 的局部效应转化为简支复合梁进行研究，借鉴部分共同作用理论，采用三条基本假定：( 1 ) 铺装层 与钢板层间允许相对变形，其应变分布不连续：( 2 ) 横截面上应变沿铺装层与钢板高度方向的应变 斜率相等；( 3 ) 层间剪应力正比与层间相对变形，建立了考虑层间粘结效应的新型钢桥面铺装复合 梁模型，推导得出了层问滑移、应变与挠度等的解析表达式，提出钢桥面铺装参数反算方法，并测 试了环氧沥青混凝土铺装复合粱横截面上的应变分布，试验结果验证了新模型的有效性。 ( 2 ) 环氧沥青混凝土铺装层的疲劳特性 在复合梁疲劳过程中，环氧沥青混凝土铺装层所消耗的能量可分为损伤能耗与热耗散两方面。 损伤能耗是引起铺装层疲劳损伤的直接原因，燕耗散则与铺装层的累积损伤无直接关系。通过修正 疲劳温升对铺装层模量的影响可实现损伤能耗的计算。文中完成了复合梁的挠度与模量随温度的变 化规律以及疲劳过程中铺装层的温升规律的测定，并实现了对铺装层模量疲劳过程中的修正计算。 通过不同应力水平的复合粱疲劳试验，研究了动挠度、动模量、能耗等疲劳特性参数的变化规 律以及疲劳寿命的分布，建立了复合梁铺装层的疲劳失效标准与疲劳方程。环氧沥青混凝土铺装层 的疲劳服从双参数w e i b u l l 分布，其损伤累积符合线性法则。唯象学方法与能量法所得到铺装层的疲 劳方程可在形式上取得较好的一致，能量法可区分铺装层疲劳过程中累积损伤与热耗散现象，与钢 桥面铺装的实际状况更为接近。 ( 3 ) 钢桥面铺装层的疲劳寿命估算方法 建立了室内疲劳试验荷载与室外标准轴载之间的对应法则，该方法以相对变形为等效指标， b z z - 1 0 0 的室内疲劳等效荷载为3 8 k n ，研究了不同轴载对铺装层的疲劳损伤与等效换算问题，提 出了基于刚度验算与线性累积损伤并考虑车轮荷载横向分布效应的钢桥面铺装疲劳寿命预估方法。 关键词：大跨径钢桥，正交异性钢桥面，桥面铺装，环氧沥青混凝土，复合梁，疲劳特性 东南大学博士学位论文 a b s t r a c t f a t i g u ec r a c k i n gi sam a j o rd i s t r e s so fa s p h a l ts u r f a c i n go no r t h o t r o p i cs t e e ld e c ko fl o n g - s p a n n e d b r i d g e sd u r i n gi t so p e r a t i o nt i m e h o wt os i m u l a t ea x l e l o a de f f e c to nd e c kp a v e m e n ta n di n v e s t i g a t e f a t i g u ec h a r a c t e r so fa s p h a l ts u r f a c i n gi ss t i l la l lu n s o l v e dc r i t i c a lp r o b l e m ，a l t h o u g hr e s e a r c h e r sa l la r o u n d t h ew o r l d h a v ep a i dm u c ha t t e n t i o nt oi t p a v e m e n td e s i g no l lo r t h o t r o p i cs t e e ld e c k “m l a l n st ob e s y s t e m a t i c a l l yt h e o r i z e d ，s oa st oi t ss p e c i f i c a t i o na n d c r i t e r i o n d e c kp a v e m e n to fe p o x ya s p h a l t , a p r o m i s i n gt h e r m a l - s e ts u r f a c i n gs y s t e mi ss t u d i e dw i t hc o m p o s i t eb e a ms a m p l e s b e n d i n ga n df a t i g u e c h a r a c t e r so ft h ec o m p o s i t es y s t e ma r ei n v e s t i g a t e d an e wm o d e lc o n s i d e r i n gi n t e r l a y e rs l i pb e t w e e n a s p h a l tp a v e m e n ta n ds t e e ld e c ki sp r o p o s e da n dv e r i f i e d an e wm e t h o db a s e do nd a m a g ee n e r g y d i s s i p a t i o n i sf o r m e dt oe s t i m a t et h ef a t i g u el i f eo fd e c kp a v e m e n to no r t h o t r o p i cs t e e ld e c k o f l o n g - s p a n n e ds t e e lb r i d g e s ( 1 ) n e wc o m p o s i t eb e a mm o d e li n c l u d i n gb o n d i n ge f f e c t sb e t w e e na s p h a l tl a y e ra n ds t e e ld e c k l o c a ld e f l e c t i o no f d e c kp a v e m e n tu n d e rt r a f f i ca x l el o a di ss i m p l i f i e da sas i n g l es u p p o r t e dc o m p o s i t e b e a m p a r t i a li n t e r a c t i o nt h e o r yi se m p l o y e dt of o r man e wc o m p o s i t eb e a mm o d e li n c l u d i n gs t e e ld e c k , w a t e r p r o o fa n db o n dm e m b r a n e ，a n da s ；p h a l ts u r f a c i n gl a y e r s t h r e ei m p o r t a n ta s s a m p t i o i l sa r em a d eb a s e o nt e s tr e s u l t s ：( 1 ) s t r a i na ti n t e r l a y e ri sd i s c o n t i n u o u s , ( 2 ) s l o p eo f s t r a i ni ne p o x ya s p h a l tl a y e ri st h es a m e w i t l is t e e ld e c k ( 3 ) s h e a rs t r e n g t ha ti n t e r f a c ei sp r o p o r t i o n a lt or e l a t i v es l i po fa s p h a l ts u r f a c i n ga n ds t e e l d e c lc o n s t i t u t i v ed i f f e r e n t i a le q u a t i o n sa n de x p r e s s i o n so fs l i p ，s t r a i na n dd e f l e c t i o no fs i n g l es u p p o r t e d c o m p o s i t eb e a mw i t hc o n c e n t r a t e df o r c e a tm i d - s p a na r ed e r i v e d ab a c kp r o p a g a t i o nm e t h o d sb a s e do nt h e m o d e li se s t a b l i s h e dt oc a l c u t a t em a t e r i a lp a r a m e t e r so fd e c kp a v e m e n t t e s t sa r ec o n d u c t e dt oi n v e s t i g a t e s t l a l nd i s t r i b u t i o no f e p o x ya s p h a l tc o m p o s i t eb e a ma n dp a r a m e t e r sc a l c u l a t i o n t h et e s tr e s u l t sv e r i f i e dt h e e f f i c i e n c yo f t h en c l o vm o d e l ( 2 ) f a t i g u ec h a r a c t e r so f e p o x ya s p h a l ts u r f a c i n gl a y e r d u r i n gt h ef a t i g u ep r o c e s so f c o m p o s i t eb e a m , e p o x ya s p h a l tl a y e rd i s s i p a t e se n e r g yi nt w ow a y s o n e i sr e l a t e dw i t hf a t i g u ed a m a g en a m e dd a m a g ed i s s i p a t i v ee n e r g y ( d d e xt h eo t h e ri sr e l a t e dw i t hh y s t e r s i s h e a t i n gn a m e dh e a te n c p g y ( h e ) a c c u m u l a t i o no fh ec a u s e st e m p e r a t u r eo fa s p h a l tl a y e rr i s i n g ，w h i c h d e c r e a s ei t ss t i f f n e s sa n ds h o u l db ee x c l u d e dt oa c c u r a t e l yd e s c r i p tf a t i g u ed a m a g ep r o c e s so f a s p h a l tl a y e r d d ec a l lb ec a l c u l a t e db a s e do nm o d i f i e dm o d u l u st oe x c l u d eh eo u to f t h ew h o l ee n e r g yd i s s i p a t i o n c o m p o s i t eb e a ms a m p l e sa r et e s t e dt oc h a r a c t e r i z ef a t i g u ep r o p e r t i e so f e p o x ya s p h a l ts u r f a c i n gl a y e r an e wf a i l u r ec r i t e r i o nb a s e do ne n e r g yc u r v ei sp r o p o s e d f a t i g u el i f eo f e p o x ya s p h a l ts u r f a c i n gl a y e ri s c o n f i r m e dw i t ht w op a r m n a t e mw e i b u l ld i s t r i b u t i o n 1 1 1 ed a m a g ei sv a l i d a t e dt oa c c u m u l a t ei nl i n e a rr u l e s p h e n o m e n o l o g i c a la p p r o a c ha n de n e r g ya p p r o a c ha l ec o m p a r e d i ti sb e l i e v e dt h a te n e r g ya p p r o a c hi sm o r e s u i t a b l ef o rf a t i g u el i f ee s t i m a t i o n ( 3 ) f a t i g u el i f ee s t i m a t i o no f p a v e m e n to no r t h o t r o p i cs t e e ld e c k f a t i g u ed a m a g eo na s p h a rs u r f a c i n gl a y e rc a u s e db yd i f f e r e n ta x l el o a da n de q u i v a l e n tc a l c u l a t i o na ” s t u d i e da tt h ee n dp a r to f t b et h e s i s f a t i g u ee q u a t i o nt h r o u g he n e r g ya p p r o a c hi su s e d am e t h o di n t e g r a t e dw i t h b e n d i n gr i g i d i t ya n df a t i g u ei n s p e c t i o ni se s t a b l i s h e df o rc a l c u l a t i n gd a m b i l i t yo fd e c kp a v e m e n t l a t e r a l d i s t r i b u t i e ne f f e e t ao f w h e e l1 0 a da r ea l s oi n c l u d e di nt h i sm e t h o d k e y w o r d ：l o n g - s p a n n e ds t e e lb r i d g e , o r t h u t m p i cs t e e ld e c kp l a t e ，d e c kp a v e m e n t , e p o x ya s p h a l tc o n c r e t e , c o m p o s i t eb e a m ，f a t i g u ec h a r a c t e r - i i 图目录 图1 1 图l - 2 图1 - 3 图1 _ 4 图i 5 图1 - 6 图1 7 图1 8 图i - 9 图卜1 0 图1 1 l 图1 1 2 图l ，1 3 图1 1 4 图1 1 5 图2 1 图2 - 2 图2 - 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 - 7 图2 - 8 图2 9 图2 1 0 图2 ，l l 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 盈2 - 1 6 图2 1 7 图2 1 8 图2 1 9 图2 - 2 0 图2 - 2 l 图2 - 2 2 图3 1 图3 2 图3 0 图3 - 4 图目录 典型的正交异性钢桥面板的构造一 南京长江第二大桥钢桥面板纵向加劲肋的构造图( 横隔板附近) 润扬大桥南汉桥钢桥面板纵向加劲肋的构造图( 横隔板附近) 单层浇注式沥青混凝土铺装体系 2 。2 2 ，6 7 双层环氧沥青混凝土铺装体系 双层改性沥青s m a 铺装结构 n a k a n i s h i 与k e n s e t s u 提出的三层铺装体系的两跨连续粱模型。 h a n l e a t le ta l 所测得的浇注式沥青混凝土铺装复合梁应变分布曲线 试件尺寸与加载示意图。 静载试验时的荷载- 应变曲线 环氧沥青混凝土复合梁应变测点布置示意图 各测点的荷载应变曲线 不同温度与荷载条件下复合粱铺装中的最大拉应变 8 9 9 1 0 。1 0 1 1 6 k n 荷载作用下应变沿高度分布的规律1 2 三层材料组成的复合粱试件横截面圈1 2 反弯点间铺装层的应力云图( 红色为晟大拉应力区，蓝色为最大压应力区) 2 3 钢桥面铺装控制荷位所对应的变形曲线 反弯点闯铺装体系的筒亿 基于完全相互作用的钢桥面铺装复合梁横截面上的应力与应变分布2 4 承受集中荷载的简支梁的弯矩图 复合结构横截面上纵向应变没截面高度的分布 考虑层间滑移的钢桥面铺装复合粱横截面上的变形与内力 一2 5 复合粱横截面上的应变与内力示意图2 7 粘结层中水平滑移与剪应变的关系 复合梁模型简化过程示意图 两种模型所计算得到的挠度、拉应变与铺装层弹性模量之间的关系曲线 两种模型所计算得到的挠度与拉应变之间的关系 复合梁横截面上应变片的布设状况 实测复合梁横截面上的应变分布 层间滑移沿复合梁纵向的分布状况 滑移应变沿复合梁纵肉的分布状况 2 9 3 0 3 2 3 2 3 3 。3 3 铺装层的模量对复合粱横截面上应变分布的影响3 5 粘结劲度对复合梁横截面上应变分布的影响3 6 弹性模量与粘结劲度对铺装层顶面拉应力的影响曲线3 6 弹性模量与粘结劲度对层间剪应力的影响曲线 弹性模量与粘结劲度对复合粱挠度的影响曲线3 7 实测应变与反算的应变( 静载状况) 3 9 控制荷载模式复合粱荷载挠度滞回曲线的变化图4 l 复合梁疲劳过程中铺装层表面温升曲线， 复合粱疲劳过程中温度测点的布置 疲劳温升幅度在复合梁铺装层中的分布 4 3 4 5 4 6 东南大学博士学位论文 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 - 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 铺装层的平均温度计算示意图4 6 铺装层的平均温升与其顶面疲劳温升的关系4 6 铺装层的最大温升幅度与荷载作用次数的关系曲线 铺装层表面的温升幅度比与循环比的关系曲线4 7 不同温度条件下复合粱的荷载挠度曲线 4 8 复合梁的挠度与温度的关系( 弯曲荷载：s k n ) 4 8 复合粱层问滑移应变与温度的关系曲线( 荷载增量：l k n ) 4 9 反算粘结鲂度与温度的关系曲线4 9 铺装层的反算模量与温度的关系曲线。4 9 考虑疲劳温升影响的铺装层动模量曲线 损伤能耗与荷载作用次数的关系 图3 1 6 损伤能耗与循环比的关系曲线 图3 一1 7 累积能耗与荷载作用次数的关系曲线。 图4 _ l 标准复合粱钢板( 图中标注单位：m m ) 一 5 1 5 1 5 4 图牝两组分比例变化对环氧沥青技术性能的影响曲线5 7 图4 - 3 布氏粘度仪及恒温油浴 图4 - 4 图4 5 图粕 图4 7 组分a 与组分b v 混合体的粘温粘时曲线 复合梁试件的套模 5 7 5 8 正交异性钢桥面铺装层中的拉应变与拉应力与模量比的关系曲线6 0 复合梁铺装层中的拉应变与拉应力与模量比的关系曲线。6 0 图4 - s 正交异性钢桥面铺装直道疲劳应变曲线 图4 - 9 复合梁控制荷载疲劳应变曲线。 图4 - 1 0 实测复合梁跨中挠度信号( 荷载作用频率，为1 0 h z ) 。 图4 - 1 1 图4 - 1 2 图4 1 3 图4 - 1 4 图4 - 1 5 6 l 6 l 实测车速与变形脉冲时间的关系6 2 铺装层中展大拉应力点的应力响应历程6 3 模拟多轴轴载的疲劳荷载波形图6 3 m t s 8 1 0 与多功能采集仪 m t s 疲劳试验的数据文件片段 图4 - 1 6 荷载与跨中挠度的平滑处理 图4 一1 7 经平滑处理的滞回圈 图5 1 不同频率的荷载作用时铺装层顶面的拉应变时程曲线6 8 图5 2 动应变与试件温度的关系曲线 图5 - 3 不同荷载水平的铺装层顶面的拉应变时程曲线。 图5 _ 4 不同轴载作用所对应的复合粱铺装层中的应力应变滞回曲线 图5 - 5 动挠度与荷载作用次数的关系 图5 6 铺装层的动模量与荷载作用次数的关系 。6 9 7 0 7 1 。7 2 7 2 图5 - 7 相位角与荷载作用次数的关系7 3 图5 - 8 铺装层的能耗与作用次数的关系。 图5 - 96 k n 与8 k n 荷载作用时铺装层疲劳寿命的w e i b u l l 分布拟合图7 6 图5 - 1 01 0 k n 与1 2 k n 荷载作用时铺装层疲劳寿命的w e i b u l l 分布拟合图7 7 图5 一l l 各级荷载作用下铺装层疲劳寿命的可靠度曲线7 8 图5 1 2 总能耗的试验结果与模型野= 一彤w o 。的预测结果8 1 图5 1 3 环氧沥青混凝土铺装层应力疲劳寿命曲线 图6 1钢桥面铺装层设计流程图。 n 图目录 图6 - 2 图6 - 3 图6 4 图6 - 5 图“ 相对挠度的定义。 南京二桥正交异性钢桥面铺装的局部变形曲线( 钢桥面板底部) 汽车荷载的横向位置( 以南京长江第二大桥为例) 因轮迹中心线偏移产生的横向荷位 轮迹中心线偏移的频度 i l l 8 6 8 8 9 l 9 l 9 2 东南大学博士学位论文 表目录 表1 1 钢桥面铺装不同层位的常用材料一览表5 表1 2 国内采用环氧沥青混凝土铺装体系的钢桥一览表7 表2 1 双轮荷载作用时铺装体系的变形2 2 表2 2 横截面上应变分布的回归结果3 3 表2 - 3 复合梁静载测试结果( 荷载增量：l k n ) 。3 8 表4 - l国内部分钢桥桥面板与纵向加劲肋的构造5 3 表4 - 2 玄武岩集料性能【5 4 表4 - 3 表4 - 4 表4 - 5 玄武岩集料筛分及密度测试结果5 5 矿粉的技术性质与技术要求5 5 组分a 技术指标5 6 表4 - 6组分b 技术指标5 6 表4 7 环氧沥青技术性能5 6 表4 - 8 环氧沥青混合料的级配范围与合成级配5 8 表4 - 9 复合梁疲劳试验因素6 2 表4 1 0 双轴的相互影响系数6 4 表5 1 不同加载频率的复合梁疲劳特性参数初始值6 9 表5 - 2 不同温度的复合梁疲劳特性参数初始值。6 9 表5 - 3 疲劳荷载大小对复合粱疲劳特性参数初始值的影响7 0 表5 - 4 不同相互作用的多轴荷载的当量系数7 l 表5 5 铺装层疲劳寿命数据的w e i b u l l 分析过程。7 6 表5 - 6 表5 7 不同荷载比的疲劳数据的回归结果7 7 不同荷载水平的疲劳寿命分布的威布尔参数7 7 表5 - 8 能耗模型= a i r 6 + c 的回归结果 表5 - 9 玎，的实测值与计算值 表5 1 0 表6 - 1 表6 - 2 分步线性回归结果。8 0 b z z - 1 0 0 作用时南京二桥钢桥面板的肋间相对挠度8 7 交通量车道分配系数9 0 一i v - 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。 研究生签名： 畔 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。论文的公席( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 日 第1 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 桥面铺装是大跨径钢箱梁桥建设的关键技术与难点之一，一直受到国内外道路工程学者的关注 与重视。我国钢箱粱桥面铺装研究与应用的时间均不长，许多桥梁1 1 刮的沥青混凝土铺装层在投入使 用的初期便出现了疲劳开裂、车辙、精移与脱层、鼓包或坑洞等病害，个别桥梁的铺装层甚至短时 间内经历多次大修，造成较大的经济损失与较坏的社会影响。铺装层的车辙等永久变形病害以及脱 层与滑移可通过选用台适的粘结材料与沥青混合料加以避免。铺装层的疲劳开裂则是铺装层在使用 过程中所必然面i 临的结构问题，它不仅取决于沥青混合料的疲劳性能，而且还同正交异性钢桥面板 的结构特性密切相关。在车轮荷载作用下，正交异性钢桥面板局部刚度变异部位如纵向、横向加劲 肋或纵向大梁与桥面板的连接处将产生应力或弯矩奇变，并导致其上方的铺装层表面将出现较大的 负弯矩与应力集中现象，在车辆反复作用下，应力集中部位将形成疲劳裂缝。铺装层的开裂一方面 会导致铺装体系局部逐渐丧失防、排水功能，并削弱铺装与钢板之间的粘结力乃至使钢桥面板防腐 层失效；在另一方面，也削弱了铺装层分散荷载能力以及与钢桥面板作为复合结构共同承受荷载的 能力，对钢桥面板焊缝的疲劳寿命产生不利影响【7 川。因此，在铺装混合料的类型确定之后，通过结 构设计的方式提高钢桥面铺装的抗疲劳开裂能力是正交异性钢桥面系结构设计应重点解决的关键技 术问题。目前，国内外对钢桥面铺装疲劳特性的研究均较少，基于疲劳的钢桥面铺装设计理论与设 计方法也未形成。深入研究铺装层与钢桥面板所组成的复合结构的相互作用特性，以及铺装层的各 项性能在复合结构疲劳过程中的变化规律特性等是十分必要的，研究成果的形成，对于建立钢桥面 铺装设计理论以及对现有钢桥面铺装的使用寿命进行有效预估以制定预防性养护措施等都具有较强 的理论意义与应用价值。 1 1 1 钢箱梁与正交异性钢桥面板 上世纪中页，欧美等国经济增长迅速，桥梁结构的各种理论及桥粱建造技术日趋成熟，大跨径 缆索支承桥梁迎来了高速发展的时期。以英国为代表的扁平流线型全焊接钢箱梁和以美国为代表的 高大钢桁加梁与预应力混凝土箱梁等各种主梁结构逐渐涌现。全焊接扁平钢箱梁以其结构轻、自重 小、抗风稳定性好、抗弯与抗扭刚度大、制造精度高、加工速度快等i l o l 优点，受到工程技术人员的 追捧。 自1 9 6 6 年建成的塞文桥首次采用以来，在欧洲各国的大跨径桥梁中均缛到较广泛的应用。 我国自2 0 世纪9 0 年代开始兴起了大跨径缆索支承桥梁的建设热潮，服务于三峡工程的两陵长江公 路大桥其主粱首次采用了全焊接扁平钢箱梁形式，之后建成的虎门大桥、江阴大桥、南京长江第二 大桥、润扬大桥、南京长江第三大桥等近2 0 座大跨桥粱均采用了该形式。 钢箱梁主要由顶板、底板，腹板和加劲构件等构成，其顶板兼作桥面用。在外荷载作用下，闭 口薄壁箱粱主要产生纵向弯曲、扭转、横向挠曲及畸变四种基本变形l ，相应地在横截面上引起纵 向正应力与剪应力，在纵截面上引起横向弯曲正应力为提高桥面系的抗弯刚度，防止钢箱粱在横 向扭转过程中出现较严重的畸变，钢箱粱顶板内侧通常焊接纵向加劲肋、横肋( 或横隔板) 、纵隔板 等，从而构成“构造性正交异性板”i l “，它与其上的沥青混凝土铺装层组成了完整的桥面系。横隔 板的基本功能是防止钢箱粱截面因横向扭转产生严重的畸变，同时为纵向加劲肋提供弹性支撵，将 荷载传向纵向大梁或主横隔板。纵向加劲肋的功能为提供抵抗车辆荷载作用所引起的弯矩。桥面钢 板兼作箱梁的上翼缘，在其面内承受轴向力。值得注意的是，纵向加劲肋包括开口肋与闭口肋两种。 东南大学博士学位论文 开口肋截面形式有工字钢、槽钢、圆头钢等，闭口肋截面形式有梯形、u 形和v 形等。典型的正交 异性钢桥面板的构造如图1 1 所示。由于梯形闭口肋具有较大的抗扭刚度和抗弯刚度，能显著改善 桥面板的受力状态，减小钢板的应力，因此成为现代正交异性钢桥面板首选的加劲肋截面形式。我 国自9 0 年代以来兴建的大跨径钢箱梁桥，其纵向加劲肋的截面形式均为闭口梯形肋，如图l - 2 与图 1 3 所示。 町帝开i ：1 肋的锕桥面板 带闭口肋的锕桥面板 图1 - 1 典型的正交异性钢桥面板的构造 图1 2 南京长江第二大桥钢桥面板纵向加劲肋的构造图( 横隔板附近) 图1 3 润扬大桥南汉桥钢桥面板纵向加劲肋的构造图( 横隔板附近) 正交异性钢箱梁桥面板的结构行为一般可分解成三个层次的体系1 1 3 - 1 y l ： 第1 体系主梁体系，由盖板和纵向加劲肋组成的正交异性钢桥面板作为主粱上翼缘与主粱 腹板刚性连接，参与主粱共同承受荷载，其边界支承为桥梁支座或拉索等，当上翼缘的有效分布宽 度确定后，其响应可按一般结构分析方法求得； 第1 1 体系桥面体系，由纵向加劲肋、横梁和桥面盖板组成的正交异性板结构，盖板成为纵 肋和横梁的共同上翼缘，该体系支承在主梁上，仅承受桥面行车荷载。其边界支承为纵梁和横粱， 内力可按正交异性板理论求得。研究表明，该结构体系的实际承载能力远大于按小挠度弹性理论所 求得的承载力 第l i i 体系盖板体系，仅指桥面盖板，它被视作支承在纵肋和横肋上的各向同性连续板，承 受局部轮轴荷载。盖板商接受力，并把荷载传递给纵、横肋，其内力可按框架体系计算，当轮载较 大时，盖板的弯曲应力进入薄膜应力状态。 - 2 一 第1 章绪论 研究计算正交异性钢桥面板的响应时需要从上述三个体系的效应分别进行考虑，再经适当叠加 近似求出。采用这种方式研究正交异性钢桥面板的响应时，桥面铺装通常被视为桥梁结构的二期恒 载，无法考察其响应。 正交异性钢桥面板作为构造性正交异性板，板在垂直于加劲肋方向的刚度大于平行于加劲肋方 向的刚度，其荷载变形的微分方程l 硼6 1 ( 也称h u b e r 微分方程) 可根据薄板小挠度弯曲理论与正交 异性板理论导出，如式( 1 1 ) 所示。 q d z 可0 4 w + 2 h 差杀+ q d y 可a w = 口o ，力 ( 1 1 ) 式中，w - - - - w ( x , y ) 为板中的点阮) ：) 在z 轴方向的位移，g 幻，为垂直于板面的荷载，d j = 甄为桥面板的 横向弯曲刚度，珥- 最为桥面板的纵向弯曲刚度。脚政为单位宽度的扭转刚度，e 为钢材的弹性 模量。 为求解上述公式，2 0 世纪5 0 年代，人们开始采用具有柔性支承的连续正交异性板理论分析正 交异性钢桥面板的结构行为。目前，该方程的求解方法包括：傅立叶级数法、有限差分法、p e 法 和有限元法，其中p - e 法的计算简便，较为常用。p e 法1 1 7 1 由1 9 5 7 年p e l i l c a nw 与e s s l i n g e r m 共同 提出，在欧美等国被广泛应用于正交异性钢桥的分析与设计中。p - e 法的基本思想是用板来代替由 盖板、纵肋和横肋组成的桥面体系，将钢桥面系中的横粱视为桥面板的弹性支承，而纵肋和面板则 组成为弹性支承于横梁上的连续正交异性板。p - e 算法将桥梁分为三个体系，每个体系的独立响应 叠加后形成桥梁的最终响应。这三个体系分别为： 1 ) 体系i ：支承肋间桥的局部响应； 2 ) 体系：由项板、加劲肋与横梁所组成的桥面板的响应，该体系被视为具有柔性支承的连续 正交异性板： 3 ) 体系i l l ：体系1 1 与纵梁共同作用体系的响应，该体系被视为主要支承之间的大梁。 对于采用闭口肋加劲的桥面板，横向弯曲刚度n 远小于研与单位宽度的扭转刚度凰从而对 于闭口肋的桥面板，其荷载变形响应公式如式( 1 2 ) 所示： 2 h 缸0 。4 矿w + q d y 矿0 4 w = 叮 对于闭日肋，其纵向抗弯剐度珥与有效抗j 丑转刚度日按式( 1 3 ) 计算： d ；旦 a + q 日一1 m g l ( 1 2 ) ( 1 _ 3 ) 式中，l 为考虑盖板有效宽度的纵肋抗弯惯性矩，a 闭口肋上翼板宽，田为闭口纵肋连接板宽，g 为 材料的抗剪模量，m 为因盖板弹性变形引起的刚度折减系数，为闭口肋的抗扭惯性矩，按下式计算： ，： 鱼丛芝 ( b + k ) t r + a t p 式中，b 为加劲肋底边宽，h 为肋高， ，为肋斜高，如为板厚，：t r 为肋厚。 钢桥面板由于自身几何非线性结构特点，在荷载作用下其响应具有明显的非线性特征，2 0 世纪 7 0 年代以后，人们运用非线性板粱理论相继发展了有限条法与等效格子梁法等。随着计算机技术的 迅猛发展，尤其是有限元方法的日益成熟，理论分析的严格条件控制被近似计算所替代，数值分析 方法已成为正交异性桥面板力学分析的主要方法。 3 东南大学博士学位论文 1 1 2 钢桥面铺装 钢箱粱桥面铺装是指铺设在正交异性钢箱梁桥面板上保护钢板、分散行车荷载作用并提供良好 行驶表面的沥青铺面，通常由钢板防腐层、粘结层( 或防水粘结层) 与沥青混凝土铺装层构成。国 外对钢桥面铺装的研究始于= 十世纪六十年代，随着扁平正交异性钢箱梁在大跨径缆索支承桥梁中 得到广泛应用，在二十世纪八十年代达到高潮。我国于= 十世纪九十年代中期开始修建大跨径钢箱 梁桥，对钢桥面铺装的研究也始于此时期。经过十多年的研究与工程建设，我国在钢箱梁桥面铺装 技术的研究与应用方面积累了较丰富的经验，但我国钢桥面铺装的整体使用状况并不乐观。到目前 为止，世界各国均未建立成熟的钢桥面铺装设计理论与设计方法，亦未制定出钢桥面铺装设计与施 工技术规范。 一、钢桥面铺装的特点与难点 与带基层的沥青路面相比，钢桥面铺装层的受力和变形更为复杂，并且在以下几方面存在显著 区别： ( 1 ) 沥青混凝土铺装层及粘结层的劲度远小于钢板材料的劲度i t s ，铺装层的荷载响应与正交异 性钢桥面板的构造特性密切相关，同时还受铺装层与钢桥面板之间的层间粘结状况及桥梁结构变形 的影响。正交异性钢桥面系的横向抗弯刚度大于纵向抗弯刚度，并且在加劲肋与钢桥面板的连接处 出现刚度突变。在车轮荷载作用下，而在桥面板局部刚度变异部位将产生应力或弯矩奇变，加劲肋、 横肋( 或横隔板) 、纵隔板顶部的铺装层表面将出现较大的负弯矩与应力集中现象，在车辆反复作用 下，应力集中部位将形成疲劳裂缝。 ( 2 ) 相同荷载作用下，沥青混凝土铺装层所承受的应变( 力) 水平远高于普通沥青路面。对于 带基层的沥青路面，标准轴载作用下，常温时其沥青混凝土面层底部的拉应变约为2 0 0 雌。而根据 润扬大桥试验桥铺装层的测试结果1 1 8 1 ，常温时标准轴载作用下环氧沥青混凝土铺装层顶面的应变值 达到8 0 0 畛l 0 0 0 i l 。尽管这些数字不可以直接比较，但很显然，钢桥面铺装中的应变( 力) 水平远 高于普通沥青路面的应变( 力) 水平。 ( 3 ) 因大跨径钢桥结构的柔性，荷载的动效应对沥青混凝土铺装层具有更强的破坏作用。 ( 4 ) 动轮胎荷载作用下沥青路面中的应力响应极为复杂i l ，而在钢桥面铺装中，考虑到结构几 何特性与桥梁振动等因素，轮胎与铺装层接触面内的应力将较沥青路面中的应力更为复杂。 ( 5 ) 沥青混凝土铺装层的温度随外界环境的变化比带基层的沥青路面复杂1 2 0 l 。对沥青路面温度 场的实测结果口1 1 表明，气温与辐射是沥青路面温度场最主要的影响因素。对于钢桥面铺装，由于桥 梁结构位于地表之上并悬于空中，其风速远远高于一般路表面，在气温变化时，钢箱梁上下表面会 产生积聚的对流热交换，箱梁内的空气则起到了类似的保温作用i l q ，因此，钢桥面铺装温度场受气 温、风速、辐射等的影响显著1 2 0 。 薄层沥青混凝士支撑在具有正交异性的钢箱梁桥面板上，沥青混凝土铺装层通过粘结层与钢桥 面板牢固粘结成一体，共同承担交通荷载引起的局部变形1 15 j 田j 与应力。理论与实践均已证实，铺装 层对钢桥面板有一定的加劲作用f7 】口”，而铺装层与钢板之间的粘结状况即粘结层的性能对铺装层 的应力有着较大影响1 2 。因此，必须将铺装层与钢桥面板视为复合结构嘲，深入研究沥青混凝土 铺装层与钢桥面板之间的复合作用。 p e 法等将沥青混凝土铺装层视为恒载作用，无法分析铺装层与钢桥面板的复合作用。随着有 限元分析技术在计算机中的应用日益成熟，各种大型通用有限元工具软件如a n s y s 、a d i n a 、s a p 、 m a r c 、n a s t r a n 的功能与越来越强，采用通用有限元工具软件分析钢桥面铺装力学特性的方法 逐渐成为钢桥面铺装理论分析的重要手段。研究者通常采用实体建模的方式，建立钢桥面桥面系的 4 第1 章绪论 局部模型，模型的纵向包含3 4 块高约l m 的横隔板，横向则包含有5 - 1 0 条纵向加劲肋。铺装层与 钢板均视为均质各向同性的弹性材料，且铺装层与钢板之间的边界条件按照完全连续处理，铺装层 与钢板则选用八节点等参板单元。模型中将标准车的后轴单侧轮载简化为考虑一定冲击系数的单矩 形或双矩形竖向均布荷载。基于有限元方法的钢桥面铺装数值分析主要集中以下几方面： ( 1 ) 局部效应特征分布的分析“q i ”纠； ( 2 ) 车轮荷载形式及荷载在横向与纵向的位置对铺装层响应的影响分析【1 8 1 1 3 6 - 3 q ； 3 ) 正交异性钢桥面板及其铺装层参数变化对铺装层的影响分析i l q p 9 4 2 ； ( 4 ) 基于铺装受力的优化设计分析p 6 1 1 4 _ 4 。 对钢桥的测试结果| 2 s 1 1 4 5 1 表明，粘结层的性能对铺装层的应力有着较大影响。对于铺装层与钢桥 面板之间的粘结