（道路与铁道工程专业论文）钢挂梁桥面铺装力学分析与材料试验研究.pdf

钢挂梁桥面铺装力学分析与材料试验研究 摘要 近年来 随着我国交通事业快速发展 对道路路面和桥面的使用功能要求也 越来越高 由于钢桥桥面沥青混凝土的工作条件复杂 目前使用寿命普遍难以达 到设计使用年限 本文以嘉兴乍王公路焦山门桥沥青桥面改造项目为研究背景 展开对钢桥沥青桥面铺装层的部分研究 在总结我国钢桥面铺装的技术状况和研究进展基础上 结合焦山门桥桥面铺 装层应用实际情况 拟定该桥铺装材料设计的控制指标 运用三维有限元技术进 行钢桥整桥力学分析 表明提高钢桥结构的整体刚度对改善桥面铺装层使用性能 影响很大 对不同材料和厚度的桥面铺装层进行研究 分析桥面铺装设计控制指 标变化规律 得出铺装设计优化厚度范围 并建议选择铺装材料时必须综合考虑 铺装材料刚度 对不同铺装材料进行室内沥青混合料马歇尔试验和蠕变试验研究 按照粘弹 性材料的时温等效原理 以广义m a x w e l l 模型为分析的本构方程 回归不同 温度材料模量 时间的变化规律 研究试验材料的高 低温粘弹性力学响应 基 于铺装材料变形的标准轴载换算公式 以材料蠕变应变最大值为控制应变值 得 出不同铺装材料设计使用寿命 并评价沥青混合料的使用性能 关键词 钢桥 沥青混合料 有限元 粘弹性 时温等效原理 n m e c h a n i c a l a n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o ns t e e lg i r d e rd e c kp a v e m e n t a b s t r a c t t h et r a n s p o r t a t i o nd e v e l o p sr a p i d l yo v e ry e a r si nc h i n a a n dt h et e c h n i q u e so fr o a d a n db r i d g ec o n s t r u c t i o na r ea tt h et o po ft h ew o r l d h o w e v e r i ti sd i f f i c u l tt or e a c hi t s d e s i g n e dl i f ef o rm o s to ft h ea s p h a l tp a v e m e n t so fh i g h w a ya n db r i d g e s e s p e c i a l l y s t e e lb r i d g es u r f a c i n g b e c a u s eo ft h em e c h a n i c so fs t e e ld e c ka r ec o m p l i c a t e d o nt h e b a s i so ft h ea s p h a rc o n c r e t ep a v e m e n t sd i s t r e s so fo n eb r i d g eo fz h a w a n gr o a di n j i a x i n gp i s t r i c t z h e j i a n gp r o v i n c e t h em e c h a n i c so fs t e e ld e c kp a v e m e n ta n d r e s e a r c h e so np a v e m e n tm a t e r i a la n a l y z e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n to fs t e e ld e c ks u r f a c i n ga n dt h e m e a s u r e su s e do nd e c kp a v e m e n ts t u d y b a s e do nt h ed i s t r e s so fj i a os h a hm e n b r i d g e ss t e e lg i r d e rd e c kp a v e m e n t t h ec o n t r o li n d e xo fp a v e m e n td e s i g n i n gh a sb e e n s e l e c t e d w i t ha n g l i c i z i n gw h o l es t r u c t u r eb ya b a q u s i ti sv i t a li ne n h a n c i n gw h o l e s t r u c t u r es t i f f n e s st os o l v et h e p a v e m e n td i s e t r e s s h o w e v e r s e l f c a p a b i l i t y o f p a v e m e n tm a t e r i a li sa n o t h e ri m p o r t a n tf a c t o rt oi m p r o v ep a v e m e n tp e r f o r m a n c e a n d t h e n b ym o d i f yp a v e m e n ts t i f f n e s s t h ec o n t r o lt a r g e tc h a n g i n gl a wh a sb e e nf o u n d o u t b yt h i sl a w a no p t i m i z e dt h i c k n e s sr a n g eh a sb e e na d v i s e d a n dp a v e m e n t m a t e r i a l ss t i f f n e s sa n df l e x i b l em u s tb o t hb ec o n s i d e r e d t h u s b yl a b o r a t o r yt e s tw o r k s e v e r a lp a v e m e n tm a t e r i a l sh a v eb e e nd e s i g n e d t h e p a r a m e t e r so fv i s c o e l a s i t cm a t e r i a la r eo b t a i n e db ym a t e r i a lc r e e pt e s t i ns u c c e s s i o n b a s e do nt i m e t e m p e r a t u r e c o r r e s p o n d e n c ep r i n c i p l ea r eo b t a i n e dt h ep a r a m e t e r so f m a x w e l lc o n s t i t u t i v em o d e lo fd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e l a s t l y v i s c o s i t ya n de l a s t i c m o d e lw e r eo p e r a t e db yf e at oa n a l y z ed i s t o r t i o na n dt h ec o n t r o li n d e xu n d e rs t a t i c l o a d sl a s t i n g6 0 0 s e e b a s e do ns t r a i na n ds t a n d a r dd e s i g n i n gl o a dt r a n s f o r m a t i o n m o d e l t h em a x i m a lc r e e ps t r a i nc a l c u l a t e db ya b a q u sw a st r a n s f o r m e dt ot h el o a d a c t i n gt i m e s s ot h ed i f f e r e n tp a v e m e n tw o r kp e r f o r m a n c ec a nb ee v a l u a t e d k e y w o r d s s t e e lg i r d e r a s p h a i rc o n c r e t e f e a v i s c o s i t ya n de l a s t 断 t i m e t e m p e r a t u r e c o r r e s p o n d e n c e p r i n e c p l e l l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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 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 也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机构的学 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谢意 学位做作者虢彳亥证签字日期 枷年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有关保留 使用学位论文的规定 有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 乎弛 签字日期 硼年 月 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 导师签耋数 签字日期 解 月 日 电话 致谢 论文终于如期完成 欣喜之余却又多了几分伤感 时间如白驹过隙 两年的 光阴匆匆流逝 但却成为我生命中宝贵的一章 有幸师从黄志义教授 两年多来 导师治学严谨的科研态度 诲人不倦的教 导方式 让我深感导师为人的质朴 品格的高尚 而这两年来 导师对我的学业 和学位论文倾注了大量的心血 并且在生活上更给予了莫大的关怀 在此 向我 的导师致以最崇高的敬意 感谢王金昌副教授 在学业和论文上 给我的帮助和指导 王老师对力学分 析方法的深刻科研洞察力 谦逊幽默的做事风格让我受益匪浅 感谢彭勇副教授 在论文和科研上 给予我的关心和指导 彭老师在试验技 能上的熟练和研究工作的勤恳 让我深感佩服 感谢王福建副教授 杨仲轩老师 吕朝峰老师 吴珂博士 梁晓莉老师等对 我的指导和帮助 感谢项贻强老师 张治成老师和赵阳老师的一直以来的关心 感谢课题组苏生师兄 朱兴一师姐 粟弼国同学 李想同学以及魏晓冬 叶 冬明 于伟达的帮助 感谢段园煜 王蕾 罗雪 徐常青 一直以来在生活的关照与学 j 上的切磋 感谢六年一起走过的朋友们 感谢0 6 硕士混合班的同学们 能够与你们相 识是我莫大的荣幸 在此 深深感谢我的父母 家人以及亲友 我能够顺利完成学业与你们一直 来对我经济和精神上的全力支持是分不开的 感谢即将评阅 评议和出席答辩会的各位专家 老师 感谢在百忙中给予的 指导 谨以此文献给所有关心和帮助过我的人 华爱娅 于求是园土木科技馆 二零零八年五月 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 绪论 1 1 概述 随着我国经济的快速增长 作为基础工业之一的交通运输业也有了较大发 展 近十几年来 我国建设了许多大跨径桥梁 其中 钢桥面板体系由于其轻量 化及经济性而得到越来越多的应用 国内外的研究表明 加劲的钢箱梁是有效的 主梁结构形式之一 就其强度和重量而言 是一种较为理想的结构体系 钢箱梁 抗扭刚度大 弯曲应力图合理 剪应力小 因而特别适用于大跨径桥梁 平面弯 桥和窄墩桥 目前国内已建的虎门大桥 海沧大桥 江阴大桥 宜昌长江大桥 南京长江二桥 润扬长江大桥 苏通大桥 东海大桥 杭州湾大桥等都有采用了 重量较轻 结构形式优越的钢桥形式 其中绝大多数正交异性钢桥面板 但是 钢桥的桥面铺装 一直以来都是一个热点和难点 在国内外都没有很好的解决 正交异性钢桥面板是指在钢桥面板内侧焊接纵向加劲肋 这些纵向加劲肋余 横隔板 或横肋 正交 从而与钢桥面板一起组成了正交结构异性桥 正交异性 板的使用大大降低了桥梁自身静载 增大了桥梁跨径 对改善桥梁结构受力 节 约原材料均有很大的作用 正交异性钢桥面板桥梁还具有构件质量轻 运输与架 设方便 施工周期短等特点 因而越来越多地在跨度要求大以及有净空限制等地 段采用 桥面铺装是桥梁行车系的重要组成部分 它的好坏直接影响到行车的安全 性 舒适性 桥梁耐久性以及投资效益和社会效益 钢桥面铺装直接铺设在正交 异性钢桥面板上 在行车荷载 风载 温度变化及地震等因素影响下 其受力和 变形相对公路路面和机场道面复杂 因而对其强度 稳定度 疲劳耐久性等均有 更高要求 同时 又由于钢桥面铺装所处的特殊位置 在使用性能上又提出了重 量轻 粘结性好 不透水等特殊要求 因此 对钢桥面铺装技术是桥梁 特别是 钢桥面 建设中的一项关键技术 必须满足如下基本功能 l 1 在铺装层设计年限内 提供一个可供车辆安全 舒适行驶的表面 2 提供良好的平整度 保证行驶的舒适性 为钢桥面板提供防水层和保护层 3 在较长的服务年限内 应具有抵抗开裂 剥离和推挤的能力 维护费用较低 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 用于修复而中断交通的时间较少 4 良好的铺装结构设计不仅应能够有效地减少铺装层 钢板面层 加劲肋和焊缝 等处的疲劳应力 而且也能分散车轮集中荷载 减小桥面钢板中的荷载应力水平 并减轻行车荷载对桥面钢板的冲击作用 钢桥桥面受力体系由正交异性板和沥青混凝土铺装层组成 从力学强度上来 讲 薄型正交异性板对桥上行车荷载的支撑能力是足够的 然而从减轻桥梁自重 的角度出发 大跨径桥梁面板上一般采用薄层沥青混凝土铺装层 铺装层的主要 功能是为行驶车辆提供长期足够的平整的行驶路面 这就要求沥青混凝土铺装层 具有较高的强度及耐久性 较好的耐磨性及抗滑性和优良的高温稳定性 低温抗 裂性以及防水防渗透能力 这些要求比高等级公路上沥青混凝土面层更高 同时 由于钢桥面正交异性的变形复杂 局部变形大以及受自然气候影响大等因素而更 难达到 也就是说作为桥面沥青混凝土的 基层 钢桥面板因其自身特性所具有 的力学性能比公路路面结构中的基层复杂得多 随着大量钢桥的建设 钢桥面铺装的研究工作逐步深入 2 铺装层作为桥梁 结构的重要组成部分承担着防水 缓冲荷载冲击 覆盖桥梁结构物等重要作用 由于采用沥青混凝土作为铺装材料的桥面铺装铺盖于正交异性钢桥桥面板上 在 行车荷载下具有特殊的受力状态 若设计不合理 通车后不久便易产生各种病害 这不但影响到桥面的行车能力 而且由于钢板丧失了铺装的保护 在雨水的侵蚀 下还会引起桥梁结构的破坏 危及行人和车辆的安全 产生不良的社会影响 由 此可见 合理的铺装设计十分重要 桥梁铺装层的设计通常包括两个方面 力学 方面的设计和材料方面的设计 两者相互影响 相辅相成 具有同等重要的地位 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 力状况的影响 针对特定的桥梁和钢箱梁可以提出控制性指标 在接下来的混合 料设计中 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 才能使铺装层满足力学和材料两方面的要求 达到钢桥面铺装结 构的最佳设计 钢桥面铺装受力及铺装技术的复杂 从而我国部分已建成的 大跨径 桥梁 钢桥面铺装出现了不同程度的病害问题 3 如虎门大桥 江阴大桥 厦门海沧大 桥 宜昌长江公路大桥等 从这些已建成的大跨径钢桥来看 钢桥面铺装层的主 要破坏类型有渠化交通下的车辙变形 纵向裂缝 以及局部拥包 龟裂以及层间 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 推移等 目前已建成的 大跨径 钢桥的桥面铺装在服务期限内都或多或少的出 现上述的一种或多种破坏 完全成功的铺装基本没有 因而钢桥面铺装仍是世界 尚需解决的一个技术难题 因此 在我国当前大跨径桥梁建设事业迅猛发展下 研究和分析桥面铺装结构的工作性能和应力变形特性 具有重要的价值 1 2 钢桥面结构形式 随着桥梁建设不断的突破 钢梁应用越来越多 钢桥面铺装也主要随着大跨 径桥梁建设研究工作得到不断深入 因而其发展的历史即为大跨径钢桥建发展的 历史 大跨径钢梁悬索桥 斜拉桥的设计在国外已有较长的历史 早期桥梁结构绝 大部分采用桁架式加劲梁和钢筋混凝土桥面结构 如美国的维拉扎诺桥 1 9 6 4 金门大桥 1 9 3 7 1 9 6 6 年英国在布里斯托尔建造主跨9 8 8 m 的塞文桥时 首次 突破了传统技术 采用了扁平流线型钢箱梁 以代替高大的桁架式加劲梁 同时 利用钢箱梁的顶面板通过纵肋加劲 直接作为桥面 上铺沥青混合料桥面铺装 丹麦的小贝尔特桥 1 9 3 9 土耳其的博斯普鲁斯一桥 1 9 7 3 英国的汉博尔桥 1 9 8 1 土耳其的博斯普鲁斯二桥 1 9 8 8 等均采用了这种扁平流线型钢箱梁 并由箱梁顶板形成的桥面系统和沥青混合料薄层铺装 日本发展大跨径钢桥始于 2 0 世纪7 0 年代末 主要引进美国的建桥经验 多数桥梁采用桁架式加劲梁 但 桥面系统则采用由主梁 横梁 加劲肋与钢板等组成的正交异性板体系 图1 1 为正交异性钢桥面板的结构示意图 我国大跨径桥梁修建起步较晚 但发展迅速 表1 1 列举了部分国内外著名 桥梁的主梁结构与铺装形式 桥面铺装 图1 1 正交异性钢桥面板结构示意图 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 表1 1国内外著名桥梁的主梁结构与铺装形式一览表 4 桥梁名称主跨主梁类型建成年份 铺装类型 原始桥面为水泥混凝土铺装 金门大桥 美 1 2 8 0 钢桁架梁 1 9 3 7 1 9 8 6 年环氧沥青混合料重新铺装 维拉扎诺桥 美 1 2 8 9 钢桁架梁 1 9 6 4双层5 0 m m 环氧沥青混合料 诺曼底桥 法 8 5 6 钢箱梁 1 9 9 5双层沥青马蹄脂混合料 大贝尔特桥 丹 1 6 2 4 钢箱梁 1 9 9 8沥青马蹄脂混合料 3 0 m m 浇注式 3 0 m m 改性密级 多多罗大桥 日 8 9 0 9钢箱梁1 9 9 9 配沥青混合料 青马大桥1 3 7 7钢箱梁1 9 9 75 0 m m 沥青马蹄脂混合料 广东虎门大桥8 8 8钢箱梁1 9 9 75 5 6 0 m m 厚双层改性s m a 沥青马蹄脂混合料 0 3 年重铺为 江阴大桥 1 3 8 5 钢箱梁 1 9 9 9 5 0 m m 厚的浇注式沥青混合料 南京长江二桥 6 2 8 钢箱梁 2 0 0 0 5 0 m m 厚环氧沥青混合料 4 5 r a m 厚s m a l 3 3 5 m m 厚 武汉白沙洲大桥6 1 8钢箱梁 2 0 0 0 s m a l 0 润扬大桥1 4 9 0钢箱梁2 0 0 55 5 m m 厚环氧沥青混合料 钢 混凝土3 0 m m 厚g a l 0 浇注式沥青混凝 东海大桥 4 2 02 0 0 5 箱型结构土 5 0 m m 厚s m a l 3 苏通长江大桥1 0 8 8钢箱梁 2 0 0 8 双层环氧沥青路面 3 1 8 南 钢一混凝土 混凝土桥面采用双层s m a 杭州湾跨海大桥 2 0 0 8 4 4 8 北 箱型结构 钢桥面采用e b c l r a 0 5 s m a l 0 正交异性钢桥面板纵向加劲肋的截面形式一般分为开口截面和闭口截面 这 两种截面形式又有各自的优缺点 见表1 2 表1 2纵肋截面形式比较表 5 纵肋形 式 开口截面纵肋 闭口截面纵肋 a 纵肋和桥面盖板的焊接工作 a 开口截面纵肋其截面形状简单 工量约为开口截面纵肋的二分 厂制作和工地焊接都比较容易 之一 b 易于按不同的截面内力来改变纵 b 由于抗扭刚度大 荷载的横 优点肋截面 因而纵肋截面可得到充分 向分配作用好 所以可加大 利用 横肋间距 c 纵肋与横肋交叉处的连接构造简 c 由于具有较高的屈曲强度 单 所以有利于承受较大的轴向 力 a 桥面板每单元面积所用的焊缝数 a 纵肋和横肋交叉处构造复 缺点 较多 杂 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 b 采用开口纵肋时 横肋的间距通常 b 采用的闭口纵肋截面 横肋 在2 米以下的居多 与闭口截面纵间距可增大 但相应轮荷载 肋情况相比 横肋数量增多 所产生的局部变形也增大 c 开口截面纵肋屈曲强度较低 不利 于承受较大的纵向压力 通过截面对比 闭口形式截面能提供较大的抗扭刚度和抗弯刚度 对大跨径 桥梁的桥面板受力更有利 因此 目前大多数的正交异性钢桥面板均采用闭口加 劲肋的截面形式 但考虑到开口截面施工方便等长处 在桥面板受力较小的局部 范围仍然采用开1 3 截面加劲肋 为提高桥梁的整体刚度和荷载横向分布的需要 垂直于桥轴方向均匀布置的横向加劲肋称为横肋 对于箱形截面钢梁 箱内的横 肋往往做成沿箱壁的闭合截面 这种闭合截面的横肋通常被称为横隔板 1 3 钢桥面铺装材料 选择钢桥面铺装材料时 根据钢桥面铺装的特点 除了考虑铺装材料要满足 抗变形和其他路用性能的一般要求外 还必须具有与钢桥面板良好的黏结性 对 钢桥面板的防水抗腐蚀以及适应加劲梁桥面板局部弯曲变形的抗疲劳特性等 具 体要求包括 1 较高的铺装层强度 2 优良的高温稳定性 低温抗裂性 3 较好的耐久行 即较好的抗老化性 水稳定性和耐疲劳特性 4 优良的适应钢 桥面板复杂的变形 即优良的变形能力 5 良好的防水防渗透性能 6 铺装 层必须与钢板有良好的粘结性能 4 由于桥梁环境条件和桥面系受力复杂性 桥面铺装必须具有比一般路面更好 的防水性 柔韧性和耐久性 目前国内各类桥面铺装通常采用沥青混合料作为铺 装材料 沥青混合料的矿料部分应具有严格的级配要求 经过压实后达到规定的 强度和空隙率 而又由于沥青混合料的胶结料主要为沥青 而沥青是一种对温度 十分敏感的材料 这导致沥青混合料的性质受温度的影响十分突出 其劈裂强度 随温度变化可以从几m p a 变化到零点几m p a 由于沥青材料的差异和各类桥面 铺装的不同要求 沥青混合料采用的混合料有所不同 从广义上可以分为高温拌 合浇注式沥青混合料 g u s sa s p h a l t 环氧沥青混合料 e p o x ya s p h a l t 改性 沥青碎石马蹄脂混合料 s t o n em a t i ea s p h a l t 热压式沥青混合料 h r a 多 空隙沥青混合料 p a 传统密级配沥青混合料 h m a 以及其他新型沥青混合 料 浙江火学硕士学位论文第一章绪论 目前钢桥面铺装材料的类型 结合表1 1 中著名桥梁桥面铺装主要使用以下 四种 1 以德国 e l 本为代表的高温拌合浇注式沥青混合料 g u s s a p h a l t 方案 2 以英国为代表的碾压式沥青马蹄脂混凝土 m a s t i ca s p h a l t 方案 3 德国和 日本等国上世纪9 0 年代后采用的改性沥青s m a 方案 s t o n em a s t i ca s p h a l t 4 以美国为代表的环氧沥青 e p o x y a s p h a l t 混凝土方案 高温拌合浇注式沥青混凝土铺装层和碾压式沥青马蹄脂混凝土铺装层的主 要优点是 空隙率接近零 具有优良的防水 抗老化性能 无需防水层 抗裂性 能强 与钢板间的粘结性能优于一般沥青混凝土 其主要缺点是 高温稳定性差 易形成车辙 对气候和钢桥面清洁度要求苛刻 施工期长 6 1 沥青马蹄脂混凝土和浇注式沥青混凝土都采用了特立尼达湖沥青 t r i n i d a d l a k e a s p h a l t 沥青马蹄脂中的湖沥青含量一般为7 0 而浇注式沥青中的湖沥 青含量一般为3 0 两种铺装体系相比 碾压式沥青马蹄脂混凝土铺装层的厚 度薄 重量轻 沥青马蹄脂不但可以现场生产 而且可以加工固体块状以便储存 和运输 到现场后再加热使用 7 改性沥青s m a 混凝土铺装层的主要优点是 柔韧性 抗松散 抗裂能力强 具有良好的耐久性和防水性能 抗塑流和永久变形的能力强 不易产生车辙 具 有粗糙的表面构造 防滑性能好 施工要求低 施工期短 费用较低 其主要缺 点是 铺装层较厚 大于6 0 m m 保质年限短 环氧沥青混凝土铺装主要优点是 强度高 高温时抗塑流和永久变形能力很 强 低温抗裂性能很好 具有极好的抗疲劳性能 具有高度的抵抗化学物质侵蚀 的能力 8 包括溶剂 燃料和油 主要缺点是 环氧沥青混凝土的配制工艺比 较复杂 施工期间对时间和温度要求十分严格 施工难度大网 材料费用较高 相关技术资料在国外属于专利产品 1 3 1 浇注式沥青混凝土 浇注式沥青混凝土指在高温状态下 约2 4 0 c 2 6 0 c 进行拌和及摊铺的 一种特殊沥青混合料 该混合料中沥青 矿粉含量较大 在高温状态下流动性很 大 摊铺时依靠自身流动性而成型 无须碾压 1 0 成型后混凝土中的空隙率很小 工程实践中一般小于1 目前世界范围内钢桥面铺装应用浇注式沥青混凝土的 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 工程日本最多 由于浇注式沥青混凝土中沥青含量较多而使其高温稳定性差 故在桥面铺装 中一般将其用作结构下层 上层则一般采用抗高温性能更好的改性沥青密级配混 凝土 一般采用细粒式沥青混合料 有时也采用粗粒式沥青混合料 总铺装厚度 一般在6 0 8 0 m m 之间 浇注式沥青混凝土中的结合料由直馏沥青 s t a s 和特立尼达湖沥青 t l a 掺配而成 粘接层一般采用溶剂型橡胶沥青乳剂 直馏沥青的针入度过去采用 4 0 6 0 或6 0 8 0 现在一般采用2 0 4 0 t l a 的掺配含量一般为2 5 一3 0 浇注式沥青混凝土桥面铺装典型结构见图1 3 浇注式沥青混凝土集料级配 范围见表1 3 结合料的含量通过流动性试验 贯入度试验 车辙试验和低温弯 曲试验来确定性能指标见表1 4 改性沥青密级配沥青混凝土 预拌沥青碎石 1 注武沥青混凝土 橡胶沥青粘结层 防锈层 钢板 一 4 4 一 t 一 4 i j 1 j j 二 j 二 图1 2 浇注式沥青混凝土桥面铺装典型结构 表1 3浇注式沥青混凝土集料级配范围 筛孔尺寸 m m通过质量百分率 1 91 0 0 1 3 29 5 t o o 4 7 56 5 8 5 2 3 64 5 6 2 o 63 5 5 0 0 32 8 4 2 0 1 52 5 3 4 0 0 7 52 0 2 7 7 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 表1 4 浇注式沥青混合料性能指标 8 1 指标标准值 流动性试验 刘埃尔流动性 2 4 0 c s 3 0 0 0 弯曲试验 破坏应变 i o c 5 0 m m m i n 0 0 0 8 其配合比设计按如下程序进行 即制备不同沥青用量的试件 沥青用量在7 一1 0 问变化 分别进行表1 4 中的各项试验 画出沥青用量与各项标值之 间的曲线图 找出满足各项指标标准的沥青用量范围 取其中值士0 5 为设计沥 青用量 在下层浇注式沥青混凝土之上经常散布一层预拌沥青的碎石 一般采用5 号 碎石 粒经1 3 2 0 m m 采用浇注式沥青混凝土作为桥面铺装时 由于这种混合料的防水性能好 桥 面上残留的水分和油分高温时气化并被封闭在桥面钢板和粘接层或铺装下层之 间 会使铺装层表面产生气泡 1 3 2 碾压式沥青马蹄脂混凝土 碾压式沥青马蹄脂混凝土是高温状态下 约2 0 0 c 一2 4 0 c 进行拌和及摊铺 的一种特殊沥青混合料 与浇注式沥青混凝土不同的是采用该材料进行桥面铺装 时 一般不设上下层 而是直接一次性全厚摊铺 并在表面撒上预拌沥青碎石 碾压式沥青马蹄脂混凝土桥面铺装的厚度较薄 一般在3 0 m m 一5 0 m m 之间 这种材料在欧洲桥面铺装中使用较广 使用效果较好 但由于欧洲国家的环境条 件并不恶劣 其铺装材料更注重的是防水和磨耗性能 而其高温稳定性主要由高 比例的特立尼达湖沥青 占结合料总重的6 0 7 0 来保证 对于环境气温 高的热带和亚热带地区 这种铺装类型的高温稳定性问题将显得十分突出 碾压式沥青马蹄脂混凝土桥面铺装典型结构见图1 3 8 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 预拌沥青碎石 3 0 r a m 4 0 m m 沥青马蹄脂混凝土 橡胶沥青底层 粘结层 防锈层 钢板 i 7 一 图1 3 碾压式沥青马蹄脂混凝土铺装典型结构 沥青马蹄脂由基质沥青 特立尼达湖沥青和优质石灰石细集料混合而成 它 既可现场生产 也可在工厂预制 l o l 在摊铺之前 沥青马蹄脂在搅拌机中的温度 保持在2 0 0 c 一2 3 0 c 范围内 同时向搅拌机中加入占混合料总重4 5 的优质砂 砾 公称粒径为1 0 r a m 砂砾应洁净呈立方体状 且有6 0 7 0 集料的粒径 大于6 3 r a m 所得到的沥青马蹄脂混合料在2 0 0 c 2 3 0 c 下具有流动性 因此 在摊铺机将其倾倒在钢桥面上时 只需用整平板将混合料到平 而不必用压路机 碾压 橡胶沥青底层混合物由2 5 一2 9 的纯沥青 7 0 7 4 石灰石矿粉和1 2 的橡胶粉组成 可以在工厂中预制好后以及块状形式运抵工地 再重新 熔化后使用 橡胶沥青底层的铺设温度控制在1 7 0 c 一2 1 0 c 在铺设橡胶沥青 底层之前 还须涂敷一层粘结底层 一般为可溶性橡胶沥青 涂敷率为0 2 2 l m 2 为保证行车道面具有足够的摩擦系数 必须在整平后的沥青马蹄脂混凝土层 上撒布一层预拌沥青碎石 在沥青马蹄脂混凝土温度仍然很高时用压路机将其压 入沥青马蹄脂混凝土中 沥青马蹄脂混凝土和浇注式沥青混凝土很多方面相同 因此国内学者一般统 称为浇注式混凝土 1 3 3 改性沥青s m a 混凝土 s m a 是一种间断级配 属于骨架密实结构的沥青混合料 它的特征是含有 9 浙江大学硕士学位论文第一一章绪论 较多的粗集料 7 0 一8 0 和结合料 5 5 一7 0 这种混合料中 粗集料 形成紧密嵌挤的骨架结构 而沥青砂胶充分填于集料骨架的空隙中 沥青结合料 质量要求比普通沥青混合料高 必须满足沥青马蹄脂的需要 要有较高的粘度 符合一定的要求 以保证有足够的高温稳定性和低温柔韧性f 改性沥青s m a 混凝土用作桥面铺装主要有两种情况 一种是同时用作桥面铺装的上面层和下面 层 一种是用作桥面铺装的上面层 由于s m a 的抗高温车辙变形性能 低温抗 裂性能 抗疲劳性能和表面性能都比普通密级配沥青混凝土好得多 空隙率也较 小 将s m a 用作桥面铺装的下面层在国外已有成功的经验 如德国钢桥面铺装 规范中明确规定可以采用该方案 日本近年来为改善铺装的热稳性 也开始使用 s m a 来代替浇注式沥青混凝土作为铺装下面层 最长无损使用年限已有七年 1 2 改性沥青s m a 桥面铺装典型结构见图1 4 我国近年来采用改性沥青s m a 混凝土的钢桥见表1 5 改性沥青s m a 瓣胶沥百聒耵 改性沥青s m a 乳化橡胶沥青聒磊矿 防锈层 钢板 图1 4 改性沥青s m a 桥面铺装典型结构 表1 5部分采用改性s m a 沥青混合料铺装的钢桥 桥名年份主梁及桥面板类型 铺装厚度 m m 菪石大桥 1 9 9 8钢箱梁3 0 m m s m a l 0 3 5 m m s 队1 3 海沧大桥 1 9 9 9钢箱梁3 0 m m s m a l 0 3 5 m m s m a l 3 白沙洲大桥 2 0 0 0钢箱梁3 5 m m s m a l 伊卜3 5 r a m s m a l 3 鹅公岩大桥 2 0 0 0 钢箱梁 3 0 m m s m a l o 3 5 m m s m a l 3 军山大桥2 0 0 l钢箱梁4 0 m m s m a l 0 3 5 m m s m a l 3 产滤大掭 2 0 0 3钢箱梁7 0 m m s m a l o 1 0 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 4 环氧沥青混凝土 环氧沥青是将环氧树脂加入沥青中 经与固化剂发生固化反应 形成不可逆 的固化物 这种材料从根本上改变了沥青的热塑性质 赋予沥青全新的优良物理 力学性质 用环氧沥青拌合的沥青混合料 其路用性能大大优异于普通沥青混合 料 国外从2 0 世纪6 0 年代开始研究环氧沥青混合料 日本北海道大学土木学科 的间山正一 营原照雄在2 0 世纪7 0 年代就环氧沥青混合料的配制 模量 应力 松弛性能 破坏性能等进行了研究 4 由于环氧树脂价格较高 加之施工技术要 求也很高 且其产品均为专利产品 因而其没有在工程上得到大范围的推广使用 美国 澳大利亚等国家使用环氧沥青混合料 主要是利用其优秀高温稳定性 以 满足机场跑道罩面的要求 1 9 6 7 年 首次用作美国s a nm a t e o h a y w a r d 大桥正交 异性钢板桥面的铺装层 环氧沥青桥面普装典型结构见图1 5 表1 6 列出了世 界上部分采用环氧沥青混凝土铺装的正交异性钢桥 环氧沥青铺装层 环氧沥青粘结层 一环泵两青铺装屡 一 环氧沥青牯结层 防锈层 钢板 图1 5 环氧沥青桥面普装典型结构 桥名年份主梁及桥面板类型桥面钢板厚度 m m铺装厚度 m m 美国s a nm a t e o h a y w a r d 桥 1 9 6 7 钢箱梁 正交异性 1 45 0 美国s a n d i e g o c o r o n a d o 桥 1 9 6 9 钢箱梁 正交异性 1 04 0 美国l i o n s g a t e 桥 1 9 7 5 钢桁架 正交异性 1 23 8 美国g o l d e n g a t e 桥 1 9 8 6 钢桁架 正交异性 1 64 0 新西兰m a r i t i m e o f f r a m p 1 9 9 6 钢箱梁 正交异性 1 67 6 桥 南京长江第二大桥 2 0 0 0 钢箱梁 正交异性 1 45 0 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 桃夭门大桥 2 0 0 3 钢箱梁 正交异性 1 45 0 润扬长江公路大桥 2 0 0 4 钢箱梁 正交异性 1 45 5 南京长江第三大桥 2 0 0 5 钢箱梁 正交异性 1 4 1 65 0 苏通长江大桥 2 0 0 8钢箱梁 正交异性1 45 5 环氧沥青混合料虽然在国外已有较长的应用历史 但是并没有形成统一的设 计方法 也没有完整的指标要求 东南大学桥面铺装课题组结合南京长i x 桥环 氧沥青混合料铺装研究 对环氧沥青混合料提出了相应的设计方法 并积累了润 扬大桥桥面铺装等工程应用环氧沥青混合料铺装的经验 提出了我国环氧沥青混 合料铺装的指标 见表1 7 1 4 表1 7环氧沥青混合料设计指标及其技术要求 技术指标技术要求试验方法 表观密度 g c m 3 2 4 8 0 2 6 2 0j t j 0 5 2 2 0 0 0 空隙率 1 5 4 0j 1 y 0 5 2 2 0 0 0 马歇尔稳定度 固化 k n 4 0j 1 j 0 5 2 2 0 0 0 流值 固化 o 1 m m 2 0 5 0j t j 0 5 2 2 0 0 0 残留稳定度 8 5n 1 0 5 2 2 0 0 0 间接拉伸应变 1 0 6 芝8 0 j t j 0 5 2 2 0 0 0 t s r 芝7 0 j t j 0 5 2 2 0 0 0 环氧沥青混合料配合比设计采用马歇尔试验 得出最佳沥青用量 同时综合 考虑混合料的抗疲劳性能 水稳定性 高温稳定性 低温抗裂性等性能 从而保 证混合料具有良好的性能 1 4 国内外研究概述 钢桥面铺装因自身受力的复杂性 到目前为止 各国还没有形成一套成熟 普遍适用的结构形式和设计方法 1 3 因国外钢桥的建设起步较早 相比之下 对 桥面铺装的研究也开展的较早 最先对钢桥面铺装体系开展研究的是德国 其后 美国 英国 丹麦 荷兰 日本以及其他一些国家和地区也先后进行了研究 1 4 1 总的来说国外的研究还是以铺装材料的改性和经验分析为主 并辅以试验加以论 证 但就理论研究而言 国外学者也取得了一定的成果 积累了部分适合各国自 身国情的经验 1 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 e u r o c o d e 3 1 5 d e s i g n o f s t e e ls t r u c t u r e s 1 9 9 7 中 了防止铺装层的破坏 做了 以下规定 1 应限制纵向加劲肋的刚度 并给出了纵向加劲肋惯性矩 与横隔板间距 a 的关系曲线 2 对桥面板的厚度做了规定 f m i 1 2 m m 沥青铺装层厚度 7 0 m m t m 之1 4 m m 4 0 m m 沥青铺装层厚度 7 0 m m 3 桥面板纵肋腹板间距e 6 m m 开口加劲肋的最小板厚t 1 0 m m a a s h t o t l 6 中规定为防止铺装层的破坏 车轮荷载在计入3 0 的冲击影响 后所引起的挠度要小于纵肋间距的1 3 0 0 且在计算挠度时 铺装的刚度不应计 入 日本 道路桥示方书 同解说 17 1 中同样对桥面板的最小曲率半径为2 0 m 最大的肋间相对弯沉量为0 4 m m 日本本州四国连络桥公团的 钢床版设计要 领 同解说 f 1 8 中做了如下规定 1 给出了铺装的劲度模量与钢桥面板应力的关系曲线 2 u 形纵肋的尺寸 i n l n 开口宽2 8 0 3 4 0 底板宽b a 2 h h 为肋高 肋厚6 8 3 u 形腹板间距尽量保持一致 且纵梁腹板与最近u 肋腹板间距1 5 0 m m 一 2 0 0 m m 4 给出了几种结构形式和荷载位置下 铺装弹性模量与钢桥面板最小曲率 半径的关系曲线 为了防止钢桥面铺装层病害 欧洲 美国 日本等国都在相应的指导或规范 中对钢桥面板的构造 铺装的厚度或是钢桥面板的变形等做了一定的限制规定 但各国的交通情况 气候环境以及所用材料的特性等都有所不同 而且 从这些 国家钢桥面铺装的使用情况来看 铺装病害仍然存在 对桥面铺装的研究仍是一 大热点 钢桥面铺装研究 大致可从三个方面分类 1 桥面铺装计算分析和构造的研 究 2 铺装材料性能研究 3 其他外在因素对钢桥面铺装结构力学特性影响研究 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 1 钢桥面铺装计算分析和构造的研究 钢桥面铺装直接铺设于桥面板上 钢桥面板的受力状态直接与桥面铺装力学 状态有关 因而对钢桥面板力学特性的研究对桥面铺装至关重要 钢桥面板除了有桥面板和桥面系外 亦作为主梁的组成部分参与受力 一般 按三个基本结构体系对钢桥面板加以研究 1 9 1 1 盖板和纵肋组成的结构系 盖板看成主梁的一个组成部分 2 纵肋 横肋和盖板组成的结构系 3 把盖板看成是各向同性的连续板 这个板直接承受作用于肋间的轮荷载 同时把轮荷载传递到肋上 一般来说 由于沥青混凝土铺装的刚度远小于桥面钢板的刚度 而其主要承 受局部车轮的作用 因此 对铺装受力的计算一般忽略第一体系的计算 在早期 对钢桥铺装体系的研究中 为了简化计算 大多学者都只考虑第三结构体系计算 1 9 5 7 年p e l i k a n 与e s s l i n g e r 2 0 1 共同提出了p e l i k a n e s s l i n g e r 方法 简称p e 法 p e 法是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 得到柔性支撑上正交异性钢桥面板的静力解 1 9 6 7 年m e t c a l f l 2 1 基于平 截面假定提出组合梁理论 近似简支梁 跨中加集中力p 得到钢板与沥青混凝土 铺装劲度模量比刀与跨中挠度厂的关系曲线 以及刀与铺装拉应变的关系曲线 k o l s t e i n e 2 2 1 在m e t c a l f 的基础上 考虑钢板与铺装完全脱离 对铺装内的应力情况 进行计算分析 s e d l a c e k b i l d l 2 3 同样采用简支梁简化模型 研究了粘结层刚度 与沥青应变的关系 n a k a n i s h i k e n s e t s u 2 4 1 采用两跨连续梁为计算模型并进行试 验研究 用粘结层系数t 0 1 来模拟铺装和钢板的连续状态 得到各种状态下 的铺装表面的应变情况 进行比较 同时也对铺装层和钢板层中剪应力的分布情 况作了表述 在上述这些研究中 普遍采用了简化计算 因而得出的挠度值 应力和应变 值不能真实全面的反映桥面铺装变形和受力情况 与实际结果存在一定误差 随 着科学技术发展 精确的计算方法产生和有效技术手段研发 越来越多的应用于 钢桥面铺装体系受力分析 a h s h e i k h 与m m u k h o p a d h y a y 2 0 采用有限条分法对加劲梁进行几何非线性 分析 成功地将非线性板理论应用于正交异性加劲板中 1 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 g h g u n t h e r 和s b i l d l 2 5 1 分析了带加劲肋的桥面顶板 得出了车辆荷载作用 下桥面铺装表面出现横向最大拉应力位置 并且从控制铺装层破坏的角度提出了 加劲肋间距 横梁间距 钢板厚度参数的推荐值 并从钢桥面板厚度 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 c h a r l e ss e i m 和t i mi n g h a m l 2 6 1 通过有限元分析正交异性板模型 得出正交异 性板模型上铺装层的厚度和模量变化时铺装层和正交异性板在车辆荷载作用下 的力学特性的变化规律 国内的学者通过应用有限元软件得到了一些钢桥面铺装的受力特性的研究 成果 方萍1 2 7 1 等通过有限元计算 得出沥青混凝土铺装与钢桥面板的共同作用对 钢桥面板受力是有利的 国内部分学者 2 8 3 1 1 为了研究正交异性钢桥面铺装的层间剪应力分布规律 和水平制动力对铺装层的影响 引入了g o o d m a n 模型单元来模拟铺装层与钢 板问的不完全粘结 何平 成峰等1 3 2 1 3 3 1 人对铺装的弹塑性模型进行了初步探讨 得出弹塑性模 型对拉应力和拉应变的影响较大 且弹性模型的拉应力大于弹塑性模型的拉应 力 对于层间剪应力 变形和应变的影响均较小 此外 沈桂平 曹雪琴等 3 4 1 通过对我国早期的钢桥 广东北江大桥实测获 取了桥梁荷载谱资料 并采用模拟桥面应力方法进行了铺装与钢板结合件的疲劳 试验 得出铺装材料抗疲劳承载能力 而童乐为 沈祖炎等 3 5 对钢桥疲劳问题进行了深入系统的研究 对大型钢桥 面板模型进行了静力试验和有限元分析 得到钢桥面板各个部位的应力分布情 况 进行合理的简化得出正交异