（模式识别与智能系统专业论文）桥面铺装层叠合效应的受力分析研究.pdf

桥面铺装层叠合效应的受力分析研究 摘要 传统桥梁结构设计和计算中不考虑铺装层与主体结构共同受力 忽略铺装层 对结构受力性能的影响 随着桥面铺装技术的提高和新材料的应用 桥面铺装层 的耐久性得到提高 铺装层与主梁的粘结性能加强 对多数桥梁而言铺装层参与 结构受力 因而在结构计算时应考虑铺装层的叠合效应 文章基于混凝土铺装层 受力及其与主梁共同工作 选择了具有不同厚度铺装层的单梁进行试验 分析铺 装层的受力状态 阐述考虑铺装层后对装配式桥梁各片梁的横向分布系数的影响 对桥梁上部结构承载力及刚度的影响 为明确铺装层叠合效应对桥梁主体结构受 力性能的影响 并在结构设计和计算中合理利用铺装层叠合效应 文章将通过有 限元分析对这一问题进行系统的研究 关键词 桥面铺装层 力学分析 叠合效应 承载力提高系数 横向分布系数 t h e a n a l y s i so fb e a r i n gf o r c ea n dt h es t u d yo nt h ec o n g r u e n c e e f f e c to fb r i d g ed e c kp a v e m e n t a b s t r c a t i nt h eo r d i n a r yb r i d g ed e s i g na n dc a l c u l a t i o n t h ei n f l u e n c eo ft h e o nt h es t r u c t u r ep e r f o r m a n c ew a sn e g l e c t e d a st h eo v e r l a i dp a v e m e n ta n d t h em a i nb r i d g es t r u c t u r en o tw o r kt o g e t h e r b u ta st h ed e v e l o p m e n to f t h ec o n s t r u c t i o n m e t h o da n d t h ea p p li a n c eo ft h en e wm a t e r i a l t h e d u r a b i1i t yo ft h ep a v e m e n th a s b e e na d v a n c e d a n dt h eb o n d i n gp e r f o r m a n c e b e t w e e nt h ep a v e m e n ta n dg i r d e rh a nb e e ne n h a n c e d s ot h ep a v e m e n tc a n w o r kw i t ht h eg i r d e r a n dt h ec o n g r u e n c ee f f e c t s h o u l db ec o n s i d e r e di n t h ec a l c u l a t i o n t h i sa r t i c l ea n a l y z ea n ds t u d yt h es t r u c t u r eo fd e c k p a v e m e n tf r o mt h eb e a r i n gc a p a c i t yo fs t r u c t u r e w h i c hb a s e do nt h e b e a r i n gc a p a c i t yo fc o n c r e t ed e c kp a v e m e n ta n di t sw o r k i n gw i t hp r i n c i p a l b e a m t h i sd i s s e r t a t i o ns e l e c tt h es i n g l eb e a m sw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s s o fd e c kp a v e m e n tt oe x p e r i m e n ta n da n a l y z et h eb e a r i n gc a p a c i t ys t a t e o fd e c kp a v e m e n ta n dt h ei n f l u e n c eo fc o n g r u e n c ee f f e c tt ot h eh o r iz o n t a l d i s t r i b u t i n go ft h ec o e f f i c i e n t c a r r y i n gc a p a c i t ya n dr i g i d i t y t h e a r t i c l er e s e a r c ht h e s es u b j e c tb ye x p e r i m e n ta n df e ma n a l y s i st ot h e i n f l u e n c eo fc o n g r u e n c ee f f e c tt ot h eb r i d g em a j o rs t r u c t u r e a n dm a k e u s eo ft h ec o n g r u e n c ee f f e c ti nt h eo r d i n a r yb r i d g ed e s i g na n dc a l c u l a t i o n r a t i o n a l l y k e yw o r d b r i d g ed e c kp a v e m e n t m e c h a n i c a la n a l y s i s c o n g r u e n c ee f f e c t i n c r e a s i n gc o e f f i c i e n to fc a r r y i n gc a p a c i t y h o r i z o n t a ld i s t r i b u t i n g o ft h ec o e f f i c i e n t 插图清单 图2 1 桥面铺装应力计算模型 9 图2 2 加载示意图 1 0 图2 3 跨中截面荷载位移曲线图 10 图2 4 跨中位移回归曲线图 1 0 图2 5 跨中截面混凝土沿梁高应力分布图 13 图2 6 跨中钢筋应力曲线 1 3 图2 7 跨中截面荷载位移曲线图 1 4 图2 8 跨中位移回归曲线图 1 5 图2 9 跨中截面混凝土应力沿梁高分布图 l7 图2 1 0 跨中钢筋应力曲线 1 7 图2 1 1 跨中截面荷载位移曲线图 1 8 图2 1 2 跨中位移回归曲线图 1 9 图2 1 3 跨中截面混凝土沿梁高应力分布图 2 0 图2 1 4 跨中钢筋应力曲线 2 0 图2 1 5 跨中截面荷载位移曲线图 2 1 图2 1 6 跨中位移回归曲线图 2 1 图2 17 跨中截面混凝土沿梁高应力分布图 2 3 图2 1 8 跨中钢筋加载 卸载应力曲线 2 3 图2 19 荷载位移曲线 2 4 图2 2 0 跨中位移回归曲线 2 4 图2 2 1 跨中截面混凝土压力沿梁高分布图 2 6 图2 2 2 跨中钢筋应力曲线 2 6 图2 2 3 铺装层厚度对承载力系数的影响曲线图 2 8 图3 1 铰接t 梁桥在单位正弦荷载作用下铰接力计算模型 一3 0 图3 2 刚接t 梁桥在单位正弦荷载作用下铰接力计算模型 3 l 图3 3 考虑铺装层后荷载横向分布的计算模型 3 3 图4 1 考虑铺装层作用空心板受力状态 3 5 图4 2 考虑铺装层作用截面的混凝土应变图 3 6 图5 1 横断面布置及主梁截面尺寸 4 4 图5 2c 3 0 徐变系数示意图 4 9 图5 3c 3 0 收缩应变示意图 一j 4 9 图5 42 0 m t 梁离散模型示意图 4 9 图5 5 梁弯矩及抗力包络图 5 0 图5 6 梁弯矩及抗力包络图 51 表格清单 表2 1 试验单梁一览表 9 表2 2 主梁抗弯刚度比 1 1 表2 3 主梁抗弯刚度比 1 5 表2 4 层间混凝土应力 l8 表2 5 主梁抗弯刚度比 1 9 表2 6 主梁抗弯刚度比 2 2 表2 7 主梁抗弯刚度比 2 5 表2 8 铺装层厚度的改变对截面承裁力的影响 2 7 表5 1 主梁结构信息 4 5 表5 2 影响线数值的计算结果 4 6 表5 3 横向分布系数计算结果 4 6 表5 4 主梁结构信息 4 7 表5 5 影响线数值的计算结果 4 7 表5 6 横向分布系数计算结果 4 8 表5 7 主要控制截面抗弯承载能力 5 0 表5 8 跨中使用阶段单项荷载作用下结构竖向位移值 5 0 表5 9 主要控制截面抗弯承载能力 5 l 表5 1 0 使用阶段单项荷载作用下结构竖向位移值 5 1 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 垆 我所知 除了文中特别加以标志和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果 也不包含为获得金 巴工些厶堂 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已在论文中作了明确的说明并表示谢 意 学位论文作者签字 专 何专签字日期 0 7 年 月 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目里 些态堂有关保留 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 允许论文被查阅或借阅 本人授权 金 胆工 些厶堂可以将学位论文的全部或部分论文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1 奇 论文作者毕业后去向 作单位 通讯地址 导师签名 签字日期沪节年叶月 f 日 3 电话 f3 们卜 o7 邮编 荟 谚 y 芦 1 n 州f 轻斥0 别 秘 糍 渺 文 朗 论 目 位 字 学 签 致谢 值此论文完成之际 谨向我的导师汪莲副教授表示最真诚的感谢 感谢汪老 师在学业上及生活上给予我极大的关怀和帮助 在研究生这两年多的学习时间里 汪老师给予我悉心的指导 本论文的选题 撰写 修改直至最后定稿都是在汪老师的帮助下完成的 汪老师严谨的治学态 度 广博的学术知识 科学创新精神 都对我有很深刻的影响 使我受益匪浅 在此 谨向我的导师表示衷心的感谢 感谢学友 校友对我的帮助 良好的氛围伴我度过了在校园的美好时光 特别感谢我的父母 在我多年的求学和成长过程中是你们给予了我无私的奉 献和关爱 在我身上倾注了无数的心血 我所走的每一步无不包含着你们的辛 勤的培养 祝愿你们健康快乐 感谢所有关心和帮助我的人 感谢合肥工业大学 感谢土木与水利工程学院 在这里给我留下无数美好的回忆 作者 谢玮 2 0 0 9 年2 月1 3 日 第一章绪论 1 1 问题的提出 桥面铺装层是结构的保护层 直接承受车轮荷载 梁体变形和环境因素的 作用 其变形和应力特性与主梁及铺装层结构形式密切相关 它一方面可以分 散荷载并参与结构的受力 另一方面起联络各主梁共同受力的作用 现行 公 路桥涵设计通用规范 j t gd 6 0 2 0 0 4 没有对桥面铺装参与主梁受力做详细说 明 只是对各种情况下桥梁的铺装厚度提出了要求 原 公路桥涵设计通用规 范 j t j 0 2 1 8 9 规定 装配式钢筋混凝土 预应力混凝土梁桥采用水泥混凝土 或沥青混凝上铺装 其厚度为0 0 6 0 o b m 如在施工中能确保铺装层与行车道 板紧密结合成整体 则铺装层的混凝土 除去作为车轮磨耗部分可取0 0 1 0 0 2 m 厚外 还可以计算在行车道的厚度内和行车道板共同受力 为使铺装层具有足 够的强度和良好的整体性 亦能起联系各主梁共同受力的作用 一般宜在混凝 土中铺设钢筋网 然而 随着交通量和重型车的增加 当载重车反复作用时 由于主要承重结构的变形 使得桥面铺装不足以抵抗使用荷载及结构变形的要 求 导致铺装层破坏 目前 沥青混凝土铺装通常在柔性路面的公路桥梁中考虑应用 而在高等 级公路桥梁中常采用刚性铺装或组合式铺装比 桥梁设计和计算中 通常假设 铺装层不参与结构受力 而只将其作为二期恒载施加于结构 对柔性桥面铺装 而言 由于铺装层与主梁的粘结在长期荷载作用下常遭到破坏 因此这种假设 是合理的 但对高等级公路中的刚性铺装和组合式铺装层而言 桥面施工常采 用以下措施确保铺装层与主梁粘结k 钊 1 钢筋混凝土桥面铺装层均应在梁板混凝土顶面安装锚固架立钢筋 再将 钢筋网与锚固架立钢筋相焊接 锚固架立钢筋应有4 8 根 m 在梁端或支座部 位剪应力较大处取大值 反之可取小值 桥面铺装层钢筋网应使用焊接网或预 制冷轧带肋钢筋网 不宜使用绑扎钢筋网 2 采用双层钢筋网一次铺装时 除底层钢筋网应与梁板锚固焊接外 上下 层钢筋网亦应焊接 3 桥面钢筋网应在整个桥面铺装层内连续 不得因铺装宽度不足或停工而 切断纵 横向钢筋 对于装配式桥梁 在预制梁体的顶面常做成凸凹不小于6 m m 的粗糙面 铺装 层施工时将预制梁体项面刷净晾干后再浇筑混凝土 这一施工工艺也提高了铺 装层与梁体的粘结性能 同时随着新材料的研究和应用 钢纤维混凝土在桥面 铺装层中逐渐得到应用 钢纤维混凝土良好的物理性能 明显减少桥面铺装病 害 更有利于铺装层和预制构件共同工作怕r 由于以上新工艺和新材料的应用 铺装层与行车道板紧密结合成整体 因而 在桥梁体系结构分析时应考虑铺装层与桥面板共同受力 桥面铺装完成后混凝 土铺装层实际成为结构叠合层 桥面铺装层与梁体形成组合结构 这种具有 二 阶段受力 特征的组合结构与一次受力结构有较大的不同 因而在桥梁计算时 应考虑铺装层的叠合效应 对装配式桥而言 桥面铺装叠合效应 一方面表现在铺装层同预制构件紧 密结合形成叠合结构 另一方面表现在对装配式板桥荷载横向分布的影响 近 年来国内外学者比 副对桥面铺装层的受力性能做了许多研究 但这些研究主要 针对于铺装层本身的受力性能分析 较少研究铺装层的叠合效应 为此本文通 过试验研究和理论分析 深入系统地研究和分析铺装层叠合效应对装配式桥梁 受力性能的影响 及考虑铺装后对桥梁结构的承载力及整体刚度的贡献 1 2 研究概况 桥面铺装问题是介于桥梁与道路两个专业的交叉领域 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自的要求和认知进行设计 没有形成 统一的规范与标准 至今还是基于以前的经验知识进行设计和修筑 到目前为 止 该方面的研究仍属起步阶段 尤其对设计 材料与施工等全过程的系统研 究仍比较少见 目前 国内外对于桥面铺装的研究大多集中在铺装材料的改性 和铺装技术的研究 且主要针对钢桥 世界上最早开展钢桥面铺装研究和实践 的国家是德国 随后法国 日本和美国等国家也相继开展这方面的工作 德国 日本还制定相应的技术规范 pu 副 这些国家对钢桥桥面铺装层设计 包括铺装 材料与厚度设计 主要采用结合材料试验的经验设计法 英 美等国已开始用有 限元分析程序对钢桥面铺装体系进行力学分析 而考虑铺装层叠合效应的研究 美国加州大学s a n d 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u 刨u 圳 曾进行过桥面 板上加铺混凝土来恢复和提高旧桥面板的承载力的研究课题 其具体研究方法 为 从加卅1 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 m x 3 7 m 的梁 送到加卅i s a n d i e g o 大学的c h a r l e s l e e p o w eu 结构 系统实验室 通过加铺全混凝土 进行承载力测试 由于其所用构件截面较大 构件失效是加铺混凝土层粘结破坏引起的 但其研究结论仍证实加铺混凝土层 对主梁承载力的提高作用 我国对桥面铺装领域的研究进行较晚 相关研究也较少 近年来 随着桥 面铺装出现开裂 剥落等破坏现象的增多 逐渐引起部分学者的重视 特别是 特大型桥梁的增多和大跨径钢桥或由钢混凝土组合梁桥的修建 使桥面铺装技 术成为一个研究热点 我国桥面铺装的研究最初是集中于铺装材料和施工技术 的研究 但从广东虎门大桥的铺装层力学分析开始 其后的江阴长江大桥 南 京长江二桥等桥面铺装研究中 桥面铺装的力学分析已成为大跨径钢桥铺装技 术研究的主要内容之一 也取得一定的研究成果 长安大学张占军 胡长顺等 u 刨 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 2 铺装的层问剪应力进行计算和分析 通过对沥青类桥面铺装层的破坏现象的分 析 发现使用摩尔一库仑理论确定铺装厚度比较合适 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 结合防水 层 平整度 施工工艺和车辙指标的要求 提出桥面沥青铺装层厚度的计算方 法 同济大学徐军等u 驯对s u p e r s a p 软件对正交异性钢桥面板弹性阶段的应力 特性进行分析 研究构造布置对铺装应变的影响 其研究表明纵肋 横肋和桥 面板等处均存在应力高峰 桥面板横向的高拉应力是造成目前铺装层纵向裂缝 的主要原因 长沙交通学院肖秋明等 副根据刚性支撑的弹性层理论 对沥青混 凝土钢桥面铺装的剪应力进行分析 并在分析结果的基础上提出粘结层的抗剪 指标 东南大学胡光伟等皤训从铺装层材料厚度 横隔板间距 钢板厚度以及梯 形加劲肋刚度等方面 探讨正交异性钢箱梁桥面板第二体系的优化设计方法 给出正交异性钢桥面板各个参数的合理数值界限 方萍等瞄u 通过对钢桥面铺装 模型结构进行静载试验和有限元分析 研究钢桥面板及沥青混凝土铺装层在车 轮荷载下的局部变形和应力 应变特性结果表明在常温或低温状态下 沥青混 凝土铺装层对钢桥面板不仅起分散荷载的作用 而且与钢桥面板形成组合断面 成为钢桥面板结构的一部分 相当于增加桥面钢板的厚度 对于钢桥面沥青混 凝土铺装表面产生裂缝的问题 不仅与正交异性钢桥面板的结构形式有关 而 且与沥青混凝土铺装的结构形式 铺装层的厚度和刚度以及铺装与桥面钢板的 粘接状况有着密切的关系 笔者认为桥面铺装设计应以控制桥面铺装的拉裂或 压碎以及剥离或脱空为目的 应当考虑铺装层与梁体结构的叠合效应 提出了 桥面铺装层设计的一般方法瞄引 从以上研究可知 在大跨径钢桥铺装层受力分析时 已有部分模型认为铺 装层与钢桥面板形成组合截面 铺装层成为钢桥面板的一部分 增大桥面板厚 度 这本质上己经考虑铺装层的叠合效应 但这些研究侧重于铺装层的受力分 析 而不考虑叠合效应对主体结构的影响 且主要集中于大跨径钢桥 有一定 的局限性 对中小型混凝土桥梁铺装层的研究 国内主要集中于铺装层病害的分析和 防治以及新材料的应用 而对铺装层的叠合效应则少有研究 近年来国内部分 学者在进行混凝土桥梁研究时 也曾涉及到这些问题 并得出一定的成果 但 也存在一些问题 乐金朝等比副利用各向异性线弹性理论和三维有限元方法 构 造正交异性接触模型 模拟沥青层与混凝土层间的接触情况 对层间剪应力进 行分析 并考虑铺装层厚度的影响 其有限元模型虽较为精确 但其仍局限于 铺装层的力学性能研究 贺君 雷俊卿等比刮在研究桥面横向预应力作用时 利 用薄板理论考虑铺装层与空心板的共同受力 但其研究主要集中有桥面横向预 应力对空心板桥受力性能影响 并未考虑铺装层对空心板桥受力性能的影响 杨春风 徐洪涛等心副在研究桥面铺装层承载力时 对6 片跨径2 m 的矩形截面梁室 内模型试验 分析厚度为2 5 r a m 3 0 r a m 3 8 r a m 和4 5 r a m 的混凝土铺装层和厚度为3 0 r a m 的钢纤维混凝土铺装层对主梁正截面承载能力的影响 并绘出铺装层厚度与承 载能力关系曲线 揭示桥面铺装层对主梁承载力的贡献 这是国内首见的明确 研究铺装层叠合效应的文献 但由于试验采用小尺寸模型试验 且其铺装层厚 度较小 与实际桥梁结构有较大的差异 管品武咄叫等在研究桥面铺装与梁体的 叠合效应时通过采用3 片l l o m 的空心板 分别考虑无铺装 l o c m 混凝土铺装 l o c m 钢纤维混凝土铺装 对比3 种情形下对单板正截面受力性能的影响 分析了 不同铺装层厚度和材料荷载横向分布系数及板的应力和变形影响 给出了考虑 铺装层叠合效应空心板桥实用计算方法 商允福等瞄 在实践的基础上总结出预 应力空心板桥超荷载设计方法 从而解决低荷载等级空心板桥建设成高等级荷 载桥梁的问题 该理论实质是考虑铺装层与预制空心板共同受力 预应力空心 板和铺装层形成一整体组合型截面 但其研究主要针对单板受力 且缺乏必要 的试验依据 纵观国内外研究可以发现 这些研究偏重于铺装层的设计和受力 分析 且主要针对于大跨径桥梁 而针对铺装层叠合效应的研究则更少 且存 在一些问题 通过对已有文献研究可知 造成以往研究较少主要有两个原因 1 桥面铺装层耐久性因素 桥面铺装层病害一直是桥梁结构常见病害之一 长期荷载作用下 桥面铺装层的过早破坏 降低桥梁的使用寿命比驯心圳 鉴于铺 装层耐久性因素 因而在设计中通常不考虑铺装层参与结构受力 2 传统桥梁设计理论中对桥面铺装层一般不作受力计算 仅将其视为附属 结构 计算中作为二期恒载施加于桥面 这种简化对桥梁设计是偏于安全的 因而在设计中很少考虑铺装层对主体结构受力性能的影响 事实上随着桥面铺装新材料的应用 以及桥面铺装施工措施的改进 铺装 层耐久性得到提高 对于装配式桥梁 是有条件通过有效的施工方法保证铺装 层与梁体紧密的结合 所以考虑铺装层参与受力是合理的 尤其是现阶段国内 很多桥梁都需要加固 粘贴钢板 碳纤维 更换桥面铺装作为一种综合加固手 段广泛使用 这种情况下考虑桥面铺装与梁体的叠合效应 铺装参与主梁的受 力是必要的 因为往往考虑粘贴法加固时 计算中受压区高度很大 若不考虑 部分铺装层参与受力 受压区高度往往超出中性轴所在位置 理论上表示主梁 是受压区砼压碎遭到破坏 在梁底粘贴钢板等材料是没有意义的 这与桥面铺 装实际是参与主梁受力 增大了主梁的截面有效高度的情况是不符合的瞄 综 上所述可知 目前国内外对桥面铺装层对桥梁受力性能影响的研究尚少 尽管 部分学者做出一些研究 但仍缺乏系统的试验研究和理论研究 因而目前对考 虑铺装层影响的桥梁设计计算只能依据相关的经验来实施 桥面铺装层对装配 式桥受力性能有何影响 铺装层的设计参数对结构承载力有何影响 在设计中 如何考虑铺装层的影响 如何做到既能满足设计要求 又能充分利用材料性能 这都是有待进一步解决的问题 4 1 3 本课题的研究意义和来源 鉴于以往设计计算中 没有考虑铺装层作为叠合层参与结构受力 因而忽 略了铺装层对结构承载力的贡献 如果铺装层与主体结构粘结良好 铺装层与 主梁形成 二阶段 受力组合构件 受压区截面加大 从而一定程度上可以提 高结构的承载力 因而研究桥面铺装层作用对装配式桥梁受力性能的影响 对 研究装配式桥梁的整体受力性能以及对提高装配式桥梁的承载力和整体刚度具 有重要的意义 本课题来源于合店路上跨淮南铁路桥拓宽项目 在新规划的道路断面要求 下老桥两侧新增两幅新桥 桥梁荷载等级由汽一2 0 变为城一a 级 计算结果老桥正 截面抗弯承载力不足 需进行加固 为取得良好的加固效果 需完善加固方案 提高桥梁结构的承载力 本文通过研究更换老桥铺装层后对装配式t 梁桥受力性 能的影响 分析研究考虑铺装参与受力后对单片梁的横向分布系数 承载力 整体刚度的贡献 使得理论计算值与整桥实际受力状态达到较吻合的状态 从 而达到期望的加固效果 期望在今后同类加固项目中能得到推广 因而具有重 要的工程应用价值 1 4 本文研究的主要内容 1 在研究桥面铺装层承载力时 对6 片跨径2 m 的矩形截面梁室内模型试验 分析桥面为无铺装 2 5 m m 3 0 r a m 3 8m m 和4 5 r a m 的混凝土铺装层对主梁正截面 承载能力的影响 并绘出铺装层厚度与承载能力关系曲线 揭示桥面铺装层对 主梁承载力的贡献 2 介绍了桥面铺装层的计算模型 应力应变计算分析理论 桥面铺装层参 与主梁受力时对荷载横向分布系数的影响 并提出考虑铺装层的组合结构横向 分布系数计算方法 3 介绍了叠合结构的计算分析方法 分析了考虑铺装层作用时 一般装配 式桥梁的正截面承载力计算 抗裂验算以及刚度验算 可按照现行规范对预应 力混凝土叠合梁的规定进行 4 以工程实例为背景 介绍通过更换桥面铺装层 考虑铺装层的叠合效应 来提高旧桥荷载等级的桥面补强加固方法 采取一定方法使铺装层与原桥跨结 构形成组合结构 利用梁体截面的加高 受压区的增大 达到增大主梁有效高 度和抗弯能力 以及改善行车条件 桥梁横向分布荷载能力的目的 从而提高 桥梁的承载能力 第二章铺装层受力分析及试验研究 2 1 概述 桥面铺装层是铺设在主梁顶面 或拱项填料 上面的一层薄板结构其受力状 态比较复杂 试假定铺装层下是完全刚性的平面 则铺装层结构是刚体上的薄 板 其边界条件可能是m 1 1 铺装层完全光滑接触 2 铺装层与刚体粘结接触 具有一定的粘结力 铺装层的受力状态是受车轮荷载的挤压 揉搓作用 取决于铺装层材料本身的性能及其与下层刚体的粘结力 1 刚性铺装层因车轮揉搓混凝土松散或结合层开裂 铺装层的厚度 强度和与下层的粘结力 此时铺装层的承载力 铺装层承载力取决于 2 柔性铺装层在车轮作用下产生拥包 车辙 推移 铺装层承载力取决于 沥青混凝土的高温稳定性 与下层的粘结力 及其本身的强度 然而桥面铺装层的受力状态远比上述条件复杂得多 首先 铺装层下的主 梁 或主拱圈 不是刚体 在荷载作用下要发生变形 在主梁结构上的铺装层要 能够适应这种变形 温度的改变有时起着推波助澜的作用 其次 装配式桥梁 由于主梁间的变形差 导致铺装层沿主梁纵缝受剪切作用 再则 铺装层自身 具有一定的刚度 导致板体翘曲 铺装层下为松散填料的拱桥 受力状态更接 近路面结构 对这种结构的铺装层厚度 承载力要求更高 对于不同的桥梁结 构铺装层受力特征完全不同 2 2 桥面铺装受力状态理论分析 将桥梁的整个上部结构可简化为一块纵向板体结构 为了研究方便和根据 实际状况 纵向板体结构又可分为两层 第一层为桥面铺装 第二层为主板 1 主板 经考察分析 主板有以下特性 1 主板在行车荷载作用下 位移和变形是微小的 2 板的厚度与最d 夕l 形尺寸相比是微小的 1 5 并且应变与转角都远小于 1 3 由于板的纵横向梁的刚度及配筋情况不同 因此 该板是正交各向异性 板 由此 主板可比拟为正交异性小挠度板 符合弹性薄板理论的假设和要求 其挠曲微分方程为 鲅d x 可a 4 0 j 瑚翥 b 等叫w 2 1 其寺 d x e t x d 日v h n e jx j 以 寺 j 珏 等 以2 鲁 j 知 等 口2 谢 式中 j 一沿x 方向的抗弯惯矩 一沿y 方向的抗弯惯矩 厶一沿x 方向的抗扭惯矩 厶 一沿y 方向的抗扭陨矩 口一沿x 方向板的长度 6 一沿y 方向板的长度 e 一板的弹性模量 g 一剪切模量 方程 2 1 为四阶非齐次的偏微分方程 代入边界条件后 解得荷载作用下 任意点的挠度值w x y 后 就可得到相应的内力值 2 桥面铺装 桥面铺装有以下几个特性 1 在行车荷载作用下的挠度 o 0 3 h 铺 为桥面铺装的厚度 因此桥面 铺装属大挠度变形 2 由于粘结层的作用 设计要求不允许桥面铺装与主板间产生自由滑动 因而将出现板中间的伸长 产生薄膜力 薄膜力的出现有助于结构承受横向荷 载 3 桥面铺装一般设置钢筋网和其它加强材料 在两个正交方向影响程度相 当 因此 该板可看作各向同性板 即各向同性的大挠度板 其弯曲的微分方 程为 等 2 a 2 l c o 2 2 式中 鲁岳 窘 警 窘 雾一2 等 等 n a 2 咖 ya 2 0 a 2 而 o x2 露2 矿 o y 2 葛 矿h 巧2 i 2 石v f 西一引入的艾里函数 由此 整个桥面上部体系可按双层体系进行分析 即具有一定厚度的大挠 度各向同性的弹性薄板上层 连续地支承在小挠度各向异性的弹性薄板上 根 据边界条件 两层之间没有脱空现象 在它们的接触面上除垂直位移和垂直应 7 力连续外 其它都是不连续的 则可得到双层体系的桥面铺装微分方程 2 3 桥面铺装层弯曲正应力分析 当桥面铺装内的弯曲正应力超过混凝土的容许正应力时 桥面铺装层将会 出现横向裂缝 因此 需对桥面铺装内的弯曲正应力进行分析 桥面铺装层受 桥面板结构和主梁结构形式影响 其受力变形特征有异于普通混凝土路面结构 桥面铺装直接承受车辆轮载的作用 在构造上和桥面板粘结在一起 既传递活 载于桥面板 又参与桥面板的受力 2 3 1 计算假定 桥梁上部预应力混凝土结构 主梁的混凝土应力是按预应力钢筋所产生的 预应力加上恒载和活载产生的应力来计算 而对铺装层内的应力未作要求 为 分析铺装层内的弯曲正应力 作如下假定 1 预应力混凝土主梁承受一期及二期恒载 即承担混凝土梁的自重及二期 恒载的作用 2 活载由主梁和铺装层共同承担 铺装层内的荷载应力仅由活载产生 3 梁截面的变形符合平截面假定 4 所有材料均处于弹性工作状态 5 主梁和铺装层间完全连续 2 3 2 弯曲正应力的计算分析 图2 1 为桥面铺装应力模型 图中各字母的含义如下 a a 一主梁换算截面的中性轴位置 a a 一主梁十铺装换算截面的中性轴位置 计算时 应将铺装层和主梁根据其 弹性模量之比 换算为同种材料 y 一主梁截面上缘至中性轴q 一0 1 之距 y 一桥面铺装上缘至中性轴a q 之距 一主梁换算截面的抗弯惯矩 厶一主梁 铺装换算截面的抗弯惯矩 m一活载引起的弯矩 o 忆 一一期恒载 主梁自重 引起的弯矩 坂 一二期恒载 桥面铺装重力 引起的弯矩 8 一 空 肇 主柔 仍 d 图2 1 桥面铺装应力计算模型 1 铺装层顶面由活载鸭引起的弯曲正应力 上 等y 2 3 2 铺装层下缘由活载m p 引起的弯曲正应力 仃 m pqt f y3 2 4 仃 2 了3 3 主梁的上缘正应力 嘶上 气半 鲁 5 式中仃h 为预应力钢筋预加力在主梁上缘产生的拉应力 2 4 铺装层单梁试验研究 2 4 1 概述 本章试验数据是依据河北工业大学杨春风 许洪涛所做的矩形截面梁内试 验模型的结果 通过不同厚度 不同性能材料铺装层 见表2 1 在分级加载条 件下的试验方法 数据分析及其及试验结果 在试验分析的基础上 阐述铺装 层的受力状态及其破坏特征 通过试验采集试验梁变形 应力数据及混凝土裂 缝开展情况 分析铺装层的工作性能及其对结构承载力的影响瞄 9 表2 i 试验单梁一览表 铺装层材料普通砼普通砼 普通砼普通砼 铺装层厚度无铺装层 2 5 m m3 0 r a m3 8 m m4 5 m m合计 5 件 试件数量11ll1 试验利用反力架 千斤顶分级加载 见图2 2 加载控制稳定时间 在每级加 载后立即测读一次 计算其与加载前测读值之差s g 后每隔5 m i n 测读一次 计算 5 m i n 前后读数的差值 s 当a s s 4 于1 时 认为结构基本稳定 可进行各观 测点读数 位移百分表 构件混凝土裂缝人工测读 混凝土 钢筋应力应变由 d h 3 8 1 5 静态应变测试系统采集记录 一a ri x 5 0 今2 兮 5 d 2 5 0 0 图2 2 加载示意图 2 4 2 单梁无铺装层承载力试验 通过对单梁无铺装层的静力荷载试验 获取开裂荷载只 极限承载只 p 厂关系曲线 混凝土钢筋的应力应变数据 作为分析受弯构件的基本参数 用于分析有铺装层构件的受力情况 1 荷载位移关系 p k n o2 04 06 0 8 0 1 0 0 7 4 吣 二 j 7 7 q i i 驾 岛一i j 一 j l 一 i 象 图2 3 跨中截面荷载位移曲线图 1 0 o 2 4 6 8 0 2一量一潍逍 p k n 02 04 06 08 01 0 0 一 k 氐 吣 弋 一 j i j j j j 凄 图2 4 跨中位移回归曲线 由荷载位移曲线 见图2 3 可以看出 实测位移曲线上有两个拐点 分别 对应开裂荷载与极限承载力的位置 两拐点将曲线分为三个部分 对其进行线 性回归 得到荷载与主梁位移的关系如下 当x 2 0 k ny o 0 3 4 x 当2 0 x 8 0 k ny o 1 0 6 5 x 1 1 6 0 5 当2 0 x 8 0 k ny o 6 0 4 3 x 4 1 3 3 3 1 跨中挠度计算公式 一m l 2 a 三丝 6 u 一2 x l o 一9 三 j 一 o z l u 一 b4 8o 8 5 邑厶l 厶l 2 6 当x 2 0 k n o 0 2 8 3 x 当x 2 0 k ny o 0 8 1 7 x 式中 m 跨中弯矩 卜主梁跨径 e 一混凝土弹性模量 厶 一截面抗弩陨矩 2 理论抗弯刚度与实测抗弯刚度 理论抗弯刚度 b 0 8 5 邑厶梁处于整体工作阶段 b 0 8 5 邑厶 梁处于带裂缝工作阶段 实测抗弯刚度 由主梁跨中挠度厂 去 p 2 等 可以反算出实测抗弯刚度 即 b 竺丝 2 7 9 6 f 与理论抗弯刚度进行比较 见表2 2 o 2 4 6 8 0 2 一星一嬉犁 表2 2 主梁抗弯刚度比 荷载实测抗弯刚度 k n k n m 2 理论抗弯刚度 1 斟 m 2 刚度比 1 05 4 0 1 2 35 1 6 0 51 0 4 7 2 04 2 8 8 2 35 1 6 0 50 8 3 l 2 5 3 5 7 3 5 3 1 7 8 8 2 31 6 2 4 02 2 1 7 4 9 6 01 8 6 5 2 5 1 7 8 9 2 30 9 8 8 8 01 6 6 3 9 1 考虑主梁受力和变形可分为三个阶段 即整体工作阶段 带裂缝工作阶段 和破坏阶段 主梁处于整体工作阶段 这时主梁全截面参加工作 计算抗弯刚 度应把受拉区混凝土全部考虑 当主梁底面出现裂缝后 部分抗拉区混凝土退 出工作 这时拉应力主要由钢筋承担 在这个阶段 计算抗弯刚度不考虑受拉 区混凝土的影响 按开裂截面计算 主梁进入破坏阶段后 纵向受力钢筋达到其 屈服强度 因为试验是连续加载 所以混凝土裂缝逐渐开展 实际刚度逐渐减 低 考虑混凝土梁的安全系数以及实际受力是多次重复荷载作用 当加载小于 5 0 极限承载力时刚度l l l 2 4 0 接近破坏荷载时 刚度比为1 0 0 0 左右 3 结果分析 从试验与分析结果看出 实测荷载位移曲线符合双折线分布 两个转折点即 开裂荷载和极限承载力 分别是只 2 0 k n 只 8 0 k n 理论计算只 1 3 9 k n 只 7 2 0 3 k n 荷载小于等于2 0 k n 时 挠度随着荷载的增加而增大 两者基本 上成正比 截面处于整体工作阶段 实测位移和理论位移值基本相似 试验相 关系数n 0 8 开裂荷载为2 0 k n 截面开裂后 位移曲线斜率增大 试验过程中 混凝土的裂缝及裂缝的开张展是随荷载增加而发展的 因此 刚度是一个渐变 降低的过程 公路桥涵设计通用规范 j t gd 6 0 2 0 0 4 规定在带裂缝工作阶 段刚度取固定值e i i 为开裂截面换算截面惯性矩 带裂缝工作阶段位移随 荷载基本成线性增长 位移的实测值的增长速度略高于理论值 相关系数为 n 0 6 3 0 9 6 主要原因是一次加载试验中 考虑混凝土开裂随荷载逐渐增加 截面刚度随之减低 因此主梁抗弯刚度是逐渐减小的 多次重复荷载条件下 抗弯刚度趋于稳定 取相关系数n 0 8 5 进入破坏阶段后 荷载维持在破坏荷 载附近 位移迅速增加 裂缝迅速增加 并伴随卸载现象发生 自加载到破坏 梁经历弹性工作 带裂缝工作及破坏三个阶段 符合典型的适筋梁受力过程 为塑性破坏特征 表明试验基准梁符合钢筋混凝土适筋梁要求 所选单梁试验 模型符合要求 2 截面应力应变分析 1 跨中截面沿梁高混凝土应力分布曲线 图2 5 1 2 目 3 幄 象 名 量 一 恒 察l 厶t 一 二4 7 罐 1 u 一 o t 一一 2 镭 4 20 应力值 m p a 昌 三 坦 翕j 246 圈 嚣 f j 7 硝 j u r o 4 j j i j g 一 7 踢 3 0 2 0 1 应力值 m p a 1 0 7 锈 j u 一 i 一 一7 6 0 4 0 2 0 02 q 应力值 m p a 6 0 k n l 名 e 恒 觥 昌 茸 一 障 眯 辩 j l j 毒 7 t 1 5 1 0 5 应力值 j p a 一 昌 三 恒 扁k 1 0 能 j t 一 j t 习 u 卢 j w i j i j l 一 麓 一4 0 2 0 应力值 m p a 皇 三 褪 眯 2 0 7一 2 一二 褒 j 4 卢 j 0 厂 i f i j 毳 一1 0 0 5 0 0 应力值 m p a e 囤 一 二 i4 j 穗 i 夕 i j j j j j j 一 l 1 0 0 5 0 应力值 m p a 5 0 图2 5 跨中截面混凝土沿梁高应力分布图 2 钢筋荷载应力曲线 五 4 0 0 3 5 0 令3 0 0 皇2 5 0 姜2 0 0 毯1 5 0 1 0 0 5 0 p k n oo 2 04 06 08 0 1 0 0 图2 6 跨中钢筋应力曲线 3 正截面应力分析 由图2 5 一 2 6 可以看出 荷载为2 0k n 时梁底混凝土拉应力仃 1 8 6 m p a 小 于混凝土极限抗拉强度尺 4 o m p a 材料试验值 梁处于整体工作阶段 中性 轴位于1 2 梁高附近 当p 2 5 k n 梁底混凝土拉应力仃 1 1 4 6 m p a 远远大于 混凝土的极限抗拉强度 混凝土开裂 进入带裂缝工作阶段 在这一阶段 截 面应力分布仍基本保持线性分布 但混凝土名义拉应力已经超过极限抗拉强度 中性轴随荷载增加逐渐上移 推断开裂荷载只 2 0 k n 与荷载位移曲线推断一 致 当尸 8 0 k n 混凝土上缘拉应力仃 2 7 6 6 m p a 超过混凝土的极限抗拉强 度r 试验材料值 梁体破坏 极限承载力 由图 5可a 26 7 1 m p a 8 0 k n2 以看出当荷载等与2 0 k n 时 曲线斜率有一明显的突变 说明荷载大于2 0 k n 时 受压区混凝土退出工作 拉应力逐渐由受拉钢筋承担 当p 8 0 k n 时 钢筋拉应 力仃 3 3 4 m p a 接近钢筋极限抗拉强度局 3 4 0 m p a 即将破坏 由以上分析可以 得出 试验梁开裂荷载p 2 0 k n 极限承载力只 8 0 k n 与2 3 图一致 该试验 梁与简支梁承受静力荷载截面弯曲正应力吻合 其试验参数可以作为有铺装层 单梁静力荷载试验的参照 4 极限承载力校验系数 量要垦苎度 x 恙芋 丽3 4 0 x 5 6 6 3 6 6 6 m i n 破坏弯矩 8 心 去r o b x h o 一手去m s 3 0 0 3 6 6 6 1 7 5 一半 x 1 0 6 2 4 1 2 k n m 极限荷载 只 2 等 2 2 0 4 7 1 2 6 9 k n 校验系数 专名乩m 2 4 32 5 m 铺装层单梁承载力试验 1 4 1 荷载位移关系 3 鞫 0 2 售 基4 6 8 p k s o2 04 06 08 01 0 0 奴 一 爹 j 月 j 习 j 蕈巍 一 一 诌 图2 7 跨中截面荷载位移曲线 p k n o 2 04 06 08 0 1 0 01 2 0 一一一一 甍 2 0 日 角 d j jj k 一 霭 图2 8 跨中位移回归曲线 由位移曲线 图2 7 可以看出 实测位移曲线上有两个拐点 分别对应开裂 荷载与极限承载力的位置 两拐点将曲线分为三个部分 对其进行线性回归 得到荷载与主梁位移的关系如下 当x 2 2 5 k ny o 0 1 7 9 x o 0 1 1 5 当2 2 5 8 5 k n y o 2 8 4 2 x 一2 0 7 1 l 1 跨中挠度计算公式 一m l 2 a 三丝 6 0 2 一 l o 一9 三 一 一 o u l u 7 b4 80 8 5 乓厶l 厶l 2 8 当x 2 2 5 l 洲 0 0 2 2 6 x 当x 2 2 5 k ny 0 0 5 2 7 x 2 理论抗弯刚度与实测抗弯刚度 表2 3 主梁抗弯刚度比 荷载 k n 实测抗弯刚度 k n m 2 理论抗弯刚度 k n i l l 2 刚度比 1 07 3 0 06 4 4 3 8 51 2 0 6 1 2 57 6 0 4 2 1 57 8 2 1 4 1 7 57 9 8 4 4 2 08 1 1 1 1 2 2 57 8 2 1 4 2 57 4 4 9 2 7 56 6 9 1 7 3 06 1 6 9 3 2 55 3 3 1 5 3 54 9 1 3 5 4 04 1 1 2 72 3 9 8 2 81 5 2 8 5 03 2 1 5 9 6 02 9 4 9 5 7 02 8 0 0 2 3 9 8 2 81 1 8 4 8 02 7 8 7 6 8 52 8 2 0 5 9 02 6 2 2 8 9 52 3 9 1 4 9 71 9 6 4 2 由跨中挠度计算的实测抗弯刚度理论抗弯刚度相比 整体工作阶段实测刚 度与理论刚度最为接近 刚度比为1 2 0 6 带裂缝工作阶段实测刚度变化较大 从7 4 4 9 0 k n m 2 减低到接近破坏阶段的2 8 2 0 5 k n m 2 试验中采用的一次加 载法 随着混凝土裂缝的开展 截面抗弯刚度逐渐减低 考虑混凝土梁的安全 系数以及实际受力是多次重复荷载作用 当加载小于5 0 的极限承载力时刚度 比1 5 2 8 接近破坏荷载时 刚度比为1 1 7 6 3 结果分析 荷载位移曲线符合双折线分布 两个转折点即开裂荷载和极限承载力分别 尸 2 2 5k n 8 5k n 理论计算只 1 7 8 1k n 只 9 2 1 9k n 考虑铺装层 效应的承载力只 8 5 7k n 试验相关系数n 0 8 5 说明在这个阶段铺装层能够 与主梁很好的结合在一起 共同参与受力 截面开裂后 位移曲线斜率增大 在此阶段位移随荷载基本成线性增长 移的实测值的增长速度略高于理论值 相关系数为n 0 4 1 0 9 9 考虑混凝土开裂随荷载而增加 截面刚度随之降低 取相关系数n 0 8 0 2 截面应力应变分析 1 跨中截面沿梁高混凝土应力分布曲线 1 6 旨 j i勒 t 2 应力1 肝a 自l o k n 1 应力 肝a l l 2 舍 3 惺 嫌 4321 o 上 2 乙一3 4 应力 m p a l 2 5 k n 6 j 蟹 i 镭 i 支 萨 乞 i 缎7 7j j 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