（道路与铁道工程专业论文）水泥混凝土桥超薄铺装结构分析.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。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，也不包含为获得东南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文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。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：阻导师签 日期：趁! ! ：! ：型 已很普遍， 水泥混凝土 桥面铺装多采用水泥混凝土铺装层或沥青混凝土铺装层，不仅自重较大，同时由于 未进行专项设计，其力学状态也不明确。采用超薄结构可以降低原材料的用量，同 时便于维修，符合可持续发展的社会需求。因此，本文针对超薄桥面铺装进行深入 研究。 首先，应用a b a q u s 有限元程序，建立桥梁整体模型，考虑在荷载作用下整桥 变形以及温度应力对桥面铺装体系的影响；然后将整桥最不利荷载作用部分单独取 出，将整桥模型中的结点应力和位移作为局部模型分析的边界条件，建立局部桥面 铺装模型，对铺装层模量、厚度以及粘结层模量及其厚度进行敏感性分析。 其次，以断裂力学为基础，借助有限元方法，建立裂缝扩展的有限元计算模型， 分析在对旧桥面铺装进行加铺时，旧铺装层已存在的裂缝对加铺层的影响，研究在 行车荷载和温度荷载的作用下，不同宽度的裂缝和不同的加铺层厚度对加铺层裂缝 扩展的影响。研究表明，低温是引起裂缝扩展的主要因素。随着厚度的增加裂缝尖 端的应力强度因子呈下降趋势，对于薄层铺装来讲，则需要较高的抗裂性。 然后，先定性地分析纵坡段桥面铺装病害的原因，再运用有限元软件定量地分 析纵坡段车辆对桥面铺装的影响。引入动荷载，分别计算桥面在静载和动载作用的 力学相应，研究表明动载对桥面铺装体系受力更不利。进而分析刹车、超载和高温 等因素对桥面铺装的抗剪稳定性的影响。 同时，总结不平整度的影响因素，并分析引起不平整的主要原因。根据摊铺机 的结构和找平原理，结合薄层桥面铺装的特点，做一定的假设，推导了薄层桥面铺 装不平整度的传递规律。根据相关规范对桥面铺装平整度的要求，给出不同摊铺厚 度时，对原始桥面平整度的要求。 最后，总结前人的桥面铺装结构组合设计方法，分析这些设计方法的合理性。 结合本文的静力学分析结果、裂缝扩展研究、纵坡段分析和不平整度推导的结果， 推荐出适用于超薄桥面铺装的结构组合方式，并根据超薄桥面铺装的要求，给出推 荐材料。 关键词：超薄桥面铺装；裂缝扩展；纵坡：不平整度传递；结构组合设计 a b s t r a e t s t r u c t ur a la n a l y s i so fu l t r a t h i nd e c kp a v e me n t o nc e m e n tc o n c r e t eb r i d g e a b s t r a c t m s cc a n d i d a t e ：f a na n j t i l l s u p e r v i s o r ：h u a n gx i a o - m i n g ( s c h o o lo f t r a n s p o r t a t i o n ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y ，n a n j i n g ，j i a n g s u2 1 0 0 9 6 ，c h i n a ) i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a 。sh i g h w a yb r i d g ec o n s t r u c t i o na n d i n n o v a t i o no fb r i d g es t r u c t u r e s ，l o n g s p a nb r i d g e sh a v eb e e nv e r yc o m m o n b u tt h ed e s i g n a n dc o n s t r u c t i o no fb r i d g ed e c kp a v e m e n ti ss t i l li nu s eb a s e do nt h ee x p e r i e n c eo fe s t a b l i s h e d t r a d i t i o n a lp r a c t i c e s t r a d i t i o n a l l y ，c e m e n tc o n c r e t ea n da s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n ta r e c o m m o n l yu s e da sc e m e n tc o n c r e t eb r i d g ed e c kp a v e m e n t t h ed e c kp a v e m e n t i sn o to n l ya l a r g e rw e i g h ta n dt h em e c h a n i c a ls t a t u si su n c l e a rb e c a u s eo fn o tc o n d u c t i n gs p e c i a ld e s i g n u l t r a - t h i ns t r u c t u r ec a i lb eu s e dt or e d u c et h ec o n s u m p t i o no fr a wm a t e r i a l s ，w h i c hm a k e s m a i n t e n a n c ee a s i e ra n dc o n s i s t e n t 诵t l ls u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tn e e d so fs o c i e t y t h e r e f o r e ， a ni n - d e p t hs t u d yo fu l t r a t h i nb r i d g ed e c kp a v e m e n ti sc o n d u c t e di nt h i sp a p e r f i r s t l y ，t h eo v e r a l lb r i d g em o d e lw a sb u i l tu s i n ga b a q u sf i n i t ee l e m e n tp r o g r a m ， a n a l y z i n gt h ee f f e c t so f t h ee n t i r ed e f o r m a t i o nu n d e rl o a da n dt e m p e r a t u r es t r e s so nt h eb r i d g e d e c kp a v e m e n t ；a n dt h e nt h em o s td i s a d v a n t a g e dp a r t so ft h eb r i d g ew a ss e p a r a t e l yr e m o v e d a n dl o c a l - d i m e n s i o n a lm o d e l o ft h eb r i d g ew a se s t a b l i s h e d t h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to ft h e e n t i r eb r i d g em o d e ln o d e sw e r eu s e da st h eb o u n d a r yc o n d i t i o n so fl o c a l d i m e n s i o n a lm o d e l t h es e n s i t i v i t ya n a l y s i so fp a v e m e n tl a y e rm o d u l u s ，t h i c k n e s sa n dt h ew a t e r p r o o fa d h e s i v e l a y e rm o d u l u sa n dt h i c k n e s sw a sc o n d u c t e d s e c o n d l y ，b a s e do nf r a c t u r em e c h a n i c s ，u s i n g t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h ec r a c k p r o p a g a t i o nm o d e l w a se s t a b l i s h e d t h ea n a l y s i sw a sc a r d e do u tt h ee f f e c to fa l r e a d ye x i s t i n g p a v e m e n tc r a c k so nt h eo v e r l a y ，w h e nb r i d g ed e c kp a v e m e n tr e p a v i n gw a sc o n d u c t i n g t h e i n f l u e n c eo fc r a c k so fd i f f e r e n tw i d t h sa n dd i f f e r e n to v e r l a yt h i c k n e s so nt h eo v e r l a yc r a c k p r o p a g a t i o nu n d e rt h el o a da n dt e m p e r a t u r es t r e s s i t si n d i c a t e dt h a tl o wt e m p e r a t u r ew a st h e m a j o rf a c t o ri nc a u s i n gc r a c kp r o p a g a t i o n w i t ht h ei n c r e a s eo ft h eo v e r l a yt h i c k n e s s ，t h e s t r e s si n t e n s i t yf a c t o ro fc r a c kt i pd e c r e a s e d a st h eu l t r a - t h i nb r i d g ed e c kp a v e m e n tw a s c o n c e m e d ，ah i g h e rc r a c kr e s i s t a n c ew a sn e e d e d t h i r d l y ，q u a l i t a t i v ea n a l y s i so ft h er e a s o n sf o rd i s e a s e so fb r i d g ed e c kp a v e m e n tw i t h s l o p ew a sc a r d e do u t a n dt h e nu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h ee f f e c to fv e h i c l e so n b r i d g e d e c kw a sq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e d w i t ht h ei n t r o d u c t i o no fd y n a m i cl o a d ，t h e m e c h a n i c a lr e s p o n s e sw e r ec a l c u l a t e du n d e rs t a t i ca n dd y n a m i cl o a d i t ss h o w nt h a tt h e e f f e c to fd y n a m i cl o a do nb r i d g ed e c kw a sm o r en e g a t i v e f u r t h e r m o r e ，t h ei m p a c t so fb r a k e ， o v e r l o a da n dt e m p e r a t u r eo ns h e a rs t a b i l i t yo fb r i d g ed e c kp a v e m e n tw e r ea n a l y z e d m e a n w h i l e ，t h ei m p a c to fn o n f l a t n e s sf a c t o r sw e r es u m m e du p ，a n dt h em a i nr e a s o n s c a u s i n gu n e v e nw e r ea n a l y z e d a c c o r d i n g t o p a v e r s s t r u c t u r ea n dl e v e l i n gp r i n c i p l e s ， c o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h i n l a y e rd e c kp a v e m e n lm a k i n gc e r t a i na s s u m p t i o n s ， l l a b s t r a c t t h et r a n s f e rl a wo ft h i nb r i d g ed e c kp a v e m e n tu n e v e n n e s sw a sd e d u c e d a c c o r d a n c ew i t ht h e r e l e v a n ts p e c i f i c a t i o n so fr e q u i r e m e n t so ft h eb r i d g ed e c kp a v e m e n ts m o o t h n e s s ，t h eo r i g i n a l d e c kf l a t n e s sr e q u i r e m e n t sw e r eg i v e nw i t hd i f f e r e n tp a v i n gt h i c k n e s s f i n a l l y ，p r e d e c e s s o r s b r i d g ep a v e m e n td e s i g nm e t h o d sw e r es u m m e du p ，a n dr a t i o n a l i t y w a sa n a l y z e d c o m b i n e dw i t ht h es t a t i ca n a l y s i s ，c r a c kp r o p a g a t i o nr e s e a r c h ，s l o p ea n a l y s i s a n dn o n f l a t n e s sd e d u c t i o n s u i t a b l ec o m b i n a t i o n so fu l t r a t h i ns t r u c t u r eo ft h eb r i d g ed e c k p a v e m e n tw e r er e c o m m e n d e d a n di na c c o r d a n t ew i t ht h er e q u i r e m e n t so fu l t r a - t h i nb r i d g e d e c kp a v e m e n t 。r e c o m m e n d e dm a t e r i a l sw e r eg i v e n k e yw o r d s ：u l t r a t h i nb r i d g ed e c k ；p a v e m e n t ；c r a c kp r o p a g a t i o n ；s l o p e ；t r a n s f e rl a wo f u n e v e n n e s s ；s t r u c t u r ec o m b i n a t i o nd e s i g n i i i i i i 1 2 国内外研究现状。2 1 2 1 混凝土桥向铺装技术2 1 2 2 超薄沥青层技术7 1 3 研究的主要内容和相应的技术路线9 第二章桥面铺装层静力学分析l l 2 1 研究思路11 2 2 整体维有限元模型1 1 2 2 1 整体模型的建立1 l 2 2 2 汽车荷载作用下的桥面板受力分析1 3 2 2 3 温度荷载作用下的桥面板受力分析1 4 2 3 局部二维有限元模型1 5 2 3 1 局部模型的建立1 5 2 3 2 横向最1 i 利位置的确定1 6 2 3 3 纵f 幻最1 i 利位置确定1 9 2 4 铺装层受力影响凼索敏感性分析2 0 2 4 1 铺装层模量2 0 2 4 2 铺装层厚度2 l 2 4 3 粘结层模量2 3 2 4 4 粘结层厚度2 4 2 5 本章小结2 4 第三章超薄桥面铺装层的裂缝扩展分析。2 6 3 1 基于断裂力学的有限元理论2 6 3 2 裂缝扩展计算模型2 6 3 2 1 计算模型2 6 3 2 2 结构参数2 7 3 2 3 行车荷载2 7 3 3 温度场分析2 7 3 3 1 温度场分析基本假定2 8 3 3 2 温度场分析的一般理论2 8 3 3 3 桥面温度场分析参数的确定3l 3 3 4 温度场下的裂缝扩展分析3 2 3 4 裂缝扩展计算结果分析3 2 3 4 1 纵向裂缝宽度对裂缝扩展的影响3 3 3 4 2 加铺层厚度对纵向裂缝扩展的影响3 4 3 4 3 横向裂缝宽度对裂缝扩展的影响3 5 3 4 4 加铺层厚度对横向裂缝扩展的影响3 5 3 5 本章小结3 6 第四章纵坡段超薄桥面铺装层的受力分析3 8 4 1 纵坡段桥面铺装病害分析3 8 4 2 动载与静载分析对比3 8 4 2 1 静力学参数3 9 4 2 2 动荷载的实现3 9 4 2 3 动力学参数一4 2 i v 目录 4 2 4 动静载计算结果对比4 2 4 3 车辆对桥面铺装层的抗剪稳定性分析4 3 4 3 1 纵坡对铺装层抗剪稳定性的影响4 3 4 3 2 刹车对铺装层抗剪稳定性的影响。4 4 4 3 3 超载率的影响4 5 4 3 4 高温的影响。4 6 4 4 本章小结4 7 第五章桥面不平整度对桥面铺装的影响4 9 5 1 不平整度的影响因素分析4 9 5 1 1 平整度对路面的影响4 9 5 1 2 沥青混凝土路而不平整度产生的主要原因5 0 5 2 摊铺机结构及其找平原理5 5 5 2 1 摊铺机的结构原理5 5 5 2 2 摊铺机自动找甲的工作原理5 6 5 3 不平整度传递推导5 7 5 4 超薄桥面铺装平整度要求及其处治措施6 0 5 4 1 超薄桥面铺装平整度要求6 0 5 4 2 超薄桥面铺装铺装前处治措施6 l 5 5 本章小结6 2 第六章超薄桥面铺装结构组合设计6 3 6 1 超薄桥面铺装材料的要求6 3 6 2 结构组合设计方法分析6 5 6 2 1 现行桥而铺装结构组合设计方法6 5 6 2 2 相关文献桥面铺装体系力学分析结果6 9 6 2 3 本文桥面铺装体系力学分析结果7 l 6 3 超薄桥面铺装结构组合设计7 2 6 3 1 设计原则7 2 6 3 2 桥面铺装推荐结构7 3 6 3 3 桥面铺装推荐材料7 4 6 4 本章小结8 0 第七章主要结论与展望。8 l 7 1 本文的丰要结论8 1 7 2 进一步研究建议8 2 参考文献 致谢 攻读硕士学位期间发表论文。 v 8 7 梁已很普遍，但桥 泥混凝土桥面铺装 由于未进行专项设 计，其力学状态也不明确。随着交通量和重型车辆的增加，水泥混凝土桥梁的铺装层各 种损害也越来越严重。这不仅妨碍了正常交通，影响了桥面的美观，更易造成交通事故， 也给维修工作带来了很大困难。桥面铺装的早期损坏不但造成了巨大的经济损失，而且 影响了高速公路使用功能的发挥。 随着西部大开发，我国西部公路网的建设速度明显加快。由于西部地区特有的自然 地理条件，为缩短公路里程、保护自然环境、降低工程难度，在山区、丘陵、河流及一 些特殊地区经常需要架设一些桥梁，从而使桥梁的使用质量成为整个路网服务质量的关 键一环。而桥面铺装是桥梁主体结构的第一道保护层，也是最直接承受行车荷载的层位， 因此其性能和质量不仅直接影响着桥梁的使用品质，也影响桥梁的使用寿命。 桥面铺装虽属于桥梁附属工程，但其使用品质对整个桥梁，乃至整个路网均有巨大 影响。因此，开展桥面铺装技术的研究对于提高桥面使用品质、延长桥面使用寿命都具 有巨大意义。国外对桥面铺装技术的研究起步较早，形成了一些具有特色的桥面铺装技 术；而我国对桥面铺装技术的研究仅是近十年的事，其研究重点主要集中在大跨度钢桥 面上，而对水泥混凝土桥面，目前常用的铺装方式仍主要以钢筋网水泥混凝土、钢纤维 混凝土和双层沥青混凝土为主，而对桥面超溥铺装层技术的系统研究尚未正式开展。 采用超薄结构可以降低原材料的用量，同时便于维修，符合可持续发展的社会需求。 目前超薄结构已成为新的路面研究热点，2 0 0 1 年我国交通部西部交通建设科技项目专门 设立了“超薄沥青混凝土面层技术研究”课题，用以对在路面工程中使用超薄沥青面层 结构进行研究；而在桥梁工程中使用超薄结构小仅可以起到降低工程成本的作用，还可 以有效地减小桥梁的恒载，提高铺装层与梁顶板间的粘结效果等作用；因此成为桥面铺 装工程中的新热点，特别是在旧桥改造中受到普遍重视。 目前，虽然已有了部分对于桥面超薄铺装的探索性应用，但该项技术的系统研究仍 处于空白状态，如桥面超薄铺装技术的应用条件、超薄铺装结构设计方法、超薄铺装层 的施工控制等等；因此，为了进一步提高水泥混凝土桥面铺装层结构的性能、规范桥面 超薄铺装层技术的应用，有必要对此进行深入系统的研究。 二者具有各自的技术特性和优缺点【l j 。 水泥混凝土桥面铺装层，按其结构类型，常见的有三种： 柔性铺装：沥青混凝土铺装，一般上层起到防水抗滑作用：下层起到分散和传递 荷载的作用。总厚度一般厚度在5 l o o m ； c 2 9 刚性铺装：水泥混凝土铺装，层厚通常是8 - - - 1 0 c m ，并配有小直径钢筋网； 组合式铺装：即下层为6 - - 一9 c m 厚的水泥混凝土铺装层或现浇结构的刚性防水层， 上层为4 - - 9 c m 沥青混凝土【2 | 。 通常情况下，水泥混凝土直接采用单层铺筑。国内外桥面沥青铺装层按照混合料类 型与层数主要可以分为三类：即同质单层、同质双层和异质双层结构。具体形式为： 浇注式沥青混凝土，在英国、日本、丹麦、瑞典等国的大跨径钢桥面铺装中应用 较为广泛； 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： 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； 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； 上下层分别采用不同粒径规格的改性沥青s m a ，如海沧大桥、虎门大桥； 上层环氧沥青混凝土+ 下层浇注式沥青混凝土，在江阴桥的维修工程中采用了此 种结构； 环氧沥青混凝土，自1 9 6 7 年美国s a nm a t e 0 2 h a y w a r d 大桥首次采用了环氧沥青 混合料用作钢桥面铺装材料以来，环氧沥青铺装在美国、加拿大、荷兰和澳大利亚等国 家得到大量应用；已成为公认的钢桥面最佳铺装结构形式，我国近年来的大跨度钢桥普 遍采用。 ( 2 ) 桥面铺装材料 水泥混凝土铺装材料 素混凝土 素水泥混凝土具有抗拉强度低、极限应变小、弯曲韧性差、抗渗性差、动载冲击与 疲劳性能差、脆性大、易开裂等缺点，难于适应目前超重、特大交通量及高速超重载行 车的现状，因此素水泥混凝土桥面铺装存在病害严重、使用功能低、寿命衰减迅速等缺 2 第一章绪论 附。目前国内已几乎不采用。 钢筋混凝土 水泥钢筋混凝土桥面具有较高的抗压强度弯拉强度和抗磨耗能力，较好的水稳定性、 热稳性和耐久性，以及较低的养护成本等优点，是我国高等级公路桥面结构的主要类型 之一。滑模施工技术经过了大量的应用推广，在桥面铺装施工中技术也已很成熟，可以 有效地提高桥面整体平整度及使用耐久性。但由于水泥的水化反应、摊铺后的干缩及其 温缩应力，导致桥面铺装后表面产生裂缝，进而导致整个桥面铺装结构的破坏。 钢纤维混凝土( s f r c ) 钢纤维混凝土是近2 0 年来迅速发展起来的一种新型复合材料，具有良好的抗裂性、 抗弯曲特性、耐冲击性、耐疲劳性等特点，因而在桥面铺装中的应用受到研究及工程人 员的重视。s f r c 应用于桥面铺装时，一般有两种：一种为部分粘结式的s f r c 铺装层； 另一种为s f r c 增强钢筋网或钢丝网混凝土铺装层，亦称为复合式s f r c 铺装层【l 】。在 混凝土中掺加适量钢纤维可以形成乱向分布的三维网状结构，能有效抑制混凝土干缩， 能大幅度提高混凝土抗折疲劳性能，从而有效防止重复荷载作用产生的裂缝，同时钢纤 维混凝土桥面铺装层具有优良的抗冲击、抗磨损、抗疲劳等特性，高温抗车辙、低温抗 裂的能力，由于钢纤维混凝土这种优良的力学性能，在世界发达国家和地区已得到广泛 使用。近年来我国也在道路桥梁工程、机场跑道、工民建、抗震节点、桥梁伸缩缝等工 程中也有重点应用；北京、杭州等地已经铺设了钢纤维混凝土试验桥面铺装，它在抗汽 车冲击、减少振动疲劳及增加行车舒适等方面均优于普通混凝土，现己取得一定的经验 和研究成果。由于钢纤维混凝土的优良胜能使得它成为一种在桥面铺装中使用的新型材 料【3 1 。 沥青混凝土铺装材料 国内外对桥面铺装沥青混合料的研究已投入大量的人力、物力和财力，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【4 】： 热拌沥青混凝土或改性密级配沥青混凝土。 0 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 ca s p h a l t ) 。 浇注式沥青混凝土最初只是用于道路和桥面铺装上因工作面积小无法采用机械压实 的修补中，后来发现浇筑式沥青混凝土具有良好的防水性和较高的变形追随性，便广泛 用于桥面铺装上。它的主要优点：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。 我国润扬长江大桥、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。 0 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 ca s p h a l t ) 。s m a 是一种由沥 东南大学硕士学位论文 青、纤维稳定剂、矿粉及少量的细集料组成的沥青玛蹄脂填充间断级配的粗集料骨架间 隙一体的沥青混合料。碎石含量的增加使s m a 混合料中形成了良好的嵌挤型骨架结构， 这就为s m a 提供了良好的热稳性和粗糙混合料表面。采用纤维稳定剂是s m a 与其它 混合料类型的重要区别之一，纤维的加入使得混合料中的沥青含量可以加大到6 o 7 o ，矿粉的含量也相应地增大到8 - 一1 2 左右，从而使s m a 混合料的孔隙率降低到 2 5 - - 一3 5 左右，沥青膜厚度的增加。它的主要优点：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 料要求较高。 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 ) 。它的主要优点：强 度高，高温时抗塑性流动和永久变形能力强，低温抗裂性z 日* 匕v , 一k e i 好，具有极好的抗疲劳性 能，具有高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。 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。在德国，纤维产品a r b o c e l 、d o l a n i t a s 等都 得到了较大规模的应用，尤其用在机场路面、桥面铺装、收费站等铺面中；在美国，有 形成专利商品的美国产品b o n i f i b e r 、f i b e r p a v e 等用于高速公路及大交通量的公路。在 中国，聚酯纤维已成功地应用于中国南京第二长江大桥、南京新秦淮河大桥、广东肇庆 马房大桥、西宁昆仑桥、阜阳北京路立交桥、宜昌夷陵长江大桥等。其中，广东肇庆马 房大桥是一座铁路公路两用钢结构桥，桥面由于火车振动，又是钢板桥面，经过多种方 案的论证，最终也采用了聚酯纤维加强筋加强桥面铺装层。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。 ( 3 ) 桥面铺装层力学分析 桥面沥青铺装层力学分析主要有解析法和数值模拟法两种途径。近几年来随着计算 机的发展，国内外普遍采用数值模拟计算对桥面铺装层进行静力学分析和动力学分析。 静力学分析 计算方法 桥面铺装结构受力复杂，对其进行力学分析时，不应将研究对象局限于细观的局部 沥青混凝土之上。哈尔滨工业大学的徐伟【5 】和东南大学的顾兴宇【6 】将桥面铺装层静力分 析分为三个层次进行，即桥梁整体变形、桥面板局部变形、及铺装层结构内部受力分析， 简称三层次法。首先分析了桥梁结构整体变形对铺装层的作用，接着分析了桥面板局部 在轮载作用下的受力状态，最后计算了局部桥面铺装结构模型，详细分析了轮载作用下 铺装层结构内部的受力状态和应力应变分布规律。 4 第一。章绪论 基于最小总势能原理的有限条法【4 】在进行矩形板式桥面铺装力学分析中被提出。有 限条法是1 9 6 8 年由张佑启( y k c h e u n g ) 首先提出的，它可以看作是有限元法在最小 总势能原理导出未知节点位移参数与外荷载关系的位移表达式的一种特殊形式，两种方 法的区别在于假定的位移函数形式。东南大学的顾兴宇【6 j 和潘明军【7 j 将铺装层与桥面板 系看作整体，运用有限条方法研究了桥面板上沥青铺装层内应变的分布规律以及荷载极 限位置。 结构模型 桥面铺装层结构与路面结构在模型上存在相近之处，路面设计中的相关理论同样也 可以应用于桥面铺装层。 武汉理工大学的石玉华【8 l 在进行建模时主要采用以下假定：1 ) 桥面铺装层与其下的 梁板体，在活载作用下的挠度恰好与预先设置的反拱度相抵消。整个上部结构在活载的 作用下始终处于直线状态。2 ) 桥面铺装层与其下的梁板体间，除水平应力( 即径向应 力和切向应力) 不连续以外，其它应力和位移分量都是连续的。3 ) 由于桥面铺装层相 对较薄，可认为应力沿铺装层厚度是均匀分布的，即桥面铺装层处于薄膜应力状态。4 ) 桥面铺装层为满足与梁板的协同作用，仅承受活载作用下由于自身协同变形所产生的应 力应变。5 ) 由于桥面铺装层中沿z 方向的应力分量和应变分量均较小，所以可以假定 其为零。6 ) 由于桥面铺装层的厚度较薄，一般小于1 0 c m ，因此温度沿桥面铺装层厚度 方向呈线性分布。粘附在梁板体上的桥面铺装层由于厚度较小，因而可看作在水平方向 与梁板体一起自由伸缩，翘曲变形被完全阻止，因而有翘曲应力产生。 北京建筑工程学院的季节【9 】借鉴路面结构多层弹性体系的研究方法，将桥面铺装简 化为桥面铺装层+ 水泥混凝土行车道板+ 主梁( 弹性半空间体) 的三层弹性层状体系的力 学模型，利用有效活载挠度作为设计弯沉值，计算了桥面柔性铺装层的厚度范围，并给 出了沥青铺装层与挠度关系的诺模图。 东南大学的罗剑【lo l 建立了整桥二维模型，以主梁轴力作为铺装层破坏控制指标，得 到车队荷载沿桥纵向的最不利作用位置，发现整桥温度变化对铺装层受力的影响很小。 黄仰贤】根据等效刚度或等效弯沉原理将沥青混凝土双层铺装板折算成单层板进 行设计、验算。设沥青层弹性模量e l ，水泥混凝土层弹性模量e 2 ，将沥青混凝土铺装 层的模型宽度等效为当量断面宽度( e l e 2 ) 。这种方法计算简便易行，但是其当量代换 的概念不清，且不能考虑翘曲和接缝传力等因素，能否正确地用在桥面铺装体系之中还 有待探讨。 华南理工大学的罗立掣1 2 】将桥面板简化为正交异性的弹性小挠度薄板，将铺装层简 化为各向同性的大挠度薄板，并假定两板之间相对滑动，完全没有磨阻力且没有脱空现 象。在此基础上提出了桥面铺装的平衡微分方程，并以竖向变形为主要控制指标。罗立 峰等人【l3 】还通过线弹性理论，对混凝土桥水泥混凝土桥面铺装层的受力进行了简化，在 考虑桥面铺装层本身功能要求的前提下，将桥梁整个上部结构简化为一块正交各向异性 小挠度弹性薄板结构，提出了以梁板体的最大弯矩为基础，以桥面铺装开裂和剥离为控 东南大学硕士学位论文 制指标的水泥混凝土桥面铺装的计算方法和桥面铺装设计的控制指标。另外还利用有限 元程序对桥面铺装存在的接触界面非完全连续问题进行了分析，得出存在非完全连续接 触界面时荷载作用下铺装材料、厚度以及非完善接触界面的几何尺寸等对界面层的应力 强度因子、最大剪应力、最大接触应力等参数的影响规律。 东南大学的方萍1 1 4 j 引入g o o d m a n 模型的夹层单元，以模拟厚度很小的粘层所起的 连接桥面钢板和铺装体的作用，并以法向劲度系数k z 、切向劲度系数k s ( k s = k x = k y ) 来表征和模拟沥青铺装体与钢桥面板之间完全连续、部分连续、完全光滑三种不同的接 触状态。 西安公路交通大学的张占军【1 5 1 6 1 等人以弹性层状体系为理论基础，用三维有限元方 法对水泥混凝土桥面柔性铺装层的层间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，发现用摩尔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计算 方法。并且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的手段。 武汉理工大学的卢哲安【l7 j 等人根据桥梁结构的模量远比其上沥青铺装层模量大的 特点，仿照路面弹性层状体系理论，将桥梁结构作为弹性半空间体看待。而且假设沥青 混凝土桥面铺装层与桥面板之间完全连续，并且各层是完全弹性的、均匀的、各向同性 的。这样的假设与分析，对于研究沥青混凝土桥面铺装受荷后的应力应变规律有一定的 借鉴作用。但这种方法不适用于有限尺寸板的情况，所以该模型用于桥面铺装体系是不 太合适的，且未考虑翘曲应力。 动力学分析 对于任何桥梁结构，除了要考虑静载引起的变形和应力外，经常需要考虑外部激发 的动力影响，主要是车辆荷载、风力荷载以及地震荷载的动力影响。武汉理工大学的石 玉华【8 】在进行荷载施加时，同时考虑垂直荷载和水平荷载。考虑垂直荷载存在一定的冲 击系数( 取3 0 ) ，水平荷载通过垂直荷载乘以车轮与桥面的磨阻系数f ( 一般情况下 卢0 0 5 ；紧急制动f = o 5 ：一般制动f = - o 2 ) 得到。 长沙交通