白沙洲大桥钢桥面铺装层修复方案受力分析与材料设计

白沙洲大桥钢桥面铺装层修复方案受力分析与材料设计 第32卷,第4期xx?8月公?工程Highway EngineeringVol.32,No.4Aug.,xxxx1008作者简介姜从盛(1963),男,湖?大悟人,博士,教授,长期从事高性能混凝土、高性能轻集?混凝土、新型建筑材?的研究工作。 白沙洲大桥钢桥面铺装层修复方案受?分析与材?设计姜从盛1,姚永永1,丁庆军1,张锋2(1.武汉?工大学材?学院,湖?武汉430070;2.重庆智翔铺道工程有限公司,重庆401336)摘要针对武汉白沙洲大桥钢箱?桥面铺装的破坏情况,分析了铺装层病害的原因,采用新型防水粘结材?和界面粗糙化处?技术对铺装层破坏部位进?实施了抗滑移修复方案,应用有限元法分析了车轮荷载作用下的正交异性钢桥面铺装层剪应?的变化规?,同时对防水粘结层材?的粘结强度、抗剪强度和弯曲变形性能进?室内试验,并且成功实施了白沙洲大桥钢桥面修复工程试验段。 研究结果可以为白沙洲大桥的全面改造提供参考。 关键词钢桥面铺装;正交异性钢桥面板;有限元法;粘结层U445.7+2B10021205 (xx)04008704Stress AnalysisandMaterialsDesign ofRepairing SteelDeckPavement ofBaisha ZhouBridgeJIANG Congsheng1,YAO Yongyong1,D INGQingjun1,ZHANG Feng2(1.Wuhan Universityof Technology,Wuhan,Hubei430070,China;2.Ltd1Co1of ChongqingZhix2iang PavingTechnology andEngineering,Chongqing,401336,China)Key wordsSteel deckpavement;orthotropic steeldeck;finite elementmethod;bond course从对我国已建的多座钢桥面铺装的使用状况来看,相当数?的铺装破坏位置都发生在防水粘接层,如肇庆?江马房大桥、虎门大桥、军山大桥、江阴大桥、厦门海沧大桥等都发生了粘结层与钢桥面板脱空,国外的澳大利亚的WestGateBridge也曾发生粘结层脱空、推移的破坏1。 由于粘结层处?当而造成铺装层滑移、脱?,直接影响到铺装层与钢板的协同作用,加速了铺装本身的破坏,这说明我国现有的钢桥面铺装层与钢板的粘接技术还存在自身的?足,开发一种性能优异的防水粘结体系显得至关重要。 武汉白沙洲长江大桥位于武汉市区,主跨部分斜拉桥长1078m,其中钢箱?段长904m。 该桥于2000?9月建成通车,xx?国庆前夕,桥面铺装发生通车以来最大病害2,铺装层出现大面积滑移,较严重的裂缝宽度达2cm,纵向深及钢桥面板,加上该地区夏季炎热多雨,?造成开裂面积增大,给?车安全带来很大隐患,?为严重的是将会使整个桥面的使用寿命大大缩短。 通过调研,在借鉴国内外成功经验的基础上,进?了白沙洲长江大桥钢桥面铺装体系的修复设计。 本文将针对白沙洲大桥钢桥面铺装层病害、铺装层修复方案层间剪应?受?为、防水粘结层材?的室内试验进?展开探讨。 1铺装层病害分析考虑到武汉地区炎热、潮湿,且大桥交通?繁重,原铺装方案把高温抗车辙性作为铺装材?设计考虑的主要问题,采用双层SMA铺装方案3。 使用?到4a,桥面铺装发生2次滑移,xx?国庆前夕,桥面铺装发生通车以来最大病害3,破损情况分为2类:一类为裂缝,多出现在纵向加劲?顶上方和横隔板上方铺装层的表面;另一类为滑移,其中最大滑移面积达29m2。 同?10月进?了局部维修,但xx?8月又出现了较严重的滑移开裂,发生推移的桥面面积达到300m2。 从修复现场发现滑移开裂部位铺装层与钢板间已脱空,防水粘结层已经彻底失去作用,铺装层与钢板两者之间无法达到变形协同作用,其主要的原因可归结如下几点:粘结剂对钢板的粘附?在高温条件下降低4。 在炎热的夏季光滑的钢板表面温度可达到公?工程32卷70以上,此时一般的防水粘结剂对钢板的粘附?为0115013MPa。 在高温状态下界面的抗剪能?因粘结剂变软脱粘而变得非常薄弱,对于光滑的钢板表面,铺装层很容?产生推移。 车辆荷载制动产生的强剪切?5。 如:汽超20级以80km/h车速紧急刹车时,后轮作用于触地面积下界面的剪应?约为0164MPa,加之桥面坡度以及钢板与沥青混凝土热膨胀系数?同等因素,当超载车运?时,界面剪应?就?大。 较之高温时粘结剂01150130MPa的抗剪?可知,粘结剂界面抗剪能?远?足。 粘结剂在高温摊铺SMA混合?时?上浮,使铺装层底部的油含?相对高于正常的设计配比。 这一局部高沥青含?的混合?其抗剪切蠕变性能显然趋于?利,一旦铺装层开裂,裂缝直达钢板表面,粘结剂的防水功能也就?存在。 2抗滑移修复方案针对原铺装方案出现的滑移病害,修复方案以提高铺装层与钢桥面板间的抗剪能?为设计考虑的主要问题,重点对防水粘结体系进?了优化设计。 采用一种与钢板表面具有优异粘结性能,集防水、防锈于一体的新型HBW环氧结构胶做为防水粘结材?。 HBW环氧结构胶200下性能?劣化、图1白沙洲大桥钢桥面铺装方案?软化、?滑移,70下与钢板间的粘结强度大于510MPa,-18环境下保持其韧性、无脆性开裂。 防水粘体系方案:采用015115mm厚的HBW环氧结构胶薄层代替环氧富锌底漆对钢板表面进?防锈处?;采用210310mm的HBW环氧结构胶代替热熔型粘结剂;均匀撒布一层粒径为21364175mm的高强度玄武岩碎石在HBW环氧结构胶表面上,从而形成集防水、防锈、抗滑为一体的双层环氧防水粘结层体系。 鉴于武汉地区的气候、交通等条件,铺装层修复方案仍采用双层SMA,但上面换为SMA13?加侧重其高温稳定性与抗滑性;下面层换为SMA10侧重其防水抗渗性,上下层间用高粘度改性乳化沥青增强层间的结合。 同时用高粘度改性沥青、纤维稳定剂对SMA增强、增韧,提高其高温稳定性和延长其使用寿命。 铺装结构见图1。 2种铺装方案对比结果见表1。 表1白沙洲大桥钢桥面新旧铺装方案铺装结构层原方案修复方案A铺装上面层40mm的改性沥青SMA1040mm的高粘度改性沥青SMA13B沥青粘结层普通改性乳化沥青高粘度改性乳化沥青C铺装下面层30mm的改性沥青SMA1030mm的高粘度改性沥青SMA10D防水抗滑层018112mm的热熔型粘结剂,210310mm的HBW环氧结构胶,21354175mm的预拌沥青碎石21364175mm的玄武岩碎石颗粒E防腐层01050110mm,环氧富锌底漆015115mm,HBW环氧改性粘结剂F钢板喷砂除锈Sa215级喷砂除锈达Sa215级3层间剪应?分析311有限元模型由于铺装层直接铺筑在正交异性钢桥面板上,纵向加劲?、横隔板的作用使其对轮载的应?应变响应具有很强的局部效应6,故分析时仅取铺装层与正交异性钢桥面板局部?段,有限元模型见图2。 有限元模型的几何、物?参数与实际桥?设计参数选取一致,应用空间8节点块单元对模型进?离散。 3.2计算条件基本假设:铺装材?为连续、线弹性、均匀、各向同性;正交异性钢板的位移和变形微小;铺装层之图2有限元模型间、铺装层与钢板之间接触完全连续且?计自重的影响;将防水粘结层直接并入铺装层并?专门对其进?处?。 计算荷载:采用汽超20级中重车重轴加载,88第4期姜从盛,等:白沙洲大桥钢桥面铺装层修复方案受?分析与材?设计根据公?工程技术标准轮载接地面积为600mm200mm,并考虑30%冲击系数7。 模型边界条件:横隔板底部完全约束,铺装层和钢桥面顶板横向、纵向边缘无水平位移。 3.3剪应?计算分析铺装层与钢板间粘结?的丧失、粘结层抗剪强度的?足是导致推移破坏的主要原因,可见铺装层与钢板间的滑移破坏的主要控制指标是层间剪应?8。 在荷载相同情况下,?同荷位层间剪应?有所?同,因此获得最?利荷位下层间剪应?至关重要。 荷载在桥面上的分布情况为,横向从一加劲?中心正上方起至下一加劲?中心正上方结束,共计17个荷位;纵向从跨中移动到横隔板上方,共计8个荷位。 ?同荷位下粘结层的最大横向、纵向剪应?计算结果见图3和图4,图中横坐标代表17个横向荷位,?同的曲线代表了?同的纵向荷位。 图3粘结层最大横向剪应?图4粘结层最大纵向剪应?由图 3、图4可知:?车荷载横向荷位的移动对粘结层横向剪应?的影响较大,在横向荷位5和13即荷载中心作用于加劲?顶正上方时,铺装粘结层出现了最大横向剪应?;?车荷载横向荷位的移动对铺装粘结层纵向剪应?影响较横向剪应?较小,由此可见纵向加劲?主要对横向剪应?造成影响;?车荷载纵向荷位的移动对粘结层纵向剪应?的影响较大,对横向剪应?的影响较复杂,可见分析粘结层的剪切破坏时,应该综合考虑铺装层横向剪应?和纵向剪应?的综合影响;对比分析最?利荷位下铺装粘结层横向最大剪应?和纵向最大剪应?可知,最大横向剪应?为017298MPa,最大纵向剪应?为013096MPa,可见粘结层剪切破坏仍以横向最大剪应?控制为主。 4室内试验411拉拔试验对钢板(16Mnq,12mm)表面进?喷砂除锈,用HBW环氧结构胶进?防腐,待其固化后再喷洒一层厚度为210310mm HBW环氧结构胶,把钢板粘在一起,待固结后将拉头焊上,图5为拉拔试验。 待粘结剂完全固结后,将其放入180的烘箱中,并立即关闭烘箱,模拟施工现场9,当烘箱内温度降至试验温度后,取出试件立即在拉?试验机上进?试验,直至粘结层发生破坏,表2为实际工程中常用到的几种粘结剂的拉拔试验结果。 图5拉拔试验表2拉拔试验结果粘结材?类型粘结强度/MPa2070HBW环氧改性粘结剂1916518环氧改性沥青粘结剂xx315热熔型改性沥青粘结剂15160138设计要求310由表2可知,3种粘结剂与钢板间粘结强度,在常温时相差?大,在70高温条件下,都下降了较大;但70时HBW环氧改性粘结剂较另外2种粘结剂却有较大幅度的提高,比改性沥青粘结剂的粘结强度提高了15倍以上,与环氧沥青粘结剂相比也提高了1165倍,该粘结强度保证了高温条件下铺装层与钢桥面顶板之间良好的粘结性能,可以使铺装层与钢板之间达到变形协同作用。 412压剪试验钢桥面铺装层在?车荷载作用下实际上处于压剪状态,本试验利用马歇尔模具进?成型,?同的是98公?工程32卷底模为一斜面钢模,界面处?同防水粘结层一致,成型试件见图610。 利用数控液压试验机进?压剪试验,试验结果见表3。 图6压剪试验剪切强度计算:=Psin/S式中:P为作用荷载,N;S为试件受剪面积,mm2;为剪切强度,MPa;为剪切面与水平面的夹角。 通过实验发现,未出现粘结剂与钢模脱粘问题,剪切破坏位置均出现在斜界面上,这也反应了铺装层与钢板间的防水粘结层是铺装体系中剪切破坏的最薄弱环节。 表3压剪试验结果防水抗滑层处?方案剪切强度/MPa2070预拌沥青碎石颗粒(上层)热熔型改性沥青粘结层(中层)环氧富锌漆(下层)41730169玄武岩碎石颗粒双层HBW环氧改性粘结剂61841137设计要求112由表3可知,常温下2种方案的界面剪切强度相差较小,但在70高温下采用双层HBW环氧改性粘结剂并经玄武岩碎石粗糙化处?的界面剪切强度要明显高于采用热熔改性沥青做粘结剂的试件。 根据有限元分析计算的结果可知粘结层最大横向剪应?为017298MPa,最大纵向剪应?为013096MPa,通过平?四边形法则计算合?为017944MPa,把它作为最大剪应?控制指标,由表3数据可以看出70时用双层HBW环氧改性粘结剂放水抗滑层可以满足界面抗剪要求。 413弯曲、变形性能试验钢桥面铺装要求界面材?对钢板变形具有良好的追从性,因此进?HBW环氧结构胶防水粘结层弯曲、变形性能试验。 在钢板条上按照实际铺装工艺制作防水粘结层,并在HBW环氧结构胶表面均匀撒布一层粒径为21364175mm的高强度玄武岩碎石形成粗糙界面。 采用MTS810液压伺服试验机进?中点集中加载,加载频率为10Hz,加载波形采用正弦波曲线,经过90万次循环加载之后,HBW环氧结构胶表面并未出现裂痕,也未见其与钢板之间脱粘,也未发现有玄武岩碎石脱?现象发生。 试验照片见图7。 图7弯曲试验装置5工程应用根据本研究制定的桥面铺装修复方案,顺利实施了武汉白沙洲大桥的钢桥面铺装,并对桥面修复部位进?了多次重载车辆的快速急刹车试验,铺装层均未出现推移开裂现象。 经长期监测,桥面修复至今,修复部位还未出现任何推移、开裂。 6结论病害调查分析表明,原铺装方案发生滑移破坏的主要原因是防水粘结层处?当,导致铺装层与钢板之间脱粘,无法满足界面抗剪要求。 有限元分析和室内试验结果表明,采用在除锈钢板表面涂装一层厚为12mm的HBW高强度界面胶作为防锈层,再涂装一层厚23mm的HBW高强度界面胶和21364175mm的玄武岩碎石颗粒共同构成防水粘结层,给钢桥面铺装体系提供了优异的抗推移开裂能?,能够满足粘结层界面抗剪要求。 采用本文修复方案对白沙洲大桥进?了局部修复,并对修复部位进?了多次重载车辆的快速急刹车试验,而且使用至今未出现任何滑移病害,证明了本修复方案的可?性。 参考文献1陈先华,黄卫,等.大跨径钢箱?桥面铺装沥青混合?设计方法的思考J.公?,xx, (8):343512郭刚艳.武汉白沙洲长江大桥项目后评价研究D.武汉:武汉?工大学,xx13余叔藩.武汉白沙洲大桥钢桥面沥青铺装的设计与施工J.(下转第95页)09第4期张重禄:公?基压实质?PDCA循环控制法应满足设计的要求。 但实测土基回弹模?操作比较复杂,费时较多,可可采用弯沉值测试,并根据相关规范的要求进?弯沉值与回弹模?的换算。 弯沉值反映?基工程的整体强度,而压实度反映?基每一层的密实状态,只有弯沉值和压实度两者都合格,?基的整体强度、稳定性和耐久性才能符合要求。 c.自检和抽检的要求。 ?基达到碾压遍数后,均由承包人按上述规定自己检测,检测?合格时,自?补压。 ?检测合格,应填写工序报验单,附上检测记录,报监?工程师进?抽检,或者在碾压到规定遍数后,承包人会同监?工程师到施工现场,进?监?工程师旁站检测。 旁站检测合格时即可签订认可,?合格时承包人无条件进?补压或返工。 3.4处?(A)阶段处?阶段应该对?基每一层压实施工完毕后及时地对压实质?进?检验与评定,并在中期总结报告中反映压实施工过程中出现的问题及解决的情况。 处?阶段的实施可采用纠正/预防机制,原?见图4。 图4纠正/预防机制运?过程Figure4schematic ofrectifying andpreventingmechanism现?质?检验评定总体框架?变,仍然沿用评分和合格率双指标控制的方法,但另增加确定分项工程关键实测项目及其最低合格率和极限低值的内容5。 对于常规工程应该根据规范或标准的要求进?评定,但对于特殊工程(如新填?的使用、超高填土高度)等,还应该在处?阶段对关键实测项目影响因素进?科学总结,争取对该类型工程的压实指标标准的确定提供依据。 4小结?基填筑是个动态过程,其质?控制也应该采用动态的方法。 鉴于我国公?工程建设项目中对压实工程施工质?的初步控制和实施控制还?够健全和完善,而主要依靠合格控制的现状,本文提出采用PDCA循环加强对公?基压实质?进?实施管?的办法。 对于单层填筑压实的质?控制,PDCA循环控制法能够严格通过控制多道工序的质?做到防患于未然;对于逐层压实,PDCA循环可以从源头上进?质?改进,防止下次再出现同样的问题,使得质?管?工作?断提高到新的水平,使工程质?断得到改进和提高并相对稳定。 采用PDCA循环法能够实现对?基压实质?的动态控制及制度化管?。 本文在简要介绍PDCA循环质?管?和控制原?的基础上,提出了其在?基压实质?控制方面的应用,希望对同?的研究能起到抛砖引玉的作用。 参考文献1安丰利.土质?基压实问题的再探讨J.辽宁省交通高等专科学校学报,xx,7 (4)