（机械工程专业论文）桥面铺装材料及施工控制.pdf

摘要 近年来，随着我国高等级公路建设的大规模展开，公路桥梁建设技术水平得到了突 飞猛进地发展，造型优美、结构新颖的大、中型公路桥梁在我国各地屹立如林。作为公 路桥梁不可缺少的一部分，桥面铺装对桥梁道面起着重要的保护作用，使主梁免受雨水 侵蚀，防止车辆轮胎、履带直接磨耗桥面，并对车辆轮重的集中载荷起到分散作用。因 此，桥面行车道铺装要求有抗车辙、抗滑、不透水、刚度好等性能。目前，我国公路桥 梁的桥面沥青铺层出现病害较多、较普遍，极大地影响了桥梁的使用性，同时也造成了 巨大的经济损失。从主观方面出发，引起这些病害发生的因素主要有铺装材料选择不当、 级配不合理、粘结层设计不当等，更重要的是桥面沥青层施工工艺和质量控制存在缺陷 等，这是目前公路桥梁桥面铺装的一项难题，也是道路桥梁铺装技术研究的重要内容之 一。 本文从结构和力学角度出发，分析了桥面铺装层的受力状态，明确了桥面铺层材料 的性能及设计目标，为铺装材料和防水粘结材料的选择和施工奠定了基础；研究了桥面 铺装材料及防水粘结材料，对比优选出适合于桥面铺装的沥青玛蹄脂碎石混合料( s m a ) 材料和级配方案以及防水粘结材料；在此基础上，研究了桥面沥青铺层摊铺机械配置和 摊铺施工工艺，提出了适合于桥面铺装的摊铺设备配置方案；研究了桥面沥青铺装层的 压实工艺和技术，通过实验对比研究了振荡压实和振动压实方法对于桥面铺装层压实度 的影响，提出了压路机的选型和配置方案；提出了桥面铺装施工质量控制的关键措施。 关键词：桥面铺装，铺装材料，摊铺，压实，质量控制 a b s t r a c t w i t hh i g h g r a d er o a di nc h i n a sl a r g e s c a l ec o n s t r u c t i o n ，b r i d g ec o n s t r u c t i o nh a sa c h i e v e d r a p i dd e v e l o p m e n t ，c h a r m i n ga n dn o v e ls t r u c t u r eo fl a r g ea n dm e d i u m s i z e db r i d g e sa c r o s s t h ec o u n t r y 嬲f o r e s ts t a n d s a sa ni n d i s p e n s a b l ep a r to ft h eb r i d g e d e c kp a v e m e n tc a np r o t e c t t h ed e c kf r o mr a i n w a t e re c l i p s e ，t i r ea n dt r a c kw e a r , d i s t r i b u t et h ec e n t e r l i z e dl o a d s ot h e d e c kp a v e m e n ts h o u l dr e s i s tt r a c k ，s l i p p i n g ，w a t e r , a n db es t i f f n e s s n o w , h i g h w a yb r i d g e b r e a ko fo u r c o u n t r yi st o om u c ha n du n i v e r s e ，w h i c ha f f e c tt h eu s eo fb r i d g ea n dc a u s el a r g e e c o n o m i cl o s s p a v e m e n tm a t e r i a l ，g r a d em i xa n db o n d i n gw a t e r p r o o fd e s i g ni so n eo ft h e r e a s o n ，t h em o r ei m p o r t a n ti sc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ea n dq u a t i t yc o n t r o l ，t h i si so n eo ft h e d i f f i c u l tp r o b l e m 。o fb r i d g ed e c kp a v e m e n t ，a n do n ei m p o r t a n tc o n t e n to fh i g h w a yb r i d g e p a v e m e n tt e c h n i q u er e s e a r c h b a s eo na n a l y s i ss t r u c t u r ea n ds t r e s so f d e c kp a v e m e n t ，p e r f o r m a n c ea n dd e s i g no b j e c to f d e c kp a v e m e n tm a t e r i a li sc l e a r , i te s t a b l i s h e st h eb a s eo ft h ec h o i c ea n dc o n s t r u c t i o no n p a v e m e n t m a t e r i a la n d b o n d i n gw a t e r p r o o fm a t e r i a l ；p a v e m e n tm a t e r i a l a n db o n d i n g w a t e r p r o o fm a t e r i a li ss t u d i e d ，b yc o n t r a s t ，t h em a t e r i a l s ，g r a d em i xa n db o n d i n gw a t e r p r o o f w h i c hf i td e c kp a v e m e n ti sa d v i s e d ；t h ep a v em a c h i n ec o n f i g u r ea n dc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u eo f d e c kp a v e m e n ti ss t u d i e d ，ap a v ee q u i p m e n t sc o n f i g u r ep r o p o s a li sa d v i s e d ；a s p h a l tp a v e m e n t c o m p a c tt e c h n i c sa n dt e c h n o l o g yi ss t u d i e d ，t h r o u g he x p e r i m e n t ，s u r g ec o m p a c ta n d v i b e r a t i o nc o m p a c ti n f l u e n c eo nc o m p a c td e g r e ei sc o m p a r e d ，c h o i c ea n d c o n f i g u r ed i s p o s a l i sa d v i s e d ，a n dd e c kp a v e m e n tc o n s t r u c t i o nq u a n t i t yc o n t r o la c t i o ni sa d v i s e d k e y w o r d s ：d e c kp a v e m e n t ，p a v e m e n tm a t e r i a l ，w a t e r p r o o fa d h e s i v el a y e r , p a v i n ga n d c o m p a c t i o n ，q u a l i t yc o n t r o l 1 1 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：锦缉华 如口纱年岁月2 7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：雒殍华如。8 年岁月二7 日 f 别雅轹、v 。8 刖阳 长安大学硕+ 学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 ， 近年来，随着我国高等级道路的大规模修建，公路桥梁建设技术水平得到了突飞猛 进地发展，造型优美、结构新颖的大、中型公路桥梁在我国各地屹立如林。无论是从美 学上还是从结构设计上，桥梁设计与施工部门都倾注了大量心血，为保证质量所付出的 努力是显而易见的。 但是，随着交通量和车辆轴载越来越大，各地气候条件变化多样，我国的桥面铺层 普遍出现了严重的早期病害，极大的影响了桥梁的服务品质，造成了巨大的经济损失。 尽管目前桥面铺装问题已受到了我国各方的普遍重视，也有一些部门做了一定得研究， 但是投入的力度和研究的深度却远远不够，研究成果不能解决实际中遇到的问题，也不 能在设计阶段就对病害提出预防措施，甚至至今仍无专门且行之有效的桥面铺装设计与 施工规范。现行桥梁及路面设计规范对于桥面铺装的材料、铺装结构厚度、结构组合设 计、防水及排水措施与施工工艺等，也只是轻描淡写地给予了指导性的说明，导致桥面 铺装设计与施工的各行其是，无章可循。 本文正是针对这一问题而提出，论文以沥青混凝土桥面铺装为研究对象，从最新的 机械化施工技术出发，以已有桥面铺装层的病害和在建工程为研究出发点，重点研究桥 面铺装技术与工艺，以提高桥面铺装的性能和抗病害能力。 1 2 课题的国内外研究状况与分析 1 2 1 桥面铺装研究概述 桥面铺装作为桥梁结构的一部分，与桥梁建设及交通运输的发展紧密地结合在一 起。国外，尤其是一些发达国家，其交通建设发展较早，桥面铺装技术较成熟，道路工 作者主要从铺装结构分析、材料设计以及施工工艺等方面进行桥面铺装的研究，研究方 法是通过桥面铺装结构力学分析，明确铺装层结构的受力状态，进而确定铺装材料的性 能指标要求。 我国在桥梁铺装方面的研究是随着我国桥梁建设的发展而逐渐受到重视的，目前基 本处于起步阶段，需要迅速开展广泛而深入的研究。 1 2 2 桥面铺装及施工方面的研究状况 按照铺装材料刚度，桥面铺装可分为刚性桥面铺装和柔性桥面铺装。刚性桥面钠装 第一章绪论 、主要是水泥混凝土桥面铺装；柔性桥面铺装主要是沥青混凝土桥面铺装。普通水泥混凝 土桥面铺装抗裂性能、行驶舒适性、韧性及耐久性均较差，加之维修不方便，目前主要 用于小型桥梁的桥面铺装。相对水泥混凝土桥面铺装，沥青混凝土桥面铺装具有良好的 柔韧性、抗裂抗疲劳性能及行驶舒适性，且具有维修方便、自重轻等优点，目前在大中 型桥梁桥面铺装中应用较多。 桥面铺装的施工对于保证铺装质量是至关重要的，它与一般路面的施工有着较大区 别。对水泥混凝土桥面铺装来说，要严格控制混凝土桥面板的表面处理，确保桥面板无 松散砂石粒、污泥等杂物。而沥青混凝土桥面铺装的施工难度相对更大，铺装各层都有 非常严格的施工技术要求，必须严格控制各工序才能保证铺装工程质量i 已有的经验及 研究表明，桥面铺装施工前桥面板的处置、粘结层的撒布质量、施工温度的控制及沥青 混凝土的碾压控制，都直接影响桥面铺装的质量。 浇注式沥青混凝土( g u sa s p h a l t ) 、沥青玛蹄脂混合料( m a s t i ca s p h a l t ) 的桥面铺装 施工与普通沥青混凝土的施工也存在较大差别，需要特殊的施工工序和设备，我国目前 在这方面还缺少相应的施工设备及施工经验，有必要在吸收国外技术经验的同时，研究 开发适合我国特点的施工工艺及设备，提高我国的桥面铺装施工技术水平。 1 3 桥面铺装应具备的基本性能 ( 1 ) 良好的高温稳定性 我国大跨径桥梁的主梁多采用箱梁结构，箱梁体内部大多没有通风措施，因此散热 速度慢，特别是在夏季炎热季节，箱梁桥面板的温度要比气温高2 5 3 5 。c ，而一般沥青 路面温度比气温高2 0 ，温度再高就会表现出粘弹特性，这就要求桥面铺装沥青混凝 土的高温稳定性比普通路面有明显的提高。 ( 2 ) 优良的抗疲劳、抗开裂性能 振动、变形是沥青混凝土产生疲劳破坏的主要方式之一，而桥面板的刚度要比一般 路面刚度小得多，在车辆荷载作用下会产生较大的变形及振动。这种周期性荷载及较大 变形作用更加会促进桥面铺装的疲劳破坏，因此桥面铺装材料要求具有较强的抵抗疲劳 破坏的能力。 ( 3 ) 完善的防水排水体系 桥面铺装的一项主要功能是保护桥面板免受各种腐蚀，如果桥面板受到雨水、化学 物质、盐类等腐蚀性物质的侵害，会严重影响桥梁结构的使用寿命和安全。因此要求桥 长安人学硕k 学位论文 面铺装结构具有可靠的防水、排水功能以及保护桥面板的结构，同时这也对桥面铺装沥 青混凝土起到了保护作用，减少水损的影响。 ( 4 )良好的层间粘结力 桥面铺装层与桥面板间的粘结力丧失是桥面铺装层损坏的一种主要表现，一旦出现 脱层现象，桥面铺装层将很快发生破坏。桥面铺装层与桥面板间的粘结力是铺装层的附 着基础，如果没有桥面板的约束，铺装层在轮载的振动冲击作用下将与桥面板分离，因 此层间粘结力是桥面铺装正常工作的关键。 ( 5 ) 对桥面板变形的追随性 桥面铺装的刚度远小于桥面板的刚度，要求桥面铺装层与桥面板变形协调，即要求 桥面铺装材料在具有较高强度的同时还具有较强的形变能力，通过可靠的层间粘结力与 桥面板协同工作。 ( 6 )良好的平整度及抗滑性能 桥面铺装层在满足以上特殊要求的同时，也要满足一般的路用性能要求。良好的平 整度不仅可满足行车舒适性的要求，也会减小轮载对铺装层及桥面板的振动冲击作用； 具有良好的抗滑性能则是行车安全的一项重要要求。 1 4 桥面铺装技术需要解决的主要问题 随着高强轻质水泥混凝土及预应力钢筋混凝土技术的发展，以预应力水泥混凝土箱 梁为主梁的桥梁跨径也在不断增大。水泥混凝土箱梁结构在不断轻型化的同时，其刚度 也在相对减小。大跨径混凝土桥梁的桥面铺装也不断有新的课题出现，目前亟待解决的 主要问题如下： ( 1 ) 建立桥面铺装合理的力学模型 桥面铺装是一个复杂的复合结构，其受力主要受以下因素影响：水泥混凝土大跨 径箱梁结构桥面板与纵向、横向隔板加劲肋共同组成的复杂受力结构在车轮荷载作用下 产生的局部受力变形；粘弹性沥青混合料的模量与桥面板模量相差两个数量级；铺 装层与桥面板的接触状态；桥面铺装日温差产生的应力；大跨径桥梁结构整体变形 及桥面板的局部变形对桥面铺装产生的作用；轮载对桥面铺装的局部作用等。建立这 种复杂的复合结构在多因素作用下的力学模型是一个复杂问题，也是分析桥面铺装问题 的关键。 ( 2 ) 桥面铺装材料的研究设计 第一章绪论 桥面铺装问题的解决最终取决于桥面铺装材料的研究开发，桥面铺装材料包括铺装 层主体材料、桥面防水材料及粘结层材料。根据桥面铺装对材料的性能指标要求，开发 设计出适合我国桥梁特点的性能优良、施工方便、经济实用的桥面铺装材料也是提高桥 面铺装水平的根本途径。 ( 3 ) 建立桥面铺装管理系统 随着公路建设投资及管理体制改革的发展，目前我国非常重视工程建设的成本优 化、工程运营及养护维修的经济费用管理。桥面铺装技术的进步与发展为铺装方案及材 料的选择提供了更广阔的空间，如何优化初期投资、铺装性能及长期的养护维修成本， 即在满足桥面铺装性能要求的同时，达到桥面铺装寿命周期成本最低的目标，也是我国 桥面铺装建设需要解决的一个重要课题。 1 5 本文研究的主要内容 1 5 1 桥面铺装的力学分析 桥面铺装层的受力状态是桥面铺装产生病害的根本所在，也是确定桥面铺装材料的 性能指标要求及设计目标的基础，因此必须首先对桥面铺装层结构进行力学分析。桥面 铺装在追随桥面板变形的同时还承受轮载的直接冲击作用，它将车辆荷载传递到桥面板 上，并起着传递和分散汽车荷载的作用，因此必须将桥面铺装与桥面板结合在一起进行 分析，以确定桥面板与铺装层共同受力状态及其相互影响效应。本文分析了桥面铺装层 在桥梁整体变形下的受力情况，并建立了大跨径斜拉桥结构桥面铺装的力学模型，利用 有限元方法分析了桥面铺装体系的局部应力应变状态，为桥面铺装材料的选择、设计奠 定了良好的基础。 1 5 2 桥面铺装材料研究 桥面铺装问题的解决最终取决于桥面铺装材料的研究开发。本文通过对沥青评价与 选择、按体积法设计上面层s m a 及下面层f a c l 6 、沥青混合料s m a 的性能评价等一 系列材料、设计和评价方法的详细论述，得出了s m a 用于桥面铺装面层能够显著提高 路面的抗滑能力、低温抗裂性能和抗老化能力，改性沥青s m a 混合料能显著提高沥青 路面抗车辙能力；桥面铺装下面层按c a v f 体积法设计的富沥青混合料f a c l 6 可防止 水分渗入减弱铺装层与桥面板间的粘结等有效结论，为桥面铺装材料达到要求的性能指 标提供了重要参考依据，也为开发设计出适合我国桥梁特点的性能优良、施工方便、经 济实用的桥面铺装材料提供了一种研究途径。 4 长安大学硕十学位论文 粘结层是桥面铺装中的一项关键技术，目前粘结层材料一般兼有防水层功能，因此 也称为防水粘结层。粘结层材料要具有可靠的防水性、抗剪切性能及粘结强度，以保证 桥面铺装层与桥面板牢固的结合。同时粘结材料要具有良好的抗疲劳及耐久性能，以抵 抗在交通荷载作用下因局部变形而引起拉应力的重复作用。本文根据桥面铺装力学分析 结果，详细地论述了桥面粘结材料的基本要求、选材说明、质量检验方法以及粘结层施 工技术，为桥面铺装的设计、施工管理打下了良好的基础。 1 5 3 桥面铺装施工技术的研究 桥面铺装施工过程中，铺装材料的摊铺及压实是决定铺层质量的两个关键过程，它 决定着桥面铺装的平整度、压实度等路面性能指标是否能够达到相关国标的要求，这两 项施工在很大程度上依赖于机械设备的性能及施工操作工艺。 本文重点从施工的角度提出如何选用技术性能优良、可靠性高、适用性和经济性好 的沥青混凝土摊铺机，进而对桥面沥青铺层的摊铺施工工艺进行了优化分析。同时，本 文重点研究了桥面沥青铺装层的压实工艺和技术，分析了压实质量控制对桥面铺装质量 的影响，通过详细的实验数据对比研究了振荡压实和振动压实对于桥面铺装层压实度的 影响，在此基础上提供了压路机的选型和配置方案，提出桥面铺装压实施工质量控制的 关键措旌。本文研究优化了之前的桥面铺装旌工工艺，提出了一套更合理的、在不破坏 桥梁建筑、不污染环境的前提下确保桥面铺层压实质量的施工质量控制技术方案。 第二章桥面铺装的结构与力学分析 第二章桥面铺装的结构与力学分析 2 1 桥面铺装的结构分析 桥面铺装即行车道铺装，亦称桥面保护层，它是与车轮直接作用的部分。桥面铺装 的作用在于防止车辆轮胎或履带直接磨耗行车道板，保护主梁免受雨水侵蚀，并对车辆 轮重的集中荷载起分布作用。因此，行车道铺装要求有抗车辙、行车舒适，抗滑、不透 水( 和桥面板一起作用时) 、刚度好等性能。 桥面行车道铺装可采用水泥混凝土、沥青混凝土、沥青表面处治和泥结碎石等各 种类型材料。水泥混凝土和沥青混凝土桥面铺装应用较广，能满足各项要求。水泥混凝 土铺装的耐磨性能好，适合重载交通，但养生期长，后续修补较麻烦。沥青混凝土桥面 铺装、维修、养护方便，但易老化和变形。沥青表面处治和泥结碎石桥面铺装，耐久性 较差，仅在中级和低级公路桥梁中使用。 在工程计算中，桥面铺装一般不做受力计算，如果能在施工中确保铺装层与行车道 板紧密结合成整体，则铺装层的混凝土( 除去作为车轮磨耗部分可取1 - 2 c m 厚外) 还 可以计算在行车道的厚度内和行车道板共同受力。因为铺装层具有足够的强度和良好的 整体性( 能起联系各主梁共同受力的作用) ，一般应在混凝土中设置直径为4 - - - 6 m m 的 钢筋网。 2 2 桥面铺装层结构分析方面的研究 国外对铺装层的力学分析主要集中在经验分析上，并辅以试验论证。桥面铺装结构 分析试验研究一般假定桥面铺装层与桥面板为连续的弹性层状体，运用线弹性理论分析 铺装体系在荷载作用下的应力及变形状态。相关研究对一简支梁桥进行了实桥静力与动 力测试，结论为桥面铺装层的强度不是桥面铺装破坏的原因，而桥面铺装与桥面板之间 粘结层强度不足可能是桥面铺装层破坏的原因，同时强调应对桥面铺装进行疲劳试验研 究。该研究还考虑了粘结防水层的影响，分析了铺装层厚度及粘结层模量对层间剪力的 影响，并提出了以层问抗剪强度为指标的沥青混凝土桥面铺装设计方法。以上研究主要 是针对局部的桥面板分析，并且没有考虑轮载的水平作用。 由于桥面铺装在轮载作用下，处于十分复杂的应力状态，目前国内针对大跨径的水 泥混凝土桥梁桥面板结构及桥面铺装局部进行系统的力学分析相关研究文献还很少。 桥面铺装结构也应考虑非力学因素的影响，尤其是水分对层间连续性的破坏以及沥 6 长安人学硕士学位论文 青混凝土的高温稳定性都是目前桥面铺装的主要病害，因此应从粘结层、铺装层混合料 设计等方面保证铺装层与桥面板间的紧密粘结，使其具有可靠的抗水损害性能，并应增 强铺装层沥青混凝土的高温稳定性及耐久性。这些方面桥面铺装的问题也有待于进一步 深入研究解决。 2 3 桥面铺装层力学分析概述 桥面铺装体系的使用环境及受力特点与一般路面有较大的区别，为了能有效地进行 桥面铺装的设计，必须清楚桥面铺装体系的受力状态及其对于铺装材料力学性能要求。 目前对于桥面铺装层体系内部应力应变状态的现场检测还比较难，而有限元数值模拟计 算技术已成为现代结构力学分析的一种简便而有效的手段。应用通用有限元程序 a n s y s 计算程序，可对大跨径混凝土斜拉桥桥面铺装体系进行三个层次的力学分析， 即桥梁结构整体变形对桥面铺装作用分析、应用子模型法分析轮载局部作用下的桥面板 变形对桥面铺装作用以及对铺装层结构体系内部受力状态进行详细分析。 2 4 铺装层在桥梁结构整体变形作用下的受力分析 大跨径桥梁在车辆荷载及温度荷载作用下有较大的变形，沥青桥面铺装层结构作为 桥梁结构的附属部分，其刚度远小于桥梁主体结构刚度，因此桥面铺装层体系要被动追 随桥梁结构的变形。为了简化计算，桥面铺装层体系在桥梁整体结构变形作用下的受力 根据铺装层与桥面板的变形协调的原则，并假设桥面铺装层与桥面板完全连续，可以通 过分析桥梁主体结构桥面板的变形，分析计算桥面铺装层的受力状态。 2 4 1 大跨径斜拉桥结构分析 斜拉桥为缆索支撑桥梁，其结构体系可分为四种主要构件： ( 1 ) 具有桥面的加劲梁( 或桁架) ； ( 2 ) 支撑加劲梁的缆索体系； ( 3 ) 支撑缆索体系的索塔； ( 4 ) 竖向和水平支撑缆索体系的锚碇。 斜拉桥结构为多次超静定、高度非线性结构，分析计算非常复杂，一般要借助计算 机进行分析。桥梁结构设计中一般把斜拉桥简化为空间杆系结构进行桥梁结构整体性计 算，再对局部进行应力验算，这样处理结构模型较简单，一般可以满足工程设计需要， 便于结构的优化设计及提高计算效率。但把加劲梁简化为杆系结构不能充分反映出加劲 梁的空问结构特性。桥面铺装力学分析需要确定桥面板结构的局部变形情况，因此需要 第二章桥面铺装的结构与力学分析 更精细的计算模型反映实际结构，以满足对桥面铺装力学分析的要求。应用壳单元组合 来模拟斜拉桥的加劲梁，用拉杆单元来模拟拉索，基本可以按着实际结构构造建立计算 模型，从而可以较详细的反映实际结构在荷载作用的应力应变状态。 2 4 2 计算模型的建立 x 图2 1 壳单元示意图 i 图2 2 索单元示意图 根据桥梁的结构特性建立力学分析计算模型，根据大桥轴向结构对称性选取主桥轴 向的一半进行计算分析。由于主梁既承受弯曲应力，也承受平面应力，箱型主梁由三维 八节点壳单元组成，该壳单元为八节点六面等参单元，如图2 1 所示，具有弯曲应力及 平面应力的性质，每个节点有六个自由度，即x ，y ，z 方向平移及绕x ，y ，z 轴转 角，根据实际桥梁结构定义壳体单元的厚度。拉索由三维两节点拉杆单元组成，拉杆单 元如图2 1 所示，该单元每个节点有x ，y ，z 方向平移三个自由度，该单元只能承受 拉力，根据拉索的实际截面积来定义拉杆单元属性。对于斜拉索，如图2 2 ，考虑到拉 索的长度不大，而且此处主要分析活载作用下桥面板的变形，此时斜拉索在恒载作用下 的初始应力也较大，斜拉索的垂度对结构分析影响很小，因此不考虑斜拉索垂度的影响。 沥青混凝土弹性模量约为水泥混凝土的1 2 0 ，而且桥面铺装层一般较薄( 约为 8 0 m m ) ，而一般混凝土桥面板厚度在2 0 0 m m 以上，在桥梁整体结构力学分析中，不计 8 k 宜大学+ 学位论文 入铺装层结构刚度。桥梁结构姓计划分4 4 7 3 0 个单元，壳单元边长约为1 m ，可以满足 分析精度要求。应用通用有限元软件a n s y s 建立桥梁结构的空间实体模型，模型轴视 图如图23 所示，模型坝0 视图2 4 所示，主梁横截面如图25 所示( 图中单位：m ) 。 图2 , 3 桥梁计算模型轴视图 图2 4 桥梁计算模型侧视图 kik 产i “ 圈2 5 主粱箱粱横断面 2 5 应用子模型法对桥面板局部变形分析 桥梁设计中一般不考虑桥面板的局部变形，而桥面板在轮载作用下的局部变形是沥 青混凝土柔性铺装需要明确的一个关键技术指标。一般桥面板结构分析是对独立的个 梁段进行的局部分析，没有考虑桥梁整体作用的影响应用有限元计算技术及子模型汁算 方法，对大跨径混凝土斜拉桥桥面板在轮载作用下的变形及应娈状态进行系统的分析， 并与普通路面基层弯沉进对比分析，同时分析桥梁结构整体性对桥面板局部受力分析的 影响，进一步总结大跨径桥梁桥面铺装的结构分析方法。 沥青混凝土弹性模量约为水泥混凝土的1 2 0 ，而且桥面铺装层一般较薄( 约为 第二章桥面铺装的结构与力学分析 8 0 m m ) ，而一般混凝土桥面板厚度在2 0 0 r a m 以上，在桥面结构分析中可不考虑铺装层 刚度。由于桥面铺装要追随桥面板的变形，桥面铺装的变形可以通过分析桥面板的变形 确定。子模型计算方法是对模型局部区域进行精细分析的有限元技术，本文首先用较粗 的网格划分( 单元边长l m ) 对斜拉桥的整体结构进行受力分析，然后应用子模型法， 用较细的单元网格划分( 单元边长0 2 m ) 对局部梁段的桥面板在轮载作用下变形进行 分析。 大跨径混凝土桥面铺装对铺装层沥青混凝土的要求与普通路面基本相同：同时桥面 板在轮载作用下局部应变水平远小于沥青混凝土的破坏临界应变；而且沥青混凝土常温 下为粘弹性材料，具有一定的应力松弛能力，因而桥面板的局部变形不会导致铺装层沥 青混凝土破坏，沥青混凝土可以满足追随桥面板局部变形的要求。当然考虑桥面铺装层 较薄及其抗高温、防水、耐久性等要求，以及轮载作用下桥面板的振动等与普通路面有 较大不同，同时粘结层也是桥面铺装中的一个关键环节，这些方面对铺装层的要求需要 特殊考虑。桥面板受力分析方法对比结果表明，整桥变形对桥面板局部受力有较大影响， 对大跨径桥梁桥面板的受力分析应在整桥结构中进行，子模型法是进行此分析的有效方 法。 2 6 铺装层在轮载作用下的应力分析 桥面铺装层体系追随桥面板结构变形的同时，其主要功能是直接承受轮载作用，保 护桥面板。因此有必要分析铺装层体系在轮载作用下的局部应力应变状态，确定铺装层 内部的应力分布规律，以及粘结层对铺装层性能的影响，以进一步指导和优化铺装层结 构设计。 为了详细分析桥面铺装在轮载作用下的铺装结构体系内部应力状态，铺装层结构体 系计算模型由铺装层沥青混凝土、粘结层及桥面板组成，并通过粘结层界面夹层模拟不 同铺装层与桥面板间接触条件。由于车辆轮载作用的影响范围较小，而且轮载的作用为 瞬时作用，同时考虑桥梁整体结构的变形周期较长且应变水平较低，及沥青混凝土的应 力松弛性能，不必要把轮载的瞬时作用与桥梁的整体变形作用进行组合。因此为了集中 进行桥面铺装层结构体系在轮载作用下的局部应力分析，并考虑计算精度和计算效率的 要求，选取平面尺寸为l m x l m 正方形桥面铺装结构体系进行计算分析。铺装层与桥面 板间的接触粘结状态比较复杂，层间既包括粘结层材料的粘结力，也存在沥青混凝土集 料与桥面板间的摩阻力，而且确定粘结层的刚度或模量也很困难。由于这里主要为分析 1 0 * 安 学顿学位论文 粘结层状态对铺装层整体的影响规律，这里把铺装层与桥面板间的接触条件假定为连续 体系、滑动体系两种极端情况进行对比分析。其中连续体系情况下，粘结层结构单元材 料属性同铺装层沥青混凝土丰| 料属性；滑动体系情况下，粘结层结构由正交各向异性单 元模拟，计算模型的约束边界条件为上下表面自由，与表面垂直的四周边界完全固定。 应用a n s y s 有限元程序对该模型进行不同工况下的受力分析，随着轮胎内压力及轴载 的不同，车辆轮胎与路面相接触面形状有较大的变化。作用在轮胎上的荷载较小时，接 触面的形状接近于圆形，随着荷载增大，接触面形状变长，逐渐接近长方形。为便于有 限元分析，将轮胎接地面简化为2 0 0 x 2 0 0 m m 正方形，接地面边缘间距为8 0 r a m 。车辆 行驶过程中轮胎受到地面的滚动摩擦阻力s ，路面也相应受到一水平力，此水平力可 按下式计算： s = i i p ( 2 1 ) 式中：i i 滚动摩阻系数，与轮胎类型、路面状况及车速有关； p _ 一轮载。 一般情况下，沥青混凝土路面“值为0 0 1 00 2 ，为竖直力的5 以下。考虑行驶中 的车辆由于驱动及制动过程对路面有水平力作s ，该作用要比一般的滚动摩擦阻力s ， 大得多，此水平作用力可按下式确定： s 2 p ( 22 ) 式中：旷一为轮胎与路面间的附着率，其值与制动或驱动情况、路面特性及车速有关， 一般情况下车辆在沥青混凝土路面制动或加减速过程中q 值为05 10 为比较不同水平力作用下桥面铺装的受力状态，分别分析桥面铺装结构体系在竖直 压力为07 m p a ，水平作用力分别取0 0 3 5 m p a ( 删0 5 ) 、03 5 m p a ( m = o5 ) 、07 m p a ( m = 1o ) 情况下的应力应变状态，荷载布置如图2 6 、图2 7 所示。 p 一曼直 图2 , 6 铺装层结构计算模型视圈 第二章桥面铺娃的结构与力学分析 f 嚣 p 竖向力 = 批平女 图27 铺装层结构计算模型俯视围 2 7 小结 应用三层次法对以上三种作用进行力学计算分析，即首先对桥梁结构的整体变形作 用进行分析计算，然后运用子模型法对桥面板的局部变形进行了系统的分析最后对铺 装层结构体系进行分析。通过以上分析可以看出，桥面铺装结构主要承受两种作用力， 一种是桥面板的变形作用，另一种为轮载的直接局部作用，其中桥面板的变形作用产生 于桥粱结构的整体变形以及轮载作用引起的桥面板的局部变形( 弯沉) 。 长安大学硕士学位论文 第三章桥面铺装材料的研究 3 1 桥面铺装材料的研究 沥青混凝土相对水泥混凝土具有密度小、抗裂性能及柔韧性能好、行驶安全舒适及 维修方便等优点，尤其适合大跨径桥面铺装，因此沥青混凝土桥面铺装得到了广泛的应 用。为改善和提高桥面铺装沥青混凝土的性能，路桥科研工作者进行了广泛而深入的研 究，这些研究主要集中在沥青胶结料性能的改善、优化级配、确定合理的沥青混合料孔 隙率，以及高性能层间粘结材料的研究开发。由于混凝土桥面铺装结构与普通路面结构 有较大的差异，并且不同结构桥梁的桥面板类型也有较大差异，那么对混凝土桥面铺装 材料的技术性能也有不同的要求。 桥面铺装是一个系统工程，要综合考虑使用环境的气候条件、桥面板结构特点、交 通荷载特点及经济条件进行优化设计。 国外比较重视寿命周期成本的分析，相关研究较多，其中几种较成熟的沥青混凝土；j ： 结构形式包括：浇注式沥青混凝土( g u sa s p h a l t ) 、沥青玛蹄脂混合料( m a s t i ca s p h a l t ) 、 沥青玛蹄脂碎石( s m a ) 、改性环氧磨耗层铺装。这四种桥面铺装材料主要用于大跨径 钢桥桥面铺装，混凝土桥面铺装也可以借鉴钢桥桥面铺装技术，开发设计性价比优良的 铺装材料。 我国也开始展开对桥面铺装的初期成本、维修养护、改建费用及对交通影响等费用 成本的系统分析，在借鉴国外经验的基础上，进行着新的铺装方案试验及应用。 3 1 1 不同桥面铺装沥青混合料的性能比较分析 由于桥面铺装层直接铺设在水泥混凝土或正交异性钢板上，在行车荷载、风载、温 度变化及振动等因素影响下，受力和变形远比普通沥青路面复杂，因此，桥面沥青铺装 材料应该具有较好的抵抗高温变形和低温开裂能力，以及良好的抗疲劳、抗老化、抗水 损坏性能，并保持与桥面良好的粘结性及变形适应性。表3 1 为各种类型沥青混合料的 比较： 。 从表3 1 可以看出，不同类型的沥青混合料各有其优缺点，有的高温稳定，有的低 温抗裂，有的防水性好，有的变形追丛性强，需要针对具体过程、气候条件、交通荷载 以及当地材料供应情况进行选择。一般而言，密实类沥青混合料具有很好的耐久性、密 实性及抗裂性等，但高温稳定性及抗滑性能相对较差；而开级配沥青混合料却正相反， 高温稳定性及抗滑性好，但耐久性及密实性等较差。 第三章桥面铺装材料的研究 表3 1 各种沥青混合料的比较 g a 一l 级配种类 a c 一1 6 ia c 一1 6 1 1 a c 1 6 aa m _ 1 6o g f c s m a 一1 6 1 悬浮密悬浮半空悬浮或嵌挤半嵌挤空嵌挤空嵌挤密实悬浮密 结构类型 实结构隙结构 空隙结构隙机构隙结构结构实结构 空隙率( ) 3 64 8 ( 1 0 ) 4 8 ( 1 0 ) 1 0 1 53 4 ( 4 5 )o 沥青用量( )中等较少中等很少很少较多较多 4 7 5 m m 通过 4 2 6 33 0 5 03 0 5 0 1 8 4 2 3 0 5 02 0 3 0 5 0 率( ) 抗车辙变形差差较好好很好很好较好 疲劳耐久性好较好 好很差差很好很好 抗裂性能好较好好很差差很好很好 水稳定性好较差较差 很差很差很好很好 渗水情况 小较大较人很大很大小不渗水 抗老化性能很好较好较好 很差很差 很好 抗磨性 很好较好较好很差很差很好很好 抗滑性能 差较差好很好好 差 路面降噪音、 差较差较好 很好 好 差 反光 施工难易程 易 易较易简单难稍难难 度 成本 中较低较高很低较高高高 浇注式沥青混合料g a 及沥青玛蹄脂碎石s m a 则为两种相对较新的材料。 浇注式沥青混合料g a 是一种悬浮密实型的沥青混合料，空隙率为零，矿料粒径较 小，细料及沥青含量高，因此，它具有很高的柔韧性及变形追随性。但是由于粗骨料偏 小，细料、矿粉及沥青用量很大，因此，其高温抗车辙、抗变形能力尚值得探讨。这种 材料在夏季温度相对较低、超载在现象也不严重的欧洲有着成功的应用经验。我国许多 地区夏季高温时气温会超过4 0o c ，加上超载现象较为严重，因此，这种材料的高温抗 变形能力就会受到严峻的考验。 s m a 即沥青玛蹄脂碎石，是一种间断级配的沥青混合料，其组成有以下特点：粗 集料( 5 m m 以上) 比例高达7 0 - - 8 0 ，矿粉用量达8 1 3 ，沥青用量高达6 0 7 o ，纤维稳定剂为0 3 o 4 。这种沥青混合料由粗集料形成骨架，具有很突出的 1 4 长安人学硕士学位论文 抗车辙能力和抗滑性能，降噪及防雾溅能力也比一般沥青混凝土大为改善；由沥青矿粉、 细集料及纤维形成的沥青玛蹄脂填充在粗骨料之间，从而克服了沥青混合料透水的严重 缺陷。同较常见的沥青混凝土相比，在高温、低温、水稳和疲劳等方面，s m a 性能俱 佳；尤其是在s m a 中再用s b a 改性沥青，使得s m a 更加“如虎添翼”，表现出其它沥 青混合料无法比拟的路用性能。表3 2 为s m a 与普通沥青混凝土高温性能的对比。 表3 2 普通沥青a c 及改性沥青s m a 性能对比 车辙试验马歇尔试验 沥青混合料动稳定度稳定度流值空隙率v n 队嘲油石比 ( 次m m )( k n )( m m )( ) ( )( ) ( ) s m a 1 32 8 8 89 6 24 3 83 21 6 68 0 75 7 不改性 s m a 1 62 5 9 l8 0 53 6 33 51 6 57 8 85 7 改性 s m a 1 37 0 0 09 0 74 8 73 31 7 78 1 46 1 ( 6 s b s ) s m a 1 37 0 8 88 1 05 5 04 31 7 97 6 o5 9 a c 1 31 5 8 41 2 4 52 3 64 81 5 76 9 44 9 不改性 a c 1 61 5 7 21 5 3 22 2 53 91 4 57 3 14 5 改性 a c 1 34 2 0 01 4 7 62 2 43 41 5 47 7 95 1 ( 6 s b s ) a c 一1 64 5 2 31 4 2 7 3 2 53 31 4 97 7 94 9 由上表可见，普通沥青a c 及改性沥青s m a 性能差异是非常明显的，主要表现在 以下几个方面： ( 1 ) 同普通沥青混凝土( a c ) 相比，采用s b s 改性沥青或s m a 都将明显提高沥 青混合料的动态稳定度，即抗高温变形能力。用改性沥青取代普通沥青，动态稳定度可 提高1 7 6 倍；而用s m a 取代a c ，动态稳定度可提高o 7 4 倍；采用改性沥青比采用s m a 能更有效地提高沥青混合料的高温稳定性；如果选用s m a 的同时使用改性沥青，则动 态稳定度增加3 4 6 倍，这是相当可观的改善。 ( 2 ) s m a 1 3 与s m a 1 6 或a c 1 3 与a c 1 6 之间动态稳定度方面无明显差异，说 明级配类型相同而最大粒径不同( 1 3 m m 与1 6 m m ) 的材料在高温稳定性方面的表现是 类似的。 ( 3 ) 马歇尔稳定度与流值同表征抗车辙能力的动态稳定度之间相关性很差，这进 一步说明这两个指标是不能用来反映沥青混合料高温稳定性的。 ( 4 ) 同一级配最佳沥青用量随着沥青的类型而变，采用改性沥青要比普通沥青用 量增加o 2 o 4 个百分点。 因此，对于大型桥梁，有条件时尽量采用s m a 沥青混合料及s b s 改性沥青修筑铺 第三章桥面铺装材料的研究 装层。 3 1 2s m a 材料详细论述 1 、s m a 的特点 s m a 是一种全新意义上的沥青混合料，有以下特点： ( 1 ) s m a 是一种间断级配的沥青混合料，以s m a 1 6 为例，5 m m 以上的粗集料的 比例高达7 0 - - 8 0 ，其中9 5 m m 以上的占一半，矿粉的用量达8 1 3 ，o 0 7 5 m m 筛的通过率一般高达1 0 ，由此形成间断级配，很少使用细集料。 ( 2 ) 为加入较多的沥青，一方面增加矿粉的用量，同时使用木质或矿物纤维作为 稳定剂，用量分别为沥青混合料的o 3 和0 4 。 ( 3 ) 沥青结合料用量多，比普通沥青混合料要高1 以上；粘结性要求高，希望选 用针人度小、软化点高、温度稳定性好的沥青，最好采用改性沥青，以改善高低温变形 性能及与矿料的粘附性。 ( 4 ) s m a 的配合比不能完全依靠马歇尔配合比设计方法进行设计，主要由体积指 标确定。 ( 5 ) s m a 的粗集料必须特别坚硬、表面粗糙、针片状颗粒少，以便嵌挤良好；细 集料一般不用天然砂，宣采用坚硬的人工砂；矿粉必须是磨细石灰石粉，最好不使用回 收粉尘。 ( 6 ) s m a 的施工与普通沥青混凝土相比，拌和时间要适当延长，施工温度要提高。 2 、s a m 的优越性能 普通的密级配沥青混凝土中，由于粗集料之间有相当大的空隙，故而交通荷载主要 是由沥青砂浆承受着，其抵抗荷载变形的能力在很大程度上受到矿料级配、矿料间隙率 ( v m a ) 、空隙率以及沥青砂浆的比例的影响。而在高温条件下，沥青砂浆的粘度变小， 承受变形的能力急剧降低，很容易产生永久变形，造成车辙、推拥等。 s m a 的粗集料骨架占到7 0 以上，混合料中粗集料相互之间的接触面很多，细集 料很少，玛蹄脂部分仅仅填充了粗集料之间的空隙，交通荷载主要由粗集料骨架承受。 由于粗集料颗粒之间良好的嵌挤作用，沥青混合料产生非常好的抵抗荷载变形的能力， 即使在高温条件下，沥青玛蹄脂的粘度下降，这种抵抗能力也不会减小，因而有较强的 高温抗车辙能力，即充分利用集料嵌挤作用提高了高温抗车辙能力，这点是极其重要 的。 我国以前常用的沥青碎石混合料，同样有相当多的粗集料，也有良好的石料嵌挤作 1 6 长安火学硕士学位论文 用，但因为矿粉很少，可加入的沥青量相应减少，空隙率太大，沥青与集料的粘结性不 足，集料之间在水分的影响下，使混合料的侵蚀导致沥青与集料脱开，容易造成雨季及 春融季节的大面积破坏，而且其低温抗裂性也差，耐久性不良。因此，我国现行的公 路沥青路面施工技术规范已经不允许在高速公路中使用沥青碎石。 s m a 则充分考虑了现在普遍使用的普通密级配沥青混凝土和沥青碎石的缺点，力 求利用它们的优点以达到最完善的组合。在低温条件下，折裂性能主要由结合料的拉伸 性能决定。由于s m a 的集料之间填充了相当数量的沥青玛蹄脂，它包在粗集料表面， 随着温度的下降，混合料收缩变形使集料被拉开时，玛蹄脂的韧性和柔性使混合料有较 好的低温变形性能，如果再同时使用提高沥青性能的措施，则混合料的低温抗裂性能更 可大幅度提高。 提高沥青混合料水稳定性的主要措施是防止水的侵蚀，提高沥青和