（道路与铁道工程专业论文）钢管混凝土拱桥沥青混凝土桥面铺装结构与材料设计研究.pdf

摘要 随着我国国民经济的持续快速发展，高速公路及相关城市道路的建设不断 增长，对交通基础设施耐久性的要求也日益提高。然而，根据国内已建水泥混 凝土桥梁使用状况的调查，目前尚未形成行之有效的铺装层材料与结构，在远 达不到设计使用年限就发生车辙、推移、纵横裂缝等病害。 究其原因，传统设计观念认为桥面铺装层不参与整桥受力，桥面铺装的设 计通常直接沿用一般路面或者钢桥面的设计要求，对铺装层级配、层厚以及结 构组合形式的选择都没有经过充分的理论与试验验证，再加上施工中无法避免 的一些问题，故常常导致桥面早期损坏。因此，本文提出了结合钢管混凝土拱 桥的实际受力，进行专项沥青混凝土桥面铺装设计这一思路。 本文首先在总结和分析国内外先进技术和成果的基础上，应用a n s y s 有限 元程序，对大跨径钢管混凝土拱桥沥青铺装体系进行“从整体到局部、从二维 到三维 的系统分析，得到了桥面沥青混凝土铺装层的应力与变形特性，从而 对沥青混凝土材料性能与结构提出要求，为铺装层设计提供力学理论支持。 通过材料试验选取了不同结构组合形式，分别进行性能检验，并根据实际 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梁疲劳试验，通 过综合评价每一种级配在双层复合结构中的性能，为选择合适结构组合形式提 供理论依据。 最后，从工程实际应用角度，根据沥青混凝土的受力特性，提出适合千岛湖 大桥的铺装组合和沥青混合料类型，同时根据千岛湖大桥桥面混凝土实际情况， 制定适宜的施工措施。 关键词：桥面铺装层，钢管混凝土拱桥，力学分析，铺装组合，试验 a b s t r a c t w i t t lt h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m ya n dt h ec o n s t r u c t i o no fe x p r e s s w a ya n du r b a nr o a d , m o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni sp a i dt ot h ed u r a b i l i t yo ft h et r a n s p o r t a t i o ni n f i - a s t r u c t u r e h o w e v e r , a c c o r d i n gt ot h ei n v e s t i g a t i o no ft h ep e r f o r m a n c eo fc e m e n tc o n c r e t eb r i d g e si ns e r v i c e ，e f f e c t i v e p a v i n gm a t e r i a l sa n dp a v e m e n ts t r u c t u r eh a sn o tb e e nf o r m e di nc h i n a , s o m ed e t e r i o r a t i o n h a p p e n e du pt ol e s st h a nl i f e s p a n , s u c ha sr u t t i n g , s l i p p i n g , c r a c k i n g ，e r e t r a d i t i o n a ld e s i g nc o n c e p ti st h a tt h ed e c kp a v e m e n th a sn o tc o n t r i b u t i o nt ot h em e c h a n i c a l r e s p o n s eo fb r i d g e ，a n dt h e nt h ed e s i g nm e t h o do fp a v e m e n tf o rh i g h w a yo rs t e e lb r i d g ec a n s i m p l yw o r k s oi ti su n d e r e m p h a s i z e dt oc o n f i r m e d , o nt h eb a s i so fa n a l y s i so re x p e r i m e n t s ，t h e d e c i s i o no ft h eb i t u m i n o u sm i x t u r eg r a d i n g , s t r u c t u r et h i c k n e s sa n ds t r u c t u r a lf o r m , w h i c hi st h e m a i nc a u s eo fp a v e m e n te a r l yd a m a g e s ot h ei d e ai sb r o u g h tu pi nt h et h e s i s ，t h a tt h ed e s i g n m e t h o do fa s p h a l tc o n c r e t ed e c kp a v e m e n tf o rt h ec o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b ea r c hb r i d g es h o u l db e e s t a b l i s h e db a s e do nt h es p e c i a la n a l y s i so fp a v e m e n tm e c h a n i c a lr e s p o n s e t h ed o m e s t i ca n df o r e i g nb r i d g ep a v e m e n tt e c h n o l o g i e sa r es u m m a r i z e df i r s t l y , a n dt h e2 d a n d3 df i n i t ee l e m e n tm o d e la r ee s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l yb yt h ea n s y sp r o g r a m , i nw h i c ht h e l o n g - s p a nc o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b ea r c hb r i d g ed e c kp a v e m e n ta r ea n a i y z e df i o mw h o l es y s t e mt o l o c a lp a r t o nt h eb a s i so ft h ec h a r a c t e r i z a t i o no ft h es t r e s sa n ds t r a i n ，t h er e q u e s tf o rp a v e m e n t s t r u c t u r ea n dm a t e r i a ia r es u g g e s t e d , w h i c hi so fi m p o r t a n c et oe s t a b l i s ht h ed e c kp a v e m e n td e s i g n m e t h o d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ld e c kp a v e m e n ts t r e s ss t a t e ，t h et r a n s f o r m a t i o nt h i c k n e s sr u t t i n g e x p e r i m e n t , t h ec o m p o s i t ep a v e m e n tr u t t i n ge x p e r i m e n ta n dt h ec o m p o s i t eb e a mf a t i g u et e s ta r e c a r r i e do u t t h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n t i a ls t r u c t u r ec o m b i n a t i o nf o r m ss e l e c t e dt h r o u g ht h e m a t e r i a lt e s t i n ga r ee v a l u a t e d , a n dt h et e s tr e s u l t sp r o v i d et h et h e o 巧b a s i sf o rt h ec h o i c eo f a p p r o p r i a t es t r u c t u r ec o m b i n a t i o nf o r m f i n a l l y , o nt h eb a s i so ft h ea b o v ec o n c l u s i o n sa n dt h ep r o j e c tf e a t u r e so fq i a n d a ol a k eb r i d g e ， t h ep a v i n gc o m b i n a t i o na n dt h eb i t u m i n o u sm i x t u r et y p ea r ep r o p o s e d ，a n dt h es u i t a b l e c o n s t r u c t i o nm e 笛u r e sa r ea d d r e s s e d k e yw o r d s ：d e c kp a v e m e n t , c o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b ea r c hb r i d g e ，m e c h a n i c sa n a l y s i s ，p a v i n g c o m b i n a r t i o n e x p e r i m e n t i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 岩彬 矽矿年7 月谚日 | 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 毙胗矿 伊暑每7 其谚日 第一章绪论 1 1 研究背景 随着我国国民经济的持续快速发展，高速公路及相关城市道路的建设不断增 长，各地区对交通基础设施耐久性的要求也日益提高。桥面铺装层直接承受车辆 荷载和桥面板变形的作用，因此作为铺装层的沥青混合料必须具有较高的强度、 足够的厚度和较好的防水性能，以防止沥青混凝土产生车辙、开裂和水损害等， 影响行车功能。 近年来，有许多道路工作者对大跨径钢桥面铺装的受力、结构选择、施工工 艺等进行了大量研究，但对水泥混凝土桥梁的桥面铺装问题涉及较少。特别是新 版公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 - 2 0 0 4 ) n 羽，对水泥混凝土桥面的 沥青铺装层的技术要求仅仅做了指导性的说明。同时，传统的设计观念认为桥面 铺装层不参与整桥受力，仅依据经验选择铺装层级配、层厚以及结构组合形式， 没有经过充分的理论与试验验证。 由于缺乏相应的规范进行指导，而仅简单照搬公路沥青路面设计方法，水泥 混凝土桥面的铺装层早期损坏现象较为突出。根据调查，在国内的水泥混凝土桥 梁上的沥青铺装层破坏类型主要有车辙、推移、纵横裂缝、松散、坑槽和泛油等。 如浙江省内在2 0 0 4 年钱塘江上新建完成了复兴大桥，为主跨2 0 0 米的中承式钢 管混凝土拱桥，桥面采用沥青混凝土铺装，但工程竣工通车一年后，路面出现较 为严重的破损，年底进行了大修；同时2 0 0 5 年底在千岛湖上修建的另外一座主 跨1 8 0 米的系杆拱桥通车一年后也出现了桥面破损。 千岛湖大桥是杭千高速公路上一座横跨千岛湖的钢管拱桥，是浙江高速公路 最大跨径钢管拱桥，主桥净跨2 5 2 m ，拱肋顶部净空3 8 7 6 9 m ，净矢跨比为1 6 5 。 拱肋由4 根巾1 0 0 0 m m 钢管组成高5 m 宽2 5 m 的桁架，腹杆采用巾4 0 2 1 2 m m 钢管 作竖向连接。拱上立柱采用钢管混凝土结构，较高的4 根立柱截面采用巾1 0 0 0 x1 2 m m ，其它立柱采用巾8 0 0x1 2 m m 。行车道板采用先简支后连续结构，主桥范 围内不设伸缩缝，在主桥与引桥交界的过渡墩上设置d 2 4 0 伸缩缝。在这样一座 大桥上进行桥面铺装层的设计和施工，存在一定的难度和技术含量。并且，如何 解决钢管混凝土拱桥沥青路面早期破损等难题，提高桥面沥青路面的修筑质量， 已成为一个较为关键的技术问题。 因此，本文在总结和分析国内外先进技术和成果的基础上，提出了结合钢管 混凝土拱桥的实际受力，进行专项沥青混凝土桥面铺装设计这一思路，进而分析 钢管混凝土拱桥实际受力变形特性，寻求钢管拱桥沥青混凝土铺装层结构与材料 设计和评价的指导原则和方法，并研究合理的铺装结构组成和沥青混合料类型， 提出合适的施工工艺，解决工程关键理论和技术难题，为千岛湖大桥铺装组合和 沥青混合料类型的选择和施工提供技术依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 桥面沥青铺装层主要材料形式 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： a ) 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 ) 。 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) 等采用了浇筑 式沥青混凝土作为桥面铺装材料。 c ) 德国和日本等国采用的改性沥青s m a ( s t o n em a s t i ca s p h a l t ) 。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( 大于6 0 r a m ) ，对集料要求较高。 d ) 以美国和中国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。 e ) 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 r b 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 r p a v e 等用于 高速公路及大交通量的公路。 1 2 2 国内水泥混凝土桥面沥青铺装层主要结构形式 资料表明，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 2 单层、同质双层和异质双层结构。 具体表现在： ( 1 ) 浇注式沥青混凝土； ( 2 ) 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； ( 3 ) 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； ( 4 ) 上层改性沥青s m a + 下层浇注式沥青混凝土，以德国使用的较多： ( 5 ) 上下层分别采用不同粒径规格的改性沥青s m a ； ( 6 ) 上层环氧沥青混凝土+ 下层浇注式沥青混凝土； ( 7 ) 环氧沥青混凝土。 针对国内水泥混凝土桥，沥青铺装层结构形式主要调查数据如下： 1 ) 汕头海湾大桥 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 2m 。该桥 于1 9 9 5 年1 2 月2 8 日通车。桥面铺装采用二层改性沥青混凝土施工：下层采用 s m a 一1 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卜1 。 3 0 r a m 改性沥青s m a - 1 3 4o 50 r a m 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 年进行了重铺。 2 ) 邳州京杭运河特大桥 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。铺装层结构见图卜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 图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 ) 滨卅i 黄河公路大桥 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。主梁采用双边三 角形预应力混凝土梁，横隔梁与斜拉索对应布置，边跨间距为6 5 l i i ，中跨间距 为7 5 m 。主梁在中塔处与中塔固结，边塔处半漂浮。滨州黄河公路大桥桥面铺 装层结构见图卜3 。 4 0 r a m 改性沥青s m a - 1 3 7 0 r a m 纤维改性沥青h c - 2 0 水泥混凝土桥面 图卜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 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。 横隔梁与斜拉索对应布置，每对斜拉索与主梁相交处均设在0 3 5 m 厚的横梁附 近。淮安大桥桥面铺装层结构见图卜4 。 4 0 r a m 改性沥青s m a - 13 6 0 m 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 1 - 3 主要研究内容和方法 1 3 1 研究内容 本研究针对杭千高速公路千岛湖支线千岛大桥实体工程，重点研究钢管混凝 土拱桥上沥青混凝土铺装层的应力响应与结构组合形式，以期根据沥青混凝土的 受力特性，提出适合千岛湖大桥的铺装组合和沥青混合料类型，同时根据千岛湖 4 大桥桥面混凝土实际情况，制定适宜的施工措施。 核心研究内容主要有： 对千岛湖大桥桥型建立合理的力学模型，通过分析桥面铺装层在整桥变 形、行车荷载、温度荷载等作用下的受力状态，对铺装层参数做出敏感 性分析和优化设计，为后续铺装用沥青混凝土材料选择提供技术支持； 对千岛湖大桥桥面铺装结构与材料部分进行沥青铺装层的结构组合优 化设计，通过分析对比几种结构层的各项路用性能的优劣，选取热稳定 性和耐久性较好的沥青混合料作为铺装层材料，通过对几种铺装上下层 级配类型的组合研究，确定最佳的桥面铺装混合料的结构组成形式； 在以往研究基础上比较几种常见的桥面铺装防水粘结层材料的特性，选 择合适的防水粘结材料，并指导桥面防水粘结层的实体施工。 1 3 2 研究方法 本文主要采用的研究方法为： 查阅资料收集并吸收国内外文献及已有的研究成果，对以往研究成果 做出综合评价分析之后，开始本文研究； 力学理论计算分析方法建立桥梁整体模型，考虑在荷载作用下整桥变 形对桥面铺装体系的影响；然后针对整桥最不利荷载作用梁段单独取出，将整桥 模型中的结点位移作为局部梁段分析的边界条件，对荷载作用下铺装层内部的应 力应变状态进行更为精确与详细的分析； 试验比选选定最优方法针对系统结构、受力特性以及优化控制方法研 究的需要，本论文将结合室内实验和室外试验最优化理论方法得出理论模型和优 化参数。 第二章桥面铺装层力学分析与结构组合 桥面铺装的传统设计方法通常直接沿用一般路面或者钢桥面的设计要求，忽 视了桥面铺装层的特殊应力和变形特性，对铺装层级配、层厚以及结构组合形式 的选择都没有经过充分的理论与试验验证。 本章拟应用a n s y s 有限元程序，对大跨径钢管混凝土拱桥沥青铺装体系进行 “从整体到局部、从二维到三维”的分析，得到荷载作用下铺装层内部精确与详 细的应力应变状态，并结合目前沥青路面常用的沥青混合料类型，进行桥面铺装 用沥青路面材料与结构的优化选择。 2 1 研究思路 以往进行的一些桥面铺装研究主要是针对局部桥面板模型的受力状况进行 分析。计算简便，通用性强，但是针对实际情况而言也存在一些不足：局部模 型边界条件多采用简单的固结或铰接，和实际的边界条件有所差异；局部模型 往往忽视了桥梁整体变形对桥面铺装的影响，只能体现出加劲部件等细部结构对 桥面铺装层受力的影响；局部模型不能体现出各种桥型状况下桥面铺装层的受 力差别，大跨径悬索桥、斜拉桥和拱桥得到的结果往往没有区别；局部模型尺 寸较小，难以体现温度应力对桥面铺装层的影响。 因此，本文将应用a n s y s 有限元程序，对大跨径钢管混凝土拱桥沥青铺装体 系进行“从整体到局部、从二维到三维 的系统分析。即首先建立桥梁整体模型， 考虑在荷载作用下整桥变形对桥面铺装体系的影响；然后针对整桥最不利荷载作 用梁段单独取出，将整桥模型中的结点位移作为局部梁段分析的边界条件，对荷 载作用下铺装层内部的应力应变状态进行更为精确与详细的分析。具体研究思路 如下： a ) 确定大跨径钢管混凝土拱桥有限元仿真建模所需要的各种几何和物理参 数，以及采用的相关假设； b ) 选用适当的单元形式模拟主桥拱肋及各拱上结构，建立大跨径钢管混凝 土拱桥整桥二维有限元模型； c ) 选取车队荷载，并将荷载沿纵桥向移动分布，得到各个工况下的桥面板 纵向拉应力； d ) 考虑整桥温度应力对桥面铺装层受力的影响； e ) 计算得到局部模型计算的边界条件。 局部桥面有限元模型计算分析 6 a ) 选取适当的单元建立局部桥面三维有限元模型； b ) 将三维模型计算得到的边界条件应用到局部桥面模型中； c ) 沿桥面横向移动荷载，计算得出桥面铺装荷载的横向最不利作用位置； d ) 考虑局部温度变化带来的温度应力对桥面铺装层的影响。 2 2 力学模型的建立1 1 4 】 有限元法的分析过程，概括起来可分为五个步骤：结构的离散化，将原结 构体( 连续体) 分割成为有限个小单元体，这些小单元体在有限个结点上互相连 结。选择单元的位移模式，对单元的位移的分布作出一定的假定，也就是假定 单元的位移场是坐标的某种简单的函数，这种函数称为位移模式或位移函数，导 出用结点位移表示单元内任一点位移的关系式。单元的力学特性分析，包括导 出用结点位移表示单元应变、应力的关系式和建立单元的平衡议程，其中导出单 元刚度矩阵是单元物性分析的核心内容。建立整体结构的刚度方程，这个过程 包括有两方面的内容：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结点力列阵，集合成总的载荷列阵。于是得到 以整体刚度矩阵伍 、载荷列阵护 以及整个物体的结点位移列阵 万 表示的整个 结构的平衡方程。求解未知结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 2 1 整桥二维有限元模型的建立 本文用梁单元对桥梁各部件进行模拟，桥梁各部件轴线的自然交点作为节 点。如图2 1 所示，梁单元b e a m 3 是一种可承受拉压弯作用的单轴单元，单元的 每个节点有三个自由度，即沿x ，y 方向的线位移及绕z 轴的角位移。 全桥共分为1 1 4 6 个单元，二维整桥有限元模型见图2 1 ，其中x 方向为纵桥 向，y 方向为高度方向。 0 ：二嘉j 夕彭髟。2 _ 誓翟一? l 誓岛进，量。：i 量 主拱肋钢管及支柱内均灌注早强、缓凝、微膨胀5 0 号砼，行车道砼板采用 5 0 号砼。参考本桥设计图纸及规范，计算时采用的材料属性见表2 1 。 有限元分析模拟中，模型的边界条件和基本假设将直接影响到结果的可靠度 和准确度。本研究计算中采用如下边界条件： 7 表2 - 1 模型参数表 部件截面惯性矩m 截面积m 2截面高m弹性模量婶a泊松比 混凝土空心板0 3 27 2 40 5 83 4 5 1 0 40 2 拱肋o 4 24 0 524 1 0 50 2 5 拱上支柱 0 6 42 0 11 62 1 0 50 2 8 3 a ) 拱脚固结； b ) 拱脚上方立柱固结其x ，z 方向，但允许其拉压变形； c ) 放松桥面板两端x 方向自由度。 本研究计算中采用如下基本假设： a ) 在正常使用阶段，材料处于弹性状态： b ) 不计沥青铺装层和盖梁刚度； c ) 桥面板与盖梁完全线性接触； d ) 桥面板x 方向连续； e ) 忽略结构自重。 2 2 2 桥面局部有限元模型的建立【1 5 】 本研究运用三维有限元法对桥面铺装体系的受力状态进行分析。桥面沥青铺 装层采用2 0 节点的六面体等参元s o l i d 9 5 ，水泥混凝土梁体采用8 节点的四面 体等参元s o l i d 4 5 。大桥主桥沿纵向路中心线对称，便于分析，选取右半幅桥面 进行局部建模。桥面总宽度2 3 m ，包含1 1 块中板和2 块边板组成。桥桥面铺装 结构形式是，高为5 0 c m 的混凝土预制空心板上，现浇一层8 c m 厚的水泥混凝土 调平层，其上铺筑厚度为8 c m 的沥青铺装层，其结构示意简图如图2 - 9 所示。 8 c m 图2 - 9 桥面铺装体系结构示意图 由于荷载作用具有一定的局部效应，为了减小边界约束对铺装层受力的影 响，本研究在纵桥向选取拱脚附近4 组立柱上的3 段桥面系进行建模，模型纵向 长度3 0 m 。桥面局部模型共划分单元3 3 4 9 0 个，其中桥面沥青铺装层划分单元9 6 5 3 个。 参考桥梁设计图纸及规范，计算时采用的材料属性见表2 - 2 。 计算中采用如下基本假设： a ) 在正常使用阶段，材料处于弹性状态； b ) 层间完全连续； r c ) 忽略防水粘结层的作用。 表2 - 2 模型参数表 部件弹性模量肝a 泊松比 沥青铺装上层 沥青铺装下层 现浇水泥砼 空心板 圈21 0不同视角下铺装层实体模型 力学分析计算中，垂直荷载的施加采用均布面荷载，荷载作用面积依据公 路工程技术标准( j t cb 0 12 0 0 3 ) ，采用汽车一超2 0 车队中重车后轴1 4 0 k n ，考 虑3 0 的冲击系数，荷载太小为均布压力0 7 6 m p a 。单侧轮接地面积0 6 m x 02 m ， 两侧轮中心距18 m ，见图2 一1 1 。 图2 - 1 1荷载形状 2 3 力学计算分析 231 整桥二维有限元力学计算分析 在计算钢管混凝土拱桥内力时，可以将空间三维结构进行简化，采用二维模 型对构件内部的轴力进行计算，忽略桥面横向宽度及横向联系对整体受力的影 响。 2 311 均布荷载作用下的桥面板受力分析 在二维模型计算中，为了便于计算，将车辆荷载简化为沿纵桥向分布的线均 布荷载。经试算发现桥梁在使用状态下的作用荷载一般不会大于4 0 k n m ”1 ，故 计算中荷载集度取为4 0 k n m 。 9 i f ( 1 ) 荷载位置的影响1 羽 不同的工况下，桥面板应力应变响应不同。本研究研究了在对称加载( 工况 1 ，2 ) 和单侧加载( 工况3 ) 下的桥面板拉应力应变。工况示意图见图2 - 1 2 。 4 0k n m 工况3 工况2 图2 - 1 2荷载加载位置示意图 工况1 路径距离( 纵桥向) m 图2 - 1 3三种工况下桥面板竖向弯沉沿纵桥向变化 桥面铺装层受力状态与路面不同之处，重要的一点就是在受到荷载作用下桥 面板局部会产生负弯矩，导致铺装层上表面受拉产生拉应力【1 9 1 。图2 1 3 反映了 三种工况下桥面板竖向弯沉的变化，可以看出在荷载作用区域之外，桥面板向上 翘起；在荷载作用区域之内，桥面板有不同程度的向下变形，并且变形在荷载中 心达到极值。两种对称加载工况下的竖向变形值都在一7 m m 至一1 3 r a m 之间，而非对 称加载工况下桥面板的竖向变形达到了- 1 8 r a m ，约为对称荷载工况下的2 倍。可 见，本桥在偏载工况下是较为不利的。 u - t 衩 翅 螺 旧 蜷 路径距离( 纵桥向) 图2 - 1 4桥面板应变沿纵桥向变化( l s 3 ) 1 0 垢 加 5 o m 垢 加 胃器辚旧蜷 0 0 o o o o o 0 o o 0 4 2 屯。喃c p m 心m 墙 一 一 一 一 针对偏载工况l s 3 ，图2 - 1 4 中显示了桥面板纵横向应变和剪应变的变化啪1 。 可以看出，在该工况下剪应变变化幅度较小，基本不会对桥面铺装层的受力产生 不利影响；在荷载作用区域内产生很大的压应变，考虑到混凝土抗压能力要远远 大于其抗拉能力，故较大的压应变( 一1 4 0pm ) 认为也不会对桥面铺装层的受力 产生不利影响；在荷载作用区域之外，纵向拉应变成为桥面板受力的主要不利因 素。 j 争( 翅 星 蚕 塔 暄 蜷 ；卜 ：以k p 姒，蒜、。二眵棚 半土工况2 卜卜手t 工况3 工况。 、厂飞了丁 了丁厂 ， 工坍5 厂 1 丁厂 _ 了丁r 丌， 一 工滑6 摹；善；三萋三j兰三摹三毒三三摹三毒三三摹三毒三三摹一三；!。工况， 、厂1 丁r _ 丁厂 了丁厂 丁r ，。 工砑， 、厂飞丁r 厂 丁厂_ 厂 了丁厂 了丁 ，。 工规9 、广 厂厂厂厂r f 丁厂厂丁厂丁r 厂厂几。 图2 - 16变长度荷载工况示意 o o 0 o 0 0 o 0 o o o 4 3 2 1 屯门q 七咱 6 0 4 5 - - t 3 0 毯1 5 厅0 蠢一1 5 霎耄 6 0 路径距离( 纵桥向) m 图2 - 17变长度荷载工况下桥面板纵向应变 图2 1 7 可以看出，在非满载工况( l s l l s 8 ) 下，桥面板均会产生一定大 小的纵向拉应变，并且最大纵向拉应变产生于荷载作用的边缘。随着l s l 至l s 4 的荷载作用区域增大至半幅桥跨，拉应变极值逐渐减小；随着l s 5 至l s 8 的荷载 作用区域由半跨增大至全跨时，拉应变极值又逐渐增大。即荷载边缘作用于桥跨 两侧时产生了较大的纵向拉应变。此种情况下，桥梁两侧梁段认为是荷载作用最 不利区域。 取荷载边缘作用于桥梁两侧时的不利工况( 如l s l ) 进行荷载布置，变化荷 载集度为2 0 k n m 、3 0 k n m 、4 0 k n m 和5 0 k n m 时，计算桥面板的最大纵向拉应力 变化趋势，结果如表2 - 3 所示。 表2 3l s l 下桥面板纵向最大拉应变随荷载集度值的变化 荷载集度k n r n j 2 0 3 0 4 05 0 纵向最大拉应变z e 2 6 3 4 4 1 5 9 随着荷载集度的增加，水泥桥面板的纵向拉应变值也逐渐变大。一般来说整 桥荷载集度大小一般不会超过5 0 k n m ，则由于荷载导致的水泥桥面板的纵向拉 应变一般不会超过6 0 个微应变。假设桥面沥青铺装层刚度不影响桥梁整体受力 变形，沥青铺装层与水泥桥面板紧密粘合并且协同变形，因此可以认为由于整桥 变形导致的沥青铺装层纵向拉应变不会超过6 0 个微应变。 2 3 1 2 温度荷载作用下的桥面板受力分析【2 1 】c 2 2 】 桥梁构造物完全暴露在大气中，受日照、风吹、温度骤变的影响，整桥由于 温度变化不均而产生的温度应力必须受到重视。由于材料属性、构造形式等的差 异，桥面系各构件受温度影响的程度也不同。桥面板在温度作用下会产生翘曲变 形；拱肋吸热膨胀遇冷收缩，会使拱上建筑产生差异变形。温度应力对于大跨径 桥梁来说显得尤为重要。 本研究考虑几种温度荷载工况，对桥面板的纵向拉应变进行了分析。采用的 1 2 热力学参数见表2 - 4 ，整体结构参照温度1 0 4 c 。计算结果见表2 5 。 表2 - 4 计算采用热力学参数 导热系数w ( m ) - 1 线膨胀系数 c d 桥面板 1 4 51 o x l 0 5 拱肋5 2 2 1 1 x 1 0 5 拱上立柱8 9 91 1x 1 0 一5 表2 - 5 各部件温度荷载作用下的桥面板应变分析 桥面板 拱肋拱上立柱 工况 升温3 0 升温3 0 升温3 0 桥面板最大纵向拉应变肛 5 91 0 24 7 由计算结果可知，桥面板对于拱肋的温度变形最为敏感，拱上立柱的温度变 形较小。并且温度荷载产生的拉应变要大于车辆荷载产生的拉应变。因此，大跨 径水泥混凝土桥梁应重视由于温度变化而产生的破坏。 综上所述：由于行车荷载的作用，沥青铺装层产生的最大纵向拉应变小于6 0 微应变；由于温度荷载作用，沥青铺装层产生较大的纵向拉应变，最大值略大于 1 0 0 。这两种荷载产生的最大拉应变均远小于沥青混凝土拉伸破坏的应变值，同 时这些荷载工况基本上是小概率长周期事件。因此由本研究计算可知，钢管混凝 土拱桥桥面沥青混凝土铺装层不会由于桥梁荷载和温度变形而产生破坏。 2 3 2 桥面局部有限元力学计算分析【2 3 】 在对大跨径混凝土桥梁沥青铺装层力学分析的相关研究中，通常都是截取一 个独立梁段进行铺装层应力应变分析， 无法考虑到桥梁整体变形对铺装层受力 的影响，也体现不出各种桥型的特点。 通过二维模型有限元计算后发现，钢管 混凝土拱桥的拱脚附近梁段是整桥受力 最不利区域。本研究在对称满布荷载工 况l s 9 计算的基础上取拱脚处梁段进行 计算，如图2 - 1 8 所示。截取局部模型的 边界条件按照l s 9 计算结果的相应位置 的节点位移插值决定。 2 3 2 1 横向不利位置的确定 图2 - 1 8局部模型截取示意图 由于本桥桥面系采用混凝土空心板结构，其下并无纵横向加劲部件的支撑， 因此本研究没有按照以往的按车道划分的方式，而是从桥面板的结构出发，考虑 车辆双侧车轮对称跨于相邻两块空心板( 上排荷位1 ，2 ，3 ) ，以及考虑车辆单 1 3 侧车轮行驶于两空心扳交界处( f 排荷位4 ，5 ，6 ) ，以求得剑史加精确的结果。 荷位布置方式如图21 9 所示。 拦岸泸 。笪生兰望兰 ：三望匡三三亘亘堕三三多重三三望匡三三量匡三f 一 图2 - 1 9 荷载横向布置示意图 选取局部模型纵向中心线处进行静力加载。以荷位1 为例，荷载布置见图 22 0 图2 2 0荷载布置位置( 荷位1 ) 铺装层出现拉应力，是t 梁桥、箱粱桥和连续粱桥特有的特点。铺装层出现 开裂破坏主要由于拉应力引起的桥面纵横向裂缝。国内相关研究中，将桥面横向 拉应力作为铺装层控制疲劳开裂的主要控制指标的较多。在行车荷载的作用下， 桥面沥青铺装层局部会产生正弯矩，导致拉应力的产生。随着荷载反复作用，铺 装层局部因为疲劳破坏而出现裂缝。 图2 2 l 显示了随着荷位的变化，沥青铺装层内纵横向拉应力的变化趋势。 其中荷位1 3 是荷载对称跨于相邻两块空心板，荷位4 6 是荷载作用在两空心 板交界处时的情况。 由结果可知： 1 ) 铺装下层拉应力大于上层拉应力。一般认为，路面结构在荷载作用下的 应力变化规律应该是随着深度的增加而逐渐减小。在桥面铺装体系中，由于整桥 的变形对铺装层受力会产生一定的影响。又由于计算中铺装层模量的取值原因， 共同导致了铺装下层拉应力大于上层拉应力。 一 7 7一下层横向 二二一一 一- 。一 lz34bo 荷位 图2 - 2 1沥青铺装层拉应力分布 2 ) 每一层内的纵横向拉应力差值很小。千岛湖大桥桥面系由预制混凝土空 心板构成，并没有明显则纵向或者横向加劲部件的存在，模型中两根盖梁之间矩 形区域的纵横比很接近1 ( 1 0 ：1 0 1 4 5 ) ，于是桥面铺装层受力没有明显的纵横 向差异。 对于荷位1 - 3 ：随着荷位由路中心向桥面边缘的移动，上层横向拉应力几乎 没有变化，上层纵向拉应力在荷位2 处出现峰值；下层横向拉应力逐渐增大，在 桥面边缘附近最大，下层纵向拉应力变化也不是很明显。对于荷位4 , - - 6 ：随着 荷位由路中心向桥面边缘的移动，上层横向拉应力在荷位5 处出现峰值，上层纵 向拉应力的变化也不是很明显；下层纵横向拉应力均迅速下降。即：桥面铺装下 层拉应力对荷载作用位置更为敏感，当荷载作用于桥面板外侧空心板中央区域 时，铺装下层出现拉应力极值。 沥青铺装层与水泥桥面板间的粘结破坏是目前大跨径桥梁铺装层破坏的一 种常见破坏类型。粘结力的丧失直接影响到铺装层与桥面板的复合作用，加速铺 装层自身的破坏。并且修补的工作量巨大，目前对由于粘结力不足而形成的剪切 破坏只是将粘结破坏区域的铺装层凿除重铺，花费较大。因此沥青铺装层与水泥 桥面板之间的剪应力是控制粘结破坏的主要控制指标。在六种荷位下铺装层内部 上下层之间( 简称“层内 ，下同) 和铺装下层与水泥桥面板之间( 简称“层间， 下同) 的剪应力计算结果如图2 2 2 所示。 由结果可知： 1 ) 对于荷位1 - 3 ，层间剪应力大于层内剪应力，并且层间纵向剪应力大于 层间横向剪应力。并且随着加载点由桥面中心线向桥面外侧的移动，层间纵向剪 应力迅速增大，其它三种剪应力变化趋势不明显。 2 ) 对于荷位4 - 6 ，四种剪应力变化趋势基本和荷位1 - - 3 相近，即层间纵向 剪应力对荷位改变的敏感性最大。因此剪应力的控制方向是纵桥向，沥青铺装下 层与水泥桥面板间的粘结破坏的主要控制指标是层间纵向剪应力。当荷载作用于 1 5 5 3 5 2 5 1 5 0 3 2 1 o o 0 0 o o 0 o 童心辖 桥面板外侧空心板中央区域时，铺装下层与桥面板间出现剪应力极值。 母 垒 、 r 翅 蜜 123456 一荷位 图2 - 2 2沥青铺装层剪应力分布 沥青路面的弯沉是指路面在垂直车辆荷载作用下产生的垂直变形，它反映了 路面和结构层及土基的整体强度和刚度。对于大跨径桥梁桥面铺装而言，铺装层 弯沉和路面弯沉的区别主要在于两点：一是支撑方式不同；二是厚度不同。尽管 桥面铺装层的受力状态与路面有一定的差异，但是铺装层弯沉依然可以作为评价 铺装层和桥面板整体强度和刚度的指标。 计算结果可知，由于荷位的改变而造成的铺装层表面竖向位移在2 1 5 r a m 左 右，荷位间差别很小。由于空心板交界处填筑混凝土造成局部刚度增大，造成荷 位1 - - - 3 的竖向变形大于荷位4 6 ，并且荷载作用点位于半幅桥面中线时位移最 大。 蠢 蚕 01z34567 荷位 图2 2 3沥青铺装层表面最大竖向变形 铺装层内拉应力过大是导致开裂破坏的主要原因。由于本桥的最大拉应力出 现在铺装下层，铺装下层往往是桥面铺装剪切破坏的主要区域，而相关研究中较 少关注到铺装下层的这种不利受力状态，易导致桥面铺装系发生开裂及剪切破 坏。本桥铺装下层最大拉应力在桥面方向上区分度不大，为了便于比较，取铺装 下层横向最大拉应力为本桥的受力控制指标。 1 6 凹雌吆叽o 根据荷载横向分布计算出的铺装层受力状况，确定“荷位3 为桥面横向受 力不利位置。 2 3 2 2 纵向不利位置的确定 在荷载横向分布计算的基础上，为了得到桥面铺装系的具体受力状态，在荷 位3 的纵向1 8 跨、1 4 跨和盖梁顶部增加三个纵向特征荷位，分别记作“荷位 3 - 2 、“荷位3 - 3 和“荷位3 - 1 ”，横向计算中的荷位3 记作“荷位3 - 4 ”，如图 2 2 4 所示。 荷位3 1 图2 2 4荷载纵向布置示意图 4 个特征荷位下的计算结果见表2 - 6 所示。 表2 - 6纵向不利位置计算结果 1 2 1 4 1 8 不n 譬 3 - 13 23 33 4 下层横向拉应力m p a 0 3 0 50 3 0 60 3 0 60 3 0 7