（道路与铁道工程专业论文）柔性桥面铺装材料与施工工艺研究.pdf

索性桥面铺装材料与施工工艺研究 摘要 桥面铺装质量对桥梁的使用性能影响很大，它直接影响桥梁的行车舒适性，桥梁对外界 气候抵抗侵蚀的能力。桥面铺装的损坏会造成行车的颠簸。交通通行能力的降低，桥梁更容 易受到腐蚀。随着交通量的增加给桥粱的维护带来很大的困难，桥面铺装在桥梁中的地位越 来越重要。 本文主要针对目前应用较广的钢筋混凝土桥沥青混合料( 混凝土) 铺装层，根据桥面铺 装的受力特点及损坏机理分析，建立桥面铺装力学模型，并确定铺装层设计厚度。推荐了性 能优良能适应于桥面铺装层受力特点的桥面铺装材料、粘结层、防水层提出桥面铺装设计 系统与施工工艺，供生产实践参考以利提高桥面铺装的工程质量和使用寿命，降低桥梁的 维护费用，改善桥梁的行车舒适性。 关键词：桥面铺装：行车舒适性；通行能力；损坏机理：粘结层、防水层：力学模型 设计系统：施工工艺 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t q u a l i t yo f b r i d g ed e c kp a v e m e n t h a sg r e a ta f f e c tt os e r v i c e p e r f o r m a n c eo f b r i d g e ， d i r e c t l yi n f l u e n c e sb r i d g ed r i v i n gc o m f o n - a b i l i t y , b r i d g ec a p a c i t yr e s i s t i n ga g a i n s t c o r r o s i o no fe x o t e r i ew e a t h e r d a m a g e st o r o a d w a yl a y i n gm a yc a u s ej o w l e e so f d r i v i n gv e h i c l e s ，r e d u c et r a n s p o r tp a s s i n gc a p a c i t y , m a k e sb r i d g e ss u b j e c tt oc o r r o s i o n i n c r e a s eo ft r a f f i cb r i n g sa b o u tg r e a td i f f i c u l t i e st ob r i d g em a i n t e n a n c ea n dr o a d w a y l a y i n gp l a y s am o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nb r i d g e s t h i sa r t i c l em a i n l ya i m sa tl a i dl a y e ro fa s p h a l tm i x t u r eo fr e i n f o r e e dc o n c r e t e ( c o n c r e t e ) w i d e l ya p p l i e dc u r r e n t l y ，s e t su p m e c h a n i c a lm o d e lo f r o a d w a yl a y i n ga n d d e t e r m i n e sd e s i g n e dt h i c k n e s so fl a i dl a y e ra c c o r d i n gt os t r a i n e dc h a r a c t e r i s t i c sa n d d a m a g em e c h a n i s ma n a l v s i s o fr o a d w a yl a y i n g t h i sa r t i c l eh a sr e c o m m e n d e d r o a d w a yl a y i n gm a t e r i a l so ff i n ep r o p e r t i e sa n da d a p t i n gs t r a i n e dc h a r a c t e r i s t i c so f l a i dl a y e ro f b r i d g es u r f a c e ，c o h e r e n tl a y e ra n dw a t e r p r o o fl a y e r ，p u tf o r w a r dd e s i g n s y s t e r no fr o a d w a yl a y i n ga n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y f o r p r o d u c t i o np r a c t i c e r e f e r e n c es oa st oi m p r o v ee n g i n e e r i n gq u a l i t ya n ds e r v i c el e n g t ho f r o a d w a yl a y i n g ， r e d u c em a i n t e n a n c ec o s to f b f i d g e s ，i m p r o v e b r i d g ed r i v i n gc o m f o r t - a b i l i t y k e y w o r d s ： b r i d g e d e c kp a v e m e n t d a m a g em e c h a n i s m ， m e c h a n i c a lm o d e l ， d r i v i n gc o m f o r t - a b i l i t y c o h e r e n t l a y e r ， d e s i g ns y s t e m ， l i ，p a s s m gc a p a c l t y w a t e r p r o o fl a y e r ， c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y 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：盔! 蔓日期：竺竺上 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 括于0 登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：锄导师签名：互过!日期： 前言 前言 随着高等级道路在我国大规模兴建，桥梁建设取得了突飞猛进的发展。造型优美而结构新 颖的大中型桥梁在我国各地屹立如林。不论从美学上还是结构设计上，设计与施工部门都倾注 了大量心血，为保证质量所付出的努力也是显而易见的。 桥梁一旦遭到破坏就是灾难性的，可能大家都还记得9 4 年韩国汉城市桥梁坍塌事故的大量 报导，该事故造成3 2 人死亡，伤1 7 人。该事故震惊了韩国上下，韩国政府下令成立专门机构 对全国的桥梁，隧道等结构进行全面安全检查，提出要为后代留下安全可靠的建筑物。 1 9 9 7 年8 月2 4 日中国电视新闻报导，南京长江大桥桥面铺装仅1 年多就破坏的面目全非， 不能正常使用，必须翻修，损失重大。 如果说桥梁结构是桥梁的“形体”，那么桥面铺装可谓是桥梁的“脸面”了。然而，现实情 况是桥梁技术发展的不平衡导致了桥梁建设中的“重形体，轻脸面”的局面，至今尚无专门的 而且行之有效的桥面铺装设计与施工规范。在现行桥梁及路面设计规范中，对于桥面铺装材料、 铺装结构厚度、结构组合设计、防水及排水措施以及施工工艺，只是轻描淡写地给予指导性说 明，导致桥面铺装设计与施工的无章可循，各行其是。 随着交通量及轴载越来越大，以及气候条件( 环境污染) 越来越苛刻，桥面铺装普遍出现 了严重的早期病害，极大影响了桥梁的服务品质，造成了巨大经济损失。对于一些重点工程或 有重大影响的桥梁，其桥面早期损坏甚至影响了业主乃至政府的形象。因而，桥面铺装问题近 年来在我国受到了各方面的普遍重视，但对于相关课题的研究，却是远远不够，不能满足生产 实践的需要。 本研究主要针对目前应用较广的钢筋混凝土桥沥青混合料( 混凝土) 铺装层，根据桥面铺 装的受力特点及损坏成因分析，建立桥面铺装力学模型，并确定铺装层设计厚度。研究开发能 适应于桥面铺装层受力特点的铺装材料、粘结层、防水层，提出桥面铺装设计系统与施工工艺， 供生产实践参考。 东南大擘硕士学位论文 第一章桥面铺装层病害调查及分析 本部分概括介绍了桥面铺装的类型，调查了桥面铺装层出现的各种病害，并分析了不 同病害产生的原因。 1 1 桥面铺装概述 高速公路和城市快速路的兴建，带动了沿线地区和城市的经济迅速发展。但是随着交通量 和重型车辆的增加，桥面铺装损坏较为严重，维修周期也越来越短，有的甚至通车不久，桥面 即出现了病害。这不仅妨碍了交通安全，影响了桥面的美观性而且也造成了巨大的经济损失。 行车道部分的桥面铺装是受车轮直接作用的。桥面铺装的作用在于防止车轮轮胎直接磨耗 行车道板，保护主粱免受雨水侵蚀，并对车辆轮重的集中起分布作用。桥面铺装要求有一定强 度，并能满足抗裂、抗冲击、具有耐磨性等各项要求。由于过去通常将桥面铺装作用为桥梁附 属结构看待，对它的研究、探讨、改进完善往往重视不够，尤其是投入桥面铺装研究费用比国 外少。只有充分重视桥面铺装，确保桥面铺装结构合理，强度、厚度、及配筋等满足使用要求， 才能确保桥面铺装的使用寿命和服务水平。通过调查病害，分析其成园。 1 2 桥面铺装类型 1 2 1 桥面铺装结构型式 桥蕊铺装的结构原则上由基层和恧层构成的，基层也起到整平层的作用一个完接的桥面 铺装，从上到下通常由以下几个层次组成。 铺装主体 铺装主体一般可分为上层和下层二个层次。上层称磨耗层或防滑层。用于抵抗车辆荷载对 桥面铺装产生的磨耗与剪力，提供行车所需要的粗糙度。常采用沥青混凝土，厚度为3 4c m 。 下层的主要作用是调整桥面结构的凸凹不平，保证上层的铺筑厚度有时也兼有防水作用，一 般采用密实型沥青混凝土，厚度为3 5 c m 。铺装主体的上、下二层应构成整体，形成稳定、耐 久、平整、抗滑的铺装。也可不分上、下层，一次铺筑成铺装主体。 防水层 防水层位于铺装主体下面，用以阻止由铺装表面下渗的水分对桥面钢板或混凝士内钢筋的 腐蚀。通常采用沥青砂胶、沥青油毡等，厚度小于2 c m 。 粘结层 第一幸桥面铺装层病害调查及分析 粘结层位于桥面板与防水层之间的涂抹薄层。设置该层的目的在于保证桥面铺装与桥面板良好 粘结。常采用沥青、用橡胶或环氧树脂等改性的沥青、树脂等材料。粘结层也可视作为防水层 的一个组成部分。下图卜1 图卜4 是几个典型的桥面铺装结构层图式。 桥面板 图卜4 ：桥面铺装的基本结构 1 2 2 、桥面铺装类型 根据面层所采用的材料性能不同，可将桥面铺装分成以下三种类型： $ 普通水泥混凝土或沥青混凝土铺装 一般是直接在桥面板上铺筑5 8 c m 的普通水泥混凝土或沥青混凝土层，不设防水层。铺 装层的混凝土一般与桥面板混凝土相同的标号或略高一级，要求较好的密实度和表面的粗糙度。 沥青混凝土铺筑可以做成单层式( 5 8 c m ) 或双层式( 底面4 5 c m ，面层3 4 c m ) 。由于我国 过去沥青含蜡量高，含硫量高，冬冷夏热，在车辆冲击，重复荷载作用下易发生裂缝。目前， 东南大学硕士擘位论文 国内外已普遍采川新型改性沥青，使路面在夏季具有稳定性，冬季具有抗裂性。 防水混凝士铺装层 在混凝土中掺防水剂，在桥面板上铺筑6 8 c m 厚的防水混凝土，标号不低于桥面板混凝土 的标号，同时宣在其上铺筑2 c m 厚的沥青表面处治作为磨耗层。图卜5 是具体的防水混凝土 铺装层的结构层图式。 图1 - 5 ：防水混凝土铺装层图 具有贴式防水层的水泥混凝土或沥青混凝土铺装 贴式防水层适用于防水程度要求高或在桥面板位于结构受拉区而可能出现裂纹的桥梁，往 往设在低标号混凝土排水三角垫层上。用水泥砂浆将三角垫层抹平，待硬化后，涂一层油毛毡 ( 或麻袋布、玻璃纤维织物等) 。上面苒涂一层沥青涂砂，贴一层油毛毡，最后涂一层沥青胶砂。 即“三油二毡”的防水层，厚度约为l 2 c m ，在防水层上铺筑4 c m 高于c 2 0 号的细粒混凝土保 护层待达到强度后，上面铺筑水泥混凝土或沥青混凝土作为磨耗层。 贴式防水层对于装配式桥梁，为了加强接缝强度，设置一层小直径钢筋网，网格尺寸1 5 x 1 5 至2 0 2 0 c m 。贴式防水层的水泥混凝土或沥青混凝铺装结构图见图卜6 。 图1 - 6 ：贴式防水层的水泥混凝土或沥青混凝土铺装结构 第一章桥面镝装层病害调查及分析 表卜i 为国外钢筋泄凝七桥梁常用的桥面铺装材料与结构 国外沥青铺装层结构表表i - i 国防水层面层 家类型结合科厚度面目的中层厚度( m m )磨耗层厚 黻( m ) 沥青砂胶沥青胶 8 1 2沥前敷址3 6 ；沥融 3 0 ； 沥青混凝土4 0 瑞沥葡磷t tn 预暾耐喇砾沥青砂3 0 3 5 ( 1 5 0 ) ；焖涨蝴沥青混凝土4 0 典涡疑3 5沥青混凝土4 0 预制板沥青胶2沥青混凝土3 5 ：沥青混沥青混凝土4 0 凝土1 0 + 预拌沥青砂砾沥青混凝土4 0 ( 1 5 0 ) 薄胶沥青膏1 0水泥混凝土5 0 + 沥青混沥青混凝土4 0 凝土3 0 澳薄膜 4 1 5 沥青涂层或硬沥青沥青混凝土5 0 大k g m 22 l i 唔艋 利预制层2 亚 意地沥青砂胶清漆+ 完全独1 0乳化沥青沥青混凝土5 沥青混凝沥青混凝土5 大立的层土s b c 2 5摊铺沥青混凝土 利+ s b c 2 5 薄膜树脂2 3沥青混凝土4 沥青混凝土3 k g m 7 预制层清漆5热请白挝船勘睛沥青混凝土6沥青混凝士3 法地沥青砂胶胶粘清漆部4 摊铺沥青混凝土2 6 摊铺沥青混凝5 0 i o o 国分独立的一8 沥青混凝土2 2 薄膜树脂胶粘清1 5 3摊铺沥青混凝土 漆4 6 东南大学硕士学位论丈 地沥青砂胶完全的独立 1 5 摊雕研酎甬夤持+ 沥青混疑士沥青混凝士3 0 或5 0 比 l o ：沥氰霞凝由整殆鼬防臂混 利榴土3 0 时预制层胶粘清漆2 5沥胄 觥+ 整唆临靖滑凝 土3 0 地沥青砂胶可能独立的 2 0热拌地沥青3 0 ；1 0 0 英各层( 双层) ：混凝土1 5 0 国 预割层腔粘请漆 & 5 或6地沥青砂保护 日本采用如下铺装型式： 沥青层+ 板状防水材料+ 沥青橡胶粘结剂+ 混凝士：沥青层+ 3 层氯丁橡胶型防水材料+ 氯丁 橡胶粘结剂：沥青层+ 乳化沥青( 粘结) + 沥青层( 防水) + 沥青橡胶粘结剂+ 混凝土。 桥面的另一个重要构造是伸缩缝其主要是保证桥跨结构在气温变化、活载作用、混凝土 收缩徐变影响下自由变形。伸缩缝不但要保证梁自由的变形，而且要求防水、平顺。目前国内 常用的伸宿缝有几种： a 、u 型锌铁式伸缩缝，它适用于变形量小的小跨径挢。 b 、跨搭钢板式伸缩缝它适用于变形量大的跨径桥。 c 、橡胶伸缩缝，它适用于变形量大的跨径桥。 1 3 、桥面铺装病害调查 1 3 1 、桥面铺装病害实地调查 我们分别对北京市的主要桥梁的桥面铺装病害情况进行了统计和调查。 航天桥 航天桥位于北京市西三环路与阜成路相交处，1 9 9 4 年建成。桥面铺装结构型式为；二布 六涂防水层2 咖+ 沥青砂保护层1 5 c m + 沥青混凝土4 3c m + 沥青石屑磨耗层3c i i i 。航天桥桥面 的主要病害为；全桥共有3 个坑槽，1 个车辙。但整个桥面平整度好，车辆行使仍舒适、安全、 稳定。 德胜门桥 德胜门桥有西桥和东桥组成，西桥1 9 8 0 年建成。东桥1 9 8 4 年建成。桥面铺装结构层型式； 第一章桥面铺装层病害调查厦分析 5 c m 厚的沥青混凝土。经过儿年的使用后，德胜fj 桥桥面出现严重病害。 a 引桥龟裂严重，裂缝宽达3 c m 左右。 b 西桥西幅路每隔3 4 m 有一条横向裂缝，纵向裂缝轻微，此半幅路曾重修过。 c 西桥东幅路坑槽多，沥青混凝土表面脱落。 d 东桥西幅路轻微裂缝、坑槽、补丁j ，此半幅路曾重修过。 e 东桥东幅路每1 3 m 有一条横向裂缝与不连续的纵缝构成网状体系，缝宽5 m m 左右。 f 两桥匝道网状裂缝普遍。 o 两桥伸缩缝钢板断裂，两侧角钢高低不平，形成台阶，车辆通过产生很大震动。 h 梁翼接缝处表面有白斑及锈斑析出。 我们还对北京市其它1 6 座桥梁进行了实地调查，现将调查的结果汇总如表卜2 所示 表1 2 序桥粱名称竣工时间桥面铺装材料桥面铺装层破坏情况 号厚度( c m ) l 广渠门立交桥( 东 1 9 8 8 1 2钢筋混凝土8 横裂数条 转盘)程度：一般 2广槊f - 1 立交桥( 西1 9 8 8 1 2上层：沥青混凝土4 5 8 6未发现裂缝 转盘)下层：3 0 0 # 混撮土 3东使f - 1 立交桥1 9 8 8 1 2钢筋混凝土8角裂多处横裂数条程度： 3 # 4 # 桥较重 4 东使门立交桥1 0 # 1 9 8 8 1 2沥青混凝土 未发现裂缝 桥 5蓟门立交桥1 9 8 5 7钢筋网沥青混凝土8 角裂多处横裂数条 程度：一般 6 马甸立交桥 1 9 8 5 5 钢筋网沥青泥凝士 i o 基本完好 程度：一般 7劲松立交桥1 9 8 8 1 2钢筋网沥青混凝土8 龟裂普遍角裂二处 程度：一般 8 木须园立交桥 1 9 8 8 5沥青混凝土3 0 0 # 钢筋5 1 0 横裂数条 ( 西)混凝土 4 9 程度：一般 东南犬学硕士擘位论文 9安贞节交桥1 9 8 5 6钢筋网沥青混凝士6 全部碎裂，己大修 程度：较严重 1 0 三元立交桥 1 9 8 4 9 钢筋网沥青混凝土6 1 0龟裂四处，角裂多处、横裂 数条纵裂几条 程度：较严重 l l 复兴门立交桥 1 9 7 4 5 沥青混凝土( 中粒式) 4 7 横裂数条、不平 程度：较严重 1 2 阜成门立交桥 1 9 7 7 1 0 黑色碎石5横裂、车辙、拥抱 程度：较严重 1 3建国门立交桥1 9 7 9 1 0黑色碎石5 横黜踟融龟黠撇 j 菠较严重 1 4 大北窑立交桥 1 9 8 6 ，1 l 橡胶沥青石屑+ 橡胶沥2 5 + 4 5拥抱、开裂 青混凝土程度：较严重、常修 1 5刘家窑立交桥1 9 8 8 1 1钢筋水泥混凝土7 龟裂、角裂、横裂、 纵裂多处； 程度t 较严重 1 6赵公口立交桥1 9 8 8 7 钢筋混凝土、沥青混凝 6 1 2 + 5 横裂每隔7 - 8 米一条 土 程度：一般 1 3 2 桥面铺装结构的基本破坏型式 从对北京市桥梁的桥面铺装病害调查结果可以看出，桥面铺装结构的基本破坏型式根据铺 装层材料不同，主要有以下几种主要形式： 沥青混凝士铺装层的破坏型式 裂缝类荷载或环境因素造成沥青桥面的开裂。 变形类桥面结构保持完整，由于材料的稳定性等原因，使桥面形状发生了变化。 + 耗损类在轮胎作用下，桥面表层材料部分或全部丧失。 其它如修补等。 水泥混凝土铺装层的破坏型式 裂缝类贯通面层厚度的裂缝，把板分割成数块； 变形类面层未破坏，但出现较大的竖向位移，影响行车舒适性： 第一章桥面锚装层稿害调查及分析 $ 接缝损坏类纵缝或横缝附近局部深度范围内混凝t 的碎裂或裂缝，填缝材料的丧失 或失效。 表层损坏类面层表面的局部损坏，如：裂纹、起皮、坑洞等； 修补类对上述损坏进行修补后再次出现病害的状况： 上述损坏具体表现为： 纵向、横向、斜向裂缝、交叉裂缝、破碎板； 板角断裂、错台、拱起、接缝破裂： 填缝料损坏、纹裂、网裂、起皮、坑洞： 1 3 3 桥面铺装破坏原因分析 针对北京市主要调查的桥梁破坏进行原因分析，其结果如表卜3 ： 表卜3 序号桥梁名称原因分析 l航天桥基层强度不足； 2紫竹桥 1 混凝土的收缩及温度应力过大； 2 压实度未达到要求，接缝处理不当； 3 防不层破坏，漏水严重导致发生碱一骨料反应： 4 防水层破坏，防水层与桥面板的连接能力减弱； 3西直门桥1 路面整体强度不足，沥青混台料硬化； 2 车辆荷载的渠化作用，桥面铺装过薄： 3 桥面抗渗性不好，钢筋锈蚀严重； 4德胜门桥1 料配合比设计不合理； 2 压实度不足，沥青老化： 3 车辆荷载作用下。温度应力过大： 4 桥面抗渗性不好，钢筋锈蚀严重； 桥面铺装损坏的原因分析 在实地调查基础上将桥面铺装损坏汇总成如下几种主要原因： 桥梁的结构理论中对桥面铺装层的计算分析论述几乎为零，现行规范中推荐采8 c m 厚的混 凝土铺装层，工程界一直在各等级的公路中运用了几十年。随着交通量的增大。现行铺装与重 东南走擘硕士学位论文 型、超重型汽车的增多和车速增快已不相适应。桥面铺装层直接承受车轮荷载的冲击，桥面铺 装部分或全部地参与了主粱结构的变形，因此桥面铺装是一个极其复杂的多向受力结构，各种 结构型式的主粱及铺装本身的构造均影响其应力分布。 对铺装层本身的计算分析表明，铺装层厚4 c m 与8 c m 混凝土中应力大致相等，当厚8 c m 与 1 2 c m 相比时拉应力约高2 0 。对厚8 c m 铺装与主粱结合一起的分析表明，单纯考虑铺装施工 后由于铺装与主粱混凝土收缩的不一致，造成铺装与梁的结合面内剪应力及法向上拉应力达到 或局部已超出规范容许值。 负弯矩的影响。对于连续桥梁、拱桥及悬臂梁桥等结构，由于荷载的作用而产生负弯矩或 拉力使桥面板铺装层受到拉力作用而容易产生裂缝，从而造成桥面铺装的损坏。 支承梁不均匀沉陷的影响。 桥面铺装层与桥表面混凝土未粘结好。在桥面铺装施工前没有将梁表面的松散砂石粒、泥 污等物清洗干净，梁表面凿毛的密度和深度不够，大大降低了桥面铺装层与梁面之间的粘结力， 破坏了混凝土的整体性，在车轮的剧烈冲击作用下容易使桥面出现脱皮、裂缝、剥落等现象。 桥面铺装层的厚度过薄。由于施工因素造成梁表面标高超过设计标高或由于调整桥面纵横 坡等原因，造成了桥面铺装层厚度局部过薄，削弱了桥面铺装层的刚度和承载能力。 混凝土内布置钢筋的作用是当混凝土内应力较低时使其应力分布均匀；当混凝土应力较 高时，承担局部应力使混凝土中应力熏分布，以改善应力集中现象。但该配筋量不足以抵抗 混凝土本身收缩所产生的应力。由于构造钢筋太少而引起表面的收缩开裂在跨径1 6 米的普通钢 筋混凝土t 粱的腹板中较为常见。其次，在施工过程中，钢筋网在进行绑扎和浇注混凝土时， 由于种种原因导致桥面钢筋层内的钢筋网走位，削弱了钢筋网的分布筋作用和承载荷载的能力， 尤其对于出现负弯矩的桥面铺装层，容易出现桥面裂缝等损坏现象。 混凝土的干缩作用。目前，大桥桥面铺装多采用泵送混凝土工艺，为满足泵送混凝土较大 塌落度的要求，除掺加外加剂外，还常用加大水泥用量和水灰比，这两者都是影响混凝土干缩 的主要因素。水泥用量大时，水化热大，引起行车道板和桥面铺装的温差而产生变形约束。由 于混凝土硬化初期的抗拉强度小，若干缩和冷缩产生的拉应力超过其抗拉强度则将导致混凝 土内部及表面产生裂缝，从而造成桥面过早损坏。 混凝土质量的影响。混凝土的施工质量赢接影响桥面铺装层的使用寿命。原材料质量低劣、 砂率过大、水灰比控制不好、砂石级配差、混凝土拌和物和易性羞以及施工时漏振、模板漏浆 等造成混凝土中出现蜂窝、麻面、强度降低等缺陷。这些缺陷破坏了铺装层的整体性降低了 铺装层的抗裂、抗冲击、抗弯曲及耐磨的能力。 1 0 第一章桥面铺装层病害调查厦分析 混凝土的养生不当。 纵向桥面铺装的施工分缝处是否有钢筋穿过是引致桥面病害的重要因素，对桥面铺装本身 的分析表明当桥面收缩完成时( 计算时按一1 5 0 c 的温降) ，缝问拉应力值可达6 o 。7 ，o o m p a ，若 钢筋穿过缝，则钢筋附近混凝土应力值可降低1 3 。若缝间无钢筋约束，则缝显然要拉开缝 断开后铺装层底面与梁顶面间如结合良好剪应力可达2 5 m p a ，若结合差仅为0 2m p a 。重车轮 作用于纵向施工缝边缘，当缝拉开后若铺装层底结合欠佳，则铺装层内晟大拉应力产生于离缝 边约1 8 、2 2 c m 处。量值为4 5 m p a 。 荷载过大、偏载及冲击影响。近年来汽车的大型化及超载违章车辆的增加，加重了桥面铺 装层的负荷。轮荷载的大型化会产生大的冲击。其次，为便于交通组织管理。划分了超车道、 主车道及路肩，人为强制地为桥梁荷载横向分布划定了某一比例，并使桥梁结构运营绐终处于 偏载状态，使主车道的铺装承担了超车道大得多的运营应力水平，因此加快了主车道混凝土的 疲劳。 随着材料工业的发展，桥梁承重结构的改进，使桥梁主梁能以较柔的结构满足受力的要求， 桥梁的横向亦越来越宽。特别在设计计算中侧重于主梁纵向的计算分析。较少进行横向分析计 算，对桥梁横向结构刚度重视不足，横向结构措施不力。使部分桥梁横向刚度过小，使混凝土 桥梁铺装分担了过多的拉应力。 1 。3 4 对桥面铺装层的结构的要求 分析了桥面铺装层的破坏原因后，为了减少桥面铺装层的病害和延长桥面的使用寿命， 桥面铺装层必须满足下列的要求： 重量轻。要求桥面铺装尽可能薄，以减小重量。 挠曲性。铺装材料应具有良好的挠曲性，可减弱或避免铺装层的挠曲开裂。保证在使 用期间不出现明显的开裂和其它病害。 $ 耐久性。有足够的高温稳定性和耐老化、耐疲劳性能。 粘结性。在正常的使用条件下，应与桥面板或原桥面水泥混凝土铺装层有良好的粘结 性。 抗滑性。表面粗糙，抗滑性能好。 密水性。成型后基本不透水防止水渗入。 $ 抗低温开裂性。 东南走学硕士学位论文 第二章钢筋混凝土桥柔性桥面铺装层厚度的确定 本部分是利用优化原理和路面弹性层状体系理论两种方法来确定沥青类桥面铺装层的 厚度。在利用弹性层状体系理论时，是把桥梁上部结构简化成路面双层体系且引进了弯沉等效 换算系数这个概念，从而将有效活载挠度换算为等效弯沉值，通过建立水泥混凝土路面加铺层 模型来确定沥青类桥面铺装层厚度；而在利用优化原理进行确定时。建立了四个线性规划模型， 通过对这些模型的求解得到沥青类桥面铺装层的合理厚度。 由于有国目前所修建的桥梁大多为钢笳混凝土桥梁。因此。将重点讨论钢筋混凝土桥粱的 铺装问题，至于钢桥桥面铺装，将另行研究，暂不讨论。本部分将讨论沥青类铺装层( 柔性铺 装层) 厚度的确定。 2 1 用有效活载挠度确定沥青类桥面铺装层的厚度 由不同材料的结构层及主梁组成的桥梁上部结构，在荷载作用下其应力形变关系一般呈非 线形特性，且形变随应力作用时间而变化，同时应力卸除后常有一部分变形不能恢复。但由于 行使车轮作用的瞬时性，在桥梁上部结构中产生的应力数量很小，故可将桥粱的上部结构作为 线形弹性体并应用弹性层状体系来确定其各结构的厚度。 2 1 1 基本假设 弹性层状体系是由若干个弹性层组成，上面各层具有一定厚度，最下一层为弹性半空间体。 且弹性层状体系满足下面的几个假定： 各层是连续的、完全弹性的、均匀的、各向同性的、虬及位移和形变是微小的。 最下一层在水平方向和垂直方向为无限大、其上各层厚度为有限、水平方无限大。 各层在水平方向无限远处及最下一层向下无限深处，其应力、形变和位移为零。 层间接触情况为连续体系或滑动体系。 不计自重。 对于桥梁的上部结构来说，由许多层构成的。最上面一层为桥面铺装层，一般采用沥青类 材料，有一定的厚度且在水平方向上为无限大。桥面铺装层下面的一层为行车道板，一般采用 水泥混凝土，由于桥梁的跨径为连续跨径，故可将其看作在水平方向上为无限大。同时，为简 化计算，一般将桥面铺装层与主梁之间的层问接触视为连续接触体系。通过简化桥梁上部结构 可等效为一个双层体系结构，如下图2 - i 所示： 1 2 第二章钢筋混裢土桥柔性桥面铺装屡厚度酌确定 蜢面铺装星bl j b 主梁he o ，u o 图2 - 1 ：桥梁上部结构图式 在简化的双层体系结构中，对于下面一层的主粱结构层，其回弹模量值一般取在 2 8 0 0 0 、3 2 0 0 0 m p a ，而上面一层的桥面铺装层的回弹模量值却为1 0 0 0 1 5 0 0 m p a 。主梁结构层的模 量值是桥面铺装层模量值的1 2 、3 2 倍，主梁结构层相对于桥面铺装层的低抗变形能力大，在某 种程度上，可将其作为弹性半空闻体看待。故桥粱上部结构的双层体系结构可进一步简化为图 2 2 所示： 厂厂用 桥面铺装层he l ，1 1 l 主梁he 0 ，u 0 图2 - 2 ：简化月 的桥梁上部图式 简化后的桥梁上部结构层与双层路面结构体系相同。可以利用双层路面结构体系理论来设 计桥面铺装层的厚度。 2 1 2 、活载挠度的确定 桥梁的挠度是桥梁在竖向上的变形，一般分为恒载挠度和活载挠度。恒载挠度是恒久存在 的，活载挠度是临时出现。在最不利的荷载位置下，挠度达到最大值，随着活载的移动，挠度 逐渐减小，一但活载离开桥梁，挠度就会消矢。恒载挠度并不表征结构的刚度特性，一般可通 过施工时预设的反向挠度或预拱度加以抵消。而活载挠度却使桥梁产生反复变形，当挠度过大 时，会对桥梁有较大的冲击和振动作用，易导致桥梁开裂破坏。所以，r 必须对桥梁的挠度值加 东南走学硕士学位论文 以限制。桥规规定，对于钢筋混凝土和预应力混凝土梁式桥，以汽车荷载( 不计冲击力) 计 算的上部结构跨中产生的最大竖向挠度，不应超过1 6 0 0 ；当用平板挂车或履带荷载验算时竖 向挠度不应超过1 5 0 0 ，l 为计算跨径。即 f 1 6 0 0( 汽车荷载) 或f 1 5 0 0( 验算荷载) f 活载挠度； l 计算跨径。 51 4 3 8 40 8 5 & i a 活载一般可采用下式来进行计算，即 当已知某粱跨中的晟太静活载弯矩为m ，则上式可改为 5m 1 l 其中 f = 4 8 0 8 5 e h i o f 活载挠度； m 静活载弯矩： 1 计算跨径。 e r 一混凝土的弹性模量； i r 一开裂截面的换算惯性矩。 ( 或) 6 0 0 l 5 0 0 例如：有一个装配式钢筋混凝土t 形粱桥。其跨径为2 0 m ，汽车荷载为汽2 0 级，挂车一 1 0 0 。行车道板为c 2 5 号水泥混凝土，桥面铺装为中粒式沥青混凝土，双车道。主筋采用ii 级 钢筋。 其恒载产生的弯矩：m l = 7 5 7 5 ( k n m ) 活载产生的弯矩：地= 6 1 5 9 ( k n m ) 计算跨径：i = 1 9 5 ( m ) 刚度b = o 8 5 e “i 庐o 8 5 x 3 0 0 0 0 x 0 ，0 7 0 7 = 1 8 0 2 8 5 ( 烈。m ) 第二章钢筋混凝土桥柔性桥面铺装层厚度的确定 一。，= 砉型0 8 5 l e j l o = 寺x 6 5 1 9 蒜1 8 0 2 0 = 1 4 ( 册) 活载挠度 。 4 8。4 8 x1 有效活载挠度的确定 作用在板跨中的挠度分布曲线如下图2 - 3 所示。 图2 从图3 可知，跨中的活载挠度值由在跨中最大向两侧逐渐减小，到支座处为零。为了表 征板产生的挠度由整个板共同承担，假想板的挠度变化曲线为一个矩形，如下图2 4 所示 f y 图2 4 简化挠度曲线分布图 将此时挠度称为有效挠度f 、，且用等效面积换算来求得f ，。即在图2 - 3 l 1 1 - l = l f 。 2 f f 。：。 2 中的面积等于图2 4 中的面积。故： 其中：l 一计算跨径； f 一活载挠度； f 。一有效挠度。 由于此时的有效挠度偏于保守。考虑到橡胶支座的缓冲作用，且与桥面铺装层中的挠度 之间的差异，故可将有效挠度取为f ，= f 3 ，那么，上面的例子中，其有效活载挠度就在 0 4 7 0 7 c m 之间。 2 1 3 设计弯沉值的确定 在路面双层体系中。确定某一结构层的厚度时，是将设计弯沉值作为控制指标进行计算， 即： 1 。1 d 东南大学硕士学值论文 其中：1 。实际弯沉值： l r 一设计弯沉值。 由于将桥面铺装体系简化为路面双层体系结构，故将其有效活载挠度换算为等效设计弯 沉值作为控制指标来确定某一结构层的厚度。在计算桥梁的有效活载挠度时由于考虑到支座 的缓冲作用，考虑简化后的模型与实际情况之间的差异，将有效活载挠度乘以一定的等效换算 系数k 来加以折减，这样，等效设计弯沉值的公式为： l d = k f ， 1 。等效设计弯沉值； k 等效换算系数； f ，有效活载挠度。 等效换算系数k 是用来表征将桥梁简化为半无限空间体时与实际情况之间的差异，且其可 以通过k = l 。f 。来确定。将桥梁模拟成半空间体且作为弹性双层体系来计算等效设计弯沉值。 假定面层为中粒式沥青混凝土。其弹性模量为1 0 0 0 m p a ，基层为水泥混凝土，弹性模量为3 0 0 0 m p a 。 对上述示例计算得，1 a = 2 0 ( 1 l o o m ) 。这样，k = 1 a ，f ，= o 0 2 1 4 = 0 0 1 4 。通过多次计算、统 计发现，等效换算系数k 取值范围一般在0 0 l 0 0 2 之间。 2 1 4桥面铺装层厚度的确定 桥面上部结构简化为路面双层体系后，可将其等效为一种路面模型来进行计算。将主梁作 为水泥混凝土路面层而桥面铺装层作为加铺层，即在水泥混凝土路面是加铺沥青层的模型。在 水泥混凝土路面上加铺沥青层，是将设计弯沉值作为设计指标加以控制，确定沥青面层的厚度， 表2 1 对上述例子取不同的有效挠度f 、和等效换算系数k 时，所确定的沥青厚度值。 不同有效挠度f ，和等效换算系数k 时的沥青层厚度值表2 - 1 有效挠度f ，f ，= f 1 2f ，= f 3 等效换算系 0 0 l0 0 1 40 0 20 0 10 0 1 40 0 2 数k 设计弯沉僮( 1 1 0 0 r m ) 79 81 44 76 59 8 沥青层厚度( c m ) 1 4 ， 1 61 81 31 41 6 对不同的等效换算系数和不同的挠度组合时，计算其沥青层厚度值，见下表2 - 2 和表2 3 所示： 不同等效换算系数和挠度时的沥青层厚度值( 有效挠度为f ，= f 2 )表2 - 2 1 6 第二章钢筋混凝土攥柔性接面铺装层厚度的确定 等效挠度f y 0 51 o1 52 02 5 3 0 换算( c m ) 系数k 沥青层厚度h ( c f l l ) 1 11 31 51 61 71 9 0 0 1 等效挠度f 。0 51 01 52 02 53 0 换算( c n l ) 系数k 沥青层厚度h ( c m ) 1 21 41 61 82 02 2 0 0 1 4 等效挠度f 。0 5l1 522 53 0 换算( c m ) 系数k 沥青层厚度h ( c i q ) 1 31 61 92 1 2 32 5 0 0 2 从表中可知。当等效换算系数k 取0 ，0 2 和有效挠度 为f 2 ，沥青层厚度值偏于安全，最 在时可达到2 5 c m 左右。故建议采用等效换算系数k 为0 o l 、有效挠度f 。为f 3 ，这样得到的 沥青层厚度一般在9 1 6 c m 左右。这个表中的值分别是挠度为0 5 倍数时沥青层厚度值，当已知 计算时的挠度不是0 5 的部数时，可通过内插法得到相应的沥青层厚度值。 不同等效换算系数和挠度时的沥青层厚度值( 有效挠度为f ，= f 3 )表2 - 3 等效挠度f y0 51 01 52 02 5 3 o 换算( c m ) 系数k沥青层厚度h ( c m )91 l1 3 1 41 51 6 0 0 1 等效挠度f ，0 ，51 01 52 0 2 ，53 0 换算( c m ) 系数k沥青层厚度h ( c m )1 01 31 41 61 7 1 8 0 0 1 4 等效挠度f )o 51 01 52 o 2 53 0 换算( c m ) 系数k 沥青层厚度h ( c m ) 1 11 41 6 1 81 92 1 0 0 2 东南大学硕士学位论文 2 1 5结论 将桥面铺装层与主粱层状连续结合体系，简化为路面的双层体系结 构，用有效活载挠度作为控制指标来计算桥面铺装层的厚度。在计算过程中，桥面铺装层的双 层体系结构简化为在水泥混凝土上加铺沥青层的模型来确定铺装层的厚度。通过对模型的计算， 可以得到相应的桥面铺装层的厚度。 2 2 利用优化原理确定沥青类桥面铺装厚度 2 2 1 概述 模型是对现实事物的简化、模拟和抽象。人们利用模型描述系统各组成部分的行为和性 状，各单元之间以及它们同周围环境之间的交互作用。应用所建立的模型来分析各种因素、变 量和关系之间的园果依赖关系，以便推测各种变化、行动和决策可能整个系统的行为、性状或 性能带来的变化和影响，通过寻求最优解，来评价各个方案对改进系统的效果。 线性规划是系统分析方法中的一种，它通常是目标函数和约束条件为线性方程或线性不 等式，线性规划的数学模型就是包含一个线性目标函数和性性约束条件的模型。从系统分析的 角度，用建立的线性规划模型来确定合理的桥面铺装层厚度。 2 2 2 模型的建立 2 2 2 1 决策变量的确定 桥面铺装的过早损坏，影响了桥梁的使用寿命，在进行桥面铺装设计时，要科学合理的确 定一个铺装厚度，以保证桥面铺装层的长期使用性能。对已有资料及桥面实体的调查表明，影 响桥面铺装层厚度的因素有以下5 个方面，即强度、车辙、施工工艺、平整度和防水。 2 2 2 1 1 强度 莫尔库仑强度理论 目前，随着交通量和重型车辆的增加，桥面铺装容易过早出现病害。为了保证在设计使用 期内不出现明显的开裂和其它病害。要求桥面铺装层要具有一定的强度。在进行桥面铺装层力 学分析时，可引入路面层状体系，即把钢筋混凝土板和铺装层比拟成路面双层体系。在路面中 路基作为弹性半无限体，而在桥梁中，桥面板底面处于临空状态，为一有限体。但由于在选取 计算参数时，桥面板的弹性模量要远大于路基的弹性模量故可假定作为半无限体。在粱或板 端设垂直支承以考虑支座的约束作用。建立如图2 5 所示的力学计算模型，在钢筋混凝士板或 粱上铺装一定厚度的沥青混凝土，铺装层表面作用有垂直荷载和水平荷载。计算中水平荷载与 垂直荷载同时考虑，其中水平荷载是通过垂直荷载乘以车轮与路面间摩擦系数得到。根据已有 第二章钢筋混凝土桥柔| 圭桥面铺装屡厚度的确定 研冗结果，f = 0 2 表不缓慢制动，f 2 0 5 表不紧总制动情况，此次分析时主蛰考愿j 后一种最 不利情况。即计算荷载取b z z 一1 0 0 标准轴荷中一侧轮载，轮压p = o 7 m p a ，当量圆半径6 = 1 0 6 5 c m 双轮中间距3 2 c m 。 卜_ 十撒_ 2 6 沥青混凝土铺装层e l ，u l ，h l 钢筋混凝土板或梁 e 2 ，p2 ，h 2 图2 - 5 计算图示 计算参数取为：沥青铺装层厚度5c m ，模量取为1 5 0 0 m p a ，混凝土板的厚度取为4 0c m ，模 量取为3 2 0 0 0 m p a 。利用水泥混凝土路面加铺层理论计算发现，层间最大剪应力的数值0 2 8 8 2 m p a ， 在沥青铺装层内部。剪应力在表面处最大，此时剪应力的最大点位于荷载中心附近。剪应力随 着深度的增加而减小，但到层间结合处，又有一定程度的增加。 因此，对层间剪应力影响的主要因素有：沥青铺装层厚度、沥青混凝土的力学参数、桥面 板的力学参数与厚度及桥梁跨径长度等。力学分析表明，沥青层的厚度对层间剪应力的影响晟 大。以表2 - 4 所给的数据为例，当铺装层厚度为3 c m 时，层间剪应力为0 3 2 9 9 m p a ，而铺装层厚度 为1 l c m 时，层间剪应力为0 2 2 1 4 m p a ，减小的幅度为3 2 9 ，从表中数据易见层间剪应力随沥青 铺装层厚度增加而减小，而且开始减小的速度最快，但当铺装层厚度较大时，其剪应力随厚度 增加而减小的速度减慢。 通过对沥青类桥面铺装层的破坏现象分析，发现使用莫尔一库仑强度理论来确定铺装层厚 度是比较合适的，即要求桥面与沥青铺装层之间的层间剪应力不超过层间抗剪强度： t f tr 其中：tr 为层间剪应力： f 是制动摩擦系数，可取0 2 或0 5 ： tn ：缓慢制动的层间剪应力； t 0s 为紧急制动的层间剪应力： tt 为层间抗剪强度。 东南大学硕士学位论丈 沥青铺装层厚度h 。对层间剪应力的影响表2 4 h 。( c m )3 5791 1 t 0 3 2 9 90 2 8 8 20 2 6 1 90 2 3 6 1o 2 2 1 4 ( m d a ) 参考我国道路的路面设计方法，可按下式确定层间的抗剪强度： tr = f 。k 其中： f 。= c + o ：t 9 1 i ，当紧急制动时，f 。= c d + od t g l l r ( c d = i 2 c ) ： c ， 1 l r 一沥青混台料的粘结力与内摩擦角： ( 当采用中粒式沥青混合料时，粘结力c = 0 2 8 m p a 内摩擦角1 i ，= 4 5 0 ) ； o 。一破裂面上的法向有效应力o