（道路与铁道工程专业论文）连续梁桥沥青混凝土桥面铺装层的结构设计研究.pdf

【j 东大学硕十学位论文 中文摘要 随着公路桥梁建设的快速发展，桥梁结构不断创新，大跨径桥梁己很普遍。 但是，随着交通量和重型车辆的增加，许多桥梁建成后不久铺装层就出现了严重 的破损、开裂、坑槽、拥抱等早期病害，不仅严重影响了交通的顺畅，而且给桥 梁本身也带来了很大的危害。由于对车辆荷载作用下沥青混凝土桥面铺装层的力 学响应机理特别是动力学响应机理缺乏系统的研究，在进行桥梁结构设计时对桥 面铺装层设计一般不作专门的计算分析，这就为铺装层早期病害的发生埋下了隐 患。本文利用a n s y s 有限元通用软件，从桥梁的结构特性入手，将梁板与铺装层作 为一个整体结构进了系统的静力学、动力学分析，全面研究了桥面铺装层在车辆 荷载作用下的损坏机理，提出了沥青混凝土桥面铺装层结构设计的控制指标和合 理的设计方法，为今后沥青混凝土桥面铺装层的结构设计探讨了一个新的研究方 向，具有重要的理论价值。 为了有效防治铺装层疲劳开裂、推移拥抱、离散剥落等早期病害，系统研 究了车辆荷载作用下铺装层应力、应变随铺装层厚度、荷载和车速( 加载频率) 的变化规律，明确了车辆荷载作用下铺装层的破坏机理，提出了以铺装层顶面容 许纵向拉应变、底面容许纵向剪应力、底面容许竖向拉应力和顶面容许纵向剪应 变作为桥面铺装层结构设计的四项控制指标。 通过静力学分析与动力学分析的比较，发现铺装层在静载和动载作用下应力 应变随厚度、荷载及车速的变化规律相吻合。因此，在充分考虑应力、应变时效 性的基础上，提出了将桥面铺装层在移动荷载作用下的动力效应问题等效转换为 静力响应问题进行处理的设计原则。确定了动力效应系数指标( d e i ) ，并且依 据此指标提出了铺装层结构设计的合理方法。 通过分析车辆荷载作用下铺装层应力应变随厚度的变化规律可知，增加铺装 层厚度对于降低铺装层应力、应变的作用是有限的，桥面铺装层合理的设计方案 取决于梁跨本身的结构。因此，桥面铺装层的结构设计决不应该成为桥梁设计的 附属品，而应该成为桥梁设计中必不可少的一部分内容。 关键词：连续梁桥；桥面铺装：有限元；动力学分析；结构设计 东大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ei n n o v a t i o no ns t r u c t u r eo fb r i d g e sh a sb e e nh a p p e n i n gc o n t i n u o u s l yw i t h t h ed e v e l o p m e n to fb r i d g e sc o n s t r u c t i o n ，a n dt h el o n g - s p a nb r i d g e sh a v eb e e na tl a r g e b u ts e r i o u se a r l yd i s e a s e sh a v e b e e no c c u r r e do nm a n yn e wc o n s t r u c t e db r i d g e ss u c h a sd i l a p i d a t i o n 、c r a c k 、g r o o v ea n dp r o c e s se t c ，w h i c hn o to n l yd e p r e s s e dt h et r a f f i c f l u e n c ys e r i o u s l y , b u ta l s or e s u l t e di ng r e a th a r m o nt h eg i r d e ri t s e l f d e wt ot h el a c k o f s y s t e m a t i c a ls t u d ya b o u tt h er e s p o n s em e c h a n i s m ，e s p e c i a l l ya b o u tt h ed y n a m i cr e - s p o n s em e c h a n i s m ，f o rt h ea s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n tu n d e r t h ev e h i c l el o a d s ，t h e r ei s n op r o f e s s i o n a lc a l c u l a t i o na n a l y s i sf o rt h ed e s i g no fa s p h a l tp a v e m e n td u r i n gt h ed e s - i g no ft h eb r i d g e ，w h i c hr e s u l ti ni n c i p i e n tf a u l tf o rt h ep a v e m e n te a r l yd i s e a s e s i n t h i sp a p e r t a k i n gt h eg i r d e ra n da s p h a l tp a v e m e n ta sae n s e m b l e ，w es t u d ys y s t e m a t i c - c a l l ya b o u tt h er e s p o n s em e c h a n i s mf o r t h ea s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n tu n d e rt h ev e h i c l el o a d s ，a n de s t a b l i s ht h eg u i d e p o s t sf o rt h ed e s i g no fa s p h a l tp a v e m e n t f i n a l l y , w e b u i l du pt h er e a s o n a b l em e t h o df o rt h ed e s i g no fa s p h a l tp a v e m e n t ，a si n d i c a t e dan e w d i r e c t i o nf o rt h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h ea s p h a l tp a v e m e n t i no r d e rt op r e v e n te f f e c t i v e l yt h ee a r l yd i s e a s e so ft h ep a v e m e n t ，w es t u d y s y s t e m a t i c a u yt h er e g u l a r i t yo ft h es t r e s sa n ds t r a i nw i t ht h ev a r i a b l ep a v e m e n tt h i c k n e s s 、 l o a d sa n dv e l o c i t yf o rt h ep a v e m e n tu n d e rt h ev e h i c l el o a d s a n dw ee s t a b l i s h e df o u r g u i d e p o s t sf o rt h ed e s i g no fa s p h a l tp a v e m e n t ：t o l e r a n tl o n g i t u d i n a lt e n s i l es t r a i n 、 t o l e r a n tl o n g i t u d i n a ls h e a r e ds t r e s s 、t o l e r a n tv e r t i c a lt e n s i l es t r e s s 、t o l e r a n tl o n g i t u d i n a ls h e a r e ds t r a i n c o m p a r i n gt h es t a t i ca n a l y s i sw i t ht h ed y n a m i ca n a l y s i s ，w ed r a wac o n c l u s i o n t h a tt h er e g u l a r i t yo ft h es t r e s sa n ds t r a i nw i t ht h ev a r i a b l ep a v e m e n tt h i c k n e s s 、l o a d s a n dv e l o c i t yf o rt h ep a v e m e n tu n d e rt h es t a t i cl o a d si si na c c o r dw i t ht h a tu n d e rt h e m o v i n gl o a d s t h e r e f o r e ，c o n s i d e r i n gt h ep e r d u r a b i l i t yo ft h es t r e s sa n ds t r a i n c o m p l e t e l y , w e d e f i n et h ed y n a m i ce f f e c t i v ei n d e xa n db u i l du pt h em e t h o df o rt h e d e s i g no fa s p h a l tp a v e m e n tt h a tt r a n s f o r m sad y n a m i cp r o b l e mt oas t a t i cp r o b l e m a c c o r d i n gt oe q u a l i t yo ft h ei n t e g r a l b ys t u d y i n gt h er e g u l a r i t yo ft h es t r e s sa n ds t r a i nw i t ht h ev a r i a b l ep a v e m e n t 山东大学硕士学位论文 t h i c k n e s s 、l o a d sa n dv e l o c i t yf o r t h ep a v e m e n tu n d e rt h ev e h i c l el o a d s ，w ec a ng e tt h a t i ti sl i m i t e dj u s tb yi n c r e a s i n gt h ep a v e m e n tt h i c k n e s st or e d u c et h es t r e s sa n ds t r a i n ， a n dt h er e a s o n a b l ed e s i g n i n gs c h e m ef o rb r i d g ep a v e m e n ti sd e t e r m i n e db yt h e s t r u c t u r eo ft h eg i r d e ri t s e l t t h e r e f o r e ，t h ed e s i g no ft h ea s p h a l tp a v e m e n ti sn o ta l l a p p e n d a n tb u t an e c e s s a r yi m p o r t a n tp a r ti nt h ed e s i g no ft h ew h o l e b r i d g e k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sb r i d g e ；b r i d g ep a v e m e n t ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； d y n a m i ca n a l y s i s ；s t r u c t u r a ld e s i g n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：耋尘坐一 日 期：垫墨：鲨 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 1 论文作者签名：王业堡导师签名：倾 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着公路事业的迅猛发展，大跨径水泥混凝土连续梁桥得到了越来越广泛的 应用，桥面铺装作为桥梁整体结构的一个重要组成部分，其质量的好坏对于桥梁 建成后在营运期间行车的安全性、舒适性和美观性都起着至关重要的作用。由 于桥面铺装层直接承受行车荷载、梁体变形和环境因素的作用，其变形和应力特 征与主梁及桥面板结构型式密切相关，一方面可分散荷载并参与桥面板的受力， 另一方面起联结各主梁共同受力的作用：既是桥面保护层又是桥面结构的共同受 力层，所以应具有足够的强度和良好的整体性，并具有足够的抗裂、抗冲击、耐 磨性能晗1 。 桥面铺装在行车荷载、风载、温度应力及桥面板局部变形等综合因素影响下， 其受力和变形较一般路面复杂，桥面铺装也是桥梁整体结构中较为薄弱的环节， 其破坏的可能性远远超出桥梁的其它部分，一旦桥面铺装出现破坏，将直接对桥 梁的使用功能和使用质量产生负面影响口1 。近年来随着我国公路桥梁建设快速发 展，桥梁结构不断创新，大跨径桥梁己很普遍，但桥面铺装的设计仍沿用传统 的习惯做法，在进行桥梁结构设计时，对桥面铺装层一般不作专门的计算分析， 尤其是对移动荷载作用下桥面铺装的破坏机理缺乏系统的研究h 孔1 。这就导致了 许多桥梁随着交通量和重型车辆的增加，桥面建成后不久铺装层就出现了严重的 破损、开裂、坑槽、拥抱等病害叩】。许多桥面铺装在通车后一年左右就要进行大 面积修补或全部铲除重新铺筑，但修补或重铺后，新的病害破坏现象往往很快又 出现，这不仅增加了桥梁的养护、维修费用，降低了桥梁的经济效益，而且对于 道路交通影响干扰极大，甚至导致交通中断，造成了恶劣的社会影响口h 1 。 沥青混凝土路面具有很好的行车舒适性、美观性，同时便于维修，因此， 它在桥面铺装中应用越来越广泛聆1 。沥青混凝土铺装作为柔性铺装层，可以有效 地缓和行车荷载对桥面的冲击作用，在桥梁运营过程中易达到平稳、舒适的要求 n 町n 1 。目前现行规范对沥青铺装结构的设计主要从所用材料、做法及厚度等方 面作了指导性的说明，关于具体的设计理论与方法还非常少，铺装层的设计无章 可循n 铂。这就造成了在实际设计中，桥面铺装层只作为桥梁工程的附属结构，设 山东大学硕士学位论文 曼曼! 曼! 曼曼皇曼曼曼! 曼! 曼i l l ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼 计者对其甚少花费精力n 引。把桥面铺装层当作普通路面结构来设计与施工，并没 有根据其受力特点进行专门的设计与处理，造成设计不合理，从而为桥面铺装的 早期损坏埋下了隐患1 5 1 。 沥青混凝土桥面铺装结构破坏已成为高等级公路的主要病害之一，严重影响 了行车安全与舒适，在其结构设计中暴露的问题与日俱增，亟需制定一套指导水 泥混凝土桥梁桥面铺装结构的设计方法n 引。因此，从桥梁结构特性入手，对桥面 铺装进行系统的静力学和动力学响应分析，提出沥青混凝土桥面铺装层结构设计 的控制指标和合理的设计方法，具有重大意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外桥面铺装层发展概况 在桥面铺装维护管理及病害原因分析研究、病害处治过程中，人们已经清楚 地认识到桥面铺装具有多种功能，它既是桥梁行车道结构的组成部分，又是行车 道桥面板的“保护层 ，不但直接接受数千万次车辆荷载作用，而且还受气候变 化、环境变化、行车事故等破坏性因素的影响，因其使用条件恶劣，受力状况复 杂，对设计、施工和养护管理的要求苛刻，因而成为国内外桥梁建设中尚未很好 解决的技术难题n 川1 7 1 。 德国是较早对桥面铺装进行系统研究的国家，目前在沥青混凝土桥面铺装中 广泛使用的沥青玛蹄脂碎石( s m a ) 混合料及浇注式沥青混凝土( ( ；u s s a s p h a lt ) 均 源自德国，特别是对于浇注式沥青混凝土在桥面铺装中的应用技术研究，德国开 展的最早，充分认识到浇注式沥青混凝土作为桥面铺装比一般沥青硅具有优良的 防水、抗老化和抗疲劳性能，对于防止桥面铺装出现早期破坏具有极强的针对性， 并制定出了相应的设计、施工规范手册，在德国国内乃至世界其它国家都广为应 用。 美国1 9 9 5 年在美国内华达洲建成的西部环道( w e s t r a c k ) 试验路研究指出，由 于桥面铺装工作温度较一般路面高，特别是在3 5 c 一5 0 c 范围时，桥面铺装的混 合料极易产生疲劳破坏。美国也是采用环氧树脂沥青混凝土进行桥面铺装的主要 代表国家，从1 9 6 7 年至今，美国采用环氧树脂沥青混凝土铺装的桥面达2 3 座，对 2 山东大学硕士学位论文 于防止环氧树脂沥青混凝土桥面铺装早期破坏已有了较为成熟的技术经验，指出 环氧树脂沥青混凝土中沥青含量是防止桥面铺装出现各类疲劳破坏的最为关键 的因素。 英国道路运输协会在2 0 世纪5 0 年代早期就对桥面铺装的损坏进行了广泛的 调查研究，目的是找出一个合适的铺装结构。英国运输与道路研究实验室( t r r l ) 进行了大量的实验研究后将桥面铺装保护层、防水粘结层及面层详细的材料、配 比及厚度要求均写入了路桥施工设计手册( 1 9 6 4 年) ，以指导桥面铺装设计、施工。 我国对桥面铺装层的研究开始于上世纪九十年代早期，起步较晚，主要基本 都集中在较为大型的桥梁工程中，1 9 9 2 年，交通部重庆公路科学研究所依托虎门 大桥工程，组织科技攻关，开发了双层s m a 桥面铺装成套技术。通过广东汕头宕 石大桥、厦门海沧大桥、武汉白沙洲大桥实践，双层s m a 钢桥面铺装成套技术日 趋成熟，与此同时，江阴长江公路大桥沥青玛蹄脂桥面铺装及南京长江二桥环氧 树脂沥青混凝土桥面铺装技术的开发运用，进一步拓宽了我国桥面铺装技术的 研究范围。 在这些新的沥青混凝土桥面铺装技术开发应用的同时，如何防止桥面铺装的 破坏，特别是早期破坏的研究也显得尤为重要。目前，国内对桥面铺装破坏的研 究基本主要集中在材料设计和铺装技术等方面，而关于理论分析和结构计算的研 究较少n 8 1 n 们。 目前看来，对桥面铺装研究的技术难点主要集中在以下几点： ( 1 ) 作为行车道结构组成部分的桥面铺装层在复杂荷载状况下的结构关系 和受力机制。 ( 2 ) 作为直接承受荷载的桥面结构，桥面铺装层与桥面板的结合强度，材 料的抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度、抗疲劳强度及其物理力学性能。 ( 3 ) 作为桥面板“保护层 桥面铺装层与桥面板变形的追随性能、防排水 性能、透水密封性能、抗老化及抗环境腐蚀新性能等。 1 2 2 沥青混凝土桥面铺装层的结构形式研究 国内外经过几十年的实践与探索，结合各自国家和地区的具体情况，在桥面 铺装方面选用的结构类型与厚度不尽相同，一般的沥青混凝土铺装层，包括防水 3 【if 东大学硕士学位论文 层和沥青混凝土面层7 1 ( 如图1 - 1 ) 。 图卜1 桥面铺装结构示意图 日本一般采用如下的桥面铺装结构形式： ( 1 ) 沥青层+ 板状防水材料十沥青橡胶粘结剂； ( 2 ) 沥青层+ 3 层氯丁橡胶型防水材料+ 氯丁橡胶粘结剂； ( 3 ) 沥青层+ 乳化沥青( 粘结) + 沥青层( 防水) + 沥青橡胶粘结剂。 丹麦在防水层之上铺筑1 5 2 0 c m 的开级配沥青混凝土作保护层+ 4 c m 改性 沥青混凝土联结层+ 4 c m s m a 结合料磨耗层。 德国采用的铺装形式与丹麦基本相同，但是设置了排气层，取消了保护层。 法国要求所有桥梁均须设置防水层，并建议防水材料优先采用由高分子聚合 物制成的涂膜或卷材，底涂层一般采用改性合成橡胶乳液，保护层为2 2 c m 厚的 沥青碎石，面层厚度一般为7 1 0 c m 。 奥地利采用8 c m 浇注式沥青混凝土下面层，磨耗层采用4 c m 浇注沥青混凝土， 铺装层底部设置预制板防水层。 瑞典一般采用如下的铺装结构形式： ( 1 ) 预制板类防水层+ l c m 浇注式沥青混凝土保护层+ 1 5 c m 预拌沥青砂砾+ 4 c m 浇注式沥青混凝土磨耗层； ( 2 ) 预制板类防水层+ 3 5 c m 浇注式沥青混凝下面层+ 4 c m 浇注式沥青混凝土 上面层； ( 3 ) 薄膜类防水层+ 5 c m 水泥混凝土保护层+ 3 a m 浇注式沥青混凝土下面+ 4 c m 浇注式沥青混凝土下面层。 荷兰采用3 c m 沥青混凝土下面层+ 4 c m 浇注式沥青混凝土磨耗层。 澳大利亚采用预制层类防水层+ 5 c m 沥青混凝土铺装层。 意大利一般采用如下的铺装结构形式： 4 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 地沥青类防水层+ 5 c m 沥青混凝土下面层+ s c m 沥青混凝土磨耗层； ( 2 ) 薄膜类防水层+ 4 c m 沥青混凝土下面层+ 3 c m 沥青混凝土磨耗层； ( 3 ) 预制层类防水层+ 6 c m 沥青混凝土下面层+ 3 c m 沥青混凝土磨耗层。 英国采用预制层类防水层，其上铺设地沥青砂保护层，上面层则采用3 a m 热 拌地沥青或l o c m 双层热拌地沥青或1 5 c m 水泥混凝土。 我国对小跨径桥梁一般不考虑设置防水层，直接在桥面上铺筑5 一- - 8 c m 的沥青 混凝土( 单层或双层) 。对于大跨径桥梁，一般在桥面板上设置防水粘结层，其上 铺筑沥青面层材料，面层材料一般为密级配沥青混凝土、s l o t h 、环氧沥青混凝土 和浇注式沥青混凝土，目前双层s m a 铺装技术在大跨径桥梁的桥面铺装中应用较 为广泛，其效果也较为理想。 另外，一些学者和专家对沥青混凝土铺装层进行了结构力学分析，提出了以 层间抗剪强度为设计指标的铺装层厚度设计方法啪l 2 ；日本学者对沥青混凝土 铺装层的荷载应力也进行了相关分析，意大利学者计算了沥青混凝土铺装层的温 度应力等乜羽。 1 2 3 沥青混凝土桥面铺装层的材料性能研究瞳3 1 桥面铺装的材料性质和强度机理与一般沥青路面大致相同，但其外部环境和 受力条件较一般路面更为苛刻，国内外对沥青混凝土桥面铺装层都提出了相关的 技术要求。 ( 1 ) 足够的强度与刚度及良好的变形追从性 足够的强度与刚度以及变形追从性或变形协调性是桥面铺装首先应该具备 的性能之一。1 9 6 7 年版的日本铺装试验法便览即对此提出了明确的要求。 大跨径桥梁的主梁变形较大，且变形复杂，对桥面板的变形追从性不好，将 可能产生两种类型的破坏：其一为沥青混凝土桥面铺装层与桥面板之间的相互错 动的剪切破坏，该现象主要存在于桥面铺装层的底部；其二则为沥青混凝土铺装 层的弯曲破坏，铺装层强度与刚度较差则使轮迹带的混合料被压坏的可能性增 加。 ( 2 ) 良好的疲劳性能 正交异性桥面板上的沥青混凝土铺装层位于网格状的肋条部位，在车辆荷载 5 l i i 东大学硕十学位论文 作用下，将形成较大应力的反复作用，容易导致铺装的疲劳开裂：加之大跨径桥 梁桥面板大变形的特性，要求桥面铺装具有优良的柔韧性和适应变形的能力，以 避免铺装层早期疲劳开裂和在较低温度时的收缩开裂。并且由于铺装层的养护维 修困难，设计上应对其耐用年限提出更高的要求。 ( 3 ) 较强的高温稳定性和抗剪能力 在同样气候条件下，沥青混凝土桥面铺装层的实际温度高于普通沥青路面， 而因桥面板与铺装层之间模量存在较大差距，在载重车辆以及车辆超载的不利因 素作用下，铺装层与桥面板之间的剪切作用十分显著。 ( 4 ) 良好的抗裂性能 试验表明，在车辆荷载作用下，与荷载作用区域相邻的u 形加劲肋肋顶的桥 面铺装层表面将出现最大横向拉应力，邻近的横隔板顶部的铺装表面出现最大纵 向拉应力：而桥面板的温度收缩系数与沥青混凝土的收缩系数相差较大，二者的 导热性能也存在较大差异，因此铺装层必须具有良好的抗荷载开裂与抗低温收缩 的能力，即铺装层必须具有良好的抗裂性。 ( 5 ) 良好的粘结性能 桥面板与防水粘结层之间、防水粘结层与沥青铺装层之间都必须具有良好的 粘结力，使各层能够结合形成牢固的整体，才能保证在荷载作用或温度变化时各 层共同作用。与桥面板牢固地粘结也是保证铺装层变形追丛性的必备条件。为提 高铺装与桥面板之间的粘结力，一方面应尽可能选用与桥面板粘结力强且高温稳 定性、抗剪性能好的粘结材料，另一方面也应尽可能提高铺装下层的密实程度。 ( 6 ) 良好的防水性能 保护桥面板特别是钢桥面不被腐蚀，是保证桥梁结构功能的首要问题。因此 作为桥面保护层的桥面铺装的主要结构材料沥青混凝土应具有高度的密水性和 抗水损能力，而铺装结构则应具有完善的防、排水体系。 ( 7 ) 适当的厚度 为减轻桥梁的恒载以及保证铺装层的变形追丛性，铺装层的厚度不宜过厚。 而为了使铺装层具有足够的强度和刚度，并且提高铺装层内的荷载分散能力与抗 疲劳性能，铺装层的厚度又不宜过薄。 ( 8 ) 良好的表面服务性能 6 山东大学硕士学位论文 包括低噪音及良好的平整度和粗糙度，以减少车辆荷载的冲击和提高铺装层 的抗滑能力。 以上性能中，除平整度与沥青混合料本身关系较小外，其余基本都是由沥青 混合料决定的。 1 2 4 研究中存在的问题 根据以上国内外的研究情况，可以得到以下几点认识： ( 1 ) 对于连续梁桥沥青混凝土桥面铺装层的设计，目前还局限于对材料性 能方面的研究，而在结构力学方面的研究比较匮乏。如何从桥梁结构的工作状态 出发，对沥青面层的力学行为进行分析，从而科学地通过设计计算确定结构层的 厚度，还是属于空白。 有的学者提出了以层间抗剪强度为指标的厚度设计方法，该指标可以有效保 证铺装层的抗剪切能力，对于防止沥青混凝土铺装层产生推移、拥抱等早期病害j ： 具有积极作用。但是该指标尚显单一，对于防治铺装层顶面的疲劳开裂、离散剥 落效果不明显。 ( 2 ) 对于连续梁桥沥青混凝土桥面铺装层的力学分析，多以静载分析为主， 而对铺装层的动力学响应缺少系统研究。汽车行驶时作用于铺装层上的实际荷载 并不是静态荷载，而是一个动态的加载过程。 国内外虽然有的学者对铺装层的受力状态进行了动力学分析乜钉叫堋，但大多 都是通过建立车桥耦合振动体系对车辆荷载引起的冲击应力、应变峰值进行了分 析田l 噙1 ，而没有考虑应力、应变持续时间对铺装层破坏的影响。分析的重点仍 然局限于对材料性能指标的研究，没有从结构力学的角度进行分析提出铺装层结 构设计的合理方法和控制指标。 ( 3 ) 传统的桥面铺装结构设计只是参考路面设计规范，这就忽视了因桥梁 和道路在结构上的不同、材料特性的不同而造成的铺装层力学响应上的差异 嚣】、【】 0 路面结构边界条件远比梁跨结构边界条件严格得多：路面结构除了顶面是 自由边界外，其它各个面都是约束边界；而梁跨结构只在梁的两个端面上为约 束边界，其它各面均为自由边界。另外，路面结构的材料阻尼系数近似于梁跨 7 山东大学硕士学位论文 结构材料阻尼系数的两倍心2 l 口。这就必然会使桥面铺装层在车辆荷载作用下 的应力、应变分布规律与路面铺装层有很大差异，桥面铺装层结构设计直接参 考路面设计规范是不合适的。 从已经建成并投入使用的连续梁桥沥青混凝土桥面铺装层的使用情况来 看，不管铺装是何种形式，或多或少均存在着一定的问题，国内多家研究机构对 此进行了大量的调查研究，认为仅仅从铺装材料和结构形式上对沥青铺装层进行 调整并不能从根本上解决出现的问题，应该从桥梁的结构特性入手，分析铺装层 受力与桥梁结构的内在联系，才能够从力学的高度来研究铺装层的工作状态，最 终找到解决问题的方法瞳3 3 羽。 1 3 课题研究的主要内容及创新点 1 3 1 主要内容 ( 1 ) 充分考虑梁板挠度、振动和铺装层变形追从性的影响，系统分析了 铺装层在车辆荷载作用下的力学响应特征。 ( 2 ) 确定防治桥面铺装层早期病害的关键因素，提出桥面铺装层结构设计 的控制指标。 ( 3 ) 提出沥青混凝土桥面铺装层结构设计的合理方法。 ( 4 ) 验算大清河大桥铺装层结构设计的合理性，并且求得最优化的铺装 层结构设计厚度。 1 3 2 本文创新点 ( 1 ) 考虑沥青混凝土桥面铺装层在车辆荷载作用下应力、应变的时效性， 提出动力效应系数( d e i ) 的概念，来表征移动荷载所产生的动力效应状态。 ( 2 ) 在材料性能方面，从铺装层结构力学的角度提出了竖向容许拉应力和 纵向容许剪应变作为沥青混凝土铺装层材料性能的控制指标，保证铺装层具有足 够的强度抵抗轮载的拉拔、剪切揉捻作用； ( 3 ) 在结构设计方面，改变了传统连续梁桥沥青混凝土桥面铺装的设计方 法，提出以铺装层顶面容许拉应变为设计指标，以铺装层底面容许剪应力为验算 8 山东大学硕士学位论文 指标，保证铺装层具有足够的强度抵抗疲劳开裂和层间剪切破坏。 ( 4 ) 充分考虑车辆荷载作用下铺装层应力、应变的时效性，提出桥面铺装 层结构设计的合理方法。 1 4 研究的技术思路 本文依托济菏高速公路大清河大桥实际工程项目，通过a n s y s 有限元软 件分析沥青混凝土桥面铺装层在车辆荷载作用下静力学、动力学响应机理。 提出以静力学分析为基础，并充分考虑桥面铺装层在车辆荷载作用下应力、 应变的时效性，确定连续梁桥沥青混凝土桥面铺装层结构设计的合理方法和 控制指标。这样就将铺装层结构设计的动力学问题转换成一个静力学问题来 解决，不仅简化了问题而且使得研究与实际情况相符合。 ( 1 ) 静态分析 静态分析是桥面铺装层结构设计的基础。通过分析铺装层在静载作用下应 力、应变分布规律，初步确定桥面铺装结构设计的控制指标，并求得铺装层 控制指标的静力学计算值。 ( 2 ) 模态分析 确定结构的前5 0 阶固有频率，不同的加载频率对应不用的行车速度。通 过模态分析并考虑车辆实际行驶情况，确定合适的行车速度。 ( 3 ) 进行瞬态动力学响应分析 包括单次动态加载分析和移动加载分析两类。移动加载分析研究了铺 装层的实际受力状况，反映了应力、应变的时效性；单次动态加载模拟静态 加载，为比较铺装层在移动荷载和静态荷载分别作用下的力学响应规律作必 要的准备。 通过比较桥面铺装层在静载与动载分别作用下的力学响应规律，确 定桥面铺装层结构设计的控制指标； 充分考虑应力、应变时效性的基础上，提出动力效应系数的概念， 修正铺装层各项控制指标的静力学计算值。 提出桥面铺装层结构设计的合理方法和优化设计方案。 9 山东大学硕十学位论文 1 5 课题研究计划 2 0 0 70 1 2 0 0 70 5 2 0 0 70 6 - 一2 0 0 70 9 2 0 0 71 俨一2 0 0 71 2 2 0 0 801 2 0 0 80 4 2 0 0 80 5 1 0 资料文献的收集与整理，相关工程的现场调研，确定研究 方案 单次荷载作用下桥面铺装层的力学响应分析 移动荷载作用下桥面铺装层的力学响应分析 数据整理，撰写论文 论文答辩 f li 东大学硕士学位论文 第二章沥青混凝土桥面铺装层的静力学响应分析 连续梁桥沥青混凝土桥面铺装层破坏常表现为层间剪切破坏、推移拥抱、纵 横向疲劳开裂等。为此，国内外很多学者对连续梁桥桥面铺装层进行了大量的静 力学响应分析，对最不利荷载位置、材料参数以及铺装层厚度等对应力、应变的 影响关系进行了相应的研究。静力学分析是本文进行桥面铺装层结构设计的基 础，下文将依托济菏高速公路大清河大桥实际工程项目，通过有限元软件完成单 箱单室的连续梁桥空间实体建模，将沥青混凝土铺装层与箱梁作为一个整体结 构，充分考虑梁板挠度和铺装层变形追从性的影响，通过有限元静态分析深入研 究应力、应变随铺装层厚度和荷载变化的规律。在此基础上，初步提出铺装层结 构设计的控制指标，并求得控制指标的静力学计算值。 2 1 有限元方法简介 2 1 1 基本原理n 1 力学分析的方法可分为解析法和数值法两类。解析法通常只是对某些简单问 题才能得到符合形式的解答。对于复杂的结构问题要用解析法求出闭合解往往是 不可能的，唯一的途径是应用数值法求出问题的近似解。力学分析的数值法中应 用最为广泛的有限元法。 有限元法的分析过程，概括起来可分为五个步骤： ( 1 ) 结构的离散化。将原结构体划分成有限个单元体，并在单元体的指定点 设置节点，把相邻的单元体在节点处连接起来组成单元的集合体，以代 替原来的结构。 ( 2 ) 选择位移模式。为了能用节点位移表示单元体的位移、应力和应变，在 分析连续体问题时，必须对单元中位移的分布作出一定的假定，也就是 假定位移是坐标的某种简单的函数，这种函数称为位移模式或插值函 数。因为多项式的微分和积分比较方便，并且由所有光滑函数的局部看 来都可以用多项式逼近。所以，在有限单元法中，普遍地选择多项式作 为位移模式，导出用节点位移表示单元内任一点位移的关系式，其矩阵 l l i 东大学硕士学位论文 形式是： f ) = n 水 ( 2 1 ) f ) 为单元内任一点的位移列阵； 6 ) 。为单元的节点位移列阵； n 称为形函数 矩阵，它的元素是位置坐标的函数。 ( 3 ) 分析单元的力学特性。包括下面三部分内容。 利用几何方程，由位移表达式2 - 2 导出用节点位移表示单元应变的关 系式： ) = b 6 ) 。 ( 2 2 ) e ) 是单元内任一点的应变列阵； b 称为单元应变矩阵。 利用物理方程，由应变的表达式2 3 导出用节点位移表示单元应力的 关系式： ) 一 d b 水) 。 ( 2 3 ) o r ) 是单元内任一点的应力列阵； d 是单元材料有关的弹性矩阵。 利用虚功原理建立作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系式， 即单元的刚度方程： 尺 一 k 6 ) 。 ( 2 4 ) k 称为单元刚度矩阵 ( 4 ) 计算等效节点力。弹性体经离散化后，假定力是通过节点从一个单元传 递到另一个单元，但是作为实际的连续体，力是从单元的公共边界传递 到另一个单元的。因而，这种作用在单元边界上的表面力以及作用在单 元上的体积力、集中力等都需要等效移置到节点上去，也就是用等效的 节点力来替代所有作用在单元上的力。移置的方法是按照作用在单元上 的力与等效节点力，在任何虚位移上的虚功都相等的原则进行。 ( 5 ) 集合所有单元的刚度方程，建立整个结构的平衡方程。这个过程包括两 方面的内容：一是将各个单元的刚度矩阵集合成整个物体的整体刚度矩 阵；二是将作用于各单元的等效节点力列阵集合成总的荷载列阵。得到 以整体刚度矩阵 k 、荷载列阵 f 以及整个物体的节点位移列阵 6 1 2 山东大学硕士学位论文 表示的整个结构的平衡方程。 k 6 ) - r ( 2 5 ) ( 6 ) 求解未知节点位移和计算单元应力。根据集合起来的平衡方程组的具体 特点，选择合适的计算方法，解出未知位移。 2 1 2 三维八节点等参元法基本理论1 对空间问题，本文所采用的单元形式为如图2 - 1 所示的8 节点6 面体s o l i d 4 5 实体单元。 位移模式是： 坐标变换式是： 5 l 图2 - 1 单元节点编号示意图 其形函数为 i = 虿1 ( 1 + 每肿+ 仇，7 ) ( 1 + 色；) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 1 3 “ y w 。p 1 i 暑 睡 比 睡 z y z 。p。p。 _ i 一 比 比 比 山东大学硕士学位论文 应变列阵： ) = 置 4 ) 应力列阵： 仃) = d b 】 6 。 ， 单元刚度矩阵： 1 ( ；觚b d 】 b 批 1 2 1 ，2 ，8 2 9 荷载列阵： r 。= 觚丁。 g 出 集合所有的单元刚度，建立整个结构的平衡方程，即得到以整个刚度矩阵 k 、荷载列阵 尺) 以及节点位移列阵 6 ) 表示的整个结构的平衡方程： k 6 ) - r ( 2 1 0 ) 求解平衡方程，可得未知节点位移，并由此计算应力。 2 2 有限元计算模型与分析方法 有限元方法与其它计算方法相比具有简单、有效的优点，所以本文采用有限 元通用软件a n s y s 建模计算，并采用空间八节点等参数实体单元进行应力应变分 析。 2 2 1 大清河大桥简介 大清河大桥主桥为两联3x5 0 米等截面连续箱梁，由上、下分离的两个单 箱单室截面组成，梁高2 7 米，箱梁项板宽1 3 5 米，底板宽5 8 6 米，两侧悬臂 长3 4 米。箱梁在中支点设厚2 0 米横隔板及边跨端部设厚1 6 米横隔板，箱梁 为双向预应力体系。箱梁跨中顶板厚0 3 米，支点顶板厚0 6 5 米；跨中底板厚 0 2 5 米，支点底板厚0 9 米；跨中腹板厚o 4 米，支点腹板厚1 0 米。箱梁断 面采用斜腹板断面，底板水平，顶板斜置形成桥面横坡，桥面横坡度为2 。梁 体采用移动模架法现浇施工。 实体建模如图2 - 2 、2 3 所示，模型宽度为箱梁顶板宽度( 1 3 5 米)，模 型长度为主桥垮长( 5 0 米) ，高度为箱梁高度( 2 7 米) + 铺装层厚度( 1 0 c m ) 。 1 4 山东大学硕士学位论文 鼍曼曼曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼鼍i i ；一o ! 皇曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼詈皇曼皇曼曼鼍! ! 曼曼曼皇曼曼曼曼量 2 2 2 基本假定 图2 - 2 单箱单室梁体建模 图2 - 3 实体模型剖面图 对直接加铺沥青混凝土的铺装结构，本文在力学分析求解时，采用如下基 本假设： ( 1 ) 沥青混凝土铺装层与桥面板之间为完全连续； ( 2 ) 在常温和低温状态下，沥青混凝土为均匀的、连续的、弹性材料， 用e 、l i 表征其杨氏模量和泊松比； ( 3 ) 水泥混凝土桥面板与沥青混凝土铺装层都为各向同性。 ( 4 ) 自重影响忽略不计。 2 2 3 单元网格划分 有限元三维网格单元长、宽同当量矩形尺寸一致，单元厚度同铺装层厚度一 致；沿竖向和横桥向为不等距划分，在荷载作用处单元划分较密而在边角和底部 划分较疏；沿纵桥向为等距划分。 山东大学硕士学位论文 有限元计算模型如图2 4 ，下部为箱梁体，上部为两层l o o m 厚沥青混凝t 铺装层。中部和端部单元划分如图2 5 、2 6 所示。 图2 - 4 有限元计算模型 图2 5 中部单元划分图 图2 6 端部单元划分图 山东大学硕士学位论文 根据对称性，本文可以只取右半部梁跨进行分析，如图2 7 。 2 2 4 边界条件 图2 7 右半部有限元模型 根据连续梁桥的实际受力情况确定模型边界条件如下： ( 1 ) 两端面各节点的自由度在x 、y 、z 方向均为完全约束； ( 2 ) 对称面上的各节点施加关于x 轴方向的对称约束； ( 3 ) 其他各个面均为自由边界面。 2 2 5 有限元计算参数的确定 大清河大桥主梁采用5 0 号混凝土，另外，根据施工图纸以及铺装层材料性 能研究乜引，确定相应材料主要物理指标如表2 - 1 所示。 表2 1 材料主要物理指标 厚度杨氏模量泊松比材料阻尼比 材料 ( c i n )e ( m p a )u d a m p ( ) 桥面板 3 5 0 0 00 1 50 9 铺装下层 h l1 5 0 00 32 铺装上层 h 2 1 5 0 0 o 32 注：l o c m 厚铺装层时，h l = 6 c m ，h 2 = 4 c m ； 1 3 c m 厚铺装层时，h l = 6 c m ；h 2 = t c m ； 1 5 c m 厚铺装层时，h l = 8 c m ：h 2 = 7 c m 。 1 7 山东大学硕士学位论文 2 2 6 载荷及布设位置 ( 1 ) 当量矩形荷载换算关系 力学计算中，考虑车辆实际行驶状态，同时考虑水平荷载与垂直荷载。垂直 荷载的施加采用当量矩形均布载荷。车轮与路面的实际接触轮迹并非圆形，图2 7 表示轮胎与路面的实际接触面积的大致形状m 1 ，它由一个矩形和两个半圆形组 成。黄仰贤认为椭圆形的接触面积可以等效为一个矩形，其长度为0 8 7 1 2 l ，宽 度为0 6 l ，则矩形面积为0 5 2 2 7 l 。 工。愿 其中，f 为单轮轴载；p 为胎压。 ( 2 1 1 ) 卜7 叫 图2 7 轮胎与路面的实际接触面积 水平荷载通过垂直荷载以车轮与路面间的摩擦系数厂得到。已有研究成果及 相关经验阳lm 3 表明，厂- o 2 时表示缓慢制动，适用于停车场、交叉口等缓慢制动 处；f = o 5 时表示紧急制动，适用于正常路段。因此，计算中本文选取厂- 0 5 。 加载采用当量双矩形荷载，不同荷载对应的当量矩形参数见表2 - 2 。 表2 - 2 不同荷载对应的当量矩形的参数 荷载 l 值( m ) 当量矩形长当量矩形宽 车轮中心到轮 p ( m p a )( m )( m ) 隙中心距离d 0 70 2 6 1 3 9 30 2 2 7 7 2 60 1 5 6 8 3 6o 1 5 9 9 3 3 o 90 3 3 6 0 7 70 2 9