钢箱梁桥面铺装若干力学问题研究-铁道工程硕士论文

东南大学校基金 编号 XJ0421161 资助 分类号 U443 33 密 级 公 开 UDC 625 学 号 021509 东 南 大 学东 南 大 学 硕 士 学 位 论 文硕 士 学 位 论 文 钢箱梁桥面铺装若干力学问题研究钢箱梁桥面铺装若干力学问题研究 研究生姓名 魏奇芬魏奇芬 导师姓名 张晓春 副教授张晓春 副教授 申请学位级别 工 学 硕 士 工 学 硕 士 学科专业名称 道路与铁道工程道路与铁道工程 论文提交日期 2005 年 3 月 日 2005 年 3 月 日 论文答辩日期 2005 年 3 月 31 日2005 年 3 月 31 日 学位授予单位 东 南 大 学 东 南 大 学 学位授予日期 2005 年 月 日2005 年 月 日 答辩委员会主席 邵裕森 教授 邵裕森 教授 评 阅 人 杨树才 研究员级高工杨树才 研究员级高工 钱振东 副教授钱振东 副教授 2005 年 3 月 日 硕士学位论文硕士学位论文 钢箱梁桥面铺装若干力学问题研究钢箱梁桥面铺装若干力学问题研究 研究生 魏奇芬研究生 魏奇芬 导导 师 张晓春师 张晓春 副教授副教授 专专 业 道路与铁道工程业 道路与铁道工程 东南大学交通学院东南大学交通学院 二零零五年三月二零零五年三月 SEVERAL MECHANICAL PROBLEMS ANALYSIS OF STEEL GIRDER BRIDGE PAVEMENT A Dissertation Submitted to Southeast University For the Academic Degree of Master of Engineering BY WEI Qi fen Supervised by Professor Zhang Xiao chun Transportation College Southeast University March 2005 东 南 大 学 学 位 论 文 独 创 性 声 明 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 研究生签名 日 期 东 南 大 学 学 位 论 文 使 用 授 权 声 明 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 导师签名 日 期 东南大学硕士学位论文 摘要 摘摘 要要 大跨径钢桥在公路交通中起着越来越重要的枢纽作用 桥面铺装的优劣直接影响着行 车的舒适性和桥梁的安全使用性 目前 桥面铺装技术已成为建设大跨径桥梁的关键性技 术之一 桥面铺装不同于普通的高等级路面 由于其结构的特殊性 正交异性桥面体系及 轻薄的沥青面层等 亦受外界气候和温度的影响 因而很容易产生各种病害 究其机理 可归结为铺装体系的受力特性和由此引起的损伤积累 基于此思想 本文采用理论分析 数值模拟等方法对钢箱梁桥面铺装体系的若干力学问题进行了研究 首先 详细介绍和分析了用于桥面铺装的改性沥青 SMA 的结构组成 强度组成机理 力学特性及工程应用的特点 其次 以目前广泛采用的闭口梯形加劲肋正交异性钢桥面铺装体系为对象 采用数值 模拟的方法 分析了桥面铺装体系在静载作用下的受力特性 研究了钢桥面板下梯形加劲 肋三参数变化对铺装层表面变形的敏感性 并进一步从铺装材料模量变化和不同的荷位分 布两方面分析了铺装层表面的横向拉应力分布规律 第三 针对钢桥面铺装表面开裂发生的特点和静荷载下板 肋受力特性 将钢桥面铺 装复合结构简化为一定条件下的复合梁结构 分析了沥青混合料铺装层的损伤累积情况 推导了疲劳损伤的控制方程 初步探讨了铺装层疲劳寿命的预测方法 最后 考虑沥青铺装材料的非线性特性 粘弹塑性 在施加不同荷载水平的等幅循环 荷载条件下 针对弹塑性模型 数值分析了铺装层的塑性变形和累积情况 针对蠕变模型 分析并预测了铺装层变形积累随时间变化的关系 针对运载情况 对比分析了铺装层受常 载和超载时的塑性累积情况 本文的分析结果可以用于桥梁和桥面铺装层的设计 也可以为进一步分析桥面铺装问 题提供理论参考 关键词 钢箱梁 桥面铺装体系 有限元分析 疲劳损伤 蠕变 等幅循环荷载 I 东南大学硕士学位论文 Abstract Abstract Long span steel bridges play important role in highway transportation The quality of pavement directly affects the cars comfort and the safe usage of bridge Currently the bridge deck surfacing is one of the crucial techniques of long span steel bridges construction Compare with the general road bridge pavement has special structures such as orthotropic bridge system and light minded asphalt surface The pavement diseases are resulted from the influence of environment climate and temperature Its mechanism can due to the mechanical property of pavement system and the damage accumulate in the asphalt concrete According to above the theory analysis and numerical simulation and such methods are used in this dissertation for the analysis of several mechanical problems in steel girder bridge system First the structure composing strength mechanism mechanics characteristic and engineering applications of SMA Stone Mastic Asphalt are detailed introduced and analyzed Secondly the orthotropic steel bridge pavement system with close trapezoid stiffened ribs is used widely look it as an object to study The property of pavement system under dead load is analyzed with numerical simulation method The sensitivity of pavement surface deformation is analyzed to the variation of Trapezoid Stiffened Rib s three parameters The distribution pattern of transverse tension stress for different pavement material models and different loading positions are also studied Thirdly considering the steel bridge pavement system s mechanical property of pavement cracks decks and ribs it can be simplified into a model of composite beam under some condition The damage accumulation in the asphalt concrete and the control equations of fatigue damage are studied The prediction method of fatigue life for pavement is discussed initially Lastly nonlinear properties of asphalt material such as viscous elastic plastic are considered The plastic accumulation in the asphalt concrete pavement surface under different cyclic load levers and traffic in normal and overload conditions is studied with a elastic plastic model The relation between the deformation accumulation and time is also numerical analyzed with a creep model The conclusions of this dissertation can be used straightly on the design of bridge structures and bridge pavement and as a base for further analysis Keywords Steel Girder Pavement system FEA Fatigue and Damage Creep Equally cyclic load II 东南大学硕士学位论文 目录 目目 录录 目 录 1 第一章 绪 论 1 1 1 研究背景及意义 1 1 2 国内外钢桥面铺装研究发展概况 2 1 3 本文研究内容 方法及技术路线 3 1 3 1 主要的研究内容 3 1 3 2 技术路线 3 1 3 3 研究路线框图 3 第二章 改性沥青SMA特性研究 5 2 1 SMA研究及应用现状 5 2 2 SMA性能介绍 6 2 2 1 强度组成机理 6 2 2 2 SMA优点 7 2 2 3 SMA缺点 7 2 3 改性沥青SMA的发展及其在桥面铺装上的应用研究 8 2 3 1 改性沥青SMA性能研究发展现状 8 2 3 2 改性沥青SMA在桥面铺装上的应用 8 2 3 3 改性沥青SMA在桥面铺装的技术性能要求 9 2 4 改性沥青SMA力学特性 10 2 5 本章小结 13 第三章 钢箱梁桥面铺装层静载受力的数值分析 14 3 1 钢桥面铺装有限元分析模型 14 3 2 有限元命令流 15 3 3 梯形加劲肋三参数对铺装层表面拉应力与应变的影响 16 3 4 铺装层表面横向拉应力 应变 的影响因素分析 17 3 4 1 铺装材料模量对横向拉应力与应变的影响分析 18 3 4 2 三个荷位对横向拉应力的影响分析 19 3 5 铺装层表面变形云图 19 3 6 本章小结 20 第四章 钢箱梁桥面铺装疲劳特性的损伤力学分析 21 4 1 分析模型 21 4 2 疲劳损伤分析 22 4 2 1 不考虑沥青路面疲劳损伤时 22 4 2 2 考虑沥青路面疲劳损伤时 23 4 3 复合梁刚度和挠度的疲劳损伤分析 24 4 4 沥青铺装层疲劳寿命预测 26 4 5 本章小结 26 第五章 等幅循环荷载作用下铺装层粘弹塑性变形的数值分析 27 5 1 工程问题中的循环荷载作用分析 27 5 2 钢箱梁桥面铺装层弹塑性力学分析 28 5 2 1 有限元分析模型 28 5 2 2 材料的性能 29 I 东南大学硕士学位论文 目录 5 2 3 不同荷载频率下铺装层力学分析 29 5 3 钢箱梁桥面铺装层流变特性分析 30 5 3 1 蠕变模型及数值模拟方法 31 5 3 2 数值模拟的相关参数 32 5 3 3 数值模拟结果及分析 32 5 4 数据预测分析 33 5 5 超载运输对钢箱梁桥面铺装层受力的影响 37 5 5 1 超载交通现状研究 37 5 5 2 不同荷载水平下铺装层力学分析 37 5 5 3 超载对车辙的影响 38 5 5 4 不同模量下铺装层受力分析 39 5 6 本章小节 40 第六章 结论及展望 41 6 1 本文研究结论 41 6 2 本文创新点 41 6 3 展望 42 参考文献 43 致 谢 50 硕士在读期间发表的论文及研究工作 51 II 东南大学硕士学位论文 第一章 绪 论 第一章 绪 论 1 1 研究背景及意义研究背景及意义 自1940年德国建造了首座各向异性钢板桥以来 由于其造价低廉及优良的结构性能而受到了各国 桥梁建设者的青睐 我国修建大跨径桥梁起步较晚 但发展却较为迅速 尤其是近十几年 已建成的武 汉白沙洲大桥 厦门海沧大桥 宜昌长江大桥及南京长江二桥等 发挥着重要的交通枢纽作用 大跨径 钢桥铺装理论与设计方法有了长足的进展 1 桥面铺装体系是桥梁行车系的重要组成部分 在行车载荷与环境因素的复合作用下 承受行车荷 载 风载 以及雨 雪侵蚀等作用 桥面铺装体系由正交异性桥面板和铺装材料层组成 它的好坏和 使用耐久性直接影响到行车的安全性 舒适性 桥梁耐久性及投资效益和社会效益 世界各国的钢桥 面大多采用沥青混合料铺装的背景下 常采用正交各向异性钢桥桥面体系 以减轻大跨径桥梁上部结 构的自重 但钢桥面正交异性面板的刚度较小 变形复杂 局部变形大以及受自然气候影响大等因素 而要求桥面沥青铺装具有良好的变形随从性 对于交通量大的大跨径桥梁的桥面铺装 维护较困难 一旦破坏 就必须进行维修 因而导致交通阻塞 所造成的经济效益和社会效益损失不可估量的 因 此 桥面铺装成为制约大跨径桥梁建设和发展的一项关键技术 沥青砼直接铺设在正交异性钢板上 正交异性钢桥面板直接决定了钢桥面铺装的性能 由于正交异 性板的特殊力学性质 加上温差大 交通量繁重 桥梁本身振动频繁等不良外部环境的影响 大跨径钢 桥桥面铺装的受力更加复杂 钢桥面铺装不同于一般公路沥青混合料铺装 比路面更易损坏 经调查发 现 由于对铺装和钢桥面的工作机理了解和重视不够 我国近年建成的不少大跨径钢桥的桥面铺装在早 期有不同程度的开裂损坏 2 4 在国际上 铺装的耐久性问题也没有得到很好的解决 5 7 深入研究大跨 径钢桥桥面铺装的力学特性和破坏机理 并形成一套行之有效的设计方法 已经成为现在土木工程研究 中的一个热点问题 国外大跨径钢桥桥面铺装技术研究已有40多年的历史 最早对钢桥桥面铺装体系开展研究的是德 国 其后是美国 英国 丹麦 荷兰 日本以及其他的一些国家和地区 对钢桥面铺装层受力的研究主 要集中在经验分析上 并辅以试验论证以确定桥面板及铺装层的局部应力 位移及结构的可靠性 为桥 面铺装设计提供有效可靠的参数 考虑到各国气候地理条件差异较大 车辆荷载组成也不同 我国研究 人员也从不同角度钢桥面铺装体系进行力学性能分析 1 8 15 但大多数正交异性钢桥的分析研究 很少 考虑桥面铺装问题 有的仅将铺装层材料视为线弹性材料 用有限元方法进行静载分析 10 16 17 而静载 仅适用于车速较低的情况 与钢桥桥面铺装体系实际受力状况有一定的差异 在铺装体系的力学分析中 一般都把铺装层材料看成是线弹性的 对于材料的非线性特性下铺装层 的受力特性研究不多 实际上 沥青混合料在不同的环境和受力状况表现出的力学特性是不同的 如在 不同的温度和应力条件下会表现出弹性 弹 粘性和弹 粘 塑性等不同特性 因此 对于铺装层材料 的非线性特性的受力分析将对铺装层材料的设计和今后的行车要求具有重要的指导作用 而将沥青铺装 与桥面钢板看作一个整体 考虑材料的非线性特性及铺装层受往复载荷的实际情况 对于探索钢桥面铺 装体系的设计具有重要的意义 对于主要受到正交异性板的局部影响的铺装层来说 目前还无法用纯解析的方法得出具体的解来 人们在广泛吸收现代数学 力学理论的基础上 借助于现代科学的产物 计算机来获得满足工程要求 的数值解 这就是数值模拟技术 有限单元法已有40年的应用历史 18 已由最初弹性力学平面问题扩 展到空间问题 板壳问题 由静力平衡问题扩展到稳定性问题 动力问题和波动问题 分析对象从弹性 材料扩展到塑性 粘弹性 粘塑性和复合材料等 从固体力学扩展到流体力学 传热学 电磁学等领域 大跨径钢桥面铺装问题研究需要从理论分析 结构计算 数值模拟 试验校正等诸多方面入手 正 确的理论基础是根本 合理的力学模型是关键 恰当的有限元模拟是途径 试验是检验手段 通过理论 1 东南大学硕士学位论文 第一章 绪 论 研究 计算分析与实测对比 确定关键因素 提出控制指标并建立相应的破坏准则 这对于大跨径桥面 铺装设计具有重要的理论意义和巨大的经济价值 1 2 国内外钢桥面铺装研究发展概况国内外钢桥面铺装研究发展概况 大跨径钢梁悬索桥 斜拉桥的设计在国外已有近40多年的历史 已经积累了不少经验 早期桥梁结 构绝大部分采用桁架式加劲梁和钢筋混合料桥面结构 如美国的维拉扎诺 1964 金门大桥 1937 1966 年英国在布里斯托尔建造主跨988m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 日本发展大跨径钢桥始于20世纪70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 国内外关于正交异性 钢桥面铺装体系的研究主要包括以下几个方面 它包括 1 钢板自身厚度及板下加劲肋 横隔板的形 状 尺寸以及焊接的方式 2 外界环境 温度 风载等 的变化导致铺装体系的变形 3 车辆荷载 作用铺装层表面不同位置时产生的应力应变变化规律 世界各国的钢桥面铺装基本上均采用沥青混凝土体系 它具有良好的行驶性能 重量轻 适合于发 展大跨径桥梁 从选用的材料和施工方法角度看 目前国外桥面铺装方案主要有以下四大类 以德国 日本为代表的高温拌合浇注式沥青混凝土 Gussasphalt 方案 以英国为代表的沥青玛蹄脂混凝土 Mastic asphalt 方案 实际上也是浇注式沥青混凝土 只是铺装厚度和工艺与日本有所不同 德国 和日本等国近期采用的改性沥青SMA方案 Stone Mastic Asphalt 以美国为代表的环氧树脂沥青 Epoxy asphalt 混凝土方案 我国从八十年代开始修建正交异性钢桥面板桥梁 对钢桥面铺装技术的研究始于这一时期 并于 1993年正式开始大跨径钢箱梁桥的建设 19 对正交异性钢桥面板铺装的研究最早始于广东省肇庆市四 会县马房镇的北江大桥 20 在一大批大跨径桥建设的同时 我国的很多工程技术和研究人员对钢桥面铺装层受力进行了分析研 究 分析时多采用有限元方法 在建立计算模型时 普遍将桥面钢板 纵 横加劲肋 铺装层作为完整 的结构体系 主梁腹板和横梁对桥面板的作用简化为边界支承条件来进行应力计算处理 然后 在研究 的基础上针对具体情况进行应用 在短短的二十多年时间里 取得了较为丰硕的成果 1 8 17 21 国内外已建钢桥沥青铺装使用状况以及直道钢桥铺装疲劳试验结果的分析表明 正交异性钢桥面上 的沥青铺装层表面出现纵向疲劳裂缝的情况较多 使桥面使用功能降低 已有研究表明 影响沥青混合 料疲劳特性的各种因素 都将明显影响沥青混合料的应力 应变关系 沥青混合料的疲劳破坏明显地依 赖于不同材料在一定试验方式下的应力 应变关系 多数研究者认为对沥青混合料疲劳特性的研究最终 都归结为对沥青混合料的应力 应变关系的研究 21 沥青混合料被认为是一种典型的颗粒性材料 它的颗粒骨架空隙被具有粘弹性的沥青浆体不完全填 充 22 这种混合料在一定条件下呈现为粘弹性 沥青材料的粘弹性决定了它不可避免的缺点 23 这就是 沥青的热塑性使沥青铺装产生不可恢 复的永久变性 如车辙 推挤 沥青铺装易受自然因素的影响而逐渐损坏 耐久性差 因此 大多数 国家对钢桥面铺装技术的研究主要集中在铺装材料的改性方面 并在工程实践中推广应用 尽管形成了 以高温拌和浇注式沥青混凝土 环氧沥青混凝土和改性沥青SMA混凝土三大铺装材料配置和施工体系 但仍未能从根本上解决桥面铺装成套技术问题 其主要因素之一在于桥面系统 铺装层材料以及结构设 计研究的脱节 设计理论方面 要考虑到桥梁结构的实际工作状态和沥青铺装高温下的粘弹性 合理选 择粘弹性流变模型并确定模型中的力学参数 早在20世纪60年代 Monismith C L 就己经应用流变理论对沥青混凝土的粘弹性特征进行了研究 并证实Burgers模型可以用来分析沥青混合料的粘弹性特性 24 Burgers模型是一种理想化的粘弹性本构 模型 这种模型可以反映材料的粘性与延迟弹性特征 但不能表征沥青混合料与钢桥桥面板因循环荷载 作用而引起的刚度衰减这一累积效应 于是郑健龙 25 建议在粘弹性本构关系中引入一个动态损伤函数 2 东南大学硕士学位论文 第一章 绪 论 徐世法等 26 提出了一个改进的Burgers模型 即 四单元五参数 模型 可兼顾沥青混合料的 永久变 形 和 固结效应 两个特点 27 在模型参数方面 黄卫东等 28 将沥青与混合料的粘性部分和弹性部 分分开 研究了沥青与混合料的流变关系 在数学上导出了Burgers模型四参数与车辙试验动稳定度之 间的关系 延西利等 29 利用计算机对沥青混合料的流变特性进行了数值模拟 周志刚等 30 利用Microacl Origin5 0软件 编制了沥青混合料粘弹性参数确定的计算函数 Mohammad 31 对应用于桥面铺装的SMA 混合料进行设计 也考虑到材料复杂的力学特性等 1 3 本文研究内容 方法及技术路线本文研究内容 方法及技术路线 1 3 1 主要的研究内容主要的研究内容 本文主要的研究内容包括 1 以实际工程中的数据及他人试验结果为依据 建立钢箱梁铺装体系的有限元模型 2 对大跨径钢箱梁正交异性面板几何尺寸 加劲肋布置等因素进行敏感性分析 得到钢箱梁正交异性 面板设计可变参数的合适值 给出桥面应力控制指标 3 运用损伤力学及疲劳理论的相关知识 研究由铺装材料与钢板组成的复合梁的疲劳损伤机制 探讨 复合结构的疲劳失效机制及寿命的预测方法 4 将路面力学 计算力学 损伤力学及粘弹塑性力学相关知识运用到钢桥面铺装材料力学性能分析中 讨论等幅循环荷载作用下钢桥面铺装层材料受力与变形特性 1 3 2 技术路线技术路线 本文采用理论研究 实验研究和数值分析相结合的技术路线 具体研究方法如下 1 进行广泛的资料检索和调查 了解国内外的钢箱梁桥面铺装研究发展现状 2 对于目前较普遍的一种沥青铺装材料 改性沥青SMA特性进行调查和分析 在了解铺装材料的 结构组成 工程应用及力学特性的基础上 对其技术性能 尤其是反映高温稳定性的粘弹性进行介 绍和说明 并举出一个常见的力学分析模型 3 在搜集铺装体系相关尺寸和铺装材料属性等参数的基础上 对比分析建立合理的基本有限元模型 即将正交异性钢桥面板和铺装层作为整体建模 通过模拟钢箱梁及铺装体系的静载受力状态 并变 换荷位 铺装厚度 加劲肋几何尺寸 材料模量等条件和参数 对铺装体系的若干设计参数进行敏 感性分析 4 将钢桥面铺装体系在一定条件下简化为由铺装材料和钢板组成的复合梁 研究其疲劳损伤机制 初 步探讨复合结构的疲劳失效及寿命的预测方法 5 考虑沥青铺装层材料随时间和温度的变形特性 粘弹塑性 施加不同荷载水平下的等幅循环荷 载 分析正常和超限运输情况下沥青铺装层表面的塑性积累 采用蠕变模型分析钢桥面铺装层变形 积累与时间的变化关系 用数学工具对其数据进行数值拟合 1 3 3 研究路线框图研究路线框图 3 东南大学硕士学位论文 第一章 绪 论 钢箱梁桥面铺装若干力学问题研究 理论研究数值模拟 静力 荷载 作用 正常及 超载情 况分析 了解改性沥青SMA的性能 静载作用下铺装层表面应力应变特性 复合结构疲劳损伤的控制方程 铺装层超载下的塑性积累及高温时的流变特性 改性 沥青 SMA 介绍 复合结构 疲劳损伤 分析 等幅 循环 荷载 作用 铺装材料的选用 行车道位置的设置 复合结构疲劳寿命预测方法 铺装层表面永久变形机理研究 材料 粘弹性 分析 塑性 积累 蠕变 分析 应 用 4 东南大学硕士学位论文 第二章 改性沥青 SMA 特性研究 第二章第二章 改性沥青改性沥青 SMA 特性研究特性研究 铺装材料层的主要功能是为行驶车辆提供长期足够的稳定平整的行驶路面 这就要求铺装层具有较 高的强度及耐久性 较好的耐磨性及抗滑性 优良的高温稳定性 低温抗裂性以及防水防渗透能力 世 界各国的钢桥面大多采用沥青混合料铺装 但钢桥面正交异性面板的刚度较小 变形复杂 局部变形大 以及受自然气候影响大等因素而要求桥面沥青铺装具有良好的变形随从性 因此作为桥面铺装材料的沥 青混合料的级配和各项性能得到了充分的研究 初步形成了 四种铺装材料 三类铺装结构 的格局 即按照沥青混合料类型可分为四类 32 1 热拌沥青混凝土或改性密级沥青混凝土 2 高温拌和浇注式沥青混凝土 Guss asphalt 和沥青玛蹄脂混凝土 Mastic Asphalt 3 改性沥青SMA Stone Mastic Asphalt 4 环氧树脂沥青混凝土 Epoxy Asphalt 按照沥青混合料铺装结构可分为三类 即同质单层 同质双层与异质双层结构 其中德国和日本均 有使用上层密级沥青混凝土 下层改性沥青SMA及上层改性沥青SMA 下层浇注式沥青混凝土 有些 国家也选用过上下层分别采用不同粒径规格的改性沥青SMA的结构 本章重点分析和介绍改性沥青SMA的结构组成 力学特性 工程应用和发展前景 为其能在大跨 径钢桥桥面的良好使用提供参考 2 1 SMA 研究及应用现状研究及应用现状 沥青玛蹄脂碎石混合料 SMA 是六十年代中期 德国道路工作者为提高路面抗滑能力 抵抗带 钉轮胎对路面破坏而开发的新技术 1984年列入德国ZTV Asphalt StB94沥青路面规范 被称为Splitt Mastix Asphalt 英 法 意文及其他一些文种均称为Stone Mastic Asphalt 1990年进入美国后 逐渐改 称为Stone Matrix Asphalt 均缩写为SMA 33 德国每年SMA用量为100万吨 瑞典每年用量为30万吨 芬兰有25 的路面使用SMA 34 35 自1990年美国派出大型代表团到欧洲考察学习了SMA技术后 沥青玛蹄脂碎石技术在美国逐步发 展 1991年有23个州采用这种结构铺筑了高速公路表层试验段 至1996年乔治亚州使用了60余万吨 马里兰州已铺筑了近100万吨SMA混合料 许多高速公路的罩面都选择了SMA面层 1995 FHWA 美 国联邦公路局 委托NCAT 美国沥青路面协会 对所实施的86个SMA项目 1991 1996年 进行了全 面评估 调查了23个州的75个路段 认为SMA在抗车辙 开裂 水损害等各方面都有良好 的性能 36 45 荷兰壳牌沥青技术研究中心也投入相当大的力量研究SMA 加拿大安大略省运输部在1991年对SMA的基本原理和关键性能进行了研究 并在安大略省的7号 公路和404号公路上分别用玻璃纤维 木质纤维加聚合物改性沥青和聚合物改性沥青不加纤维铺筑了试 验路 对SMA的施工工艺也进行了探讨 研究结果表明 SMA混合料可以用当地的材料和设备进行生 产 并要特别注意混合料的组成比例和控制拌和与摊铺温度 46 1992年德国JRS公司首次来我国全面介绍SMA 1993年首都机场高速公路率先使用SMA的矿料 级配 随之 吉林省 江苏省 河北省等交通科学研究所不同程度上开展了SMA试验研究 并同时铺 筑试验路段 1996年首都机场东跑道用这一技术进行跑道改建工程 1997年SMA列入 公路沥青路 面设计规范 JTJ014 97 我国交通部科技司已将SMA作为 九五 行业联合攻关项目 1997年11月又在北京召开了SMA 推广组工作会议 提出了推广计划与措施 公路管理司组织有关单位开展 沥青玛蹄脂碎石混合料性能 及指标 专题研究 2001年 上海市政工程研究院成立专门的课题组对SMA各项指标进行了研究 厦 5 东南大学硕士学位论文 第二章 改性沥青 SMA 特性研究 门市公路局随后也对改性沥青及SMA的铺筑技术的推广进行了研究 47 48 目前 北京地区在SMA的应 用和研究方面的经验和成果比较显著 49 各国从SMA研究得到的经验发现 要获得这种材料的最佳性能 混合料必须精心设计 33 36 50 SMA 彻底改变了延续使用多年的连续式密集配抗滑表层路面结构 我国已开始将SMA路面技术应用在大跨 钢箱梁桥面的铺装上 51 64 表2 1列举了国内外几座著名桥梁的桥面铺装结构形式 表2 1 国内外著名桥梁的桥面铺装结构形式一览表 桥 梁 名 称 主跨 m 主梁 类型 建成 年代 铺 装 厚 度 恒文伯大桥 英 1410 钢箱梁 1981 38mmSMA 广东虎门大桥 888 钢箱梁 1997 55 60mm 单层改性 SMA 江阴长江大桥 1385 钢箱梁 1999 50mmSMA 宜昌长江大桥 960 钢箱梁 2001 65mm 双层 SMA 悬索桥 厦门海沧大桥 648 钢箱梁 1999 30mmSMA13 35mmSMA10 下层 诺谩底大桥 法 856 钢箱梁 1995 60mmSMA 武汉白沙洲大桥 618 钢箱梁 2000 35mmSMA10 45mmSMA13 下层 汕头宕石大桥 518 钢箱梁 1999 35mmSMA10 50mmSMA13 下层 斜拉桥 武汉军山长江大桥 460 钢箱梁 2001 35mmSMA13 40mmSMA10 下层 拱桥 上海卢浦大桥 550 钢箱梁 2003 70mm 双层 SMA 2 2 SMA 性能介绍性能介绍 SMA是嵌挤型的间断级配 5mm以上的粗集料用量高达70 80 因而骨架作用强 可抗高温 变形 防止产生车辙 表面粗糙 构造深度大 降低噪音 表面不积水 沥青结合料用量多 一般为 6 5 7 0 沥青膜厚 抗老化 抗水损害 矿粉用量8 13 0 075mm的通过率为10 左右 矿粉 同沥青比远远超出通常1 2的限制 集料间隙由沥青玛蹄脂填充 结构密实 不透水 使用纤维稳定剂 可防止沥青混合料离析 增强沥青的粘结力 犹如加筋的作用 提高沥青混合料的柔韧性 改善了沥青 混合料的抗低温开裂性能 2 2 1 强度组成机理强度组成机理 SMA的构成见图2 1 其高温稳定性主要取决于内摩擦角 值 值主要取决于矿质骨料的尺寸均 匀度 颗粒形状及表面粗糙度 SMA作为一种间断级配混合料 4 75mm 9 5mm之间的粗集料占粗集 料总量的40 左右 远高于普通密级配混合料 且矿质颗粒粗大 均匀 同时SMA对集料的扁平或细 长颗粒有严格的限制 某些情况下对磨光值也有严格的要求 这样 SMA混合料骨料有棱角且表面粗 糙 故内摩阻角 值大 即使在高温条件下 由于粗集料颗粒之间相互良好的嵌挤作用 混合料仍有较 好的抗变形能力 在低温条件下 混合料收缩变形使集料受拉时 集料之间填充的沥青玛蹄脂 Mastic 可以发挥其良 好的粘结作用 此时SMA的抗拉能力主要取决于沥青胶结料的粘聚力c值 由高含量的矿粉 纤维和 沥青组成的Mastic具有远高于普通密级配混合料的粘结作用 从而使混合料具有很好的低温抗裂性能 SMA集料典型级配范围见下表 6 东南大学硕士学位论文 第二章 改性沥青 SMA 特性研究 图2 1 SMA的构成 65 表2 2 SMA集料典型级配范围 筛孔尺寸 mm 通过质量百分率 19 100 13 2 95 100 9 5 75 85 4 75 30 50 2 36 20 35 0 6 15 25 0 3 11 22 0 15 8 18 0 075 7 15 2 2 2 SMA优点优点 32 63 66 1 在材料组成上 SMA遵循 三多一少 的原则 即粗集料多 矿粉多 沥青多 细集料少 充分 发挥粗集料的骨架嵌挤作用 使混合料产生非常好的抗变形能力 即使在高温条件下 沥青玛蹄脂 的粘度下降 但其抗车辙变形的能力仍不减弱 2 由于有相当数量的沥青玛蹄脂包裹在粗集料的表面 当气温下降 混合料因收缩变形使集料被拉开 时 沥青玛蹄脂仍具有很好的粘结作用 它的韧性和柔性使混合料具有很好的耐久性和低温抗裂能 力 3 由于SMA混合料内部的空隙率小 沥青的耐老化性和混合料的水稳定性都将大大提高 同时由于 间断级配在路表面形成大的孔隙 具有较大的构造深度 TD可达1 5 2 0mm 使路面具有很好的 抗滑性能 并对降噪音 减少3 5dB 防行车水雾等都有益 从而全面提高了沥青混凝土的路用性 能 2 2 3 SMA 缺点缺点 1 约增加20 投资 2 沥青和矿粉用量较多 加工和铺筑温度较高 生产率较低 3 实际使用性能对结合料用量和粉料用量都较敏感 当改性沥青SMA混凝土应用于大跨径钢桥桥面铺装时 铺装层一般要求较厚 大于60mm 且保 质年限短 32 7 东南大学硕士学位论文 第二章 改性沥青 SMA 特性研究 虽然SMA在高温抗车辙 低温抗裂 疲劳抗裂 抗老化 抗水损害 抗滑及耐久性等方面都比传 统的AC优越 材料品质和质量控制方面也比AC路面要求高一些 但SMA结构的使用应结合各个国 家各自的特点 从我国整个大陆看来 大陆性气候明显 持续高温的气象特性突出 加之施工机械 材 料 经济条件的限制 完全照搬国外的经验 显然是行不通的 因此 在保持改性沥青SMA各种优良 性能的同时 提高高温稳定性的技术途径和技术标准 从实际情况出发 有必要探索一条改性沥青SMA 桥面铺装的新路子 2 3 改性沥青改性沥青 SMA 的发展及其在桥面铺装上的应用研究的发展及其在桥面铺装上的应用研究 2 3 1 改性沥青改性沥青 SMA 性能研究发展现状性能研究发展现状 从1898年法国开始在沥青中掺配天然橡胶以来 对改性沥青的研究应用已有百年历史 虽然试验 过的改性材料甚多 但真正在工程实践中得到认可的却是有限的 从人工合成橡胶到热塑性弹性体的应 用 反映了科技的发展和时代的进步 按我国现行规范 公路改性沥青路面施工技术规范 JTJ036 98 定义 改性沥青是 基质沥 青与一种或数种改性剂通过适宜的加工工艺形成的混合物 其通常是指在基质沥青中掺橡胶 树脂类 高分子聚合物 磨细橡胶粉或其他填料等外掺剂 改性剂 或采取对沥青吹氧 空气 等措施 使沥 青或沥青混合料性能得以改善所制成的沥青混合料 随着我国的改革开放 国民经济得到迅速发展 汽车数量增多 汽车轴载加大 路面设计轴载也从 60kN改为100KN 而在公路上还普遍出现了超载现象 随着高速公路建设事业的发展 也对沥青材料 提出了更高的要求 行车实践表明 由于重载和渠化交通的影响 即使采用符合AH 90标准的进口沥 青 仍会出现流动性车辙问题 如某高速公路通车次年夏季 在纵坡路段即出现2 6cm深的流动车辙 说明了符合重交通标准的沥青并不能解决重交通路面热稳性的问题 使改性沥青应用的必要性逐渐得到 了更多的共识 1992年Novophalt PE现场改性技术的引入 对改性沥青的推广应用起到了促进作用 使改性沥青 从研究试验逐步发展到大规模生产应用 2001年上海市市政工程研究院组成专门项目组对SMA混合料 的特点和形成机理进行研究 提出了既用动稳定度 DS 控制混合料的高温稳定性 又用冻融劈强度 比 TSR 控制混合料的水稳定性的新见解 为中国推广应用SMA奠定了基础 2001年厦门市公路局 对改性沥青及SMA的铺筑技术的推广进行了深入研究 对其特点进行了总结 为改性SMA应用提供 技术参考 2 3 2 改性沥青改性沥青 SMA 在桥面铺装上的应用在桥面铺装上的应用 桥面铺装层对材料 结构的要求通常要比路用材料的要求更高 基本技术要求就是必须与钢板随从 变形性能及钢板粘结性好 高温稳定 低温抗裂 耐疲劳 不透水 耐久 表面抗滑 便于施工 易于 维修等 详见下面五点要求 1 桥面铺装必须能与桥面板紧密结合成为整体 与桥面板的任何变形协调一致 即具有钢板变形的随 从性 2 桥面铺装必须能严密的保护好桥面板 绝对防水 并具有有效的排水系统 以防止钢桥面生锈 3 钢桥面铺装使用的沥青材料必须有较小的温度敏感性和温度收缩系数 夏天能耐高温 有较好的高 温稳定性和抗流动变形能力 不致产生车辙 推拥 流动变形 冬天能耐低温 有良好的应力松弛 性能和低温抗裂性能 4 有良好的耐久性 包括沥青材料的抗老化性能 水稳定性能 抗疲劳性能 疲劳荷载包括行车荷载 反复作用和温度反复变化的影响 5 铺装层表面功能好 具有良好的抗滑性能 不产生水雾 能确保交通安全 8 东南大学硕士学位论文 第二章 改性沥青 SMA 特性研究 考虑到正交异性钢桥面板刚度小 局部变形大 桥面铺装的路面使用温度高等特性 需要铺装具有 较好的变形特性 高温稳定性 低温抗裂性及防水性 因而对混凝土的结合料提出了非常高的要求 开 发高粘度改性沥青就成了必然的选择 67 事实也证明 采用改性沥青可以使SMA性能得到进一步全面 提高 改性沥青SMA在大跨径钢桥桥面铺装工程中得到广泛应用 56 66 改性沥青 SMA2 30 40mm 钢板 12 14mm 改性沥青 SMA1 30 40mm 防锈层 60 80 m 乳化橡胶沥青粘层 0 5 2 0mm 乳化橡胶沥青粘层 0 5 2 0mm 图2 2 改性沥青SMA混凝土桥面铺装的典型结构 32 改性沥青SMA混凝土用作桥面铺装主要有两种情况 一种是用作桥面铺装的上面层 一种是同时 用作桥面铺装的上面层和下面层 见图2 2 为保证铺装与桥面钢板之间有较强的粘结能力并具有良好 的防水性能 作为下层的SMA2应采用较小的级配 增加细料和矿粉含量并采用纤维和复合改性沥青 同时为满足铺装的疲劳寿命要求 SMA2的模量应大于SMA1 32 将SMA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 也开始研究采用SMA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 2 3 3 改性沥青改性沥青 SMA 在桥面铺装的技术性能要求在桥面铺装的技术性能要求 对于采用上下两层式改性沥青SMA铺装方案的桥面 下层可采用劲度较大而热稳定性较好的改性 沥青 以满足混合料空隙率小而热稳定性要求高的需要 上层则可使用抗裂性优良而热稳定性也较好的 改性沥青 并通过合理的级配设计来满足桥面铺装的要求 表2 3列出了国内广东虎门大桥 汕头海湾 大桥和厦门海沧大桥所采用的改性沥青的技术要求 表2 3 国内3座大桥钢桥面铺装改性沥青性能要求 68 技 术 要 求 海 沧 大 桥 指 标 虎门大桥 海湾大桥 上 层 下 层 试 验 方 法 针入度 25 C 100g 5s 0 1mm 40 80 20 40 30 60 20 40 JTJ052 93 软化点 环球法 C 70 75 70 80 JTJ052 93 延度 10 C 5cm min cm 30 20 40 20 JTJ052 93 60 C 泊 30000 30000 40000 40000 ASTM D2171 粘度 200 C cst 300 300 300 300 ASTM D2170 JISK2207 回弹率 25 C 20cm 30min 80 80 90 80 TL PMB Teil 1 费拉斯脆点 C 20 10 15 10 JTJ052 93 闪点 C 230 230 230 230 JTJ052 93 针入度指数 PI 2 0 1 0 1 0 1 0 JTJ052 93 重量损失 1 0 1 0 1 0 1 0 JTJ052 93 针入度比 65 65 65 65 JTJ052 93 薄膜烘箱 180 C 2 5h 回弹率 60 80 80 80 TL PMB Teil 1 9 东南大学硕士学位论文 第二章 改性沥青 SMA 特性研究 在实际使用效果观测 理论分析及对广东虎门大桥钢桥面铺装正反经验总结的基础上 发现对改性 沥青SMA的热稳定性重视程度和了解深度不够 有必要对其技术和力学特性进行深入研究 2 4 改性沥青改性沥青 SMA 力学特性力学特性 改性沥青SMA是一种成分极为复杂的无定型高分子化合物的混合物 为典型弹 粘 塑性材料 其力学性能受温度和荷载作用时间的影响很大 改性沥青SMA在低温 高粘度 及瞬时荷载作用下 弹性形变占主要地位 而在高温 低粘度 及长时间荷载作用下 改性沥青SMA的形变主要是粘性的 而在负温 5 以下 状态下 改性沥青SMA又表现出一定的脆性 改性沥青SMA的物理力学特性随材料组成 温度 环境和外荷作用型式不同而发生变化 当其作 为钢箱梁桥面铺装层时将直接承受交通荷载的反复作用 力学性质更加复杂 这是因为桥面沥青铺装层 没有水泥砼桥面铺装的刚性底板支撑 也不像道路那样有坚强的路基支撑 而且钢箱梁本身的变形 位 移 振动都直接影响桥面铺装层的工作状态 改性沥青SMA在高温下 粘弹性表现十分突出 钢桥面铺装层常见的车辙或永久变形就是改性沥 青SMA粘弹性能的直接体现 表2 4列举了国内部分桥梁钢桥面铺装层破坏失效情况 不难看出 改 性沥青SMA的热塑性使铺装层产生不可恢复的永久变形 如车辙 推挤 高温稳定性及疲劳破坏成为 沥青桥面铺装中较常见的病害 有必要对改性沥青SMA的力学特性做进一步的分析和研究 寻求描述 工程中常见的粘弹塑性材料的实用本构模型和求解方法及更完善准确的试验方法已经成为当前的迫切 需要 表2 4 国内部分桥梁钢桥面铺装层破坏失效情况 桥 梁 名 称 主梁 类型 建成 年代 铺 装 类 型 主要破坏形式 广东虎门大桥 钢箱梁 1997 55 60mm 单层改性 SMA 裂缝 车辙 厦门海沧大桥 钢箱梁