（道路与铁道工程专业论文）特大桥沥青混凝土桥面铺装结构和材料设计研究.pdf

摘要 桥面铺装层质量的好坏直接影响到行车的安全性、舒适性、桥梁的耐久性及投资效益。 本文依托干岛湖l 号桥实体工程，对铺装层进行了有限元受力分析、材料和结构组合优化研 究以及施工质量的控制。 在静力学分析中，以铺装下层横向最大拉应力为参考控制指标，得出最不利受力位置， 并且对影响铺装层受力的诸多因素，如铺装层数，铺装层厚度、铺装层模量、外界温度和荷 载大小的影响作了具体的分析。 在动力学分析中，使用了模态分析和瞬态分析的方法，计算了使桥梁产生共振时的车辆 行驶速度。并且发现动力学计算结果相比静力学较为有利桥梁不会因为单车及车队行驶而 发生共振。因此推荐使用静力学计算中的。考虑3 0 。抖击系数”的假定。并且模拟了施工 中压路机振动荷载对桥梁结构的影响，以c c 5 2 2 的强弱振为例，认为其振动状态下混凝土 梁底拉应力不大，对桥梁结构没有产生明显的不利影响。 材料试验中选取了六组结构组合形式，分别进行配合比设计和路用性能的检验。并且针 对水泥砼桥面的实际受力状态提出了变换厚度的车辙试验、复合板车辙试验和复合粱疲劳试 验，综合评价了每一种级配在双层复合结构中的性能。 根据桥面防水粘结层设置的具体要求，对三种桥面防水粘结层材料进行了原材料性能检 验和室内模拟试验，推荐了应用于实体工程的防水粘结层材料。 本文最终推荐了千岛湖l # 桥桥面铺装结构为“石灰岩s b s 改性沥青s m a q 0 + 玄武岩橡 胶改性沥青s m a - 1 3 ”。考虑到施工的方便性，建议上面层s m a - 1 3 沥青混合料厚度为4 5 c m ， 下面层s m a - 1 0 沥青混合料厚度为3 5 c m ，推荐高剂量s b s 改性沥青作为千岛湖l # 桥桥面 铺装的防水粘结材料，并且对实体工程的施工质量进行了控制。 关键词：钢管混凝土拱桥；桥面铺装；力学分析；结构组合；防水粘结层；施工控制 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eq u a l i t yo fd e c kp a v e m e n tw i l ld i r e c t l ye f f e c tt h es a f e t ya n dt h ec o m f o r to fi r a v e l i n g ，t h e d u r a b i l i t yo f t h eb r i d g ea n dt h eb e n e f i to f i n v e s t m e n tt h i sp a p e ri n a d ef e mm e c h a n i c a la n a l y s e s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n so f t e m p e r a t u r ef i e l d , o p t i m a lr e s e a r c h e so f m a t e r i a l sa n dc o m b i n a t i o n s ，a n d c o n t r o l s o f c o n s t r u c t i o n q u a l i t y b a s e d o n t h ee n t i t y p r o j e c t o f n o 1b r i d g e o f q i a n d a o l a k e d u r i n gs t a t i cm e c h a n i c a la n a l y z i n g t h ei d a x i m u l l ll l a n s v e l t e n s i l es 惦si nt h es e c o n dl a y e rw a s s e l e c t e dt ob et h ek e yi n d e x , t h ew o l x tl o c a t i o nt ob ed “镕s c dt ow a so b t a i n e d a n dm a n yf a c t o r s w h i e l w i l le f f e c tt h em e c h a n i c a ls t a t e m e n to f d e c kp a v e m e n t , s u c h l a y e r s ，t l a i e k n e s s ，m o d u l u s e n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ea n dt h es i z eo fl o a dw e r ea n a l y s e de o n e l t e l y d u r i n gt h ed y m m i c s m e c l m i e a la n a l r z i n g m o d es t a t ea n dl r a n s i e n ts t a | cm e t h o dw e l eu s e dt oc o m p u t et h ei r a v e l i n g s p d f o r c a r t o m a k e t h e b r i d g er e s o n a t e t h e e o n l r a e ts h o w e d t h a t r e s u l t o f d y n a m i c s m e c h a n i c a l a n a l y z i n gw a sm o a d v a n t a g e dt h a nl h a to fs t a t i cm e c h a n i c a la m l y z i n g ，n ”b r i d g ew o u l dn o t r e s o n a t eb yas i n g l ec a l s ot h ea s s u m eo f 3 0p e r c e n ti m p a c tf a c t o rw a sr e c o m m e n d e dt ob eu s e d a n dl l a ec o m p a c t o r , w a ss i m u l a t e d , 蝌c c 5 2 2f o re x a m p l e t h er e s u l ts h o w e dt h a ti tw o u l dn o t h a v es o l n ed i s a d v a n t a g ef o rt h eb r i d g e s i xs l z u e t u r ec o m b i n a t i o n sw e l ec h o s e nt od e s i g nt h ep r o p o r t i o n i n ga n dt ot e s tt h er o a d l , e r f o r m a n e e a n d t h er u t t i n g t e s t s w i t h d i f f e r e n t l t l i e k n e s s o f b o a r d , t h er u t t i n g t e s t s o f c o m p o u n d b o a r d , a n dt h ec o m p o u n db e a mf a t i g u et e s t sw e l r ep u tf o r w a r dt oa i ma tt h er e a ls t a t eo fd e c k p e r f o r m a n c e so fe v e r y 础w e r ee v a l u a t e ds y n t h e t i c a l l y a n dt h em a t e r i a lo fw a t e r - p r o o fw r e c o m m e n d e d b a s e do i lt h es p e e i f kr e q u e s t so f w a t e r p r o o f a n dc o h e n s i v el a y e r , m a t e r i a lp c - r f o m a n c et e s t sa n d i a d o o rs i m u l a t i o nt e s t so f t h r e ek i n d so f w a t e r p r o o f a n de o l a e n s i v em a t e r i a l sw e r ed o n e a n dt h e s u i t a b l e w a t e r p r o o f a n d e o h e m i v e m a t e r i a l w a sr e c o m m e n d e d t o f i l ee n t i t y p r o j e c t f i n a l l y , t h i sp a p e rr e c o m m e n d e dl l a es t r u c t u r ec o m b i n a t i o no f n o 1b r i d g eo f q i a n d a ol a k ew a s “l i m e s t o n e $ b sm o d i f i e da s p h a l ts m a - 1 0 + b m l tr u b b e rm o d i f i e da s p h a l ts m a - 1 3 ”t a k et h e c o n v e n i e n c e o f c o n s l t u c t i o n i n t o n c e o t , f i l e t h i c k n e s s o f u p p e r l a y e r i s 4 5 c m a n d t h e t h i c k n e s s o f l o w e rl a y e ri s3 s e r e a n dc o n s i i i | c t i o i iq u a r r yw a ss u p e l v i b da n dc o n t r o l l e dw e l l k e y w o r d l s ：c p s ta r c hb r i d g e ，d e c kp a v e m e n t , m e c h a n i c a la n a l y s e ，s 加l c t u ”c o m b i n a t i o n , w a t e i p f o o f a n dc o h e s i v el a y e r , c o n s t r u c t i o ne o n l r o l 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 其它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文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： 孽驾日 期： 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、缩印或其它复制手段保存论文。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： 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着我国国民经济的快速发展，交通基础设施建设进入了一个高速发展的时期。桥梁涵 洞隧道等公路构造物所占比重越来越大。而高等级公路对路面质量的要求较高，良好的路面 结构设计和高标准的旄工设备及严格施工控制技术已使路面质量达到相应的标准，行车舒适 性大大提高，但是，桥面铺装层质量问题日益突出，对高速行驶车辆的行车舒适性构成了一 定的威胁。 桥面柔性铺装可以大大缓和行车对桥面板的冲击，较易达到运营中平整舒适的要求。但 现行规范中对沥青铺装层结构的论述主要对所使用的材料、做法以及厚度做了指导性的说 明。因此可以说，现行规范对与桥面铺装设计还有很大的不足。传统的设计观念是，桥面铺 装层不参与桥梁结构受力，因此设计时仅仅依据经验进行，对铺装层材料选择、层厚以及结 构组合设计都没有经过充分的理论与试验验证，再加上施工中为避免振动对桥梁结构产生危 害，一般要求降低碾压振动级数，或要求不许使用振动碾压，而无法保证沥青铺装层的密实 度，导致桥面铺装早期损坏现象时有发生。 1 2 水泥混凝土桥面沥青铺装层破坏形式调查与分析 对国内外大跨径水泥混凝土桥粱沥青铺装层破坏调查发现，铺装层的主要破坏形式”1 可以分为两大类：一是结构性破坏，如疲劳开裂、低温开裂、粘结层失效或者脱层；二是功 能性破坏，如车辙，泛油，推移和拥包等。 疲劳开裂。是指铺装层在正常使用情况下，由行车荷载和温度变化的多次反复作用引 起的铺装层开裂。桥面铺装层的疲劳开裂的破坏形式、位置与沥青路面结构层有一定的区别 路面上沥青层底经受反复的拉应力作用，由底向上形成短而细的疲劳裂缝，并逐渐扩展成网 状，裂缝宽度和分布范围逐渐扩大。桥面如果有纵横向横隔板和加劲肋的支撑，会在这些位 置处的铺装层表面存在拉应力集中，因此桥面铺装层疲劳裂缝多发生在表面，然后向下扩展。 影响桥面铺装层疲劳开裂的因素主要有沥青混合料的性能，铺装层厚度、交通量、桥面系支 撑状况以及环境因素等。疲劳开裂不仅影响铺装层的路用性能，而且对于水泥混凝土桥梁的 防水造成不利的影响，所以必须控制桥面铺装层的疲劳开裂，及时进行相应的修复。 低温开裂。是指铺装层在外界降温- 升温的反复作用以及沥青老化引起的铺装层表面 拉应力大于沥青混凝土的抗拉强度而导致的破坏。低温开裂最初发生在铺装层表面，并随时 间向下扩展。路面上的低温开裂除包括沥青面层的温缩裂缝外，还包括半刚性基层温度缩裂 的反射裂缝。 粘结层失效或脱层。沥青铺装层与桥面板之间要加铺粘结层以保证铺装层与水泥板之 间形成一个整体共同受力和变形。粘结层的粘结效果越好，则铺装层与桥梁的协调变形越好。 铺装层内部的应力也相应减小，并且桥面板的模量和沥青层的模量之比越小。这种效果越好。 因此粘结层的好坏对改善桥面沥青铺装层的受力条件至关重要。对于水泥混凝土桥梁来说， 粘结层兼顾防水的作用。如果粘结层失效或者破裂，加上水泥桥面板不可避免的带裂缝工作， 水分渗入桥面板内部会导致钢筋锈蚀，影响结构的安全性。粘结层失效或者脱层时。沥青铺 装层仍能保持一整体，并未发生严重的破坏，但对于层间粘结失效或者脱层的修复方法只能 将粘结层破坏区域的沥青铺装层( 不管破坏与否) 全部铲去。重新洒布粘结层，重铺沥青层。 大大增加了工程费用，且修复时会中断部分或全部交通，因此必须严格控制粘结层失效破坏 东南大学硕士学位论文 或者脱层破坏。 车辙。车辙是桥面铺装中最常见的破坏形式之一，是由于铺装层在高温季节或者长时 间承受车辆荷载作用，沥青混合料的抗永久变形能力不足导致的。如果铺装层与水泥桥面板 之间的抗剪切能力不足，尤其是高温季节粘结层材料强度降低，会加速车辙的发展。可以通 过提高沥青混合料的高温抗车辙能力、设计合适的空隙率、提高水稳定性、设计合理的铺装 层厚、改善粘结层性能和施工工艺来加以预防和控制。 泛油。由于配合比设计不当导致级配不佳或者由于施工中的离析现象，都容易造成泛 油、磨光等病害。混合料中粗集料尺寸偏小，细集料偏多，沥青用量偏大，或者集料质地软 弱，缺乏棱角，在通车以后也容易造成沥青不断上翻，从而产生泛油或者磨光。这些病害产 生后，对桥面安全行车尤其是雨天行车带来很大的隐患。 推移和拥包。推移是沥青混合料的塑性流动滑移产生的，其特征为横跨沥青层表面的 波形起伏。拥包是铺装层表面的局部隆起。造成这种破坏的原因是车辆荷载引起的垂直和水 平荷载的综合作用使结构层内产生的剪应力超过材料的抗剪强度，同时也与行驶车辆的冲击 以及桥梁的振动有关。 1 3 研究现状 1 3 1 铺装层力学分析 桥面沥青铺装层力学分析主要有解析法和数值模拟法两种途径。近几年来随着计算机的 发展，国内外普遍采用数值模拟计算对桥面铺装层进行静力学分析和动力学分析。 ( 1 ) 静力学分析 计算方法 桥面铺装结构受力复杂，对其进行力学分析时，不应将研究对象局限于细观的局部沥青 混凝土之上。哈尔滨工业大学的徐伟【2 和东南大学的顾兴字刚将桥面铺装层静力分析分为三 个层次进行，即桥梁整体变形、桥面板局部变形、及铺装层结构内部受力分析，简称三层次 法。首先分析了桥梁结构整体变形对铺装层的作用，接着分析了桥面板局部在轮载作用下的 受力状态，最后计算了局部桥面铺装结构模型。详细分析了轮载作用下铺装层结构内部的受 力状态和应力应变分布规律。 基于最小总势能原理的有限条法在进行矩形板式桥面铺装力学分析中被提出。有限条 法是1 9 6 8 年由张佑启( y , i l c h e u n g ) 首先提出的，它可以看作是有限元法在最小总势能原 理导出未知节点位移参数与外荷载关系的位移表达式的一种特殊形式，两种方法的区别在于 假定的位移函数形式。东南大学的顾兴宇 3 1 和潘明军 4 1 将铺装层与桥面板系看作整体，运用 有限条方法研究了桥面板上沥青铺装层内应变的分布规律以及荷载极限位置。 计算模型 a 结构模型 桥面铺装层结构与路面结构在模型上存在相近之处，路面设计中的相关理论同样也可以 应用于桥面铺装层。 武汉理工大学的石玉华口1 在进行建模对主要采用以下假定：1 ) 桥面铺装层与其下的粱 板体，在活载作用下的挠度恰好与预先设置的反拱度相抵消。整个上部结构在活载的作用下 始终处于直线状态。2 ) 桥面铺装层与其下的粱板体间，除水平应力( 即径向应力和切向应 力) 不连续以外，其它应力和位移分量都是连续的。3 ) 由于桥面铺装层相对较薄，可认为 应力沿铺装层厚度是均匀分布的，即桥面铺装层处于薄膜应力状态。4 ) 桥面铺装层为满足 与粱板的协同作用，仅承受活载作用下由于自身协同变形所产生的应力应变。5 ) 由于桥面 2 第一章绪论 铺装层中沿z 方向的应力分量和应变分量均较小，所以可以假定其为零。6 ) 由于桥面铺装 层的厚度较薄，一般小于1 0 c m ，因此温度沿桥面铺装层厚度方向呈线性分布。粘附在粱板 体上的桥面铺装层由于厚度较小，因而可看作在水平方向与粱板体一起自由伸缩，翘曲变形 被完全阻止，因而有翘曲应力产生。 北京建筑工程学院的季节嘲借鉴路面结构多层弹性体系的研究方法，将桥面铺装简化为 桥面铺装层+ 水泥混凝土行车道板+ 主粱( 弹性半空间体) 的三层弹性层状体系的力学模型，利 用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 与挠度关系的诺模图。 东南大学的罗剑【7 】建立了整桥二维模型，以主粱轴力作为铺装层破坏控制指标，得到车 队荷载沿桥纵向的最不利作用位置，发现整桥温度变化对铺装层受力的影响很小。 黄仰贤口1 根据等效刚度或等效弯沉原理将沥青混凝土双层铺装板折算成单层板进行设 计、验算。设沥青层弹性模量e i ，水泥混凝土层弹性模量e 2 ，将沥青混凝土铺装层的模型 宽度等效为当量断面宽度( e l e 2 ) 。这种方法计算简便易行，但是其当量代换的概念不清， 且不能考虑翘曲和接缝传力等因素，能否正确地用在桥面铺装体系之中还有待探讨。 华南理工大学的罗立峰例将桥面板简化为正交异性的弹性小挠度薄板，将铺装层简化为 各向同性的大挠度薄板，并假定两板之间相对滑动，完全没有磨阻力且没有脱空现象。在此 基础上提出了桥面铺装的平衡微分方程，并以竖向变形为主要控制指标。罗立峰等人u q 还 通过线弹性理论，对混凝土桥水泥混凝土桥面铺装层的受力进行了简化，在考虑桥面铺装层 本身功能要求的前提下，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，提出了以粱板体的最大弯矩为基础，以桥面铺装开裂和剥离为控制指标的水泥混凝土桥 面铺装的计算方法和桥面铺装设计的控制指标。另外还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科、 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。 东南大学的方萍【1 1 】引入g o o d m a n 模型的夹层单元，以模拟厚度很小的粘层所起的连接 桥面钢板和铺装体的作用并以法向劲度系数k z 、切向劲度系数剐肛k x = l ( y 徕表征和 模拟沥青铺装体与钢桥面板之间完全连续、部分连续、完全光滑三种不同的接触状态。 西安公路交通大学的张占军等人 1 2 - 1 3 】以弹性层状体系为理论基础，用三维有限元方法对 水泥混凝土桥面柔性铺装层的层问剪应力进行了计算和分析。并通过对沥青类桥面铺装层的 破坏现象鲍分析。发现用摩尔一库仑理论来确定铺装厚度是比较合适的，即以桥面板与沥青 铺装层之间的层间剪应力为控制指标，要求其不超过层间抗剪强度。另外，还结合防水层、 平整度、施工工艺和车辙指标的要求，提出了桥面沥青铺装层厚度计算方法。并且用有限元 的方法对设防水层的水泥混凝土桥沥青铺装结构的层间剪应力的计算进行了分析，讨论了防 水层的厚度、模量、泊松比、沥青混凝土铺装层厚度和模量等参数对结构层层间剪应力的影 响。认为层问最大剪应力主要取决于面层厚度和防水层模量，在防水层模量相嗣的情况下， 增加面层厚度是降低层间剪应力的最有效的手段。 武汉理工大学的卢哲安等人【1 4 碾据桥梁结构的模量远比其上沥青铺装层模量大的特 点，仿照路面弹性层状体系理论，将桥梁结构作为弹性半空间体看待。而且假设沥青混凝土 桥面铺装层与桥面板之间完全连续，并且各层是完全弹性的、均匀的、各向同性的。这样的 假设与分析，对于研究沥青混凝土桥面铺装受荷后的应力应变规律有一定的借鉴作用。但这 种方法不适用于有限尺寸板的情况，所以该模型用于桥面铺装体系是不太合适的，且未考虑 翘曲应力。 b 荷载模型 各研究中对车辆荷载简化模型方面较为相似，多根据静态分析对车辆荷载进行等效转 东南大学硕士学位论文 换。武汉理工大学的石玉华【4 】采用三维等参模型进行分析，使用三维八结点和二十结点单元， 分析采用的设计荷载是沥青混凝土路面设计的标准荷载b z z - 1 0 0 ，即以双轮组单轴重1 0 0 k n 为标准轴载，将规范规定的轮胎接地形状由圆面积等效转换成矩形面积，保持两轮中心间距 不变。 材料特性 沥青材料是一种对温度较为敏感的材料，在低温状态下呈现出弹性性质，在高温状态下 多呈现出牯弹性的性质，在有限元分析模型中，部分学者将沥青铺装层材料假设为纯弹性材 料，这是与其实际使用状态不相符的。东南大学的何平”首次将铺装层的材料模型改变为 塑性模型，选取材料屈服应力和切向斜率为参数进行受力分析计算。结果表明，在相同的力 作用下，弹性模型中的最大变形比塑性模型中的变形大，两种模型计算得到的横向最不利位 置是相同的，但是最大横向拉应力，纵向拉应力及最大剪应力，都是塑性模型大。 重庆公路科研所的方萍等人“1 在承担的湖北宜昌大桥、重庆鹅公岩大桥和虎门大桥的 钢桥面铺装技术研究中，进行了室内环道模型试验和环道模型的三维有限元模拟，分析在汽 车轮载作用下钢桥面板各个结构部位的应力、应变分布状况，为桥面铺装层结构设计和研究 提供了一些理论依据。为了研究高温状态钢桥面铺装的车辙，他们将沥青混凝土看作粘弹性 体进行分析，选择既能反映沥青混合料瞬时弹性变形，又能反映粘弹性变形过程的v a n d e r p o e 模型和b u r g e r s 模型，并针对沥青混合料粘性流动变形增量随加载时间逐渐减小并渐趋稳定 的特点对b u r g e r s 模型进行了改进。 东南大学的胡光伟等人【l “9 1 采用块体单元分析了简化支撑的正交异性桥面板铺装结构， 研究了不同的荷载位置下，对应不同沥青混凝土模量值的正交异性钢桥面铺装层的应力应变 特性以及钢板的粘结性能，确定了最不利加载位置和铺装层材料的各项力学指标对铺装层受 力的影响。为了研究铺装层沥青混合料的粘弹塑性，应用p e r z y n a 理论，对沥青混合料铺装 层行车荷载响应特性进行数值模拟，给出铺装层在行车荷载作用下的永久变形，对铺装层的 局部拥包及车辙等现象进行评价。 分析软件 目前国际上面向工程大型的有限元通用程序有很多种，其中著名的有a n s y s ， n a s t r a n ，a d i n a ，s a p 等。a n s y s 有限元分析软件在2 0 世纪9 0 年代开始在我国交通 等领域得到广泛应用。本文中未提及的研究大都采用a n s y s 软件进行分析。 武汉理工大学的王林口“用a l g o rf e a s 有限元分析软件分析了最不利位置、最不利荷 载作用下铺装层的应力、应变情况。 东南大学的强元明1 2 l 】采用通用有限元程序s u p e r s a p 软件进行力学计算，确定了桥面 铺装层i 临界荷载的位置。 ( 2 ) 动力学分析 对于任何桥梁结构，除了要考虑静载引起的变形和应力外，经常需要考虑外部激发的动 力影响，主要是车辆荷载、风力荷载以及地震荷载的动力影响。武汉理工大学的石玉华”1 在进行荷载施加时，同时考虑垂直荷载和水平荷载。考虑垂直荷载存在一定的冲击系数( 取 3 0 ) ，水平荷载通过垂直荷载乘以车轮与桥面的磨阻系数f ( 一般情况下间0 5 ：紧急制动 f - - 0 5 ；一般制动f - - 0 ，2 ) 得到。 长沙交通学院的肖秋明 2 2 1 对沥青混凝土钢桥面铺装的剪应力进行了分析。根据刚性支 撑的弹性层理论，分析了钢桥面沥青混凝土铺装层与钢箱粱在汽车正常行驶与紧急制动情况 下的剪应力，并在分析结果的基础上，提出粘结层的抗剪指标。 东南大学的李昶用模态分析方法对结构进行动态响应分析，用结构的频率变化定性 地分析了结构对某一构件变化的敏感程度。 东南大学的顾兴字”1 认为，没有必要对整桥利用有限元方法分析车载、风力以及地震荷 4 第一章绪论 载对桥面沥青铺装层受力的影响，静力分析中的。三步走”体系计算结果叠加来进行动力分 析也是不可行的。讨论了振动频率与振型、车辆荷载和结构特性对桥面系的动力影响，得出 桥面板系的动力系数。并发现静力分析的结果与动力分析的结果在某些方面具有一致性。 东南大学的肖维1 2 4 分析了移动荷载作用下桥面铺装层应力响应，并与静力分析结果相 比较，验证了静力学计算的结果，并发现静力分析结果更为不利，应以静力分析结果作为桥 面铺装层设计的控制标准。动力学计算采用的荷载模型是移动荷载，没有考虑车辆对桥面的 冲击力作用。 东南大学的成峰”利用通用有限元软件的瞬态动力学分析方法，对单轮荷载作用下桥 面铺装层在车辆移动荷载作用下的受力状况进行了探讨。数值模拟时采用阶跃荷载进行加 载，施加于一组单元上的轮载持续时间为0 0 0 3 s ，相当于车速为1 0 0 k m h 的情况。研究表明 移动荷载作用下，铺装上层的表面和中部对荷载响应最大，越往下这种响应效果越小。 综e 所述： 大型商业有限元软件被越来越多的应用于铺装层的数值模拟中。进行静力学分析时， 沥青铺装层的数值模拟不应局限于桥面局部模型，而应考虑铺装层在桥梁整体变形和受力 中的特殊性，采用层次分析法真实反映出铺装层的实际受力状态。因为桥面铺装层与道路 铺面在结构上有着相似之处，可以参考弹性层状体系理论进行结构分析。车辆荷载按静态 分析进行等效转换。假设沥青混合料为弹性，这样虽然计算简便，但是不能反映出高温重 载下混合料的永久变形特性而假设沥青混合料为粘弹性，采用修正的b u r g e r s 模型可以 较好的反应永久变形 进行动力学分析时。国内外研究多采用拟静态的分析方法，认为动力学计算结果与静 力学结果有一定的相关性，并以动力系数表征对于整桥模型，通常采用模态分析方法对 桥梁结构的频率特性进行分析，并根据紧急制动下铺装层剪应力的计算分析得到粘结层的 抗剪指标。目前，对随机荷载作用下的铺装层动力响应研究较少 1 3 2 铺装层材料和结构研究 ( 1 ) 桥面铺装层材料 国内外对桥面铺装沥青混合料的研究已投入大量的人力、物力和财力，取得了丰富的经 验，按照沥青混合料类型逐渐形成了以下几类： 热拌沥青混凝土或改性密级配沥青混凝土。 以德国和日本为代表的高温拌和浇注式沥青混凝土( g u s s a s p h a l t ) ，以及以英国为代表 的沥青玛蹄脂( m a s t i ca s p h a l t ) 。 浇注式沥青混凝土最初只是用于道路和桥面铺装上因工作面积小无法采用机械压实 的修补中。后来发现浇注式沥青混凝土具有良好的防水性和较高的变形追随性，便广泛用于 桥面铺装上。它的主要优点：空隙率接近于零，好于一般沥青混凝土；主要缺点：高温稳定 性差，易形成车辙。我国江阴长江大桥以及香港青马大桥，都采用浇注式沥青铺装，但时间 不长均有不同程度的损坏。这两座桥的桥面铺装都是由外国人设计的，是否没有充分注意到 当地的气候特点，还是所用设计标准不当，尚有待研究。 我国润扬长江大桥、日本明石海峡大桥的铺装下层( 保护层) 等采用了浇注式沥青混凝 土作为桥面铺装材料。 德国和日本等国采用的改性沥青s m a ( s t o n e m a s t i c a s p h a l t ) 。s m a 是一种由沥青， 纤维稳定剂、矿粉及少量的细集料组成的沥青玛蹄脂填充间断级配的粗集料骨架间隙一体的 沥青混合料。碎石含量的增加使s m a 混合料中形成了良好的嵌挤型骨架结构，这就为s m a 提供了良好的热稳性和粗糙混合料表面。采用纤维稳定剂是s m a 与其它混合料类型的重要 区别之一，纤维的加入使得混合料中的沥青含量可以加大到6 o 7 o ，矿粉的含量也相 东南大学硕士学位论文 应地增大到8 1 2 左右，从而使s m a 混合料的孔隙率降低到2 5 3 5 左右，沥青膜 厚度增加。它的主要优点：柔韧性、抗松散能力、抗裂能力强，具有良好的耐久性和防水性 能，抗塑性流动和抗永久变形能力强，不易产生车辙，具有粗糙的表面构造，防滑性能好； 主要缺点：铺装层一般较厚，对集料要求较高。 以美国和日本为代表的环氧树脂沥青混凝土( e p o x ya s p h a l t ) 。它的主要优点：强度 高，高温时抗塑性流动和永久变形能力强低温抗裂性能很好，具有极好的抗疲劳性能，具 有高度的抵抗化学物质腐蚀的能力，包括溶剂、燃料和油；主要缺点；环氧沥青混凝土的配 制工艺比较复杂施工中对时间和温度的要求十分严格，施工难度大，材料费用也较高，相关 技术资料在国外多属于专利产品。 纤维沥青混凝土，是在普通沥青混凝土中添加一定数量的纤维，通过纤维与沥青混合 料的相互作用提高混合料的整体性能。在德国，纤维产品a f o o c e l 、d o l a n i t a s 等都得到了较 大规模的应用，尤其用在机场路面、桥面铺装、收费站等铺面中；在美国，有形成专利商品 的美国产品b o n i f i b e r 、f i b e t p a v e 等用于高速公路及大交通量的公路。在中国，聚酯纤维己 成功地应用于中国南京第二长江大桥、南京新秦淮河大桥、广东肇庆马房大桥、西宁昆仑桥、 阜阳北京路立交桥、宜昌夷陵长江大桥等。其中，广东肇庆马房大桥是一座铁路公路两用钢 结构桥，桥面由于火车振动，又是钢板桥面。经过多种方案的论证，最终也采用了聚酯纤维 加强筋加强桥面铺装层。纤维沥青混凝土主要优点为：增强沥青混合料的整体性、抗拉伸性、 高温稳定性等使用性能；不改变原有沥青混合料级配，仅增加较少的沥青用量，方便施工。 但纤维的加入增加了沥青的粘度，施工时需格外注意压实效果及纤维在混合料中分布的均匀 性。 综上所述： 根据不同的设计和功能要求，各种铺装层材料在实际工程中均有应用。 ( 2 ) 桥面铺装层结构组合形式 资料瞄壤明，国内外桥面沥青铺装层按照铺装结构主要可以分为三类：即同质单层、 同质双层和异质双层结构。 具体表现在： 浇注式沥青混凝土； 上层密级配沥青混凝土+ 下层浇注式沥青混凝土，以日本使用得最多； 上层密级配沥青混凝土+ 下层改性沥青s m a ，德国和日本均有使用； 上层改性沥青s m a + v 层浇注式沥青混凝土，以德国使用的较多； 上下层分别采用不同粒径规格的改性沥青s m a ； 上层环氧沥青混凝土+ 下层浇注式沥青混凝土； 环氧沥青混凝土。 针对水泥混凝土桥粱，并参考了若干钢桥面的铺装情况。本文调查了国内水泥混凝土桥 面沥青铺装层主要的结构形式，并将钢桥面沥青铺装层结构形式作为参考。 1 1 汕头海湾大桥1 2 7 1 汕头海湾大桥是一座预应力混凝土悬索桥，总长2 4 3 7m ，主跨7 5 2 m 。该桥于1 9 9 5 年 1 2 月2 8 日通车。桥面铺装采用两层改性沥青混凝土施工：下层采用s m a 1 6 调平、上层采 用s m a - 1 3 罩面，初建时其桥面铺装层结构见图1 - i 。 3 0 m m 改性沥青s m a 1 3 4 0 5 0 n m l 改性沥青s m a - 1 6 预应力混凝土桥面 图1 1 汕头海湾大桥初建时桥面铺装层结构形式 汕头海湾大桥建成通车约2 个月，即发现桥面铺装层产生了纵横向裂缝，于1 9 9 7 年进 6 第一章绪论 行了重铺。 2 ) 邳州京杭运河特大桥口 邳州京杭运河特大桥是连云港一徐州高速公路上的一座特大型桥梁，桥梁全长2 5 7 7 m 。 其中，主桥主孔跨径2 3 5 m ，为自锚式钢管混凝土中承式系杆拱桥。两个边孔跨径5 7 5 m ， 为钢筋混凝土肋拱构成的上承式拱桥；引桥结构体系为部分预应力混凝土组合连续箱梁。江 苏省高速公路建设指挥部与东南大学合作对邳州京杭运河特大桥桥面铺装结构形式进行研 究，提出的铺装层结构见图l - 2 。 4 0 r a m 纤维改性沥青a k - 1 3 6 0 m m 纤维改性沥青a c 2 0 水泥混凝土桥面 圈1 - 2 邳州京杭运河特大桥桥面铺装层结构形式 邳州京杭运河特大桥自2 0 0 2 年建成通车以来，质量良好。 3 1 滨州黄河公路大桥网 滨州黄河公路大桥是国道2 0 5 上的一座规模大，技术含量高的特大型混凝土箱梁桥。其 主桥为4 2 m + 4 2 m + 3 0 0 m + 3 0 0 m + 4 2 m + 4 2 m 三塔斜拉索桥。主粱采用双边三角形预应力混凝土 粱，横隔粱与斜拉索对应布置，边跨间距为6 5 m ，中跨间距为7 5 m 。主粱在中塔处与中塔 固结，边塔处半漂浮。山东省交通厅公路局与东南大学合作确定了滨州黄河公路大桥桥面铺 装层结构见图1 3 。 4 0 r a m 改性沥青s m a - 1 3 7 0 m m 纤维改性沥青a c 2 0 水泥混凝土桥面 图1 - 3 滨州黄河公路大桥桥面铺装层结构形式 滨州黄河公路大桥2 0 0 4 年7 月建成通车，目前运营情况良好。 4 ) 淮安大桥例 淮安大桥位于淮安市西南郊，是宿淮( 宿迁至淮安) 高速公路与宁淮高速公路共用段的一 座有技术特色的特大预应力混凝土斜拉桥。双向六车道设计，其3 8 6 m 的宽度在目前国内同 类型桥梁中位居第一。其主桥为1 5 2 m + 3 7 0 m + 1 5 2 m 双塔双索面全漂浮体系斜拉桥。主梁采 用双边箱断面，边跨由双边箱变为单箱四室断面。横隔粱与斜拉索对应布置，每对斜拉索与 主粱相交处均设在0 3 5 m 厚的横粱附近。江苏省高速公路建设指挥部与东南大学合作确定了 淮安大桥桥面铺装层结构见图1 4 。 4 0 m m 改性沥青s m a 1 3 6 0 r a m 纤维改性沥青a c 1 6 ，水泥混凝土桥面 图1 _ 4 淮安大桥桥面铺装层结构形式 5 ) 江阴长江大桥1 江阴长江公路大桥跨越长江，位于江苏省中部，是同江到三亚沿海高速公路和京沪高速 两条国家主干线共线后的越江工程。该桥是一座主跨为1 3 9 5 米的钢结构悬索桥，其桥面铺 装层结构见图1 5 。 4 9 m m 浇注式沥青玛蹄脂 1 5 2 5 m m 沥青橡胶防水基层 钢板 图1 - 5 江阴长江大桥桥面铺装层结构形式 江阴长江公路大桥于1 9 9 6 年初建成通车，不久出现坑洞等破坏，2 0 0 2 年进行环氧沥青 局部破损维修。 7 东南大学硕士学位论文 6 1 南京长江二桥吲 南京长江二桥主体桥为1 2 3 8 m 长的钢箱梁斜拉桥，6 2 8 m 的主跨跨径列中国第，在世 界上仅次于法国的诺曼底大桥( 主跨8 5 6 m ) 和日本的多多萝大桥( 主跨8 9 0 m ) ，居第三位。 该桥于2 0 0 1 年3 月通车。 南京长江二桥首次引进美国的环氧沥青混凝土技术。环氧沥青混凝土高温时抗塑性流动 和永久变形能力很强，并有很好的低温抗裂性能、抗疲劳性能及抵抗化学物质侵蚀的能力， 但施工时温度要求十分严格，难度大。其桥面铺装层结构形式见图l - 6 。 2 5 m m 环氧沥青混和料 2 5 m m 环氧沥青混和料 钢板 图l - 6 南京长江二桥桥面铺装层结构形式 南京长江二桥已经历六年多的车载，环境考验，目前状况良好。 乃虎门大桥口w 虎门大桥位于珠海入海口，是当时国内第一座特大钢悬索桥。虎门大桥主桥全长4 5 8 8 m ， 包括跨径8 8 8 m 的悬索桥、主跨2 7 0 m 的连续刚构桥，桥面铺装层结构见图1 7 。 3 0 m ms m a - 1 0 改性沥青 3 5 4 0 m ms m a - 1 3 改性沥青 2 3 m m 聚合物改性沥青碎石缓冲层( 粘层) 3 m m 双组分反应型树脂e l m i n a t o r 防水胶层 钢板 图1 7 虎门大桥第一次桥面铺装层结构形式 由于施工中对s m a 级配控制不力、设计认识不足等诸多原因，通车后不久，桥面铺装 层就产生了横向推移等病害，虎门大桥1 9 9 7 年初进行了第一次桥面铺装。在通车后第二年 夏天铺装层开始出现不同程度的推移和车辙，路面车道标线扭曲，最大位移达到1 6 e m ，未 出现裂缝。该大桥1 9 9 8 年1 2 月对铺装层进行了铣刨处理，重新加铺了表面层。在随后的一 年里，主要出现了以局部小坑槽为主的病害。破损部位之下，防水胶层基本都出现脱空、破 裂和推移。之后逐渐出现了零星的纵向裂缝，见图1 - 8 。 图l _ 8 虎门大桥纵向裂缝 8 ) 马房大桥州 马房大桥位于广东省肇庆市四会县境内，采用以氯丁橡胶沥青主体、环氧煤焦油作粘结 剂的桥面铺装，初建成时的桥面铺装层结构形式见图1 - 9 。 6 0 9 9 r r a n 橡胶沥青混凝土 l m m 环氧煤焦油粘结层 l m m 环氧沥青铝粉防锈漆 钢板 图l - 9 马房大桥初建成时桥面铺装层结构形式 1 9 8 4 年1 2 月份马房大桥通车之后3 个月内，出现许多纵、横与弧形裂缝、坑槽及中央 第一章绪论 分道线扭曲等病害，逐渐形成网裂和坑槽。马房大桥于1 9 9 2 年9 月进行了翻修，翻修时采 用的桥面铺装层结构形式见图1 1 0 。 2 0 m ml h - 1 0 1 - 2 型p a r 混合科磨耗层 l h 2 0 1 型p a r 混和料面层 l m m 高粘度聚合物沥青橡胶粘结层 o 2 5 r a m 环氧沥青防锈层 钢板 图1 1 0 马房大桥翻修时桥面铺装层结构形式 第二此铺装使用至今已1 0 多年，总体情况较第一次铺装要好。主要产生的病害为： 由于旌工原因( 拌和温度过高、压实度不足) 而产生的龟裂、网裂和车辙；由于重载作用 产生严重的车辙，导致铺装层横向推移，形成坑槽、油包和波浪；由于铺装层排水不畅致 使其产生水损害，出现松散和剥落。 9 ) 武汉白沙洲大桥删 白沙洲长江大桥是钢桥面斜拉桥，全长1 0 7 8i n ，主跨径6 1 8m 。该桥桥面铺装结构如图 1 1 l 所示。 3 5 m m 改性沥青s m a 1 0 4 5 r a m 改性沥青s m a 1 3 钢板 图1 n 武汉白沙洲大桥桥面铺装层结构形式 该桥在2 0 0 3 年和2 0 0 5 年两次因为桥面铺装层产生推移而进行维修。 1 0 1 厦门海沧大桥i 蚓 厦门海沧大桥全长1 1 0 8 m ，主跨6 4 8 m ，面宽3 1 m ，为三跨连续全漂浮结构钢箱梁悬索 桥，钢桥面采用双层s m a ，其桥面铺装层结构形式见图1 1 2 。 3 0 m m 改性沥青s m a 1 3 3 5 m m 改性沥青s m a 一1 0 3 5 m m 防水粘结层 钢板 图1 1 2 厦门海沧大桥桥面铺装层结构形式 厦门海沧大桥桥面裂缝较多，进而引发其它病害，对交通产生了一定的影响。具体的破 坏见图1 1 3 。 图1 - 1 3 a 厦门沧海大桥桥面破坏 ( 一处地方已露出底层水泥钢板) 1 1 1 安庆长江大桥川 图1 - 1 3 b 厦门沧海大桥桥面破坏 ( 破损处已被挖开1 至2 屋米深，上有积水) 安庆长江公路大桥是国道2 0 6 线、3 1 8 线的共用过江通道，全长5 7 4 0 米，宽2 6 米，双 9 东南大学硕士学位论文 塔双索面钢箱梁斜拉桥型，桥面为双向四车道高速公路标准，于2 0 0 4 年底通车。其桥面铺 装层结构形式见图1 1 4 。 4 5 m m 改性沥青s m a - 1 0 3 0 m m 浇注式沥青混凝土 钢板 图1 1 4 安k - k r r 公路大桥桥面铺装层结构形式 1 2 ) 上海卢浦大桥【卅 上海卢浦大桥主桥全长7 5 0 米，双向6 车道，采用中承式钢拱梁全焊接系杆揽结构体系， 主跨5 5 0 米，矢高1 0 0 米，为世界第一跨度的拱桥，2 0 0 3 年建成通车。其桥面铺装层结构 形式见图1 1 5 。 3 5 m m 改性沥青s m a - 1 0 3 5 m m 改性沥青s m a - 1 0 5 m m 粘结防水层 钢板 图1 1 5 上海卢浦大桥桥面