（材料学专业论文）钢箱梁桥面铺装层抗滑移技术的研究与应用.pdf

论文摘要 诵箱粱桥砸铺装层体系一般由防腐层、防水粘结层、沥青混凝土铺装层等构成， 它是钢箱梁桥结构的关键组成部分，承担着防水、缓冲荷载、覆盖桥面结构物等重 要作用，如何有效防止钢箱梁桥面铺装层滑移开裂至今仍是一项世界性技术难题。 本文首先总结了国内外对钢箱梁桥面铺装体系的研究成果，在全面深入分析钢 箱梁桥面铺装层受力特点的基础上，找出正异性钢桥面铺装层产生不同病害的根本 原因。针对钢桥面铺装层中的最薄弱环节防水粘结层，研制开发出一种新型界 面粘结材料_ h b w 环氧改性粘结剂，经过1 8 0 保温2 h 后测得其与钢板之间的 7 0 c 剪切强度3 0 m p a ，7 0 粘结强度 6 0 m p a 。基于此，本文提出了一种钢箱梁 桥面铺装层抗滑移的技术方法，即采用新型界面粘结材料内嵌入单粒径高强度碎石 颗粒的界面粗糙化处理方法，提高了s m a l 0 铺装层与钢桥面板之间界面的粘结性 能和剪切性能，其与s m a t 0 铺装下面层之间的7 0 c 剪切强度1 2 m p a ，7 0 粘结 强度3 0 m p a ，可有效防止s m a 铺装层发生滑移开裂。同时，采用高粘度改性沥 青和混杂纤维复合增强技术，改善了s m a 沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、 水稳定性性和抗渗水性能，优化设计出满足大跨度钢箱梁桥面设计要求的s m a 沥 青混合料，s m a l 3 的性能指标：7 0 动稳定度4 0 0 0 次m m ，1 0 低温弯曲应变 5 1 0 刁，浸水残留稳定度9 0 ，冻融劈裂残留强度比9 0 ，渗水系数1 5 m l m i n ； s m a l 0 的性能指标：7 0 动稳定度3 0 0 0 次m m ，1 0 低温弯曲应变 ；，4 x 1 0 0 ， 浸水残留稳定度9 0 ，冻融劈裂残留强度比9 0 ，渗水系数1 0 m l m i n 。 本文的研究成果在武汉白沙洲大桥桥面修复工程中进行了施工应用，申请了相 关专利两项，取得了良好的经济效益和社会效益。 关键词：钢箱梁桥面铺装，滑移，界面粘结，材料设计，结构优化 a b s t r a c t t h es t e e l - b o xb e a mb r i d g ed e c kp a v i n gs y s t e mi sc o n s i s to ft h ea n t i c o r r o s i o nl a y e r , t h ew a t e r p r o o fa n t i s l i p p i n gl a y e r ，a s p h a l tc o n c r e t ep a v i n gl a y e ra n ds oo n ，w h i c hi s g e n e r a l l yk e yc o n s t i t u e n to ft h es t e e l b o xb e a mb r i d g e ，u n d e r t a k i n gt h ei m p o r t a n tr o l e s , i n c l u d i n gw a t e r p r o o f , t h ec u s h i o ni m p a c tl o a d , p r o t e c t i n ga n dc o v e r i n gb r i d g ed e c ka n d s oo n u n t i ln o w , h o we f f e c t i v e l yp r e v e n t e dl o n gs p a ns t e e l - b o xb e a m b r i d g ed e c kp a v i n g l e v e lf r o ms l i p p i n gi ss t i l law o r l d w i d et e c h n i c a ld i f f i c u l tp r o b l e m t h ep a p e rf i r s ts u m m a r i z e dd o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hr e s u l t sw i t ht h es t e e l - b o x b e a mb r i d g ep a v i n gs y s t e m , o nt h eb a s i co fc o m p r e h e n s i v et h o r o u g h l ya n a l y s i st os t r e s s c h a r a c t e r i s t i c so ft h es t e e lb o xb e a mb r i d g e ，i nv i e wo fs t e e l b o xb e a mb r i d g ed e c k p a v e m e n ti nm o s tw e a kl a y e r - - w a t e r p r o o ft a c kl a y e r , a san e wk i n do fs u r f a c et a c k i n g m a t e r i a l ，t h eh b we p o x ym o d i f i e dc e m e n t i n ga g e n tw a sd e v e l o p e d ，w h i c hh a sb o n d s 仃e n g t ho v e r6 0m p a , t h es h e a f i n gs t r e n g t ho v e r3 0m p aw i t hs t e e l - b o xb e a mb r i d g e d e c ks l a ba f t e r2h o u r si nc o n d i t i o no f1 8 0 c b a s e do nt h en e 、】l ，k i n do f s u r f a c et a c k i n g m a t e r i a l ，o n en e wt e c h n i c a lm e t h o dw i t ha n t i s l i p p i n go fs t e e l b o xb e a mb r i d g ed e c k p a v e m e n tw a sd e s i g n e d ，n a m e l yu s i n gt h ed o u b l e d e c k e dh b we p o x ym o d i f i e d c e m e n t i n ga g e n t t ot a k e s e p a r a t e l y t h ea n t i - c o r r o s i o n l a y e ra n dt h ew a t e r p r o o f a n t i s l i p p i n gl a y e r , a tt h es a n l et i m eu s i n gt h es i n g l ep a r t i c l es i z ea n dh i 曲s t r e n g t h c r u s h e ds t o n e st oc a r r yo nr o u g hp r o c e s s i n gt ot h ew a t e r p r o o fa n t i s l i p p i n gl a y e r , w h i c h c a ni m p r o v eb o n d i n ga n ds h e a r i n gp r o p e r t i e sb e t w e e nl a y e ro fs m a l 0 ( s t o n em a s t i c a s p h a l tw h i c hh a v et h em a x i m u mn o m i n a lp a r t i c l es i z eo f1 0m i l l i m e t e r s ) a n ds t e e l b o x b e a mb r i d g ed e c ks l a b 7 0 cs u r f a c es h e a f i n gs t r e n g t h 谢t l lt h es m a l 0i so v e r1 2 m p aa n d7 0 cs u r f a c eb o n d i n gs t r e n g t ho v e r3 0m p a , w h i c hc a l le f f e c t i v e l yp r e v e n t p a v i n gl a y e ro fs m a l 0f r o ms l i d d i n ga n dc r a c k i n g b ya p p l y i n gh i g hv i s c o s i t ym o d i f i e d a s p h a l ta n dm i x e df i b e r s ，r o a dp e r f o r m a n c e so fs m ai n c l u d i n gh i 曲t e m p e r a t u r es t a b i l i t y , t h el o wt e m p e r a t u r ec r a c kr e s i s t a n c ea n dt h ew a t e rs t a b i l i t yw a si m p r o v e d ，s m a l 3 a s p h a l tm i x t u r ew a sh a v i n ge x c e l l e n tp e r f o r m a n c e si n c l u d i n gt h e7 0 cr u t t i n gd y n a m i c s t a b i l i t yo v e r4 0 0 0t i m e sp e rm i l l i m e t e r , - i o cb e n d i n gs t r a i no v e r5 x 1 0 3 , m a r s h a l l i n u n d a t e dr e s i d u a ls t a b i l i t yo v e r9 0 ，t h er a t i oo ff r e e z i n ga n dt h a w i n gc l e a v a g es t r e n g t h o v e r9 0 ，t h ew a t e r - p e r m e a b l ec o e f f i c i e n tu n d e r1 5 m lp e rm i n u t e ；s m a l 0b i t u m i n o u s i l l 】f l d x t u l ew a sh a v i n ge x c e l l e n tp e r ：f o r m a n e e si n c l u d i n gt h e7 0 cr u t t i n gd y n a m i cs t a b i l i t y o v e r3 ，0 0 0t i m e sp e rm i l l i m e t e r , 1 0 cb e n d i n gs 们i i lo v e r4 x 1 0 。m a r s h a l li n u n d a t e d r e s i d u a ls t a b i l i t yo v e r9 0 , t h er a t i oo f 行e e z i n ga n dt h a w i n gc l e a v a g es t r e n g t ho v e r 9 0 , t h ew a t e r - p e r m e a b l ec o e f f i c i e n tu n d e rl o m lp e rm i n u t e ，7 0 cb o n d i n gs t r e n g t ho v e r 1 2 m aw i t ht h ew a t e r p r o o f a n t i s l i p p i n gl a y e r f i n a l l y , r e s e a r c hr e s u l t sh a db e e nc a r d e do nt h ea c t u a lp r o j e c t - y a n g t z er i v e rb l i a g e o f b a i s h az h o uo fw u h a n , t w op a t e n t sw e r ea p p l i e d ，h a st a k e nt h eg o o de c o n o m i c a la n d s o c i “e f f i c i e n c y k e yw o r d s ：s t e e l b o xb e a mb r i d g ed e c kp a v i n g ，s l i p p i n g ，s u r f a c eb o n d i n g ，m a t e r i a l d e s i g n i n g ，s t r u c t u r eo p t i m i z i n g i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。据我所知，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，也不包含为获得武汉理工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 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：啦日期望受：皇：矽 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和 借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：塑 i ：墨导师签名日期丝甥 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 钢箱梁桥具有自重轻、经济等显著优势，尤其适用于大跨径桥型，越来越 受到开发商和设计者的青睐。随着我国交通基础设施建设的迅速发展，大跨度 钢箱梁桥近年来在我国得到大量应用，目前国内的数十座大型桥梁如香港青马 大桥、广东虎门大桥、厦门海沧大桥、汕头宕石大桥、南京长江二桥、白沙洲 长江大桥以及正在建设之中的天兴洲长江大桥和阳逻长江大桥都普遍采用了钢 箱梁结构。随着桥梁向着大跨度方向发展，这种桥梁将具有更加广阔的应用前 景。然而钢箱梁桥面铺装作为我国大跨径钢桥建设的关键技术之一长期困扰着 桥梁设计人员，尤其是钢桥面铺装层滑移瘸害，至今仍未得到根本性解决。 调研资料表明【l 7 j ，大跨径钢箱梁桥桥面板大都采用正交异性板构造( 如图 1 - l 所示) ，其构造的特殊性及其所处环境的恶劣性要求铺装层材料不仅应具有 良好的追随钢板变形能力，而且还要在高温和荷载共同作用下不产生过大推移 变形。同时，铺装层要尽可能密实不透水，具有较好的抵抗疲劳开裂性能和较 长的使用寿命。 ( a ) 闭口加筋肋正交异性钢桥面板( b ) 开口加筋肋正交异性钢桥面板 图1 1正交异性钢桥面板典型结构形式 武汉理工大学硕士学位论文 表1 1 我国部分大跨径钢箱梁桥桥面的铺装状况【3 】 2 武汉理工大学硕士学位论文 桥面铺装是钢箱梁桥行车体系的重要组成部分，它对保证桥梁耐久性、 行车安全、舒适度以及经济效益和社会效益均有着极其重要的作用，是大跨径 钢桥建设中的一项关键技术。有关资料表明i s - 】，在世界各地越来越多钢箱梁 桥成功建设的同时，钢箱梁桥蔼铺装层在使用年限内发生破坏的现象比较普遍， 对于大跨径钢箱梁桥桥面铺装材料与结构的研究成为大跨径钢箱梁桥建设重点 和关键。 扶上世纪七，k 十年代开始，人们就在不断寻找解决沥青混凝土与钢板易脱 粘、桥面沥青混凝土耐高温性差的技术方法。随着我国公路建设的快速发展， 国家干线公路网正在形成之中，大跨径钢箱梁桥建设步伐加速，目前已经我国 已建成大跨径钢箱桥梁数十座，如表1 - 1 所示。钢箱梁桥面铺装材料与技术的 研究与开发虽取得较大进展，但到目前为止，既经济又能彻底解决问题的钢桥 面铺装技术仍有待进一步的深入研究。钢箱梁桥面铺装问题已成为割约钢箱梁 桥发展的关键因素，探索和寻求新的钢箱粱桥面铺装防滑移材料和施工工艺己 迫在眉睫。 1 2 国内外研究综述 1 2 1 国外研究概况 2 0 世纪6 0 年代以前，钢结构桥梁建设得较少。用于钢桥面铺装的材料主 要是普通密级配沥青混凝土( a c ) 。但由于抗变形能力差，难以适应钢桥面板的 变形，在交通荷载作用下铺装层容易产生裂缝，即使在后来普遍采用改性沥青 后，其抗裂性能虽有所改变，但仍不能很好的解决铺装层推移开裂的问题 1 2 1 6 1 。 围绕上述问题国内外开展了很多研究，迄今为止。主要形成了以下四种钢桥面 铺装层： 一是以德国、日本为代表的浇筑式沥青混凝土g a ( g u a s sa s p h a l t ) ，相对 密级配沥青混凝土( a c l 3 ) ，其具有较高的矿粉用量( 2 0 0 0 - 2 7 0 6 ) 和高沥青用 量( 7 r 1 0 ) ，主要依赖硬质沥青的高软化点和高矿粉用量和高温施工产生的 薄沥青膜( 结构沥青) 以形成其强度和达到热稳定效果。一般用于下层铺装、 面层采用改性沥青混凝土。因该种沥青混凝土材料的空隙率几乎为零，可使沥 青层不透水，可不设防水层，防止了钢与沥青混凝土层之间的糙结层兔遭水损 害，同时因其沥青含量较高，使其低温柔韧性较好，与钢桥面板协调变形性能 强。但所采用的沥青需要采用高粘度湖沥青进行调和，成本高，而且对施工设 武汉理工大学硕士学位论文 备要求高，且耐高温性能较差，该技术曾在香港青马大桥和江阴大桥得到应用， 但效果并不理想”。 二是以英国为代表的沥青玛碲脂混合料m a ( m a s t i c a s p h a l t ) ，其粗骨料用 量大、矿粉与沥青用量高，形成悬浮式结构沥青混合料，具有动稳定度高、低 温性能好、抗疲劳性能优的特点，但需要设置防水层以及需在表面嵌入耐磨的 碎石以保证铺装表面防滑，目前已用于香港青马大桥和江阴大桥【l8 】。 三是以美国为代表的环氧树脂沥青e a ( e p o x ya s p h a l t ) ，采用改性环氧树 脂沥青配制的混合料进行桥面铺装，在钢板与混凝土之间使用热固化性树脂作 为粘接剂，能够显著提高钢板与铺装层之间的粘结性能，高温时车辙与推移现 象明显减少，已用于南京长江二桥。但是环氧树脂的低温劲度大，在低温时容 易开裂，并且施工较复杂，不易控制。南京长江二桥应用效果虽好【，但是该 桥禁止重载车通行，难以反映我国绝大多数钢桥桥面所存在的使用现状。 四是以德国、日本为代表所采用的改性沥青s m a ( s t o n em a s t i c a s p h a l t ) ， 在沥青玛碲脂混合料基础上，进一步增大粗集料用量，从而形成粗骨料间良好 嵌挤的骨架密实型结构，并采用纤维加筋技术。s m a 具有热稳性优良，抗滑耐 磨耗、抗裂性及密水性均较优良的特点，所以较适合用于钢桥面铺装。但由于 s m a 骨料较粗，混合料与钢板之间的结合不良，因此要采用较厚的防水粘结剂 和预拌碎石，以填充s m a 与钢板接触面之间的空隙。日本主要用将s m a 用于 铺装下面层，铺装上面层采用改性密级配沥青混凝土，德国认为在上下面层均 可使用s m a 。 1 2 2 国内研究概况 我国钢桥的建设起步在2 0 世纪7 0 年代末，与之相伴随的是钢桥的桥面 铺装技术问题。直到2 0 世纪9 0 年代，随着我国交通事业的发展，大跨径桥 梁( 主要是钢箱梁悬索桥和钢箱梁斜拉桥) 大量修建时，钢桥面铺装技术问题 才得到充分的重视和研究1 5 】。 我国对钢桥面铺装的研究最早始于广东省肇庆市四会县北江马房大桥，该 桥修建于1 9 8 4 年，为双钢箱简支梁结构，1 4 孔跨径“米的正交异性桥面板， 桥面使用普通沥青混凝土进行铺装【1 4 】，设计荷载为汽2 0 、挂1 0 0 。1 9 8 4 年建 桥时，因桥面铺装材料选用不当，竣工营运3 个月后便出现了严重的横向和斜 向裂缝，局部位置可见到裸露的钢板。1 9 8 9 年有关专家重新进行桥面铺装设计， 首先铺设试验段，接头处沥青混凝土掺加钢钎维，经过1 8 个月试用后进行了整 4 武汉理工大学硕士学位论文 个桥面的铺装。然而全桥铺装后很快产生裂缝、推移、坑槽等病害【2 明。1 9 9 2 年 进行了全面翻修，采用改性沥青粘结层加改性沥青密级配双层式铺装【2 1 1 。 我国对钢箱梁桥面展开系统性的研究工作始于广东虎门大桥1 2 2 1 。交通部重 庆公路科研所在广泛调查基础上，针对铺装层变形稳定性、疲劳耐久性、高粘 结性、不透水性和良好行驶性等问题进行了研究，研制了复合改性沥青混合料、 改性沥青粘结剂和防水填缝料，开发出了双层s m a 铺装技术，即在上下面层 均采用s m a 铺装，充分利用s m a 抗高温性能好、耐疲劳的优点，能够有效防 止桥面面层在夏季高温时容易产生推移、车辙现象。该技术已应用于武汉军山 大桥、广东虎门大桥、汕头海湾大桥、厦门海沧大桥、汕头宕石大桥等大跨径 钢桥桥面铺装工程。但是s m a 与钢板之间的粘结问题、防水问题解决的仍不 理想，绝大部分钢箱梁桥在使用l 2 年内都出现了不同程度的推移开裂病害， 主要问题是热稳定性( 产生横向推移) 和车辙、防水抗滑胶底都的局部出现脱 层和鼓包现象1 4 5 , 1 0 , l l 】。 对比水泥混凝土路面不易发生推移开裂的情况，此前有人曾尝试采用水泥 混凝土取代下层沥青混凝土的铺装方案，但是由于直接使用普通密度混凝土等 厚度取代沥青混凝土，普通混凝土层厚度较薄，其脆性突出、弹性模量大、极 限拉应变小、抗裂性能差，且由于钢板在行车作用下或风荷载作用下经常处于 动态变形之中，钢板与水泥混凝土弹性模量相差较大，协同变形能力差，其界 面同样容易脱粘，而如果增加水泥混凝土厚度，由于普通水泥混凝土自重大， 又势必会增加大跨度桥梁的静载。因此，工程试用效果较差，同时对于采用有 效的增韧技术措施，以及对钢板与水泥混凝土之间的界面粘结性能缺乏深入的 研究，致使该技术方法此后并没有得到继续深入的研究。 1 3 研究的主要内容 本研究依托武汉白沙洲大桥桥面改造工程，针对目前钢箱梁桥面铺装普遍 存在的问题以及对铺装材料和施工工艺要求高的特点，拟采用适宜钢桥面铺装 的耐高温、耐老化的环氧结构胶并对钢桥面进行防腐、防水处理，同时在环氧 结构胶上均匀撒布单一级配的高强度玄武岩碎石，形成粗糙界面，实现钢桥面 板与铺装层间的高粘结强度，提高铺装层的抗滑移开裂能力；采用高粘度改性 沥青，优化s m a 一1 0 配比，制备出高车辙动稳定度、低空隙率、优良耐高温性、 低温抗裂性及高水稳定性的桥面铺装下面层s m a - 1 0 ；优化面层s m a 1 3 的配 合比，提高其抗车辙性和抗水损害性，延长其使用寿命，以较好地解决大跨径 武汉理工大学硕士学位论文 钢箱梁桥桥面铺装普遍存在的推移、开裂、拥包等病害。通过上述研究，开发 出具有自主知识产权的大跨径钢箱梁桥面铺装抗滑移技术，形成一套系统的钢 箱梁桥面铺装层结构设计、组配及施工工艺技术体系。本文的研究内容可分为 以下三个主要方面： ( 1 ) 大跨径钢箱梁桥桥面防水抗滑体系的关键技术 a ) 研究界面粘结剂的种类、性能、涂刷工艺对界面防水性能、粘结强度、 耐高温性能、耐老化性能及抗变形性能的影响规律； b ) 研究开发适宜于钢桥面铺装的耐高温、耐老化且与铺装层产生高粘结强 度的界面防水抗滑材料； c ) 研究钢桥面粗糙处理方法( 玄武岩质石英砂的粒径、粒型、撒布量等) 对 铺装层的防水、抗拉和抗剪性能的影响规律； d ) 优选具有高界面粘结力、高耐久性的界面粘结层材料及与之配套的界面 处理工艺。 ( 2 ) 大跨径钢箱梁桥桥面铺装下面层s m a l 0 的性能优化技术 a ) 高粘度改性沥青性能优化及优选； b ) 研究混杂纤维种类及掺配比、高粘度改性沥青性能和用量以及矿料级配 对s m a l 0 和s m a l 3 的耐高温性能、低温抗裂性能、抗水稳定性能以及 及其与粘缩剂的界面粘结强度的影响规律； c ) 确定与钢板界面粘结强度高、高低温性能好、水稳定性好的s m a l 0 和 s m a l 3 的配合比方案和铺装施工工艺。 ( 3 ) 大跨径钢箱梁桥面铺装组合体层的疲劳试验研究 a ) 研究防滑移铺装技术的大跨径钢箱梁； b ) 运用有限元分析方法计算钢板与s m a 沥青混凝土的厚度，并进行各层 底部拉应力和拉应变的验证。 ( 4 ) 钢箱梁桥面铺装抗滑移技术的工程应用 a ) 钢箱梁桥桥面防锈层和防水站结层的涂装施工、碎石颗粒撒布； b ) 钢箱梁桥桥面铺装面层s m a l 0 的施工工艺控制； c ) 对本研究成果进行经济性对比分析。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 研究的技术路线 ( 1 ) 通过查阅文献资料，了解国内外研究概况，总结研究方法和研究成果； ( 2 ) 结合文献和病害调查，总结典型破坏类型，分析破坏原因，研究破坏机理， 针对典型破坏形式提出相应的力学控制指标； ( 3 ) 根据钢桥面铺装结构对铺装层材料的路用性能要求，采用高粘度改性沥青 制备出高温稳定性好、低温抗裂性强、密水性好的s m a 沥青混合料； ( 4 ) 采用环氧结构胶上均匀撤布单一级配的高强度玄武岩碎石，形成粗糙界面， 实现钢桥面板与铺装层间的高粘结强度，提高铺装层的抗滑移开裂能力； ( 5 ) 工程应用表明，采用本课题的研究成果进行钢桥面铺装，较好地解决了铺 装层滑移开裂的技术难题。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章钢桥面抗滑移铺装方案优化设计 2 1 钢桥面板的力学特性 钢桥面铺装不同于一般公路沥青混合料铺装，它直接铺设在正交异性钢板 上，正交异性钢桥面板直接决定了钢桥面铺装的性能。因此正交异性钢桥面板 的力学特性的研究对于桥面铺装而言至关重要。最早对钢桥面铺装体系开展研 究的是德国，其后美国、英国、丹麦、日本以及其他一些国家和地区也先后进 行了研究。该方面的研究主要采用理论分析、数值计算和试验研究等方法，以 确定桥面板局部应力、位移及结构的可靠性，为桥面铺装设计提供有效可靠的 参数【1 埘。 2 1 1 钢桥面板的板结构理论研究 ( 1 ) p e l i k a n - e s s l i n g e r 方法 早期的研究以正交异性钢桥面板为对象，采用弹性正交异性板理论对钢桥 面板进行分析。经典的钢桥面板结构分析方法是1 9 5 7 年p e l i k a n 与e s s l i n g e r 共 同提出的p e l i k a n e s s l i n g e r 方法田】，简称p e 法。该方法将钢桥面铺装体系分 为3 个系统，叠加后得到柔性支承上的连续的各向异性桥面板的应力或变形特 性。此后，p e l i k a n 与e s s l i n g e r 对正交异性钢桥面板进行一系列简化，给出了 不计偏心的正交异性加劲板的力位移方程，得到了静力学方法的解。由于p ，e 方法相对简单且精度较高，在欧洲运用很广泛，也在美国和加拿大用于各向异 性桥的设计。 ( 2 ) 非线性板梁理论 钢桥面板由于自身几何非线性结构特点，在荷载作用下其响应具有明显的 非线性特征，因此，非线性板梁理论在各向异性桥面板的结构应力或变形分析 中得到了充分的应用。如：s h e i k h 和m u k h o p a d h y a y 口4 】采用y o nk a 肌a l i 的非线 性板理论，通过有限条方法对加劲梁板的几何非线性分析较传统的大变形弯曲 理论求解各向异性桥面板问题更为简单方便。张运良，傅衣铭【2 5 】等建立了轴向 压力作用下含脱层的正交异性梁板的非线性控制方程，给出了夹支边界下具有 脱层的的正交各向异性梁板关于屈曲荷载的无量纲化特征方程，确定了临界荷 载的计算方法。s h a l l m u g 踟【2 6 嘲用能量方法研究了各向异性桥面板单向面内荷 载作用时的应力应变和位移。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 钢桥面板结构的数值分析 随着计算机技术的迅猛发展，尤其是有限元方法的日益成熟，理论分析的 严格条件控制被近似计算所替代，数值分析方法已成为正交异性桥面板的力学 特性分析的主要方法之一。正交异性桥面板结构的数值分析主要包括： ( 1 ) 各向异性钢桥板在横向荷载和纵向荷载作用下时的整体与局部弹性特征以 及破坏的极限荷载，本构模型涉及弹性、弹塑性以及疲劳损伤等线性与非线性 特性 2 4 - 2 8 。 ( 2 ) 各向异性钢桥桥面结构的疲劳与断裂分析 2 9 - 3 4 1 ，主要对钢桥面疲劳断裂机 理、疲劳强度计算、疲劳验算方法等问题进行了探讨。 ( 3 ) 钢桥箱形梁结构各因素的优化分析表明【3 3 1 ，钢桥面板受车轮荷载作用的影 响范围是局部的，对盖板和纵肋来讲，邻近荷载作用区域才受到显著影响。 2 2 钢桥面铺装层的力学特性 正交异性板桥面铺装体系是由铺装层、钢桥面板、梯形加劲肋，横隔板和 纵梁组成的复合结构，在车辆荷载作用下，结构中各部件相互作用，相互影响， 铺装体系各构件受力情况很复杂，铺装体系中各参数的变化对铺装层的受力均 有影响。这些参数包括铺装层本身的几何和物理参数，如铺装层厚度和沥青混 凝土模量，还包括钢板、横隔板、纵梁等部件的几何物理参数，如钢板的厚度、 横隔板的间距、纵梁的弹性模量等。关于这些参数对铺装层受力的影响，国内 研究人员开展了大量系统而深入的研究工作，取得一系列的研究成果【2 埘删，为 我国大跨径钢箱梁桥桥面铺装结构和铺装材料的设计提供肋完善可靠的理论依 据，目前主要形成如下结论： ( 1 ) 采用有限元模型分析表明，荷载通过盖板在纵肋上进行横向传递分配时， 主要局限在与荷载作用区域附近的几个纵肋。对于正交异性钢桥面板结构，荷 载更倾向于沿板的短跨方向( 纵肋的间距方向) 传递，在荷载作用下，纵肋上 方的盖板总产生较大横向拉应变，这也是沥青混凝土铺装容易产生裂缝的位置。 ( 2 ) 在单轮荷载作用下，铺装层出现的开裂破坏主要是横向拉应力引起的纵桥 向裂缝，且最大拉应力出现在荷载边缘外梯形加劲肋肋项处，可以将横向拉应 力作为铺装层设计的一个重要控制指标。 ( 3 ) 荷载纵向位置的变化对铺装层最大横向拉应力的影响很大，通过比较荷载 位于纵向不同位置时铺装层横向最大拉应力，发现当荷载位于两横隔板之间的 9 武汉理工大学硕士学位论文 跨中时为纵向最不利荷位。横桥向的最不利荷位即车载对称施加于一加劲肋正 上方。 ( 4 ) 最大横向拉应力( 或横向最大拉应变) 均远远大于纵向最大拉应力( 或纵向 最大拉应变) ，因此横桥方向的控制是铺装层内部拉应力的主要控制方向。通过 控制铺装层的最大拉应力，进而控制铺装层的开裂破坏。以钢桥面铺装层与钢 板的最大层间剪应力作为控制指标时，横向最不利荷位是均布荷载对称施加于 一加劲肋侧肋顶部，纵桥向最不利荷位是荷载作用在两横隔板之间的跨中。 ( 5 ) 相同轴载下，钢桥面铺装层对单轮、双轮荷载的响应是相似的，但双轮的 影响更为不利，因此设计计算时必须考虑双轮的影响；重载对铺装层的影响是 非常明显的，随着轴重的增加，铺装层表面最大拉应变急剧加大，因此为了延 长铺装层的使用寿命必须控制轴重；相同轴重情况下，轮胎压力以及接地面积 对铺装层的影响较小，但降低胎压而增大接地面积也不失为减小铺装层表面最 大拉应变的一种好方法。 ( 6 ) 正交异性钢桥面板受荷载影响范围较小，挠度和应变仅在靠近荷载区域有 显著增大。对正交异性钢桥面盖板体系来讲，荷载主要沿盖板短跨方向传递， 盖板表面的横向应变总大于纵向应变。 ( 7 ) 在动荷载作用下，箱梁宽度、下部结构、顶板厚度、u 肋厚度、荷载通过 的横向位置等均对应变产生了较大影响，而箱梁高度对应变的影响不大。 ( 8 ) 箱梁高度变化对铺装层产生的影响很小，下部结构对铺装层的影响程度较 大，箱梁宽度的变化会使结构在动态荷载作用下的响应发生显著变化，荷载通 过箱梁的横向位黄对铺装层的响应影响很显著，箱梁顶板厚度增加可以减小铺 装层顶面最大横向正应变，总体上，增加u 肋厚度可以减小铺装层应变。 ( 9 ) 铺装层模量的改变对铺装层内部受力影响很大。随着铺装层模量的增大， 沥青混凝土铺装层在整个复合结构中所占的刚度比例上升，铺装层内部的最大 横向拉应力、最大纵向拉应力均增大，但横向与纵向的最大拉应变均减小。铺 装上层的材料模量对于铺装表面的最大拉应力影响较大，铺装下层的材料模量 对于层间剪切应力影响较大。沥青混凝土铺装层模量的变化反映了温度的改变， 在温度降低时，沥青混凝土模量值增大，铺装层内部的最大拉应力增大，拉应 变减小；当温度升高时，沥青混凝土模量值变小，铺装层内部的最大拉应力减 小，拉应变增大。 ( 1 0 ) 大跨径钢桥结构并非理想弹性体，沥青铺装层材料性能随着温度、荷载 作用时间会发生变化，模量组合越大的铺装结构超载对于表面最大拉应力的影 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 响越大，模量组合越小的铺装结构超载对于表面最大挠度的影响越大，不同模 量组合铺装结构超载情况下铺装层与钢板层间剪应力增幅基本相同。 ( 1 1 ) 铺装厚度对于层间剪切应力影响较大，不同铺装上、下层厚度组合和铺 装总厚度对钢板与铺装层间最大剪应力的影响最大。铺装上、下层厚度一定时， 铺装上层材料模量对于铺装表面最大拉应力的影响较大，铺装下层材料模量对 于铺装层与钢板层间最大剪应力的影响和铺装表面最大挠度的影响较大。所以 在确定铺装方案的结构厚度时，铺装层与钢板层阃最大剪应力是主要控制指标。 ( 1 2 ) 对钢桥面铺装沥青混合料进行循环荷载下的弹塑性分析研究表b 羽 3 s l ，复 合梁试件计算结果与极限加载试验结果基本一致。与弹性模型的计算结果对比 说明运用弹塑性理论对铺装层材料力学性能进行改进是合理的。沥青加铺层， 一方面起分散荷载作用，另一方面，起到提高钢桥面板刚度的加劲作用，可根 据设计要求调整沥青铺装与钢桥面板的相对刚度。 ( 1 3 ) 疲劳试验发现，沥青铺装表面的应变随加载次数增多而变小，钢板变化 趋势相反，这说明沥青铺装层因疲劳损伤而逐步退出工作，但其不一定出现裂 缝或者脱粘现象。 2 3 钢桥面铺装病害及其成因分析 目前国内外桥面铺装技术尚不成熟，主要借鉴路面设计方法，没有一套完 整的理论和设计方法，各种病害均有发生，特别是特大跨径钢箱梁桥，多数桥 梁桥面铺装产生了病害，表2 - l 为国内外部分大跨径钢箱梁桥桥面铺装状况。 图2 1 钢桥面铺装层推移病害图2 - 2 钢桥面铺装层横向开裂 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1国内外部分大跨径钢箱梁桥桥面铺装结构的破坏类型川 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1 结构破坏 按照正交异性钢箱梁桥面铺装结构的受力特性进行分类，桥面铺装层的破 坏类型主要有以下五种： ( 1 ) 剪切破坏 铺装层结构内部存在水平剪应力( 一般大于1 0m p a ) ，因铺装层与钢桥面 板上表面之间高温条件下7 0 的层间粘接力差、抗剪强度低( 一般小于 1 0 m p a ) ，导致水平方向发生相对位移，即滑移或脱层。具体可分为铺装层材 料剪切破坏和粘结层剪切破坏两种情况，铺装层材料剪切破坏一般体现为铺装 层表面发生滑移开裂；粘结层剪切破坏为桥面铺装层与桥面板之间脱层。大量 研究认为【4 l 啪l ，在车辆荷载行驶车辆的冲击、振动下引起的垂直力和水平力的 综合作用使结构层内产生的剪应力超过材料的极限抗剪强度，从而导致铺装材 料发生剪切破坏。粘结层的剪切破坏会导致整个铺装层结构失效，必须采取有 效措施严格控制铺装层发生剪切破坏。铺装层剪切破坏多发生在高温季节，这 时材料的抗剪强度较低，容易发生剪切滑移开裂，其通常发生在粘结层剪切破 坏之后。因此应将防水抗滑层粘结强度和剪切强度作为控制钢桥面铺装剪切破 坏的关键设计指标。 ( 2 ) 疲劳开裂 铺装层的疲劳开裂是指铺装层在正常使用情况下，由行车荷载的多次反复 作用引起的铺装层开裂破坏。在瞬间荷载作用下，钢桥面板局部刚度变异部位 将产生应力或弯矩奇变；在荷载往复作用下，将产生有规律的疲劳裂缝。桥面 铺装层疲劳开裂的破坏形式和位置与钢箱粱和钢桥面板的结构有着密切关系。 在荷载作用下，桥面铺装层易先在表面产生开裂，进而逐渐向钢板方向发展。 这主要是由于纵向加劲肋、横隔板等刚性较大的部位在桥面板连接处的铺装层 表面形成局部拉应力高度集中区域所诱发的。因此，通常在与纵向腹板与主横 梁十字交叉部位相对应的铺装层表面会首先出现裂缝，通常表现为网裂，进而 出现纵向裂缝、横向裂缝或斜向裂缝。 ( 3 ) 挠曲破坏 因车载作用或温度变化，铺装层表面产生负弯矩，引起铺装层表面产生拉 应力( 拉应变) ，超过材料抗拉极限时开裂，车载和渗水导致裂缝发展。这种破 坏通常发生在铺装层表面温度下降时，由于整个铺装体系的降温需要经历一定 武汉理工大学硕士学位论文 的时间过程，这会在铺装材料内部产生温度梯度，铺装上面层材料的降温收缩 受到其下部结构的约束而产生拉应力，因沥青混合料的劲度随温度降低而不断 增加，最终导致拉应力超过铺装材料的极限抗拉强度，产生开裂。因铺装层的 纵向尺寸远远大于横向，低温收缩受侧向所受约束较小，故这种开裂一般表现 为横向裂缝。 ( 4 ) 局部冲压破坏 重载超载和大交通量对铺装层局部产生较大的冲击作用，导致薄弱区域碎 裂或网裂。 ( 5 ) 粘塑性永久变形 因超载、高温作用导致行车道产生永久变形，即车辙。在高温季节，铺装 层材料本身呈现出粘塑性和流变性，在荷载作用下，材料的塑性变形增大，高 温季节容易发生车辙破坏。 2 3 2 材料破坏 按钢箱梁桥桥面铺装材料的使用性能进行分类，钢桥面的破坏类型主要有 以下四种： ( 1 ) 因行车车轮磨耗作用及使用集料耐磨不足而引起的铺装层材料的抗滑性 能不足，降低了车辆行驶的安全性。 ( 2 ) 沥青混凝土抗水损害能力不足，在长期高温和冻融的循环作用下，裹附在 集料表面的沥青胶结材料发生老化而剥落，粘结力不足，在车载反复作用下， 集料被从铺装表面剥离，在雨水的进一步冲刷下逐渐破坏，最终导致坑槽。 ( 3 ) 防水抗滑材料自身的高温耐疲劳性能、低温柔韧性及抗水损害能力不足， 导致在服役期间其自身的粘结和抗剪强度急剧下降而丧失粘结作用。 ( 4 ) 因沥青混凝土的级配设计及施工工艺不合理，导致沥青混凝土压空隙率较 大，导致雨水下渗并积聚在沥青铺装层与钢桥面板之间，在交通荷载的作用下， 积聚水产生泵吸作用对防水抗滑层产生长时间冲刷，最终导致沥青铺装层与钢 板之间粘结力丧失而发生破坏。 2 4 钢桥面铺装层的性能要求 大跨径桥梁桥面铺装层直接铺筑于箱梁顶板之上，一般由防锈层、粘结层、 混凝土铺装层构成，总厚度在总厚度为6 8 c m f 2 2 。桥面铺装在行车载荷与环境 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 因素的综合作用下，承受着应力、变形，行车与风载的振动以及雨、雪侵蚀等 作用。根据以上对大跨径桥梁桥面铺装体系力学特性的研究，钢桥面铺装层必 须具备以下基本性能| 2 4 , 3 8 1 ： ( 1 ) 自重轻。减轻桥梁的恒载，节省工程造价，在保证铺装层材料力学性能满 足设计要求的前提下，要求尽量减小铺装层厚度。 ( 2 ) 良好的行驶特性和变形追从性。良好的抗滑性以及平整性，优良的柔韧性 和适应变形能力。 ( 3 ) 缓冲桥面荷载，减少行车荷载对桥面板的冲击。 ( 4 ) 优良的温度稳定性。在低温季节，具有较好的抗裂性能；在高温季节，具 有优良的高温抗车辙变形性能及抗剪切性能。 ( 5 ) 应具备良好的疲劳抗开裂性能。在行车荷载与温度共同作用下，铺装层材 料易出现疲劳开裂破坏，因此采用高温粘度大、低温柔韧性好的特种改性沥青 来提高沥青铺装材料的疲劳耐久性。 ( 6 ) 良好的层间结合，保证铺装与桥面板的协同作用。大跨径钢箱梁桥，瞬间 变形幅度大、频率高，这要求粘结层不仅要具备优良的柔韧性和适应变形能力， 还要具有较高的高温粘结性能和高温抗剪切性能。 ( 7 ) 良好的防水性能，完善的排水体系，确保钢板不被侵蚀。一旦铺装层发生 开裂破坏，防水层易被空气氧化而失效，进而钢板遭到锈蚀破坏。这就要求防 水层材料不仅要具有优异的防水功能，而且还要具有较强的耐老化、耐疲劳变 形性能。 2 5 新型钢桥面抗滑移铺装方案的提出 本课题依托武汉白沙洲大桥桥面修复工程，武汉白沙洲大桥是一座双塔双 索面钢箱梁与预应力混凝土箱梁混合型斜拉桥，主桥面为正交异性钢箱梁结构， 主塔采用钻石型构造，白沙洲大桥斜拉桥全长1 0 7 8 m ，主跨径6 1 8 m ，钢箱梁段 长9 0 4 m ，两端预应力混凝土梁段各长8 7 m ，钢箱梁节段长1 2 m ，采用5 0 c m 宽 联结板以高强螺栓连接，搭接板间距1 2 m 。钢桥面板顶宽2 9 m ，板厚1 4 m m ， 纵向闭口肋距6 4 0 m m ，开口箱纵向腹板位置距中心线5 5 m ，横梁间距9 m ，横 肋间距3 m ，中部车道宽度2 4 6 0 8 m 。1 9 9 7 年3 月正式动工兴建，2 0 0 0 年9 月9 日竣工通车，历经4 年时间，于2 0 0 4 年1 0 月钢桥面铺装层首次出现局部推移 开裂破坏，较严重的裂缝宽度达2 c m ，纵向贯穿整个铺装层深及钢桥面板。桥 面净宽2 6 5 m ，设计时速为8 0 k m ，设计日通车能力5 万辆次。 武汉理工大学硕士学位论文 原白沙洲大桥桥面铺装结构设计方案见图2 3 中的方案一。铺装用s m a 沥 青混合料的矿料级配见表2 2 ，