（道路与铁道工程专业论文）五河口大桥沥青混凝土铺装层力学分析及结构组合研究.pdf

摘要 摘要 混凝土桥梁沥青混凝土铺装层的质量好坏和使用耐久性直接影响到行车的 安全性、舒适性、桥梁的耐久性及投资效益。本文采用实际调查、理论分析和试 验研究相结合的方法，并结合五河口大桥桥面铺装课题对其进行了系统的研究。 首先采用有限元法计算了不同荷载作用位置，沥青混凝土铺装层在静态车辆 荷载作用下的拉应力( 应变) 、铺装层内和层间剪应力，确定了桥面铺装层体系 纵横向最不利的受力位置，并比较了不同的铺装上下层模量比条件下，铺装层的 受力状态，提出了针对实际工程桥梁结构较为合理的模量比； 其次将汽车荷载简化为移动均布荷载，采用有限元法，计算了正常行驶速度 下，不同荷载作用位置沥青混凝土铺装层的拉应力( 应变) 、铺装层内和层间剪 应力，并与静力计算结果进行了比较分析；变化行车速度，计算铺装层内部应力， 研究了不同车速对铺装层应力的影响；研究了在刹车状态下铺装层不同深度的水 平剪应力的变化，以及水平力系数对水平剪应力的影响； 然后进行了铺装层混合料配合比设计，对铺装下层选择了4 种级配( a c 2 0 改进型、纤维a c 1 6 、s m a 1 3 和s m a - 1 0 型级配) ，通过马歇尔试验方法确定 各设计级配的最佳油石比，进行了密级配中粒式、s m a 型混合料以及添加剂沥 青混合料( 路孚8 0 0 0 、t p s 和s a s o b i t ) 的各项路用性能检验，采用复合板车辙 试验和复合梁疲劳试验，更加真实地模拟铺装层实际受力状态，为五河口大桥桥 面铺装层选择合理的铺装材料与结构组合形式提供科学的理论依据。 最后对桥面防水粘结层的设计和沥青铺装层施工进行了说明、指导，并针对 振荡压实工艺在大跨径桥梁上的应用进行研究。 关键词：有限单元法、静力分析、动力分析、配合比设计、结构组合、添加剂、 振荡压路机 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 fa s p h a l tp a v e m e n to nc o n c r e t eb r i d g ed e c kd i r e c t l yi n f l u e n c e st h e s a f e t ya n dc o m f o r to fd r i v i n g ，e n d u r a n c ea n di n v e s t m e n to ft h eb r i d g e t l l i sp a p e r s t u d i e sa b o u tt h ea s p h a l td e c kp a v e m e n to fw u h e k o ub r i d g eb yt h ew a y so fp r a c t i c e i n v e s t i g a t i n g ，t h e o r ya n a l y s i sa n dt e s t i n g f i r s t l y ，t h ep u l ls t r e s s ( s t r a i n ) i nd e c kp a v e m e n ta n ds h e a rs t r e s si na n db e t w e e n l a y e r s ，w h i c ha r ec a u s e db yt h es t a t i cv e h i c l el o a do nt h ed i f f e r e n ts u r f a c el o c a t i o n s ， a r ec o m p u t e di no r d e rt od e t e r m i n ev e r t i c a la n dh o r i z o n t a ld i s a d v a n t a g el o c a t i o n so f t h em a x i m u ms t r e s sa n ds t r a i no nd e c kp a v e m e n t t h e nt h em e c h a n i c ss i t u a t i o n sw i t l l d i f f e r e n tm o d u l e so fu p p e ra n dl o w e r l a y e r sa r ec o m p a r e ds oa st op u tf o r w a r dp r o p e r m o d u l er a t i o sf o rt h a tb r i d g e s e c o n d l y ，t h ev e h i c l el o a di ss i m p l i f i e dt ob eah n do fm o v i n ge v e n l y d i s t r i b u t e dl o a d t h e nt h ep u l ls t r e s s ( s t r a i n ) i nd e c kp a v e m e n ta n ds h e a rs t r e s si na n d b e t w e e nl a y e r s ，w h i c ha r ec a u s e db yt h ed y n a m i cv e h i c l el o a do nt h ed i f f e r e n t s u r f a c el o c a t i o n s ，a r ec o m p u t e da sw e l l a n dt h e s er e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h e s t a t i co n e s t h es t r e s si nd e c kp a v e m e n ti st h e nc o m p u t e dw i t hv e h i c l es p e e db e i n g a l t e r e d t h eh o r i z o n t a ls h e a rs t r e s s e sw i t l ld i f f e r e n td e p t hi nd e c kp a v e m e n ta r e c o m p a r e di nt h es m t eo fb r a k i n g b e s i d e s ，t h ei n f l u e n c eo fh o r i z o n t a ls t r e s si n d e xt o h o r i z o n t a ls h e a rs t r e s s e si sr e s e a r c h e d t h i r d l y ，t h ea s p h a l tm i x t u r eo fd e c kp a v e m e n ti sd e s i g n e di nt h i sp a p e r - f o u r t y p e so f g r a d a t i o n ( a c 2 0r e d e s i g n e d ，f i b e r a c 2 0 ，s m a l 3a n ds m a l o ) a r ec h o s e n ， w h o s eo p t i m u ma s p h a l tc o n t e n t sa r et e s t e db ym a r s h a l lm e t h o d t h e na l lt h e p e r f o r m a n c e so f t h ef o u rt y p e so f m i x t u r e s a r ea r ec h e c k e do u t ，a sw e l la st h ea s p h a l t m i x t u r e sm o d i f i e db yt h r e et y p e so f a d d i t i v e s ( l f s 0 0 0 ，t p sa n ds a s o b i t ) c o m p o u n d r u t t i n gt e s t sa n dc o m p o u n db e a mf a t i g u et e s t sa r ed e s i g n e dt os i m u l a t et h er e a l s i t u a t i o no fd e c kp a v e m e n tm o r ea c c u r a t e l ys oa st op r o v i d et h et h e o r yb a s ef o r c h o o s i n gt h em a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e so f w u h e k o ub r i d g ed e c kp a v e m e n t f i n a l l y , t h ed e s i g n o fw a t e r p r o o fa n dc o h e s i v e l a y e r i si l l u m i n a t e da n d i n s t r u c t e d ，a sw e l la st h ec o n s t r u c t i o no f a s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n t a n dt h ep r a c t i c e o f o s c i l l a t o r yc o m p a c t i o nm a c h i n ei nl o n g s p a nc o n c r e t eb r i d g ei ss t u d i e d k e y w o r d s ：f i n i t ye l e m e n tm e t h o d ；s t a t i c sa n a l y s i s ；d y n a m i ca n a l y s i s ；m i x t u r ed e s i g n ； s t r u c t u r a lc o m b i n a t i o n ；a d d i t i v e ；o s c i l l a t o r yr o a dr o l l e r i i 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 桥面铺装层是桥面结构体系中的重要组成部分，其在力学上对整个结构其它部分的影响 很小，但是总的说来，具有桥面防水、缓冲冲击荷载和覆盖桥面构造物等诸多作用。一般而 言，可以将车辆荷载视为局部移动的集中荷载，在这种荷载作用下，铺装层产生弯沉，伴随 着铺装层局部的隆起和凹陷，铺装层上下均出现拉应力；并且在正压力的作用下，混凝土内 部的微观裂纹尖端会产生拉应力集中，导致裂纹逐步扩展为主拉应力作用方向的拉伸破坏。 而且这种荷载是周期性的反复作用，更加加剧了桥面沥青铺装层的损坏。在局部荷载作用区 域附近还会产生应力集中现象，尤其是在纵向和横向加劲部件处应力集中更为明显。 影响水泥混凝土桥面铺装层性能和使用寿命的因素主要有材料、设计和施工三个方面， 但材料是最为主要的因素，因为作为桥面铺装层实体的沥青混合料直接承受车辆荷载和桥面 板变形的作用。桥面沥青铺装层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。 对于桥面铺装层设计，传统的观念是桥面铺装层不参与整桥受力，以此设计时仅仅依据 经验，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，因此常常导致桥面早期损坏。公路沥青路面施工技术规 范( j t gf 4 0 - 2 0 0 4 ) 对水泥混凝士桥面的沥青铺装层的技术要求仅仅做了指导性的说明， 没有考虑沥青铺装层的实际受力变形特性。因此不能直接沿用一般路面或者钢桥面的设计要 求。对于水泥混凝土桥面铺装层来说，应根据不同的层位和受力特性研究合理的沥青混合料 组成，采用性能优良的改性沥青，层间稳定性也应引起足够的重视。 本文将从两个方面着手，即力学方面的设计和材料方面的设计。二者是相辅相成的，具 有同等重要的作用。立足于力学的设计理论可以揭示铺装层的应力应变状态，考虑各种结构 因素对铺装层受力状态的影响。针对特定的桥梁和钢箱梁可以提出控制性指标。根据这些控 制指标对铺装层在材料方面进行优化设计。通过这两个步骤的设计计算，可以使铺装层满足 力学和材料两方面的要求，达到最佳的性价比。 1 2 国内外研究现状 世界上研究桥面铺装比较早的国家是德国，随后法国、日本、美国等国家也开展了这方 面的研究，法国和日本还制定了相应的经验性技术规范。德国主要沿用道路设计中的混合料 设计标准并针对铺装的特殊使用状态相应调整指标，并使其厚度满足要求。考虑到桥面防水， 铺装层一般设计成s m a 或浇注式沥青混凝土等形式的沥青混合料，并对其材料、试验及施 工等方面作了较为详细的规定。同时。德国比较重视桥面防水体系的完善，铺装结构组合特 别是防水层的结构形式多种多样。 日本进行桥面铺装技术的研究已有三十多年的历史，其中最具有代表性的是本州四国岛 连络桥。日本的桥面铺装研究取得一些成功的经验，并且提出了本州四国连络桥桥面铺装 基准，对桥面粘结层、防水层和铺装层等都作了明确的规定。它提出双层铺装结构的铺装 上层宜采用密级配改性沥青混凝土，下层采用浇注式沥青混凝土，其空隙率几乎接近于零， 东南大学硕士学位论文 且具有较强的变形协调能力和良好的密水性，这时一般不再单独设防水层。铺装层和桥面板 间的粘结层通常采用沥青、沥青橡胶、溶剂型沥青橡胶等。 美国在修建大跨径桥梁时，桥面结构一般采用桁架式加劲梁和钢筋混凝土结构。承受恒 载能力强，铺装层一般采用8 0 m m 左右的环氧热压沥青混凝土。它具有良好的使用性能及 强度高的特点。但也存在铺装初期强度低，维护时间长，开放交通晚。易出现早期开裂等缺 点。美国在路用沥青混合料设计的基础上，考虑了桥面的某些特殊要求( 如防水等) 加以改 进，对桥面铺装结构做出了专门的规定。 英国自1 9 世纪5 0 年代初期开始对桥面铺装进行系统研究，1 9 5 2 年，英国道路研究试 验室在进行了大规模的试验后得出结论认为，为了减轻桥的自重，钢桥桥面铺装浇注式沥青 混凝土的最佳厚度为3 8 r a m 。1 9 6 4 年竣工的福斯林( f o r t hr o a d ) 首次采用厚3 8 m m 的浇注 式沥青混凝土铺装层，在随后修建的大跨径钢桥中如塞文桥、恒伯尔桥均采用这种结构，不 过结合料中湖沥青的有所增加。1 9 8 8 年，英国颁布了t l a 改性沥青混合料铺装技术规范 b s ：1 4 4 7 ( 1 9 8 8 ) ，对浇注式沥青混凝士的材料组成与相应的技术指标进行了较为详细的规定。 在桥面铺装力学分析方面，桥面铺装在行车荷载、梁体变形和环境因素的复合作用下。 与一般道路相比，受力及使用条件要复杂的多。其应力应变特征与主粱及桥面板结构型式密 切相关，一方面铺装层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。桥面板的变形、大跨度桥梁本身的变形、 位移、振动都将直接影响铺装层的工作状态。所以，应该在深入研究桥梁结构受力的基础上 分析桥面铺装层的实际应力应变状况，为铺装层的材料和结构组合设计提供力学理论依据和 控制性设计指标。 目前的力学分析主要采用有限元方法，铺装层由于加劲肋的作用，使其在加劲肋侧肋项 部附近产生明显的应力集中现象，难以通过弹性薄板理论进行求解，因此最有效的分析工具 是有限元分析方法。根据有限元理论，可以模拟现实中的桥面铺装层在不同条件下的受力状 况，计算出模型任意部位的位移和应力应变值，从而找出铺装体系受力后各主要力学指标的 变化规律，为铺装层的材料选择、结构设计提供可靠的依据。合理的有限元模型是计算分析 的前提，从目前的研究状况来看，还需进一步探讨。对于桥面铺装，如何假设及模拟层间 接触状况是有限元建模一个很重要的问题。从现有的结构分析方法看，主要是采用三维等参 元模型进行分析，目前较多采用的是三维八结点和二十结点单元。 目前的力学分析主要偏向于静力学分析，动力学的研究甚少。日本的研究者小西一郎、 多田宏行都曾经对桥面铺装层在行车荷载作用下的应力响应进行了分析，但计算方法主要采 用解析法，且将桥面板简化成平面应力状态来处理，一般不考虑桥面铺装对桥面刚度的组合 作用，仅仅考虑铺装层对车轮荷载的分散作用。 可见，各国的研究者结合本国的国情在桥面铺装层的设计、施工的实践中积累了不少适 合本国的经验，尤其对铺装层混合料的性能做出了经验性的规定，但都是比较关注于钢桥桥 面的铺装，对于大型水泥混凝土桥梁还没有形成成熟的桥面沥青混凝土铺装结构形式。 我国对桥面铺装的研究起步较晚，主要是借鉴国外的经验。由于我国的气候、地理条件 及车辆荷载组成与国外不同，这些都决定了不可能完全照搬国外的经验，必须对其深入研究， 探索适合我国国情的桥面铺装技术。国内多家科研机构对大跨径桥梁桥面铺装进行了一些有 益的探讨，在铺装层的结构形式、材料及施工方面也积累了一定的经验。在水泥混凝土桥的 桥面铺装材料研究方面，主要集中在沥青混合料设计及其高温稳定性、低温抗裂性，抗疲劳、 抗老化等材料路用性能的研究，铺装技术及施工工艺领域等方面主要沿用路用沥青混合料的 方法，没有形成一套系统的桥面铺装的设计、施工方法。 国内在分析铺装层和桥梁结构的力学机理的过程中，要么是分析过程处理得比较简单， 选取的计算对象范围较小。不能完全模拟桥面铺装层的真实受力状态，要么只是进行静态力 2 第一章绪论 学分析，很少考察动态荷载使结构产生的响应，及其对铺装层应力应变的影响。张占军等人 以弹性层状体系为理论基础，用三维有限元的方法对水泥混凝土桥面柔性铺装的层问剪应力 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的分析，发现使用摩尔一一库仑 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的计算方法。他们还用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。认为层间最大剪应力主要 取决于面层厚度和防水层模量：在防水层模量相同的情况下，增加面层厚度是降低层间剪应 力的最有效手段。 相关的资料表明，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。为了借鉴国内外桥面铺装的成功经验， 课题组对一些知名桥梁的铺装形式进行了调研。 ( 1 ) 香港青马大桥 香港青马大桥1 9 9 7 年5 月开放通车，是连接大屿山香港国际机场及市区的干线公路。 该桥是钢悬索桥，主跨长度1 3 7 7 米，桥面铺装层结构见图1 1 。 4 0 m m 浇注式沥青玛蹄脂 钢板 图1 - 1 香港青马大桥桥面铺装层结构形式 ( 2 ) 江阴长江大桥 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 8 5 米的钢结构悬索桥，其桥面铺装层 结构见图1 2 。 4 8 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 圈1 - 2 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。 ( 3 ) 南京长江二桥 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一，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1 - 3 。 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 - 3 南京长江二桥桥面铺装层结构形式 3 东南大学硕士学位论文 南京长江二桥已经历四年多的车载、环境考验，目前状况良好。 ( 4 ) 虎门大桥 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 4 。 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 - 4 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 c 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 - 5 。 图1 - 5 虎门大桥纵向裂缝 ( 5 ) 马房大桥 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 - 6 。 6 0 9 9 m m 橡胶沥青混凝七铺装 l m m 环氧煤焦油粕结层 l m m 环氧沥青铝粉防锈漆 钢板 图1 - 6 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 分道线扣曲等病害，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 7 。 2 0 m ml h 1 0 1 2 型p a r 混合料磨耗层 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 m m 环氧沥青防锈层 钢板 图1 - 7 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： 由于施工原因( 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 产生的严重的车辙，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。 ( 6 ) 日本明石海峡大桥 e t 本明石海峡大桥是位于本州与四国之间，主跨1 9 9 1 米的钢悬索桥，其桥面铺装层结 构形式见图1 - 8 。 3 0 m m 改性密级配 4 第一章绪论 3 5 m m 浇注式沥青砼 钢板 图1 - $ 日本明石海峡大桥桥面铺装层结构形式 ( 7 ) 武汉白沙洲大桥 白沙洲长江大桥是钢桥面斜拉桥，全长1 0 7 8m ，主跨径6 1 8m 。该桥桥面铺装结构见 图1 - 9 。 3 5 m m 改性沥青s m a 1 0 4 5 m m 改性沥青s m a 1 3 钢板 圈1 - 9 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。 ( 8 ) 厦门海沧大桥 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 0 。 3 0 m m 改性沥青s m a 1 3 3 5 m m 改性沥青s m a 1 0 3 5 m m 防水粘结层 钢板 图1 1 0 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，对交通产生了一定的影响。具体的破坏见图l - 1 1 。 鼍l 。竺：墨! 塞棠奎誓篓要竺堑、 图l - l i b 厦门沧海大桥桥面破坏 一处地方已露出底层水泥钢板 ( 破；处已被荔并：兰j ；某罢工有积水) ( 9 ) 安庆长江大桥 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 2 安庆长江公路大桥桥面铺装层结构形式 ( 1 0 ) 上海卢浦大桥 上海卢浦大桥工程主桥全长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 3 。 东南大学硕士学位论文 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 3 上海卢浦大桥桥面铺装层结构形式 ( u ) 汕头宕石大桥 汕头宕石大桥位于汕头市区，主桥为双塔双索面组合梁斜拉桥，主桥跨径9 0 6 m ，其钢 桥面采用双层式改性沥青s m a 铺装结构，铺装层结构见图1 1 4 。 3 0 m m 改性沥青s m a 1 3 b 5 0 m m 改性沥青s m a 1 3 a 3 - 5 m m 防水粘结层 钢板 图1 1 4 汕头宕石大桥桥面铺装层结构形式 资料表明宕石大桥双层s m a 钢桥面铺装自1 9 9 9 年初竣工后，经历两个热季与冷季的 考验与每日2 万辆交通荷载作用，仍保持坚实、平整，无车辙、裂缝、松散、剥落等破坏现 象。 ( 1 2 ) 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。桥面铺装采用柔性铺装形式，分二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 1 5 。 3 0 m m 改性沥青s m a 1 3 4 0 5 0 m m 改性沥青s m a 1 6 预应力混凝士桥面 图1 1 5 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，即于1 9 9 6 年2 月份发现桥面铺装层产生了纵横向裂 缝，主要位于中间4 个行车道上。于1 9 9 7 年进行了重铺。铺装处治时桥面铺装层结构见图 1 一1 6 。 3 0 3 5 m m 改性沥青s m a 。1 3 4 0 5 0 m m 改性沥青s m a 1 6 预应力混凝土桥面 图1 1 6 汕头海湾大桥翻修时桥面铺装层结构形式 ( 1 3 ) 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粱。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 - 1 7 。 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 1 7 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。 ( 1 4 ) 滨州黄河公路大桥 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 6 第一章绪论 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 m ，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。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 - 1 8 。 4 0 m 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l - 1 8 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。 ( 1 5 ) 其它桥梁 其它一些国外桥梁的铺装层结构在表1 - 1 中已经列举出来。 表1 - 1其它国外桥梁信息概述 桥梁名称主跨m桥梁类型建成年代 桥面铺装形式 大贝尔特桥( 丹) 1 6 2 4 悬索桥 1 9 9 8 单层沥青玛蹄脂混合料 恒文伯火桥( 英) 1 4 1 0悬索桥1 9 8 1 3 8 m m 沥青玛蹄脂混合料 维拉扎诺桥( 美) 1 2 9 8 悬索桥 1 9 6 4 5 0 m m 双层环氧沥青混凝土 金门大桥( 美) 1 2 8 0 悬索桥 1 9 3 7 5 0 m m 双层环氧沥青混凝土 h o g a k u s t e n ( 瑞典) 1 2 1 0 悬索桥 1 9 9 7 6 0 m m 沥青玛蹄脂混合料 多多罗大桥( 日) 8 9 0 斜拉索 1 9 9 9 3 0 r a m 改性密级配+ 3 5 m m 浇注式 诺曼底大桥( 法) 8 5 6 斜拉索 1 9 9 5 6 0 m m 沥青玛蹄脂混合料 1 3 桥面铺装材料主要形式 资料显示适合作为桥面沥青铺装的材料主要有浇注式沥青混凝土、环氧沥青混凝土、纤 维沥青混凝士和沥青玛蹄脂碎石几种材料。这儿种铺装材料不仅材料组成上根本不同，而且 在性能和施工工艺上也有很大区别。国内外对桥面铺装沥青混合料的研究已投入大量的资 金、人力和物力，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： ( 1 ) 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 c a s p h a l t ) 的主要优点有：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。 我国涸扬长江大桥、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。 ( 2 ) 改性沥青s m a ( s t o n em a s t i c a s p h a l t ) 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 c a s p h a l t ) 的主要优点有：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 m m ) 。 对集料要求高，保质年限短。 ( 3 ) 环氧树脂沥青混凝土( e p o x y a s p h a l t ) 以美国和中国为代表的环氧树脂沥青混凝土( e p o x y a s p h a l t ) 的主要优点有：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 7 东南大学硕士学位论文 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。 ( 4 ) 纤维沥青混凝土 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。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。 1 4 桥面铺装主要破坏形式 由于桥面铺装层在设计上没有相应的规范进行指导，所以对公路上沥青路面的设计方法 进行照搬硬套难免出现问题。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。 车辙和推移是现代高速公路包括其附属桥梁上产生的主要病害之一。产生的原因一是沥 青混合料高温稳定性不足，在高温条件下由于轮载的累计作用而产生的永久变形；二是大量 的超载重载车的出现，更加加剧了这些破坏的产生。 图l - 1 9 通车半年桥面铺装出现车辙图1 2 0 通车两年后铺装层出现推移 图1 - 2 1 相邻两片粱铰接缝出现松动造成的纵向严重裂缝 8 第一章绪论 开裂是混凝土桥面铺装上的一种重要破坏形式。桥面铺装层开裂的原因，一方面是施工 中结构缝处理不当留下隐患，在车辆荷载作用下导致铺装层损坏。另一方面由于桥面系中加 劲部件的作用，在铺装层中出现负弯矩区，导致铺装层中出现局部应力集中，在车辆荷载作 用下出现疲劳裂缝。 桥面铺装松散多出现在铺装层边缘和结构缝附近。这些地方碾压困难，往往空隙率较大， 在车辆作用下易造成水损害，导致沥青从集料表面剥离，产生松散破坏，更严重的将发展成 为坑槽。 图l - 2 2 铺装层边缘沥青混凝土松散情况 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。 图1 - 2 3 铺装层表面泛油的情况 在调查中发现，有些桥梁在铺装层摊铺之前，没有对桥面进行清理，或者仅仅洒铺粘层 油甚至什么都没有洒，根本没有加铺桥面防水层，造成通车以后产生铺装层从桥面板的脱落 现象，对桥梁的使用性能产生很大的影响。 以上分析表明，水泥混凝土桥梁的沥青混凝土铺装质量对提高桥梁的行车舒适性十分重 要，而桥面铺装的结构组合设计、材料组成设计和施工技术等均有其特殊性，必须根据桥梁 的具体情况对其进行分析与研究，提出符合实际的结构组合设计、材料组成设计与相应的施 工技术，才能有效提高桥面铺装的使用质量和耐久性。 9 东南大学硕士学位论文 图l 一2 4 铺装层表面集料磨光的情况图l - 2 5 铺装层脱落的情况 1 5 主要研究内容 1 5 1 工作内容 本文针对宿淮高速公路上五河口大桥实体工程，重点研究水泥混凝土桥面上沥青混凝士 铺装层的虑力响应与结构组合形式，以期根据沥青混凝土的受力特眭，提出几种不同的铺装 组合，同时根据五河口大桥桥面混凝土实体施工措施，主要包括以下内容： ( 1 ) 力学分析 由于桥面沥青混凝土铺装层的受力状态随桥型而不同，特别是由于梁体加劲部件的影 响，使铺装层顶面局部承受较大的负弯矩，在车载的长期反复作用下，铺装层表面出现疲劳 裂缝的情况较多。本文拟针对五河口大桥桥型建立合理的力学模型，通过分析不同荷载位置 以及桥面铺装材料对桥面铺装受力状态的影响，对铺装层参数做出敏感性分析，为后续铺装 沥青混凝土材料选择提供技术支持。 水泥混凝土桥面的沥青混凝土铺装层在外荷载作用下，其受力状态复杂。沥青混凝土铺 装层必须具有足够的强度和稳定性，以保证外力作用下铺装层与桥面板之间应力与变形的连 续性。已有的关于桥面沥青混凝土铺装的力学分析普遍采用的是标准静态荷载，然而桥面铺 装是作用在动态荷载之下的，实际的车辆是以一定速度行驶在桥梁上的，而且速度是变化的， 甚至有可能出现启动和刹车的情况，也会影响沥青混凝土铺装的应用。本文将考虑动态荷载 对桥面铺装层应力、应变的影响，并与静力学分析进行比较，为铺装层设计提供力学理论支 持。 本文将通过力学分析了解桥面沥青混凝土铺装层的应力与变形特性，对沥青混凝土材料 性能与结构提出要求。 ( 2 ) 桥面铺装结构及材料设计 根据已有研究成果，本文对于五河口大桥桥面铺装结构与材料部分拟减小铺装下层混合 料粒径，对沥青铺装层的结构组合优化设计： 桥面板经常处于振动变形中，由于沥青混凝土材料内部不可避免的存在局部缺陷或不均 匀性，在荷载的作用下沥青铺装层内部会由于应力集中而出现微裂缝。随着荷载应力的反复 作用，微裂缝将逐步扩展，承受应力作用的有效面积不断减少，最终在车辆荷载作用到一定 次数后出现破坏，使桥面沥青混凝土铺装层出现疲劳裂缝。如果沥青混凝土铺装层与桥梁水 1 0 第一章绪论 泥混凝土面板粘结力不够大，产生脱离时。将使裂缝现象更为严重。五河口大桥所处地区夏 季炎热多雨、冬季寒冷，若由于桥面沥青铺装层存在裂缝导致雨水渗入，将使得桥梁结构整 体性能下降、寿命缩短。同时由于车辆荷载作用还易造成渗水处沥青面层的松散和坑槽破坏。 本文拟通过调整桥面沥青混凝土铺装下层沥青混合料的集料级配，降低集料最大粒径尺寸， 适当提高细集料的含量，提高其抗拉强度，减少沥青混合料裂缝。 本文拟根据目前水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装常用结构及五河口大桥连接线普通路 段沥青混凝土结构，提出几种不同的铺装组合，通过室内试验，根据各组合的使用性能和经 济性等因素比较，最终给出最佳结构组合。 ( 3 ) 五河口大桥桥面铺装层沥青混合料施工工艺及实测 五河口大桥是国内同种桥梁结构中宽度最大的一座大桥，在这样一座大桥上进行桥面铺 装层施工存在一定的难度和技术含量。本文重点对桥面铺装压实工艺方面进行研究，探讨了 振荡压路机平普通压路机的工作原理异同，并且跟踪观测了振荡压路机的桥面压实效果，为 今后大型桥梁沥青铺装层碾压施工积累经验。 1 5 2 主要工作特色 在桥面铺装层力学分析方面，以往的水泥混凝土桥面沥青铺装层结构分析中通常对静荷 载作用下产生的应力应变进行考虑。本课题在静荷载分析的基础上考察了水泥混凝土桥桥面 铺装在动荷载作用下对结构产生的响应，并考察由此带来的对铺装层应力、应变的影响，为 铺装层设计提供力学理论支持。 在铺装层结构组合的优化设计方面，考虑到桥面必须与铺装下层结合紧密，以保证泌水 性能和同步变形的能力，故在保证高温性能的前提下可适当减少铺装下层集料的公称最大粒 径，提高其均匀性，防止出现由于铺装层粒径过大导致接触面上的应力集中对结构的损害， 故本课题对铺装下层采用小粒径级配进行专项研究。并且为了模拟实际桥面铺装层的受力状 态，不仅应对单层沥青混凝土试件进行检验，更应该侧重铺装层各层之间的整体性，对复合 结构进行高温稳定性检验和疲劳性能检验。 在桥面铺装层的施工工艺方面，由于五河口大桥桥面铺装层施工在秋季进行，有可能造 成气温的下降导致混合料压实困难。造成这一现象的主要原因是沥青的粘度随着温度的降低 而增大。要避免产生压实不足，可以在对桥梁结构不产生破坏的前提下，选择合适的压实工 艺；本课题针对五河口大桥施工中的特殊情况，对桥面沥青铺装层的施工工艺进行研究。 东南大学硕士学位论文 第二章基于有限单元法的静力学分析 五河口混凝土大桥桥面铺装体系由水泥混凝土板、防水层和沥青混凝土铺装上、下层组 成。如图2 - 1 所示： 4 c m 铺装上层 图2 - 1 五河口大桥桥面铺装体系计算简图 粘结层的厚度相对于铺装层、板面板厚度较小，可忽视粘结层，将铺装层和桥面板接触 设为连续，又由于水泥混凝土( c 6 0 ) 结构本身强度高，整体性强，在车辆荷载的短时间作 用下，符合线弹性理论；另一方面，由于纵向和横向加劲部件对桥面板加劲作用，在荷载作 用下，在桥面板上产生明显的应力局部集中现象，用梁板理论较难准确计算分析出铺装层内 部的力学特性。 鉴于以上原因，为了较真实地反映桥面铺装体系的实际工作状态，详细分析铺装层的受 力。本文拟以线弹性分析理论为基础，以通用有限元分析软件a n s y s 作为计算分析工具， 运用三维有限元法对桥面铺装的层间剪应力、铺装层内部拉应力以及其表面的弯沉进行计算 分析。铺装体系的单元类型主要采用三维等参元模型( 箱梁体部分三维八结点，铺装层部分 二十结点) 进行分析。 2 1 有限单元法概述 有限元分析( f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ) ，简称f e a ，起源于二十世纪5 0 年代航空工程中 的结构矩阵分析，这种分析方法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一 定方式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本 身又可以有不同形状，因此可以求解几何形状复杂的求解域。有限单元法作为数值分析方法 的另一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数，来分片地表示全求解域上待求的 未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或及其导数在单元的各个结点的数值和其 插值函数来表达。这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场函数或及其导数在各个结点 上的数值就成为新的未知量( 也即自由度) ，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的 有限自由度问题。 有限单元法目前已广泛应用于刚性路面与柔性路面的应力分析和设计计算。在结构特性 上，桥面铺装有其自身特点，它下面的桥面结构远比一般的路面结构复杂。铺装层由于加劲 肋的作用，使其在加劲肋侧肋项部附近产生明显的应力集中现象，难以通过弹性薄板理论进 行求解，因此最有效的分析工具是有限