（固体力学专业论文）混凝土桥面铺装试验研究与破坏分析.pdf

摘要 摘要 目前正在运营的混凝土公路桥有3 2 左右在结构上或功能上存在问题。而在这众多 有问题的桥中，部分是由于混凝土桥桥面铺装的失效导致有害物质的下渗而引起的。近 年来，公路桥梁已出现多起竣工通车不久即大规模或全线整修桥面铺装，引起当地政府 和公众媒体的广泛关注，成为设计施工与管理部门极为关注的课题之一。本文围绕梯面 大桥桥面铺装问题，主要完成了以下几方面的研究工作： 1 钢纤维增强聚合物混凝土铺装材料的试验研究 首先制定出梯面大桥的试验方案。针对梯面大桥超载严重、桥面铺装层变形大的特 点，选用一种变形能力较强、抗拉强度较大的钢纤维增强聚合物混凝土作为铺装材料。 其次，为了增强桥面板与混凝土铺装层间界面粘结力，采用在桥面板上喷洒粘结剂、布 加强筋和人工粗糙桥面板三种方法。经过近2 年的使用和监测，钢纤维增强聚合物混凝 土铺装层完好无损。试验证明此类材料适用于一些设计荷载较大的桥面铺装，并且，在 桥面板上布加强筋或人工粗糙桥面板有助于提高桥面板与铺装层间界面粘结力，有助于 提高铺装层的使用寿命。 2 a n s y s 模拟分析 通过计算机仿真来模拟大量的结构试验，可以弥补试验数量不足的特点。本文利用 a i q s y s 有限元软件，研究了梯面大桥在行车荷载作用下的应力和应变分布，验证了梯面 大桥实桥试验的成功和试验结果的可靠性。 3 桥面铺装破坏分析 首先借鉴复合材料力学方法，采用一种混凝土分层剪滞分析模型，简便精确地计算 出在典型的断裂模式下的应力重分布，研究了钢纤维增强混凝土裂缝长度对其拉伸破坏 应变的影响，获得了与现有实验较吻合的拉伸破坏应变：其次，将这种模型推广到桥面 铺装与桥面板的应力重分布问题的研究中，计算出在荷载和温度影响下的不同铺装材料 的初始破坏应变，并应用所得的初始破坏应变结果，定量地计算出荷载对铺装层裂缝间 距的影响。最后，利用前述模型，分析了在典型的破坏模式下的铺装层与桥面板问界面 层剪切应力重分布。 本文本着突出铺装体的最不利受力状况和最不利环境，对此进行理论分析与试验研 究，揭示了受荷载和温度影响下复杂多样的水泥基混凝土桥桥面铺装层的破坏机理，为 桥面铺装层的破坏问题提供了一种新的研究方法和途径。 关键词：桥面铺装；剪滞理论：钢纤维增强聚合物混凝_ 十；破坏分析；梯面大桥 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t 鬏a c t i ti sr e p o r t e dt h a tc o n c r e t eb r i d g e so fa b o u t3 2 i ns e r v i c ea r es t r u c t u r a l l yo rf u n c t i o n a l l y d e f i c i e n ti np r e s e n t t h ed e f i c i e n c i e sa r eu s u a l l yd u et oa g g r e s s i v ea g e n t sp e n e t r a t i n gi n t ot h e c o n c r e t ed e c k i nr e c e n ty e a r s ，d e c kp a v e m e n t so fs o m eh i g h w a yc o n c r e t eb r i d g e sa r en e e d e dt o r e p a i rs o o na f t e ro p e n i n gt r a f f i c t h e s ep r o b l e m sa r eo fg r e a tc o n c e r nt ot h eg o v e r n m e n ta n dt h e p u b i i e ，t h e ya l s ob e c o m eh o ti s s u e st od e p a r t m e n t so fd e s i g nc o n s t r u c t i o n sa n da d m i n i s t r a t i o n s f o rs u c ht h ep r o b l e m s 。t h em a i nt a s k so ft h ep r e s e n tp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 t e s ta n d s t u d y o fs t e e lf i b e r - r e i n f o r c e dp o l y m e rc o n c r e t ep a v e m e n tm a t e r i a l s f i r s t l y a l le x p e r i m e n t a lp l a nf o rt i m i a nc o n c r e t eb r i d g e i sf o r m u l a t e d t oc o u n t e rt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h a tt h eo v e r l o a di ss e r i o u sa n dt h ed e f o r m a t i o no ft h ec o n c r e t e b r i d g e p a v e m e n tl a y e ri sl a r g ef o rt i m i a nc e n t r e t eb r i d g e ，w ec h o o s ea n du s eas t e e lf i b e r - r e i n f o r e e d p o l y m e rc o n c r e t e ( s f r p c ) w i t hs t r o n g e ra b i l i t yo fd e f o r m a t i o na n dl a r g e rs t r e n g t ho ft e n s i o na s t h ep a v e m e n tm a t e r i a l s s e c o n d l y i no r d e rt o i r e p r o v et h ec o h e s i v ef o r c eo ft h ei n t e r f a c e b e t w e e nc o n c r e t eb r i d g ed e c ka n dp a v e m e n tl a y e r ，t h em e t h o d so ft h et e s t i n gp r o g r a ma r e t h r e e f o l d ：( 1 ) t os p r a yw i t hg l u e ；( 2 ) t os c a r i f yt h ec o n c r e t eb r i d g ed e c ks u r f a c eb yaj a c k h a m m e r ； ( 3 ) t os e td o w e l si nt h ec o n c r e t eb r i d g ed e c k f o rt h eu s ea n de x a m i n a t i o nw i t ht h em o n i t o ro f n e a r l yt w oy e a r s ，t h eb r i d g ep a v e m e n tl a y e ro ft h es t e e lf i b e r r e i n f o r e e dp o l y m e rc o n c r e t eh a s b e e ng o o ds i t u a t i o n 抽oa n yf a i l u r e ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i sk i n do fm a t e r i a l c a nb es u i t a b l ef o rt h eb r i d g ep a v e m e n tw h i c ht h ed e s i g nl o a di sl a r g e r i na d d i t i o n ，t os p r a y w i t hg l u ea n dt os c a r i f yt h es u r f a c eo fc o n c r e t eb r i d g ed e c kc a l lb ea b l et oi m p r o v et h ec o h e s i v e f o r o eo ft h ei n t e r f a c eb e t w e e nc o n c r e t eb r i d g ed e c ka n dp a v e m e n tl a y e ra n dc a nb eb e n e f i c i a lt o i n c r e a s et h es e r v i c i n gl i f eo fc o n c r e t eb r i d g ep a v e m e n t 2 s i m u l a t i o n a n a l y s i so fa n s y s b yw a yo ft h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nt oi m i t a t el a r g ea m o u n to fc o n s t r u c t i o ne x p e r i m e n t s ， t h el a c ko fe x p e r i m e n t a lq u a n t i t yc a nb em a d eu p t h i sp a p e ru s e sa n s y st o s t u d yt h e d i s t r i b u t i o no fs t r e s sa n ds t r a i na tt h el o a d so fv e h i c l e sa n dt ov e r i f yt h es u c c e s so fe x p e r i m e n t s a n dt h er e l i a b i l i t yo fe x p e r i m e n t a lr e s u l t sf o rt i m i a nc o n c r e t eb r i d g e 3 。f a i l u r ea n a l y s i so fc o n c r e t eb r i d g ep a v e m e n t f i r s t l y ，w ed r a wl e s s o n sf r o mt h em e t h o d so fm e c h a u i c s o fc o m p o s i t em a t e r i a l sa n da d o p t as h e a r 1 a gm o d e lo ft h ec o n c r e t es a m p l ed i v i d e di n t om a n yl a y e r s t h es t r e s sr e d i s t r i b u t i o n s u n d e rt y p i c a lf a i l u r em o d e sa r es i m p l ya n da c c u r a t e l yc a l c u l a t e d t h e 扭f l h e n c eo ft h ec r a c k l e n g t ho ft h es t e e lf i b e t r e i n f o r e e dc o n c r e t eo ut h ei t s t e n s i l es t r a i ni ss t u d i e da n dt h et e n s i l e f a i l u r es t r a i n sw h i c ha r er e l a t i v e l yc o i n c i d e dw i m 出e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eo b t a i n e d ，s e c o n d l y w e d e v e l o pt h i sm o d e lt ot h es t u d yo fs t r e s sr e d i s t r i b u t i o nl nc o n c r e t eb r i d g ed e c ka n dp a v e m e n t l a v e ra n dc o m p u t et h ed i f f e r e n ti n i t i a lf a i l u r es t r a i n su n d e rd i f f e r e n tl o a d s t e m p e r a t u r ea n d p a v e m e n tm a t e r i a l s u t i l i z i n gt h er e s u l t s ，t h e i n f l h e n c eo ft h el o a d so nc r a c kd i s t a n c e so f p a v e m e n tl a y e ri s s t u d i e dq u a n t i t a t i v e l y f i n a l l y ，w em a k eu s eo ft h ea b o v em o d e ia n da n a l y z e t h es h e a rs t r e s sr e d i s t r i b u t i o n so ft h ei n t e r f a c eb e t w e e nc o n c r e t eb r i d g ed e c ka n dp a v e m e n tl a y e r u n d e rt h e t y p i c a lf a i l u r em o d e s t h i s p a p e rp r o c e e d s t h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d e x p e r i m e n t r e s e a r c hb a s e do nt h e o u t s t a n d i n gd i s a d v a n t a g e o u sl o a d sa n de n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s r e v e a l st h ef a i l u r em e c h a n i s m o fc o m p l i c a t ea n dv a r i a b l ec o n c r e t eb r i d g ed e c ka n dp a v e m e n tl a y e ru n d e rl o a da n dt e m p e r a t u r e a n dp r o v i d e san e wr e s e a r c hm e t h o df o rc o n c r e t eb r i d g ep a v e m e n tf a i l u r ep r o b l e m 。 k e yw o r d s ：c o n c r e t eb r i d g ep a v e m e n t ；s h e a r - l a gt h e o r y ；s f r p c ；f a i l u r ea n a l y s i s ；t i m i a n c o n c r e t eb r i d g e i i 第章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究的目的和意义 高速公路和城市快速路的迅猛发展，促使公路桥梁和城市立交桥大量兴建，由于 我国各相关行业对桥梁结构及路面工程的施工比较重视，技术也已相当成熟。但相对而 言，桥面铺装这一三角地带常常被道路和桥梁工程师们忽视，设计方法和施工技术方面 的研究也显得薄弱。桥面铺装过早破坏的情况屡见不鲜，使国家和人民蒙受了不必要的 经济损失。例如：苏格兰格拉斯哥市( c l a s g o w ) 京斯顿大桥( k i n g s t o nb r i d g e ) 建成 通车后，1 9 9 0 年出现桥面铺装破坏症状。但其车流量大，是全欧洲最繁忙的桥，维修加 固时无法关闭交通，修复投资大约为1 2 7 5 0 万美元，比建桥的2 2 5 0 万美元高出了5 倍 多。广东省佛开高速公路，开通不到两年，全线1 7 座大型桥梁竞有1 4 座被迫返工维修， 重新铺装桥面，耗费3 7 0 0 多万元。汕头海湾大桥，桥面铺装采用了6 c m 厚的钢纤维 混凝土，通车后不久即发现裂缝，半年后开始重建眨。在全国出现桥面铺装大量损坏情 况下，1 9 9 9 年3 月，交通部公路司在京主持召开了桥面铺装专题研讨会，来自全国交通 行业管理、科研、高校、设计、施工单位的专家代表共3 2 人参加了会议。与会人员对 桥面铺装设计构造及施工技术进行了深入研讨，形成桥面铺装结构专题研讨会会议纪要 1 。这纪要成为此后桥面铺装设计施工的指导性意见。 随着公路等级的提高及车辆荷载的增加，对桥面铺装提出了更高的技术要求，急 需制定相应的技术对策。 桥面铺装不同于道路铺装，桥面板铺装通常不具有结构性的目的，它们主要用于 满足行车安全舒适的要求和提高桥面的耐久性和服务寿命，并且通常是基于以前经验知 识设计的。影响桥面耐久性和寿命的主要因素是侵蚀性物质贯穿桥面的速度，也就是混 凝土的渗透性。除了孔隙率之外，混凝土的渗透性是受已经存在的裂缝控制的。因此， 铺装设计的主要目标是控制裂缝并将下列原因引起的裂缝减至最小”1 ： 1 温度引起的应力； 2 疲劳引起的应力； 3 收缩引起的应力。 如果不作防护，过度的铺装裂缝将导致铺装层迅速恶化和减短寿命，并且使侵蚀 性有害物质更快地渗透到下面的桥面结构，引起梁扳体耐久性下降，严重时可能会造成 华南理工大学工学硕士学位论文 难以补救的重大灾害，危及人民的溅鬻生活和生命安全。因瑟有妊要对辑翳铺装的铺装 材料、设计方法和施工技术进行系统的研究。其结果将对减少桥面铺装病害的发生，预 测其使用寿命，提赢桥薅铺装的质爨，减灾防灾等均具有非常现实的意义。 1 2 国内外研究现状 由于桥面铺装问题怒介于桥粱与道路两个专业的交叉领域，因此多年来均被两个 专业所忽视。道路与桥梁专业方面分别按各嬲的要求和认知进行设计，没有形成统一的 规范国标准，黧今还是基于以前经验的知识谶行设计修筑。到目翁为止，该方面的研究 仍属起步阶段，尤其对设计、材料与施工等仝过程的系统研究更少。 而我国麓藏骚1 中，来给密任簿设计或理论方面豹掇导，仅役根据藏王中的一些经 验，给出了一些厚度范围。北京市政工程设计所的方志禾等经过研究认为哺1 水泥混凝土 桥面镳装层，实质上是支承在捺粱主体结构、桥瑟系、鬃缝茨求滋及其糅护层上的弹性 薄板。它和水泥混凝土路丽一样，臻承受重复施加的军辆荷载和大气的温凝作用。它和 水溅混凝路纛不同之处是路匿支皴在基嗣基鬃上，其基磷条l 孛可蠲文宠凝( e 再i n k l e r ) 地基和弹性半空间体地赫来描述，而这种铺装层的支承条件则与支承铺装屡 的挢粱主体结构、桥蕊系、柔性防水层等在受力下的变形特征有关。根据这些特点，使 用s a p 5 程序，逐点计算篡值，以使这种离散扳元的支承状况与桥梁各部位对桥面铺装 层的实际支承状况相近。 西安公路交通大学王虎等搿翻用梁体结构的线弹谜理论，对活载佟用下钢筋混凝土 桥水泥混凝土桥面铺装层内的弯曲芷应力进行了分析。他们认为：桥面铺装层受桥面板 结构积主粱绥梅垄式影鹃。萁受力变形特征有异于普逶潺凝潞藤结摘。轿西铺装层直 接承鼹车辆轮载作用，在构造上和桥面板粘接在一起，既传递活载于桥面板，又参与桥 面投豹受力。援粱绩橡纛逡主要关淀辑粱上郝结秘帮耢瑟扳懿承载戆力，聪对桥面铸装 层本舟受力特性分析和计算甚少。在设计时，桥面铺装层一般不做专门计算分析，假定 轿西镳装层不参与梁体受力或仅将镳装层折舞计入轿露教厚度秘撬嚣扳共嘲受力。考虑 到桥梁上部预麻力混凝土结构设计是按极限状态理论进行分析，主梁上缘混凝土应避按 预应力钢筋产生的应力爨加上恒载和活载产生的应力来计算，面对铺装层内应力未作要 求。在桥梁上部结构施工工序和形成过程中，备个阶段粱体截面特性和荷载构成情况下， 铺装层内的应力和桥梁上部结构桥面板上表面的应力存在很大差异。 2 第一章绪论 武汉工业大学卢哲安等瞎1 通过对武黄高速公路某桥涵桥面铺装层进行现场静力及 动力测试，研究了该桥涵的静力、动力性能及界面粘结强度等问题。疲劳问题由于条件 所限，未能做桥涵的疲劳性试验。桥涵在常年的汽车荷载作用下，其疲劳效应是存在且 不容忽视的，做这个方面的试验也是很有意义的，认为这项工作有待于今后进一步完成。 西安公路交通大学公路学院张占军，曹东伟，胡长顺。通过对常见防水层材料和层 间结合料进行直剪试验，采用弹性层状体系理论对水泥混凝土桥沥青混凝土铺装层桥面 层间剪应力进行了力学计算与分析，并结合防水层、平整度、施工工艺和车辙指标的要 求提出了桥面沥青铺装厚度的计算方法。 美国加州大学s a nd i e g o 分校的f s e i b l e 和c t l a t h a m 教授“们，在研究通过在 桥面板上加铺全厚式混凝土来恢复和提高旧桥面板的承载力的研究中，详细地对钢筋混 凝土桥面板上水泥混凝土铺装层进行了研究。研究主要集中在交界面上，他们认为铺装 层的破坏主要是因为铺装层的剥离。其研究的主要成果有： 1 足尺标准实验 为了模拟旧桥面板的加铺，从离f r e s o 以南4 1 公里的加州4 1 号州际高速公路上 的一座三跨连续t 梁桥中，取出一段6 0 英尺长，1 2 英尺宽( 1 8 3 3 7 m ) 的梁，送到 加州s a nd i e g o 大学的c h a r l e sl e ep o w e l l 结构系统实验室进行测试。 2 根据试验结果和试验现象，两位教授认为桥面板铺装层是处于非线性滑动和弯曲的， 并发展了夹层非线性滑动和弯曲模型，将这一模型用于桥面铺装层的分析，试验证明是 可行的。 3 推荐出桥面铺装层的设计方法“。 综上所述可知，国内外对桥面铺装的研究均偏于应用及材料方面，而且带有很大 的局限性，这些研究没有考虑桥梁的体系，没有定量地考虑各种影响因素，更没有涉及 其机理，这使以后的深入研究及其推广应用受到较大的限制。怎样根据不同的桥型进行 桥面铺装设计，怎样根据不同的设计进行铺装材料的选择，设计与材料两方面如何考虑， 才能又满足桥面铺装的要求，又充分发挥材料的强度? 受环境等的影响如何等等一系列 问题都不得而知。目前，这些相关问题的研究滞后严重影响着桥面铺装的设计和施工， 给设计、施工、维护工作带来了不便。因此，对桥面铺装进行系统的研究是非常必要的。 华南理工大学工学硕士学位论文 1 3 本文研究的内容与研究思路 本论文的研究是广i i 市公路局资助项目“1 0 6 国道花都段梯面大桥桥面铺装维修” 的部分内容。本文拟就钢纤维增强聚合物混凝土桥面铺装在梯面大桥上的应用进行试验 研究及理论分析，其研究内容包括以下三个部分： 1 钢纤维增强聚合物混凝土的应用( s t e e lf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e rc o n c r e t e ， s f r p c ) 。 聚合物水泥混凝土是在普通混凝土的拌合物中再加入一种聚合物而制成的复合材 料，目前主要用于地面、路面、桥面等工程中。聚合物在混凝土内形成薄膜，填充在水 泥水化物和骨料之间，与水泥水化物形成网络结构，故其与普通混凝土相比具有较好的 粘结性、耐久性、耐磨性，有较高的抗弯性能和较低的抗压性能，减少了混凝土的收缩， 提高了不透水性、耐腐蚀性和耐冲击性。缺点是造价较高，施工工艺较复杂，因此不能 广泛地推广应用。 钢纤维混凝土是一种性能优良且应用广泛的复合材料。由于钢纤维阻滞基体混凝 土裂缝的开展，从而使其抗拉、抗弯、抗剪强度等较普通混凝土显著提高，其抗冲击、 抗疲劳、裂后韧性和耐久性也有较大的改善。缺点是对混凝土的初裂的防止贡献不大： 钢纤维混凝土受拉破坏时，钢纤维是拉出，而不是拉断，这说明钢纤维的能力并没有完 全发挥，造成不必要的浪费；普通钢纤维在混凝土中易锈蚀，不锈钢钢纤维价格较贵， 难以推广应用。 水泥混凝土桥面铺装破坏的原因，主要是由于负弯矩作用及行车振动所造成的拉 裂或剥离、正弯矩作用及行车振动所造成的屈曲压裂或剥离以及局部变形过大造成的剪 裂。因此要求桥面铺装材料具有低渗透、抗变形、高韧性以及抗折、抗剪、抗冲击、抗 脱空强等一系列优良的综合性能。为开发满足混凝土桥水泥基桥面铺装材料，可用聚合 物水泥混凝土去应对渗透、耐磨、抗滑、变形、初裂、收缩、脱空与剥离，用钢纤维混 凝土去应对抗弯、抗拉、抗剪、抗冲击等。通过这次在1 0 6 国道花都境内梯面大桥桥面 铺装的应用，经测试表明，a n s y s 模型的计算结果与实桥的测试结果吻合较好：铺装材 料从一年多的运行情况来看，舀前质量良好。 2 a n s y s 模拟分析 传统的结构分析方法除理论研究分析外，还包括有试验研究，通过试验研究构件 与结构的受力性能、破坏机理具有客观、科学、直观的特点，但是耗费大量的资金、人 4 第一章绪论 ! 目! ! | 目i i 力和时间，并且必须经过不断的改进、评估以获得最佳值。运用有限元软件来分析研究 构件与结构，可以通过计算机仿真来进行大量的模拟结构试验，以弥补试验数量不足的 特点。 3 桥面铺装破坏分析 对于混凝土桥钢纤维增强聚合物混凝土桥面铺装层而言，桥面铺装和其下的混凝 土板体之间是通过粘接剪应力，达到共同工作的目的。影响剪应力的因素有行车荷载、 温度荷载两大类型，以及它们重复作用下的疲劳影响；还有冲击及桥面板的局部弯曲( 在 车轮荷载下) 及其剪力滞后等多种因素的影响。另外，钢纤维增强聚合物混凝土铺装层 与桥面板一起，其受力因桥梁体系及桥面板形式不同而复杂多样。因此，铺装层的受力 非常复杂，要完全反映出来是很困难的。 本文首先基于剪滞理论，提出一种修正的混凝土分层剪滞分析模型，简便精确地 计算出在典型的断裂模式下的应力重分布，研究并计算出混凝土裂缝长度对其初始破坏 应变的影响：其次将这种模型推广到桥面铺装与桥面板的应力重分布问题的研究中，研 究并计算出在典型的破坏模式下，在考虑温度影响条件下的不同铺装材料的初始破坏应 变，并且运用所得的初始破坏应变结果，研究并计算出荷载对铺装层裂缝间距的影响。 最后，利用前述模型，研究分析在典型的破坏模式下的铺装层与桥面板间界面层剪切应 力重分布。 本文本着突出铺装体的最不利受力状况和最不利环境，对此进行理论分析与试验 研究，揭示了受荷载和温度影响下复杂多样的水泥基混凝土桥桥面铺装破坏机理，在此 基础上，为桥面铺装层的破坏问题提供了一种新的研究方法和途径。 华南理工大学工学硕士学位论文 第二章混凝土桥面铺装试验研究 钢纤维增强聚合物混凝土是一种性能优良的桥面铺装材料，只要进行科学的配合 与科学的制备就可发挥出其蕴藏的潜能。但是它的配比是动态的，是根据使用的要求来 配合制备的，因此，在应用该材料进行桥面铺装以前，必须根据桥面铺装的不同提出对 其性能的各项要求这一要求就是设计钢纤维增强聚合物混凝土的依据。于是，有必要 对桥面板和混凝土铺装在静载作用下的变形和应变状况进行系统的研究和分析，以便为 混凝土铺装的结构设计提供可靠的力学依据。本章将以1 0 6 国道花都境内的梯面大桥桥 面铺装的铺筑为基础而进行研究，其内容包括以下两个方面： 1 实桥铺筑普通混凝土、聚合物混凝土和钢纤维增强聚合物混凝土，进行跟踪测试， 考察各种混凝土的铺装性能，比较其优劣； 2 在桥面铺装层内埋设各种传感器。对桥面铺装进行受力测试研究，并进行数值模拟 分析，在此基础上，研究混凝土桥水泥基混凝土桥面铺装的设计方法，为钢纤维增强聚 合物混凝土的设计提出指标要求。 2 1 梯面大桥桥面铺装简介 1 0 6 国道花都段梯面大桥是1 0 6 国道公路上的一座重要桥梁。总长2 3 0 m ，主跨3 0 m ， 其跨径组成为1 3 2 + 2 0 + 6 3 0 ，桥面总宽2 5 m ，双向四车道，两边各设5 m 人行道。 为预制预应力t 型简支粱结构，梁与梁之间通过横隔板联系。该桥原采用普通混凝土铺 装。设计厚度6 l o c m ，实际平均厚度为5 6 c m ，并在铺装中间部位设置了4 6 ，1 5 1 5 c m 的钢筋网。整个桥面铺装采用连续铺装结构，每1 2 0 m 为一组，在梁端接缝处设置 了纵毋1 2 ，横毋1 0 的2 0 x 2 0 c m 的加强钢筋网，全桥设三道伸缩缝。为消除温缩应力， 在铺装表面进行了切缝，缝间距为5 m 。该桥于1 9 9 7 年l o 月建成通车，如图2 i 。 6 第二章混凝土桥面铺装试验研究 i l l 图2 - 1 梯面大桥全景图 f i g 2 - lt h es c e n e r yo ft i m i a nb r i d g e 1 0 6 国道花都段梯面大桥通车至今约三年半的时间，通车不久桥面铺装层即出现纵 横向裂缝，且主要位于南下的两个行车道上，而北上两车道却安然无恙，形成巨大的反 差。随着时间推移，裂缝越来越多，其中以纵向裂缝居多，而横缝多位于梁端的铺装连 接处。据2 0 01 年6 月7 日现场的目测调查，裂缝的面积已占桥面铺装面积的2 1 3 以上， 局部破坏严重的地方已清晰可见下面的配筋与桥面板的表面，如图2 2 所示。 图2 2图2 3 f i g 2 - 2f i g 2 - 3 桥面裂缝与粱体结构及桥面铺装结构有着十分密切的关系。桥面铺装开裂首先发 生在纵向翼板与翼板部位，在该部位周围形成顺桥向的纵向裂缝，并由此为中心对称向 两边扩展，最终形成图2 3 所示的稠密裂缝。出现在梁端结合处的横向裂缝情况发展与 纵向类似。对照北上两车道的情况。经分析认为引起南下车道桥面铺装破坏的主要问题 是超重车太多。因此超载是引起南下车道桥面铺装破坏的最大肇因。 华南理工大学工学硕士学位论文 强2 - 4 黼2 5 f i g 2 - 4f i g 2 5 进一步分析裂缝出现的位置，两种裂缝均出现在负弯矩区，这实际上是在桥面板 玛8 度最大和挠度最大的位置附近，两刚性结构连接部位在荷载俸糯下，产生较大受弯矩 的作用，由此产生的拉应力超过混凝土抗拉强度的结果。从现象上分析，在纵向翼板之 间及附近，大多数攘疆粱在超载荷载的作用下，在翼板交界处出现过大豹竖向变形。导 致桥面铺装层受拉而拉裂，或由于翼板间出现相对竖向位移而被剪裂。出现横向裂缝的 粱端之间，主要是电予超载作用下，梁端出现转动，引起铺装层受拉而被控裂。 另外，桥面铺装方面也存在一些漏洞，这些小的疏忽导致了桥面铺装的过旱破坏。 从凿开的桥蔼铺装来看，主要存在以下两方瑟的问题： 1 桥面施工架设大梁时定位出入太大，按设计要求梁端间距应为2 3 c m ，但实际的间 距却达到了l o c m ，远远趣出了设计要求。具体可见图2 4 。 2 桥面铺装静，对桥面板顶面清漓不够彻底，造成桥面板与铺装层之间形成夹层从 而导致铺装层与桥面板问脱粘而剥离，使得桥面铺装过早破坏。见图2 5 。 总体来讲，镳装歼裂是由于超载的作用，梁体变形太大，导致结构抗拉部位出现 过大拉力，造成桥面铺装的开裂。但严格来讲，这些因素都不关桥面铺装，应该讲桥面 铺装就目前来看是成功的，因为桥面铺装的目的并非用于结构舔考虑它的承载能力。桥 面铺装的主要目的是保护桥面板，提高桥面板的耐久性及服务寿命。因而上面出现的问 题应由结构的朴强、提毫蘧工质量及应用变形能力较强的钢纾维增强聚合物混凝土进行 铺筑的途径去解决。 2 2 桥面铺装的试验方案及测试方法 2 2 1 桥面铺装的试验方案 由于本次试验兼顾桥面及结构加固两重任务，根据分析及t 梁结构特点，铺装处 第二荤混凝土桥面铺装试验研究 治方案的制定应注意以下几个方面： 1 加强结构，主要是加强翼板间的横向联系和梁与梁间的纵向联系，这两部分属结构性 补强，应选用连续配筋的方式进行处理。 2 针对超载作用下变形大的特点，需选用一种变形能力较强、抗拉强度较大的铺装层， 才能适应桥面板变形，不至于使铺装表面开裂。钢纤维增强聚合物混凝土具有稳定性好、 变形能力强、抗拉强度大、透水性小和抗疲劳开裂性能优良等特点，可适用于梯面大桥 桥面处治工程。 3 桥面板与混凝土铺装界面粘结力，尤其是新旧混凝土间的粘结力的大小是评价和判断 桥面铺装层成功与否的一个主要因素，为保证新旧混凝土间的有效结合，为上层铺装提 供良好的工作平台。为检验钢纤维增强聚合物混凝土的抗剪与粘结的实际性能，除从施 工质量与表面处理方面着手外，还可以采用分散浇洒和不浇洒粘接剂p e w 型粘结剂进 行对比。粘结剂作为桥面板与铺装层的连接层，有利于铺装层与桥面板的粘接并能起到 较好的防水作用，同时可增强铺装层与桥面板的粘结性能。 4 桥面铺装结构 1 0c m 普通混凝土或聚合物改性混凝土或钢纤维增强聚合物混凝土 平整粗糙梁板体表面或加喷r e w 粘结剂 粱板体 图2 - 6 桥面铺装铺装结构图 f i g 2 - 6b r i d g ed e c kp a v e m e n tc o n s t r u c t i o np l a n 根据以上几点要求，桥面铺装的试验方案如下： 1 ) 在桥中加设道伸缩缝，桥面铺装层在此处断开，其余各梁端处均为连续。 2 ) 桥面板顶面的处理 关于桥面板顶面的处理，有以下四种方式： ( 1 ) 光滑即不进行处理矗接在桥面顶面进行桥面铺筑；本次试验未采用 ( 2 ) 粗糙而洁净通过刻痕机或人工，将桥面板顶面处理成3 s m m 深纹理的粗糙表 面： ( 3 ) 喷洒粘结剂即在桥面铺装施工前，为提高铺装层与桥面扳间的粘结强度，在处 9 华南理工大学工学硕士学位论文 理过的桥面板表面喷洒粘结剂，粘结剂的种类有乳胶、环氧等有机物； ( 4 ) 加设锚筋提高桥面板与桥面铺装之间的粘结能力，同时提高界面间的抗剪强度， 阻止桥面板铺装层滑移和剥离，可在桥面板植入锚筋，据研究锚筋的数量为总面积的 0 2 时，才能起预期的作用【1 2 】。 在本试验中由于条件的限制不准备进行第一种情况的考察，对其他的三种情况将 分别进行考察，具体方案及位置见图2 7 。 瑚 互 声狰嘲 女辑u 辨 i ，i 秘赫 厂_，一一 t i 曩i 土 撒幢聊l 耻i 娃_ 砷坪l 毗 瓶概断i 潮i 土 l 拍l l 枷硼张i l a 科聃嘲毗椭啪张毗 ! 题i 瞄l ，l l 型 图2 7 桥面铺装方案布置图 f i g 2 - 7t h ep a no fb r i d g ed e c kp a v e m e n t 3 ) 铺装材料 本次试验选用了普通钢筋混凝土，聚合物改性混凝土和钢纤维增强聚合物混凝土 三种材料进行对比铺筑试验，具体方案及位置见图2 7 ，并分别进行考察，考察的目的 有： ( i ) 用于铺装各种材料的性能比较，为进一步了解钢纤维增强聚合物混凝土桥面铺装打 下基础： ( 2 ) 考虑不同模量的材料用于桥面铺装时其内力变化的情况i t 3 ) 。 其中： 普通混凝土的模量等于桥面板的模量： 聚合物混凝土( 1 0 【乳胶，水泥重量】) 的模量略低于桥面板的模量； 钢纤维增强聚合物混凝土的模量略大于桥面板的模量。 4 ) 铺装材料及混合料组成 ( 1 ) 集料及砂( 要求的原因：耐磨和钢纤维长度的要求) 石料采用花岗岩碎石，用反击式破碎机破碎。石料除应满足规范要求外，特别提 出如下要求： o 第二章混凝土桥面铺装试验研究 詈- _ 詈曼兰喜量毫e 詈皇皇曼 i l l i i 罡皇冒_ 詈詈皇詈曹蔓! 曼葛墨覃墨置 粗集料中1 ：3 细长偏平颗粒含量不得大于1 5 ，l ：5 细长扁平颗粒含量应小于5 。粒径l2 c m ，最好小于或等于2 c m ； 不得使用天然砂，应使用机制砂。 曲钢纤维 钢纤维的长度为3 0n - u l l ，长径比为6 0 ，采用正材制造的波浪型钢纤维。 b ) 粘接剂( r e w ) 粘结力2 5 m p a c ) 乳胶 采用g x q m 一1 号乳胶。 d ) 梯面大桥桥面铺装材料配比 c 4 0 ( 水泥：3 2 5 普通水泥) 2 2 2 桥面铺装的试验测设 2 2 2 1 测试内容 l 在纵向考察梁板表面与铺装层1 4 处、1 2 处及端头的应变变化状况： 2 在横向考察梁板体t 字的肋顶、翼板间及接头处1 4 断面、t 2 断面及端部断面的应 力应变变化状况； 3 考察梁板体与铺装层界面间的结合情况。即固结、滑动及介于两者之间。具体做法 是在各布点位置的梁板体表面纵横两个方向固定应变片，然后在浇筑铺装层时，在同一 点上部的铺装层内对应地埋置纵横方向的应变片： 4 考察梁板体表面不同处理方式对界面间结合情况的影响，本次试验主要考虑了以下 几种情况： 1 ) 梁板体表面粗糙洁净情况下与普通混凝土、聚合物乳胶混凝土及钢纤维增强聚合物 混凝土的粘结情况： 2 ) 梁板体表面洁净粗糙后，铺筑桥面铺装层前喷撒粘结剂，考察粘结剂对界面间结合 情况的影响； 3 ) 在梁板表面打孔，植入西1 2 ，长1 5 c m 的钢筋，其中7 c m 伸入粱板体，8 c m 埋置在铺 装层内。具体做法是：用打7 l 机按放线情况打出2 0 x2 0 c m 间距的孔后，在高压水枪、 华南理工大学工学硕士学位论文 空气压力泵等工具配合下，将孔洞内的粉尘清理干净。风于后灌入环氧树脂后，随即将 锚筋打入孔内，两个小时后，可铺设桥面铺装层内的钢筋，并与钢筋绑扎连接或焊接， 之后清理现场，进行混凝土的铺筑”4 1 钔。 4 ) 考察桥面铺装层内应力应变分布情况，在铺装层的某点，从下至上，分别在纵横方 向置入四层八片应变片，测试铺装层内不同位置处的应力应变状况，了解铺装层本身的 应力分布大体是属弯拉、纯拉或纯压。 5 考察不同种材料在桥面铺装上的应用情况 1 ) 在普通混凝土桥面铺装层上，每5 m 间距切假缝； 2 ) 在聚合物乳胶混凝土铺装层上，每1 0 m 间距切假缝； 3 ) 在钢纤维增强聚合物混凝土铺装层上，每3 0 m 间距切假缝。 观测以上三种条件下的开裂情况： 1 ) 考察连续桥面简支梁端接缝处，铺装层的应变情况； 2 ) 考察以上各点位有钢筋设置时，钢筋的应变情况； 3 ) 观测混凝浇筑初期第一个星期内，各种混凝土的收缩引起的应变情况； 4 ) 观测温度变化时，铺装层内由于温度荷载作用下的膨胀与收缩引起的应变情况； 5 ) 观察开放交通后，超载车队经过时，铺装层的应变情况。 2 2 。2 2 测试仪器 1 直形应变计4 0 只。该元件采用6 5 。锰钢冲压成型，中间留有应变孔。采用美国产箔 材制作的电阻应变计，四片单双面安装，组成全桥线路，其精度为l 。使用范围一l o 5 0 。c ，灵敏系数2 0 9 ，阻抗3 5 0 q ，输出灵敏度l m v v 。埋入前进行标定。 图2 - 8 安装梁板体表面上的应变片计 f i g 2 - 8i n s t a l ls t r a i ng a u g eo i lb r i d g ed e c k 2 k s 2 电阻应变式钢筋传感器2 0 支，该元件采用双层密封，外套不锈钢壳保护，绝缘 性能佳，防水。该传感器采用高精度应变片组成全桥线路，实现温度自补偿线性等级 第二章混凝土桥面铺装试验研究 合理，应变量大。其精度为1 ，灵敏系数为2 0 6 ，阻抗3 5 0 q ，埋入前进行标定。本 传感器用于工程中混凝土结构内的钢筋应力量测。现场埋置方式见图2 8 和2 - 9 ： 图2 - 9 己安装好的应变片和钢筋计 f i g 2 - 9s t r a i ng a u g ea n dr e i n f o r c i n gs t e e lb a rg a u g ei n s t a l l e d 3 d h 3 8 1 5 静态应变测量系统，是由东华测试技术开发有限公司开发研制。系统由采集 箱，微型计算机及支持软件组成。可自动、准确、可靠、快速测量大量结构模型及材料 应力试验中多点静态应变应力值。测量应变范围一2 1 0 4 2 1 0 4 ( ue ) ，分辨率1u e ，系统不确定度不大于0 5 3k te ，零漂不大于4ue 4 h ，共计六种测试方式，用 于测试多种情况中的应变。本试验采用了二种方式，即方式五和方式六，方式五的特点 是全桥，适用于只测拉伸压缩的应变，如工况一、二、三：方式六的特点是全桥，适用 于只测弯曲应变。每台采样箱可测6 0 点，满足本试验要求。联机后见图3 1 0 。 图2 - 1 0d h 3 8 1 5 静态应变测试仪和笔记本电脑 f i g 2 - 1 0d h 3 8 1 5 s t r a i nm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n ta n dn o t e b o o kp c 4 试验中共使用信号屏蔽线2 0 0 0 m 。 5 测试荷载：本试验租用一台日本进口的h i n o 大卡车和一台乐风车。 2 2 3 测试方案 通过布设纵横向钢筋计和应变计，对铺装层中的钢筋及混凝土的应力情况进行测 华南理工大学工学硕士学位论文 量。具体位置见图2 一l l 。 一 = j ：习嵫 6 ： b - l 一口一 ： 一6 一 m 1 堕u “ 。3