（材料学专业论文）钢箱梁桥桥面铺装层材料研究与结构优化设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 桥面铺装是钢箱梁桥建设的关键环节，我国已建成数十座钢箱梁桥，但到 目前为止还没有形成行之有效的铺装材料与结构形式，以及与之相配套的施工 工艺及质量控制体系。 本文在深入分析钢桥面铺装特点、功能要求、破坏形态及原因后，提出了 新型钢桥面铺装材料与结构设计方案：即利用轻质混凝土轻质高强、隔热等优 点，将其替代铺装下层s m a l 0 ，并通过焊接剪力件、绑扎钢筋网等手段，提高 铺装层与钢桥面板协同一致变形能力；同时优化轻质混凝土配合比，采用纤维 和聚合物增韧增强，改善变形能力和耐久性，综合提高钢桥面铺装的使用寿命。 研究了纤维种类、掺量、聚合物对轻质混凝土工作性能、容重、强度、韧 性、应力应变、抗渗及干缩性能影响规律，制备出适宜于钢桥面铺装的高韧性 轻质混凝土，其性能指标：干表观密度小于2 0 0 0 k g m 3 ；初始坍落度大于2 0 c m ， 2 h 大于1 8 c m ，不分层离析，可泵性良好；2 8 d 抗压强度大于5 8 m p a ，2 8 d 抗弯 强度大于7 0 m p a ，韧性指数q 3 0 大于2 5 ：9 0 d 干缩率小于2 8 x 10 4 ，抗渗等级达 p 1 2 以上；研究了轻质混凝土的应力应变特性，提出了l c 4 0 、l c 5 0 应力应变 全曲线数学表达式，探明了轻质混凝土本构关系。 研究了组合结构静力学性能，并利用大型有限元软件a n s y s 进行计算对比 分析。结果表明：铺装层厚度增加会提高组合层的极限承载力：剪力件间距的 减小增加了钢板与轻质混凝土铺装层之间的界面抗剪力和极限承载力，继续减 小剪力件间距对于提高极限承载力作用有限；钢板及剪力件的共同作用使得组 合件在弹性阶段表现出良好的线性关系，组合梁跨中挠度计算与试验值相近， 两者拟合的较好。 研究了剪力件的焊接工艺对钢桥面体系影响，结果表明按本方案焊接剪力 件不会产生应力集中，对钢桥板母材不会造成不良影响；测试了剪力件的力学 性能；制定了钢桥面焊接剪力件的施工工艺及质量控制体系；制定了钢桥面铺 装高韧性轻质混凝土与s m a l 3 的施工工艺及质量控制体系； 本方案在武汉东西湖互通c 匝道桥、武汉香港路立交桥等进行了工程应用， 并即将用于武汉中环线西环段高架桥。工程应用效果显著，实际钢桥面铺装整 体造价为4 0 0 - - 4 6 0f r d m 3 ，一次性投资较小；同时，本方案预期使用寿命长，后 期经济效益可观，其应用技术与经济优势要强于双层s m a 、浇注式沥青混凝土 及双层环氧沥青混凝土。基于本技术方案，申请发明专利和实用新型专利各一 项，其中实用新型专利已授权。 关键词：钢桥面铺装高韧性轻质混凝土剪力件有限元结构优化 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s u r f a c i n gi st h ek e yt a e h ed u r i n gt h ec o n s t r u c t i o no fs t e e l b o xb e a m 蜥电e n e a r l yt w e n t ys t e e l b o xb e a mb r i d g e sw e r eb u i l d e di no u rc o u n t r y b n tu n t i ln o w , e f f c c t i v ep a v e m e n tm a t e r i a l sa n ds t r u c t u r eh a v e n tb e e ne x p l o i t e d ，a n da l s of o rt h e c o r r e s p o n d i n gc o n s t r u c t i o nt e c h n i c sa n dq u a l i t yc o n t r o l m gs y s t e m s u r f a c i n gc h a r a c t e r i s t i c s 、f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s 、d e s t r o y e ds t a t e sa n dr e a s o n s o fp a v e m e n tw e r ea n a l y s e da n dd e s i g n i n gs t a n d a r df o rm a t e r i a l sa n ds t r u c t u r eo ft h e n e ws t e e ld e c kp a v e m e n t sm e t h o d 呲b r o u g h tf o r w a r d ：t h en e wm e t h o d 稍t h a d v a n t a g e so fl i g h t w e i g h tc o n e r e t e ( l c ) s u c ha sl i g h t w e i g h t 、h i g hs t r e n g t h 、h e a t i n s u l a t i o n 、g o o dd e f l e c t i o nc a p a b i l i t ya n ds oo n ，w h i c hr e p l a c e dw i t hs m a i o ，a n d t h r o u g hw e l d i n gs h e a rc o n n e c t o r s 、c o l l i g a t i n gr e i n f o r c i n gs t e e lb a ra n ds oo n ，a sa w h o l et oe n h a n c et h ec o n s i s t e n td i s t o r t i o nb e t w e e np a v e m e n ta n ds t e e ld e c k a tt h e s a l t l e ，t h em a t r i xp r o p o r t i o no fl i g h t w e i g h tc o n c r e t e ( l c ) w a so p t i m i z e dt oi m p r o v ei t s d i s t o r t i o nc a p a b i l i t ya n dd u r a b i l i t y , t h e np r o l o n gt h ee m p l o y e dl i f eo fs t e e ld e c k b r i d g ep a v e m e n t 乃ee f f e c to ff i b r ea n dp o l y p r o p y l e n eo nw o r k a b i l i t y ，d e n s i t y ，s t r e n g t h ， t o u g h n e s s 、s t r e s s - s t r a i n 、p e n e t r a t i o nr e s i s t a n c ea n dd r y i n gs h r i n k a g eo fl cw e r e i n v e s t i g a t e d l i g h t w e i g h tc o n c r e t ew i t hd r yd e n s i t yb e l o w1 9 6 0 k g m 3 、i n i t i a ls l u m p o v e r1 6 c m 、2 8 dc o m p r e s s i v es t r e n g t ho v e r5 0 呼a 、2 8 df l e x u r a ls t r e n g t ho v e r 7 0 m p a 、t o u g h n e s si n d e xr 1 3 0o v e r2 5 、2 8 dd r y i n gs h r i n k a g eb e l o w2 8 10 1w a s p r e p a r e d ，w h i c hs u i t sf o rt h es u r f a c i n go fs t e e lb r i d e e n es t r e s s s t r a i nf o r m u l ao f l c 4 0a n dl c 5 0w e r ep r o p o s e d a n dt h ec o n s t i t u t i v er e l a t i o no f l cw f l sw o r k e do u t 。 s t a t i cm e c h a n i c so fc o m p o s i t i o ns t r u c t u r ew a ss t u d i e dw i t he x p e r i m e n t a lm e t h o d a n df i n i t ee l e m e n tm e t h o do f a n s y s 。r e s u l t ss h o wt h a tu t m o s t1 0 a dv v i l lb ei n c r e a s e d u et ot h ei n c r e a s eo fp a v e m e n tt h i c k n e s sa n dd e c r e a s eo fs h e a rc 0 1 m e c t d r s d i s t a n c e b u tt h ec o n t r i b u t i o no ft h ed e c r e a s eo fs h e a rc o n n e c t o r s d i s t a n c et ou l r n o s t1 0 a di s l i m i t e d d u r i n gt h ee h s t i c i t ym o m e n t ，t h ec o m p o s i t i o ns t r u c t u r es h o wg o o dl i n e a r c a p a c i 研 t h ee f f e c to fw e l d i n gt e c h n i c so ns t e e ld e c k sw a ss t u d i e d r e s u l t ss h o wt h e r e i s n ta n yc e n t r a l i z i n gs t r e s sa c c o r d i n gt ot h i sw e l d i n gp l a na n db a di n f l u e n c et ot h e s t e e ld e c k t h em e c h a n i c sp r o p e r t i e so fs h e a rc o n n e c t o r sw a st c s t w e l d i n g c r a f f w o r k sa n dq u a l i t yc o n t r o l i n gs y s t e mf o rs h e a rc o n n e c t o r sw e r ee s t a b l i s h e da n d a l s of o rp a v e m e n tm a t e d a l ss u c ha sh i g ht o u g h n e s sl i g h t w e i g h tc o n c r e t ea n ds m a l 3 t h ei d e ao f t h i sp a d e rw a sa p p l i c a t e di nr e a lp r o j e c t ss u c hc b r i d g ei ns o u t h w e s t l a k ea n dx i a n g g a n gr o a dc r o s sb r i d g ei nw n h a n c o s to ft h i sp l a nw a se s t i m a t e d ， w h i c hi s4 0 0 4 6 0y u a r d m jo na v e r a g e a n dw a sc o n t r a s t e dw i t ho t h e rp a v e m e n t m e t h o d s ，w h i c hs h o wt h a tt h i sp l a nc o s t ss m a l l e ra n ds h o wl o n gt e r me c o n o m i c a l b e n e f i t s i th a sw i d ea p p l i c a t i o np r o s l ：l e c t sa n de c o n o m i c a lp r i o r i t i e sc o m p a r et oo t h e r p a v e m e n tp l a ns u c ha sd o u b l es m a 、g aa n dd o u b l ee x p o x ya s p h a l t k e yw o r d s ：s t e e ld e c kb r i d g ep a v e m e n t ；h i r g ht o u g h n e s sl i g h t w e i g h tc o n c r e t e ； s h e a rc o n n e c t o r ；f i n i t ee l e m e n t ；s t r u c t u r eo p t i m i z i n g i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 口毛p 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或部 分内容，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) 酶埤新躲丘啤脯上一 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第1 章绪论 钢箱梁桥具有自重轻、经济、架设方便等显著优势，尤其适用于大跨径桥 型，国内外应用广泛。国外的美国、德国、挪威、芬兰、日本等国家的钢箱梁 桥建设技术已经比较成熟，如著名的美国金门大桥( 1 9 3 7 年建成) 被誉为现代 桥梁工程的奇迹之一。我国在建或已建成的大跨钢箱梁桥众多，如已建成的有 香港青马大桥、南京长江二桥、江阴长江公路大桥、广东虎门大桥、厦门海沧 大桥、武汉长江三桥等；在建的有东海大桥、武汉阳逻长江大桥等，这些大跨 径桥梁的建成有力推动我国现代化经济建设。 钢箱梁桥上部结构是由钢桥面板以及桥面板下部的纵向加劲肋、横向加劲 肋、横隔板、纵向腹板以及横梁组成，成为正交异性板结构体系( 见图1 1 ) 。 这些纵横交错的加劲肋体系在为组成结构加劲的同时使得铺装层产生了复杂应 力应变，决定了钢桥面铺装不同于一般道 路和机场道面的铺装，他有其特殊的功能 要求。研究表明【l 叫，在行车荷载作用下， 纵向加劲肋顶部产生横向最大拉应力，极 容易导致铺装层出现纵向裂缝；同时，横 隔板顶部易出现铺装层的纵向推移、开裂 破坏：由于应力应变复杂，铺装层还可能 出现局部网裂、龟裂等破坏。 图1 - 1 正交异性钢桥面板系 桥面铺装是桥梁行车体系的重要组 成部分，铺装材料的优劣及结构设计的合理性直接影响到行车舒适性和铺装层 使用寿命。一般讲来，钢桥面铺装包括防水层、粘结层、沥青混合料铺装层， 总厚度在4 0 8 0 m m 之间。由于大跨径铜箱梁桥铺装层的使用条件、铺装要求、 使用环境、施工工艺及质量控制的特殊性，要求铺装层材料与结构不仅应具有 良好的追随钢板变形的能力，而且还要在高温和车载的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i j 46 j 。 武汉理工大学硕士学位论文 目前，大跨径钢箱梁桥桥面铺装普遍采用沥青混凝土。桥面铺装沥青混凝 土耐高温性能一般较差，钢结构属于热的良导体，夏季高温时钢板表面温度通 常高达7 0 以上，在行车荷载与高温的耦合作用下钢板与沥青混凝土之间的界 面极容易发生推移；同时，沥青混凝土具有一定的空隙，雨水易透过沥青面层 渗至钢板表面，在水与空气的共同作用下，钢板表面的防水粘结层易遭受破坏， 进而降低钢板与沥青混凝土之间的界面粘结强度。因此，国内外几乎所有的钢 箱梁桥桥面铺装层不到设计年限内就出现不同程度的推移、拢包以及车辙等病 害，甚至有些桥梁在通车不到1 年内就出现上述病害【9 】。加之我国气候条件南北 差异大、汽车超载现象普遍较严重，钢箱梁桥面沥青混凝土层早期破坏现象更 为突出。为此桥梁管理部门不得不花费大量的人力物力进行维修，不仅影响了 交通的通畅性和舒适性，还造成不良的社会影响。因此，钢桥面铺装一直成为 制约该种桥型应用和发展的瓶颈，是一个世界性的难题，同时也是土木工程界 研究的热点和重点。 1 2 国内外研究现状 钢箱梁桥桥面铺装初期设计主要功能是为车辆提供平整、舒适的行车环境， 要求铺装层具有较高的强度、良好的耐磨和防滑特性，同时铺装层本身还应具 有优良的水稳性、高温车辙和低温抗裂性能。由于钢箱梁桥本身结构的特殊性 及其所处环境的恶劣性，其桥面铺装问题一直没有得到很好的解决。资料表明 p “】，在大跨度钢箱梁桥越来越多的被成功建设的同时，桥面铺装体系发生破坏 的报道也屡见不鲜，目前还没有形成大跨径钢箱梁桥桥面铺装材料与结构设计 的成套技术体系，因此对钢箱梁桥面铺装层材料与结构进行系统研究成为本领 域迫切需要解决技术难题。 1 2 1 国外研究状况及发展趋势 钢箱梁桥面铺装材料的选择及优化主要解决铺装层与铜板之间粘结性能 差，铺装层容易推移、拥包等病害，以及沥青混凝土自身抗车辙与抗疲劳开裂 性能差等问题。围绕上述两个方面问题国外开展了很多研究，形成了以下四种 主要的铺装材料p 一7 j 。 以德国、日本为代表的浇筑式沥青混凝土( g u a s s a s p h a l t ) ，相对密级配沥 青混凝土( a c 1 3 ) ，具有较高的矿粉用量( 2 0 也7 ) 和高沥青用量( 7 一1 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 2 武汉理工大学硕士学位论文 沥青) 以形成其强度和达到热稳定效果，不设防水层。但我国气候条件复杂， 气温差异大，使用效果不好，并且对施工设备和施工方法有特殊要求，难以控 制。 以英国为代表的沥青玛碲脂混合料( m a s t i ca 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，两桥在通车不久后均出 现不同程度的破坏【l o j 。 以美国为代表的环氧树脂沥青( 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有所减少。 环氧沥青混合料1 9 6 7 年首次应用于美国的s a n - m a t e o h a y w a r d 大桥钢桥面铺装， 后在日本、加拿大、澳大利亚等国家应用。我国已用于南京长江二桥，但该桥 限制重载车的通行，不能说明问题。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，而且工程造价高。 德国、日本近期采用的改性沥青s m a ( s t o n em a s t i ca s p h a l t ) ：日本主要用 于下层，面层采用改性密级配沥青混凝土，德国认为在上下层均可使用s m a 。 改性沥青s m a 是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( 1 m m ) 和预拌碎石，以填充s m a 与钢板接触面之间的空隙。 国外对钢桥面铺装的试验研究主要有复合梁的疲劳试验以及粘结层的拉拔 试验和剪切试验，目的是控制铺装层的疲劳破坏以及粘结层的剪切破坏。其中 美国、德国、英国、日本等国还制定了相应的钢桥面铺装技术规范。就理论而 言，国外学者也取得了一些重要成果，尤其体现在正交异性钢桥面板及其铺装 层的力学性能上，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p e l i k a n - - e s s l i n g e r 方 法【5 1 简称p e 法，p e 法把钢桥面铺装体系分为三个子系统，通过分部计算 然后将结果叠加并修正，得到柔性支承上正交异性板面板的静力解。s h e i k h 和 m u k h o p a d h y a y 用有限条方法对加劲梁的几何非线性进行了分析，成功的将非线 性板理论应用于正交异性加劲板的计算【6 】。s h a n m u g a m l 7 1 利用能量方法研究了各 向异性桥面板单向面内荷载作用下的应力应变和位移，小西- - o g t * l 将正交异性钢 3 武汉理工大学硕士学位论文 桥面板看成是支承在刚度无穷大的主梁上的、按等间距排列的弹性横肋上的正 交异性连续板，得出了荷载作用下正交异性加劲板位移的理论解。w o l f g a n g 9 j 发现在重交通荷载作用下，正交异性钢桥面板的挠度会增加，从而在加劲肋和 主梁肋上方的铺装层表面形成高应力区域，极易出现纵向裂缝。为了减少这些 应力，控制开裂破坏，建议在钢桥面铺装层设计中控制梯形加劲肋的挠跨比( 挠 度与跨度之比) 。 桥面铺装体系是一个复杂结构并有其自身特点，传统的解析法处理这样的 结构是非常困难的，随着计算机技术的迅猛发展，和有限元技术的逐步成熟， 以及各种通用有限元软件功能的日益强大，广大研究人员越来越侧向于运用有 限元分析法采用相关单元来对大跨径钢桥面铺装进行分析计算。欧美的学者也 曾对桥面板进行了有限元分析，g u n t h e r 等【1 0 1 从钢桥面板厚度、主梁附近补强加 劲肋、沥青铺装层的材料特性及铺装层强度等方面探讨了影响铺装层耐久性的 因素。 国外在铺装结构上，主要有同质单层、同质双层以及异质双层三种结构形 式，主要表现为单层环氧沥青混凝土、单层浇注式沥青混合料、下层浇注式上 层环氧沥青、双层s m a 等，上述各种结构形式无论是从材料还是结构上讲都有 其优缺点。在研究手段上，体现了计算机模拟与试验相结合的方式，对铺装层 材料与结构设计提供了依据。综合国外钢桥面铺装材料与技术的研究与发展状 况看，技术相对成熟，成功实例也比较多，但也有失败的经验教训。但相同技 术拿到我国就不行，这主要是我国气候条件和交通状况与欧洲等国家有较大差 别；再者，我国在路面技术相对国外较低，施工设备与技术不能完全实现设计 者的要求。国外钢桥面材料与铺装技术只能借鉴，不能完全照抄照搬。 1 2 2 国内研究现状 我国从1 9 9 5 年开始认识并为正交异性钢桥面板的桥面铺装开始了资料收集 和调研等工作。1 9 9 6 年广东虎门大桥钢桥面铺装的研究工作标志着我国自行研 究钢桥面铺装技术的开端。但是由于对当地气候及交通条件估计不足，虎门大 桥在通车不久就出现了车辙和脱层等病害。以后又陆陆续续的兴建了数十座大 跨径的钢箱梁桥，表1 1 为我国近十年建造的钢箱梁桥跨度、粘结层材料设计及 铺装结构形式。 4 武汉理工大学硕士学位论文 表1 1 我国部分钢箱梁桥桥面铺装材料及结构形式【1 9 2 4 1 桥名= = 防水粘结层及桥面处理铺装层材料及结构形式 * m 两层丙烯树脂( i 5 m m + 2 m m ) ， 芸罕曼 1 9 9 71 3 7 7洒布火成岩质预拌沥青碎石，漏4 0 m m 沥青马蹄脂混合料 习7 ：1 一一一堂! 旦笪丝一一一一 一一一一 。辱友案：3 m ml 刺k 胶e l i r a i n a t o r ，堕羡蠢釜舅翼8 镣嚣3 2 q m m 禳1 9 9 7 8 铋瓣1 5 勰“2 m m 群粘n n + 然5 0 r a m 墨瞪瓣羚： 环氧沥青胶+ 预拌碎石4 0 m i 策j a 嚣。孟s 盈l 矛： 一一一一一一一一。两泵层_ 1 萧苫西茏厂藉话菊一 嚣罕盆 1 9 9 91 3 8 5 与l o n g c l i f f e 细石灰石矿粉t l a ：b i t u m e n = 7 0 ：3 0 ，浇注 “ 但i l l e r ) ，按照c a r i b i t 4 5 ：f i l l e r = 2 8 式沥青混凝土 4 ：7 16 的比例掺配 沙洲大2 0 0 06 1 8 高粘度高弹性改性沥青粘结剂下层s m a l 0 + 上层s m a l 3 援望：! 兰：! i ! 迥竣亟挂妥五 击古#下层2 5 r a m 环氧沥青混合社+ 群苎至 2 0 0 11 2 4 8 环氧沥青( o 6 8 l m 2 ) 环氧沥青粘结层( o 6 8 l m 2 ) 兰二! !占星垫嫂还氧沥青混合料 雾髅：晰，的。雾豢雾学瑟馨嘉苦象丞嚣至毳蓄鼍慧藉裟喜豁 “1 ” 与铺装间粘结强度大于2 7 5 m p a料 霪吴羹，6 4 81 j ：爱罢：? 醑襄嚣篱暑舞喾布誓：j 孟层8 m 川0 + 3 0 m m 上层 由于缺乏相关技术经验，我国早期钢桥面铺装大都借鉴国外的铺装材料和 技术方案。如1 9 9 9 年江阴长江大桥首次采用浇注式沥青混合料，由英国人中标 承建。南京长江二桥首次采用环氧沥青混合料，由美国人提供配合比。 虽然浇注式沥青混合料在国外得到了较大的发展，但其需要特殊的矿粉加 热设备、沥青混合料高温混炼专用车、专用摊铺设备等，在我国的应用也不成 功，如1 9 9 9 年通车江阴长江大桥在2 0 0 0 年夏季高温，大桥西侧由北向南的上 坡路段有明显塑性变形，深5 s m m ，长2 0 0 m m ，有车辙趋势；同年冬季，有横 向裂缝和纵向裂缝；裂缝位于横梁顶部，沿纵向加劲肋3 0 c m 方向规律排列，2 0 0 3 年采用原方案维修，效果不理想，2 0 0 4 年又用环氧沥青混合料进行维修1 1 刀。环 氧沥青混合料在国外应用比较成功，在国内仅南京长江二桥采用了该种材料， 至今没出现大的病害，但是在限制重载车的条件下取得的，难以说明问题。 从上述两桥桥面铺装的情况来看，完全将国外材料与技术用在我国的钢桥 面铺装是行不通的，究其原因，主要是因为我国的交通状况以及气候条件与国 外有较大差别，气候方面：欧洲全年盛行大西洋上来的西风气流，气温年差较 武汉理工大学硕士学位论文 大，越向东就越有规律地增大：而我国是季风气候，冬季气温发自大陆，夏季 气温来自海洋，不仅表现为冬冷夏热( 夏季最高气温可达4 0 ，路面最高温度 可达7 0 以上) ，而且也反应了夜冷昼热，这样的温度循环作用，对沥青路面 的破坏力是很大的。同时我国降雨量比同纬度地区显著增多；交通方面：我国 交通建设及交通系统处于不断完善中，同时城际间的货运往来频繁，使得我国 的重载、超载现象严重，同时对于超载的监督制度不完善，使得重载车成为钢 桥面铺装铺装病害的主要因素。 为此，我们在借鉴国外技术的同时必须结合我国气候交通情况，在材料与 级配方面进行改进和创新，同时应大力自主开发研究适宜于我国气候交通条件 状况钢桥面铺装成套技术。双层s m a 就是在这种背景下诞生的，最早由交通部 重庆公路科学研究所开发，即在上下层均采用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。但是s m a 与钢板之间的粘结问题、防水问题解决的仍不很理想，绝 大部分钢箱梁桥在使用l 2 年内都发生了不同程度的推移和车辙病害。1 9 9 7 建 成的广东虎门大桥应用了s m a 混合料，但通车约3 月即出现热稳病害，如车辙、 拥包等。1 9 9 8 年1 1 月处治病害。2 0 0 1 年后又陆续出现病害，2 0 0 3 年1 1 月份进 行第二次处置 9 1 。1 9 9 8 1 9 9 9 年海沧大桥钢桥面铺装技术研究在总结了虎门大桥、 汕头石大桥铺装的成功经验和一些失败教训基础上，从铺装结构、材料、施工 工艺等方面取得了进一步的深化。海沧大桥钢桥面铺装技术研究的完成标志着 我国钢桥面双层s m a 铺装技术的基本形成。1 9 9 9 - 2 0 0 0 年完成了重庆长江鹅公 岩大桥、宜昌长江公路大桥的钢桥面铺装技术试验研究和实桥施工。2 0 0 1 年完 成了武汉军山大桥钢桥面铺装技术试验研究和实桥施工，并在该桥中首次采用 热喷金属锌防腐技术，首次采用有机合成纤维增强s m a 铺装的抗车辙、抗水损 害和耐疲劳性能。在双层s m a 铺装技术进一步发展并大量应用的同时，使用不 到2 年的厦门海沧大桥铺装迸岛方向产生多处病害，表现为开裂、脱层【2 卯。 首先，粘结剂的高温稳定性差，即粘结剂在高温状态下变软而非常薄弱， 铺装层非常容易滑动；其次，对于行车荷载作用下铺装层与钢板之间的抗剪能 力研究不足，主要原因是行车的单向性和沥青混合料的可塑性引起的变形是累 加不可恢复的；其次，由于s m a 存在空隙，粘结剂在车载的作用下容易进入到 s m a 混合料的中，造成界面抗剪切强度明显下降，一旦裂缝形成就直达钢板项 部；另外，s m a 的透水系数较大，水容易渗透到钢板顶部导致防绣层氧化，进 6 武汉理工大学硕士学位论文 一步降低s m a 和钢板之间的界面粘结力。因此，钢桥面铺装的成败首先要解决 以下几个问题： ( 1 ) 首先是铺装层材料高温度稳定性问题，应选择高温稳定性好、防水且 与钢板追从性好的材料： ( 2 ) 界面结合问题。选择与钢板及铺装层材料相适应的界面粘结材料及相 应处理方式。 。从钢箱梁桥在中国应用近十年的情况来看，桥面铺装一直是困扰设计者与 建设部门的一道难题，尽管不断有新材料、新结构、新施工设备的出现以及大 量丰富的理论来指导和完善钢桥面铺装体系，沥青混合料用作钢桥面铺装似乎 并不能给人们一个满意的答案。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，并在西安绕 城高速公路某高架桥陶、武汉香港路立交桥( 采用本方案) 【2 7 1 和西陵长江大桥 进行了工程试用，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，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。随着材料和施工工艺的发展，各国对多种新材料和 新工艺进行了尝试和研究。在世界各国的共同努力下，钢桥桥面铺装技术虽已 有了长足的发展，但钢桥桥面铺装层材料与结构设计及施工仍是钢箱梁桥建设 中的一大难题，需要对其进行系统的研究。 1 3 选题背景与意义 桥面铺装是钢箱梁桥行车体系的重要组成部分，它对桥梁耐久性，保证行 车安全、舒适度以及经济效益和社会效益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。资料表明，在世界各地越来越多钢箱梁桥成功建设的 同时，钢箱梁桥面铺装体系在使用年限内发生破坏的报道也屡见不鲜，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。 7 武汉理工大学硕士学位论文 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。钢桥面铺装是钢箱梁桥建设的一个重要环节，桥面铺装 的破坏影响了交通的顺利通行，同时不得不投入大量的人力物力进行维修，二 次投资费用较高。到目前为止，既经济又能彻底解决问题的材料与工艺仍有待 进一步的研究和开发。全国各地无论是已建钢箱梁桥面的铺装改造工程，还是 新建钢箱梁桥面铺装方案的选择都时刻困绕着工程业主和管理部门，钢箱梁桥 面铺装问题已成为制约钢箱梁桥发展的关键因素，探索和寻求新的钢箱梁桥面 铺装材料和工艺已势在必行。 在这种背景下，本文提出的钢箱梁桥面铺装技术方案，据查新，本文技术 方案在国内外都没有文献报道。为此，武汉理工大学与武汉市政建设集团公司 等联合申报了武汉市科技攻关项目及武汉外环线建设项目“钢箱梁桥面铺装层 材料与结构的研究与应用”已批准立项，湖北省科技攻关项目“轻集料混凝土 的高性能化及其在桥梁工程中的应用”已通过鉴定。 本文综合考虑材料功能与结构功能，并把两者有机的结合起来，寻求适宜 于我国国情的高性能钢桥面铺装材料以及与之相适应的成套铺装技术与结构体 系，以期为我国大跨径钢桥面铺装提供理论依据与数据支撑。 1 4 本文主要工作与技术路线 1 4 1 主要工作 ( 1 ) 高性能钢桥面铺装层材料的制备 研究胶凝材料种类及用量、轻集料性质及掺量、纤维的种类及掺量等对 高强轻质混凝土导热系数、容重、抗压强度、抗折强度、弹性模量、应 力应变关系、疲劳性能和耐久性的影响规律，制备出l c 5 0 高韧性轻质 混凝土： 研究纤维的种类、掺量、高粘度改性沥青性能和用量以及矿料级配对铺 装面层s m a l 3 的抗车辙性能、耐高温性能、低温抗裂性能、抗水稳定 性能的影响，确定s m a l 3 铺装面层的最佳配合比和铺装施工工艺。 ( 2 ) 钢箱梁桥桥面结合层综合处理技术 剪力件的优选、焊接工艺、布置方案的研究。 钢筋网的优选、尺寸设计以及布置工艺： ( 3 ) 铺钢箱梁桥面铺装组合体层静力学的系统研究 武汉理工大学硕士学位论文 研究钢板剪力件轻质混凝土组合层的静力学特性；分析剪力件都置方 式、轻质混凝土厚度对组合件承载力的影响规律，确定剪力件的布置方 式和轻质混凝土的铺装厚度； 研究利用有限元模拟分析钢板剪力件轻质混凝土组合层的抗弯承载 力，并与试验结果进行对比分析； ( 4 ) 钢箱梁桥面铺装体系的工程应用 钢箱梁桥桥面铺装剪力件的焊接施工、钢筋网绑扎、轻质混凝土的施工 工艺控制及质量评价： 钢箱梁桥桥面铺装面层s m a l 3 施工工艺布置及控制； 1 4 2 技术路线 ( 1 ) 通过优化轻集料结构与种类，在混凝土内形成多孔结构，提高轻质混 凝土的保温、隔热功能，调节轻质混凝土表面与沥青混凝土层之间的温度；在 轻质混凝土中引入有机憎水组成，通过应用高性能矿物掺合料技术，提高轻质 混凝土的密实性、抗渗性和结构自防水能力； ( 2 ) 采用纤维和聚合物增强、增韧的材料复合技术方法和钢丝网配筋的技 术以在混凝土内形成空间网络结构，提高轻质混凝土的抗拉、抗剪、抗冲击强 度、韧性和耐疲劳性能； ( 3 ) 通过在钢板上设置剪力件、绑扎钢筋网，提高铺装层与钢板之间的协 同变形能力；通过在优选界面粘结剂以及撒布沥青碎石提高轻质混凝土与 s m a l 3 面层之间的界面粘结强度，有效防止铺装面层的推移、拥包等病害； ( 4 ) 利用有限元分析与组合构件静载结构进行对比分析，得出模型的合理 性，并分析静力特性； 1 5 社会与经济效益 本方案已成功应用于武汉东西湖互通c 匝道桥和武汉香港路立交桥，取得 了较好的工程应用效果，节约了大量资金。同时，本方案即将运用于武汉中环 线西环段高架桥钢箱梁桥桥面铺装工程，为将来武汉长江三桥桥面铺装大规模 重修提供技术储备。随着本技术方案的完善与推广，预期将逐步应用于大跨钢 箱梁桥，彻底解决目前钢桥面铺装普遍存在的难题，带来显著社会与经济效益。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章新型钢桥面铺装层结构设计 2 1 钢桥面铺装结构特点、病害形态与设计要求 2 1 1 结构特点 钢桥面铺装直接铺设在正交异性钢桥面板上，保护钢板不受腐蚀，同时保 证车辆行驶所要求的路用性能。钢桥面铺装不同于一般道路铺装，它直接作用 在柔度较大的正交异性钢桥面板上，应力应变复杂，局部变形大，特别是在恶 劣的外部条件下如重载车、风载及地震等作用下，极易造成铺装层出现破坏。 同时，钢桥面板对外部环境反映敏感，热传导率高，易锈蚀等，这些特点都决 定钢桥面铺装与混凝土梁桥桥面铺装不同，有其自己的特点： n ) 正交异性钢桥面板属予柔性支撑体系，铺装层随时处在复杂的应力应 变体系中，由此产生的变形、位移、振动均影响了铺装层的正常工作状态： ( 2 ) 由大量力学分析结果可知e 2 9 3 3 】：正交异性板纵横加劲肋的肋顶在车载 下出现负弯矩，铺装层的最大拉应力和最大拉应变均出现在铺装层的表面，疲 劳裂缝是从铺装层表面向底面扩展的； ( 3 ) 钢材导热系数大，气候季节性变化对钢板及铺装层的温度应力、工作 特性产生了不可预知的影响，铺装层遭遇全年极低气温与极高气温的影响大： ( 4 ) 正交异性钢箱梁桥一般都建设在跨度较大的江河上或海域，强风、台 风频繁，由此对钢箱梁桥体系产生的冲击与振动是一般道路铺装所不可能遇到 的： ( 5 ) 钢材对外部环境( 湿度) 敏感，一旦防腐未到位或铺装层开裂，钢板 在空气和水的作用下容易生锈，影响了铺装层的使用性能。 2 1 2 病害形态 现今，钢箱梁桥面铺装普遍存在的问题既有内因又有外因，内因即铺装层 材料和粘结材料高温稳定性较差、低温脆性大、耐老化性能差；外因即钢箱梁 桥结构的特殊性以及钢桥所处环境的恶劣性( 如大风、重载车等) 。具体的钢 桥面铺装沥青混合料产生病害原因主要有：疲劳开裂、铺装结构剪切破坏、高 温车辙、低温收缩开裂1 3 4 】。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 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。桥面铺装层疲劳开裂的破坏形式、位 置与路面完全不同。在车辆荷载作用下，路面底面的拉应力( 或拉应变) 要大 于道路表面的拉应力( 或拉应变) ，当沥青结构层受车轮荷载的反复弯曲作用 时，路面产生的拉应力( 或拉应变) 值超过材料的疲劳强度则开裂，并逐渐向 表面发展。在荷载作用下，桥面铺装层则易在表面产生裂缝，然后逐渐向底面 发展。这是由于纵向肋、横隔梁等刚性较大的部位与桥面板连接处的铺装层表 面会形成拉应力( 拉应变) 集中区，因此桥面铺装的疲劳开裂易出现在铺装层 表面，纵向腹板、大多数主横梁的桥面铺装表面会出现裂缝。而纵向腹板与主 横梁十字交叉部位的铺装表面会首先出现裂缝，并出现网裂，这是因为此部位 是桥面板刚度最大的位置。 铺装结构剪切破坏：桥面铺装剪 切破坏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 剪切破坏体现为铺装表面发生推移、 拥包，这和普通路面常见的破坏形式 相同( 见图2 i ) ，而粘结层剪切破坏 却是桥面铺装特有的破坏类型。一般 图2 - i 铺装层推移开裂 体现为桥面铺装层与桥面板之间粘结力丧失。究其原因均是在车辆荷载行驶车 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 ( 考虑3 0 冲击时最高可达1 ；m v a t l s b 超过材料的抗剪强度。对于铺装表面局 部的拥包和推移，只是影响到桥面铺装的使用性能，而粘结层的剪切破坏会导 致整个铺装层结构失效因此必须严格控制铺装层剪切破坏。铺装层剪切破坏多 在高温季节，这时材料的抗剪强度较低，很容易发生剪切滑移破坏，因此铺装 剪应力这项设计指标特别适用于高温情况下的桥面铺装层设计。 高温车辙：在高温季节，铺装层材料的力学强度大幅度降低，材料本身也 体现出粘塑性和流变性，在荷载作用下，材料的残余变形会增大，因此，高温 夏季易发生车辙破坏t 3 5 , - 3 6 。钢箱梁桥桥面铺装沥青混凝土的车辙动稳定度应大 于3 0 0 0 次m m 。 低温收缩开裂：低温缩裂发生在铺装层表面温度下降时。由于整个铺装体 系的降温需要一个过程，这会在铺装结构内产生温度梯度。面层遇降温而收缩 的趋势，会受到其下部桥面板的约束而产生拉应力，开始由于沥青混合料的劲 武汉理工大学硕士学位论文 度相对较低，这个拉应力较小，但是随着进一步的降温，在低温状态下，混合 料的劲度增加，从而伴随收缩趋势的进一步增强，导致拉应力超过沥青混凝土 相应条件下的抗拉强度，便产生开裂。由于铺装层的纵向尺寸远大于横向，低 温收缩受侧向约束不大，故这种开裂一般为横向间隔性裂缝，严重时才发展为 纵向裂缝。 考虑到钢箱梁桥结构合理性以及桥梁自重，同时外部环境也是不可抗拒， 因此从外因方面着手是无法解决钢桥面铺装存在的问题，因此只能从内因 材料本身性能着手。同时，围绕钢桥自身结构特点，采用大型有限元软件、神 经网络、风洞试验等手段，分析行车荷载、风载作用下桥面板的变形、铺装层 的应力应变以及两者间的协调关系等，来指导铺装层材料制备以及铺装层结构 的设计等。 表2 - 1 国内外部分钢箱梁桥桥面铺装结构及破坏类型【1 7 1 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 设计要求 钢桥面体系自身特点决定了对材料与结构要求与普通道路铺装有较大的差 别，同时钢桥面铺装的外部环境恶劣，如风载、地震的振动以及雨雪天气的侵 蚀，对铺装层材料与结构的设计提出了更高的要求d - s ： 1 、自重轻：钢箱梁结构设计出发点就是重量轻、架设方便，易于实现大跨 度