（道路与铁道工程专业论文）水泥混凝土桥面沥青铺装层高温车辙的直道足尺试验研究.pdf

摘要 水泥混凝土桥面沥青铺装层高温稳定性的好坏严重影响到行车的安全性、 舒适性和桥梁使用的耐久性，高温车辙的破坏形式在气候炎热地区非常常见。 本文采用现场调查、理论分析、试验研究相结合的方法。对广深高速公路东莞 北大桥面沥青铺装层的高温车辙方面进行了系统的研究。 本文在广泛分析国内外桥面沥青铺装层已有的研究成果的基础上，提出了 采用模型桥进行足尺试验的研究方法及技术路线。 本文运用挠度变形的相似原理设计室内有限元模型，建立室内的模型桥， 并对模型与原桥的桥面变形的相似性进行了验证。计算的结果验证了模型的正 确性与有效性，而且局部的挠度也吻合较好。 在施工完成的模型桥上加铺四种方案桥面沥青铺装层，在直道试验室内进 行足尺高温车辙的试验，对于实桥和模型桥的桥面沥青铺装层的温度数据进行 了统计分析，研究了试验室内模型桥桥面铺装的温度场与实桥的温度场的差别， 分析了高温与车辙之间的关系。 最后，对于模型桥上四个沥青铺装层方案的高温稳定性进行了评价，并用 车辙仪进行了辅助试验，验证了相关的结论。 本论文的研究表明，采用正交异性板结构形式的模型桥能较好地模拟实桥 的桥面变形，在此基础上进行高温超载试验，在高温的作用下，车辙与温度之 间存在着一定的规律。同时，用室内模型桥模拟水泥混凝土桥面变形也为检验 沥青层的耐久性等桥面铺装材料的试验研究提供了新的思路，也为桥面铺装设 计的进一步规范化提供了理论参考。 关键词：沥青铺装层，模型设计，挠度变形，桥面温度场，高温车辙 a b s t r a c t t h eh i 曲- t e m p e r a t u r es t a b i l i t yo fc e m e n tc o n c r e t eb r i d g e sa s p h a l td e c kp a v e m e n tm a d ea g r e a ti m p a c to nt r a f f i cs a f e t y ，c o m f o r ta n dd u r a b i l i t yo fb r i d g e s ，t h ef o r mo fh i g h - t e m p e r a t u r e d a m a g et or u t t i n gi nh o tc l i m a t ea r e a sa r ev e r yc o m m o n i nt h i sp a p e r ，w eu s em e t h o d sw h i c h u n i f yf i e l di n v e s t i g a t i o n ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，a n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h w eh a v ec o n d u c t e d s y s t e m a t i cr e s e a r c ht oh i 曲t e m p e r a t u r ew h e e lr u ta s p e c to fd o n g g u a nn o r t hg r e a tb r i d g e s a s p h a l td e c kp a v e m e n ti ng u a n g d o n gs h e n z h e ne x p r e s sw a y t h i sa r t i c l ei sb a s e do nw i d e l yi a n a l y z i n gt h ee x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t so ft h ed o m e s t i ca n d f o r e i g nb r i d g e sa s p h a l td e c kp a v e m e n t ，p r o p o s e dt h er e s e a r c ht e c h n i q u ea n dt h et e c h n i c a lr o u t e w h i c hu s e st h em o d e lb r i d g et oc a r r yo nt h ef u l l - s c a l et e s t t h i sa r t i c l ed e s i g nt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e li nt h ep r i n c i p a lo fs i m i l a r i t yo fd e f l e c t i o n ， e s t a b l i s h e st h ei n d o o rm o d e lb r i d g e ，a n dc o n f i r mt h es i m i l a r i t yb e t w e e nt h em o d e la n dt h e o r i g i n a lb r i d g e sb r i d g ef l o o rd e f o r m a t i o n t h ec o m p u t a t i o nr e s u l th a sc o n f i r m e dt h em o d e l a c c u r a c ya n dt h ev a l i d i t y ；m o r e o v e rt h ep a r t i a la m o u n to fd e f l e c t i o na l s ot a l l i e sw e l l p a v ef o u rk i n do fb r i d g ed e c ka s p h a l tp a v i n gp l a no nt h em o d e lb d d g ew h i c hh a d c o m p l e t e dt h ec o n s t r u c t i o n ，c a r r yo nt h ef u l ls c a l eh i g ht e m p e r a t u r ew h e e lr u tt e s ti nt h es t r a i g h t r o a dl a b ，c a r r yo nt h es t a t i s t i c a la n a l y s i sr e g a r d i n gt h es o l i db r i d g ea n dt h em o d e lb d d g e sd e c k a s p h a l tp a v e m e n t st e m p e r a t u r ed a t a , s t u d i e de x p e r i m e n t e dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ei n d o o r m o d e lb r i d g ed e c kt h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h es o l i db r i d g e st e m p e r a t u r ef i e l d ，a n a l y z et h e r e l a t i o nb e t w e e nh i 【曲t e m p e r a t u r ea n dt h ew h e e lr u t f i n a l l y ，a p p r a i s e dt h eh i 曲t e m p e r a t u r es t a b i l i t yo fm o d e lb r i d g e sf o u ra s p h a l tp a v e m e n t p l a n ，a n dh a sc a r r i e do nt h es u b s i d i a r yt e s tw i t hr l w t ，h a sc o n f i r m e dt h er e l a t e dc o n c l u s i o n t h i sp a p e r sr e s e a r c hi n d i c a t e dt h a tt h em o d e lb r i d g ew h i c hu s e st h eo g h ot r o p i cp l a t ef o r m i sa b l et os i m u l a t et h es o l i db r i d g e sb r i d g ed e c kd e f o r m a t i o nw e l l ，b a s e do nt h i sc a r r i e so nt h e h i 曲t e m p e r a t u r eo v e r l o a dt e s t ，u n d e rt h eh i i g ht e m p e r a t u r ef u n c t i o n ，t h e r ee x i s tc e r t a i nr u l e b e t w e e nt h ew h e e lr u ta n dt h et e m p e r a t u r e a tt h es a m et i m e ，s i m u l a t e st h ec e m e n tc o n c r e t e b r i d g ed e c kd e f o r m a t i o nw i t ht h ei n d o o rm o d e lb r i d g eh a sa l s op r o v i d e dt h en e wm e n t a l i t yf o r b r i d g ed e c kp a v e m e n tt e s ts u c ha se x a m i n a t i o nb r e ab e dd u r a b i l i t y ，a l s oa n dh a sp r o v i d e dt h e t h e o r yr e f e r e n c ef o rf u r t h e rs t a n d a r d i z a t i o no nt h eb r i d g ed e c kp a v e m e n td e s i g n i i k e y w o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ，m o d e ld e s i g n ，d e f l e c t i o n ，b r i d g ed e c k t e m p e r a t u r ef i e l d ，h i g ht e m p e r a t u r ew h e e lr u t i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者繇彦 嗍2 咖年j 月j 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本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 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 日期：2 0 0 9 年j 月歹b 日 日期：2 0 0 9 生 z , f f 月31 日 r 冢毕裳 名 名 签 签 者 师 作 导 第一章绪言 1 1 问题的提出和研究意义 随着我国交通事业的迅猛发展，高速公路的各类桥梁建设进入了高峰期。造 型优美而结构新颖的的大中型桥梁在我国各地不断涌现。 桥面铺装是桥梁工程建设中一项复杂、关键的技术。桥面铺装作为桥梁整体 结构的一个重要组成部分其质量的好坏对于桥梁建成后在营运期间的行车安全 性、舒适性和美观性都起着至关重要的作用。由于桥面铺装层直接承受行车荷载、 梁体变形和环境因素的作用，其变形和应力特征与主梁及桥面板结构形式密切相 关，一方面可分散荷载并参与桥面的受力，另一方面起联络各主梁起共同受力的 作用；既是保护层又是桥面机构的共同受力层，所以应具有足够的强度和当良好 的整体性，并具有足够的抗裂、抗冲击和耐磨性能。沥青混凝土桥面铺装作为柔 性铺装层，可以有效地缓和行车荷载对桥面的冲击作用，在桥梁运营过程中易达 到平稳、舒适的要求。由于沥青混凝土路面具有很好的行车舒适性、美观性，同 时便于维修，因此，它在桥面铺装中应用越来越广泛。 由于桥面铺装在行车荷载、温度应力及桥面板局部变形的影响下，其受力和 变形较一般路面复杂，因此，桥面铺装也是桥梁整体结构中较为薄弱的环节，其 破坏的可能性远远超出桥梁的其它部分，一旦桥面铺装出现破坏，将直接对桥梁 的使用功能和使用质量产生负面影响。 在夏季阳光的直接照射下，桥面沥青铺装层的温度过高。这就导致了许多桥 梁随着交通量和重型车辆的增加，在半年至一年内即出现了桥面沥青铺装层高温 车辙损坏。 本文针对桥梁加固改造过程中的桥面沥青铺装层薄层设计方案，围绕沥青铺 装层的高温稳定性等内容，利用道路直道试验室进行足尺试验研究。 1 2 国内外研究现状 桥面铺装是一种特殊的路面结构，它起着保护桥梁和承担路面功能的作用。 合理的铺装结构和铺装厚度对于延长桥面铺装的使用寿命和提高铺装层行驶质 量至关重要。国内外经过几十年的实践与探索，结合各自国家和地区的具体情 况，在混凝土桥桥面铺装方面选用的类型不尽相同，一般包括防水层和沥青混 凝土面层。铺装面层主要起到磨耗层的作用，需与车辆接触，需提供平整、抗 滑的行驶表面。因此，铺装表面层应粗糙，有足够的纹理以提供长期的抗滑功 能。铺装表面层也是在高温天气直接承受阳光照射，温度也最高，也直接与雨 水、酸雾等接触，因此要有足够的热稳性、抗老化性能、抗水损害性能、抗裂 性能等【l 】1 2 1 。 水泥混凝土桥面沥青混合料铺装层同桥梁结构在材料性能上差异较大，即一 柔- - i 冈l j ，在外力作用下会导致应力与变形的不连续。在刚度大的桥梁结构上，柔 性铺装层必须具有足够的强度和稳定性，尤其是抗剪强度更为重要。铺装层内部 产生较大的剪应力，当车辆超载时，造成桥面沥青铺装层和界面应力增大，当面 层铺装厚度不足，且界面粘接不好时，将导致沥青面层产生车辙、推移、拥包、 波浪等病害，加剧结构的损坏【3 1 。 另外，沥青路面在水泥混凝土桥面与一般路基路段的工作条件( 水温状况) 存在较大的差异，气候环境要差一些，冬季水泥混凝土桥面温度比路基段要低， 夏季因混凝土吸热快，桥面温度比路基段要高。由此经常造成桥面沥青面层表面 开裂、推移、拥包、车辙等病害1 4 1 。 桥面沥青铺装设计方法是国内路面工程中的一项空白【5 1 。目| j ，桥面铺装一 般采用1 0o m 厚水泥混凝土n 4 - - l oc m 厚沥青混凝土的组合铺装结构。从调查已 建成高速公路的情况看，由于受行车荷载和气候条件的影响，沥青混凝土桥面铺 装不同程度地出现了问题，桥面铺装损坏程度比路面严重。针对沥青混凝土桥面 铺装的使用性能，选择合理的结构厚度、铺装材料、配合比及试验方法，在桥面铺 装性能的各方面要求之间取得平衡，是一个十分复杂的问题1 6 】。 桥面沥青铺装的破坏形式多样，在疲劳破坏方面主要表现为两种模式【7 】，一 种是铺装表面在纵桥向加劲肋或纵隔梁顶部位置，由于受到较大横桥向弯拉应力 ( 应变) 而产生纵桥向疲劳开裂吲：另一种是由于铺装与桥面板材料存在较大的模 量差，导致荷载作用下防水黏结层产生较大的剪应力( 剪应变) ，产生剪切疲劳，即 桥面铺装出现脱层，在肋间铺装底部产生较大弯拉应力，导致铺装产生纵桥向疲 劳开裂。沥青作为粘弹性材料，在持续高温的情况下，各种疲劳破坏现象将更为 显著，沥青性能由弹性体向塑性体转化，劲度模量大幅度降低，抗变形性能急剧 2 下降，从而产生高温车辙，这是目前沥青铺装层最主要的损坏形式，不仅影响行 车舒适性，而且对交通安全造成威胁。 国际上将沥青路面的车辙分为三种类型【9 】： ( 1 ) 结构性车辙：由于荷载作用超过路面各层的强度，车辙主要发生沥青面层 以下包括路基在内的各结构层的永久变形，叫做结构性车辙。这种车辙的宽度较 大，两侧没有隆起现象，横断面成浅盆状的u 字形。 ( 2 ) 失稳性车辙：在高温条件下，车轮碾压的反复作用，荷载产生的剪应力超 过沥青混合料的抗剪强度，使流动变形不断累积形成车辙，叫做沥青的流动性车 辙。高温下处于以粘性为主的半固体，在轮胎荷载作用下，沥青及沥青胶浆便产 生流动，从而使混合料的网络骨架结构失稳。这部分半固体物质除部分填充混合 料空隙外，还将随沥青胶浆在荷载作用下首先流动，硬度较大的矿料颗粒在荷载 直接作用下会沿矿料间接触面滑动，促使沥青及沥青胶浆向其富集区流动，以致 流向混合料自由面，特别是当集料问沥青及胶浆过多时，这一过程会更加明显 ( 3 ) 磨损性车辙：冬季埋钉轮胎形成的，在我国，由于基层基本上是半刚性基 层，强度及板体性良好，基层及其以下的变形极小，除了某些基层施工不良路段 外，第一类结构性车辙很少，而磨损性车辙几乎没有。所以目前所见到的车辙基 本上属于第二种类型。对于这种车辙，可以说没有有效的维修方法，唯一的办法 就是把车辙部位铣刨掉用新的混合料修补，或将原有材料再生改造以更换产生车 辙的层次。但另外还有一种在国外较少发生而在我国却经常发生的车辙，它是沥 青面层压密不足造成的，这是非正常的车辙，尤其是有些高速公路施工时没有很 充分的压实，也有的工程片面追求平整度，在降低温度后碾压，造成压实不足， 致使通车后第一个高温季节混合料继续压密( 比正常情况严重) 形成车辙。 针对上述问题，国内外开展了大量的研究与实践。对混凝土桥面上的沥青混 合料铺装层结构与材料的设计。 二十世纪七十年代美国的调查表明，在州际和主要公路上车辙占所致路面损 害的4 0 ；二十世纪八十年代日本的调查表明由于车辙引起的路面损害高达8 0 。 在我国，近几年来高速公路的迅猛发展，在许多省区沥青路面均不同程度出现了 大面积的早期车辙破坏，长期以来，己经发展了各种方法来评价沥青混合料的高 温性能，主要是以经验性和模拟性的试验为主，其试验结果与实际路面的永久变 形相关性不好，不能完全反映沥青混合料高温永久变形过程，因为沥青混合料是 一种粘弹性材料，沥青路面第二阶段永久变形主要是由于沥青混合料塑性剪切流 动引起的。因此，对沥青混合料高温稳定性的试验评价方法、评价指标还有待进 一步研究。研究沥青混合料的高温稳定性能主要是针对沥青路面的车辙而言的。 为了防止出现车辙，提高混合料的高温抗车辙能力具有重要的意义【1 0 】 1 1 1 。 日本提出了如下的铺装结构形式1 1 2 】： ( 1 ) 沥青层+ 板状防水材料+ 沥青橡胶粘结剂+ 水泥混凝土板； ( 2 ) 沥青层+ 3 层氯丁橡胶型防水材料+ 氯丁橡胶粘结剂+ 水泥混凝土板； ( 3 ) 沥青层+ 乳化沥青( 粘结) + 沥青层( 防水) + 沥青橡胶粘结费i j + 混凝土板。 丹麦在防水层之上铺筑1 5 - - - 2 o c m 的开级配沥青混凝土作保护层、4 c m 改性 沥青混凝土联结层和4 c m s m a 结合料磨耗层【1 3 】。 因此，可以看出，国外对混凝土桥面上的沥青混合料铺装层结构与材料的 设计有较详细的规定。 我国对于桥面铺装方面的研究开展得较晚，关于桥面铺装层结构、材料、以 及施工的系统研究较少，还仅限于规范中的指导性意见，规范中并未把铺装层当 作结构层考虑，对桥面铺装层本身受力特性分析和计算甚少。 我国公路沥青路面设计规范( j t gd s o 一2 0 0 6 ) 1 4 1 对水泥混凝土桥面上设置 沥青混合料铺装层时，提出了沥青面层应与混凝土桥面板粘结牢固、防水渗入、 抗滑耐磨、低温抗开裂、高温抗车辙、抗剥离的性能要求。铺装结构应由粘结层、 防水层及沥青面层组成，高速公路铺装宜采用双层结构，厚度不宜小于7 c m 。公 路桥涵设计通用规范( j t gd 6 0 一2 0 0 4 ) 【”1 中规定：高速公路、一级公路上桥 梁的沥青混凝土桥面铺装厚度不宜小于7 0 m e ；二级及二级一下公路桥梁的沥青混 凝土桥面铺装厚度不宜小于5 0 m m ；对于水泥混凝土桥面铺装，层内应配置钢筋网， 钢筋直径不应小于8 m m ，间距不宜大于l o o m m 。且水泥混凝土桥面铺装应符合公 路水泥混凝土路面设计规范( j t gd 4 0 2 0 0 2 ) 【1 6 】的有关规定。最后规范还给出 了由长安大学推荐的沥青混凝土桥面铺装层的典型结构为：单层式：5 0 m m 中粒式 沥青混凝土；双层式：上面层3 0 m e ( 4 0 m m ) 细粒式或中粒式沥青混凝土，下面层 4 0 m m ( 5 0 m e 或6 0 m m 或7 0 r a m ) 中粒式沥青混凝土；三层式：上面层3 0 m m ( 4 0 m e ) 细 粒式或中粒式沥青混凝土，中面层4 0 m m ( 5 0 r a m ) 中粒式沥青混凝土，下面层5 0 m m ( 6 0 m m 或7 0 m m ) 粗粒式沥青碎石。对桥梁结构的设计和施工都十分重视，但对桥 面铺设技术没有引起足够的关注，这也是引起部分混凝土桥面水泥混凝土铺装层 4 和沥青混凝土面层出现损坏现象严重的主要原因之一。 近年来我国市政部门与公路部门也对水泥混凝土桥面沥青混凝土面层铺装 技术进行了一些研究工作，作了一些有益的探讨。 1 9 9 4 年北京市市政工程设计研究总院针对城市立交桥桥面柔性铺装防水材 料性能进行了一些研究。过去由于没有一定的评价方法来选择桥面柔性铺装防水 材料( 防水卷材) ，出现了桥面渗水和氯化物渗入对桥梁结构的损坏严重，如北 京的西直门立交不得不进行早期加固、天宁寺立交的桥面沥青铺装层损坏达 4 0 0 0 m 2 ，每年都在维修等情况。由此提出一套评价和选用桥面柔性铺装防水材料 的试验手段和性能指标体系，并对几类防水材料的防水性能、粘结性能、抗剪切 能力等进行评价，为北京市的桥面铺装设计与施工科学选材提供依据，在北京西 h l - - 环道、首都机场高速公路工程、西客站市政配套工程、东三环道路改造工程、 西北三环道路改造工程中进行应用【1 7 l 。 1 9 9 6 年上海市内环线工程建设处针对内环线高架道路桥面防水涂层技术进 行研究。为内环线高架道路桥面防水的需要，研制了以沥青为基料的j w p - 1 和 j w p - 2 型桥面防水涂料，同时配套研究了大面积防水涂料机械化施工工艺，并在 上海内环线高架桥中应用6 0 余万平方米，取得了良好的防水效果【1 8 l 2 4 1 。 1 9 9 9 年3 月3 0 日至3 1 日，交通部公路司在京召开了桥面铺装结构专题研讨会， 与会人员对桥面铺装设计构造及施工技术进行了深入讨论，形成桥面铺装结构专 题研讨会会议纪要。这一纪要成为当前桥面铺装设计施工的指导性指南。罗立峰 等【1 9 】【2 3 1 人应用结构的线弹性理论，考虑桥面铺装层的功能要求，对铺装层的受 力状况进行了简化，并根据实际状况出了若干假定。在此基础上，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制指标的水泥混凝土桥面铺装 的设计方法，并给出了算例。后来他又利用a n s y s 程序对桥面铺装存在的非完善 接触界面问题进行分析，重点研究存在非完善基础界面是铺装材料、厚度以及非 完善接触界面的几何尺寸等对界面层的破坏影响，从中得到一些有价值的结果， 对试验方面的不足起到了很好补充作用。 1 9 9 9 年西安公路交通大学针对广东佛开高速公路水泥混凝土桥面混凝土铺 装结构的损坏，采用s b s 复合改性沥青修筑桥面沥青混凝土铺装层，取得了良好 的应用效果【2 5 l 。 2 0 0 0 年西安公路交通大学通过对常见防水层材料和层间结合料进行直剪试 验，采用弹性层状体系理论和有限元方法对水泥混凝土桥面层间剪应力进行力学 分析与计算，提出以层间抗剪强度为指标的桥面沥青混凝土铺装设计方法，并结 合防水层、平整度、施工工艺和车辙指标的要求，提出桥面沥青混凝土铺装层厚 度的计算方法，在此基础上推荐桥面铺装结构与厚度范卧2 6 1 。 2 0 0 1 年长沙理工大学课题组结合河南省商开高速公路水泥混凝土桥面沥青 铺装层的实体工程，重点研究解决国内水泥混凝土桥面沥青面层中出现的渗水、 剥落、坑洞以及推移、起皮、脱落、表面不平整等损坏现象。通过室内外试验研 究混凝土桥面防水层与粘结层材料，提出了水泥混凝土桥面沥青混凝土面层结构 组合、排水措施及铺筑技术【2 7 l 。 2 0 0 6 年重庆交通科研设计院，在综合考虑沥青桥面薄层加铺各种影响因素的 基础上，利用西部交通科技项目“桥面铺装材料与技术研究”课题的研究成果， 采用溶剂型沥青粘接剂与橡胶沥青砂胶技术，结合旧桥桥面铺装，对桥面沥青薄 层加铺的技术问题进行了有益的探索，并应用于实体工程【2 8 j 。 综上所述可知，国内外对桥面铺装的研究均偏于应用及材料方面，而且带有 很大的局限性，这些研究很少考虑桥梁的结构体系，没有定量地考虑各种影响因 素，更很少涉及桥面的挠度变形研究，从而使得桥面铺装结构的设计和施工只能 依据相关的经验。 合理解决桥面铺装问题需要从理论分析和结构计算两方面入手，j 下确的理论 基础是根本，合理的力学模型是关键。只有通过理论分析计算与实测对比，才能 较准确地解决接触模型的建立、荷载简化等问题，在桥面铺装的破坏机理分析和 设计理论方面，许多研究者对桥面铺装层的设计理论开展了的研究。如有的研究 者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，完全没有摩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来分析桥面铺 装层的破坏机理。 但上述这些研究都存在某些方面的局限，力学模型建立在许多假设的基础 上，与桥面铺装实际工作状态出入较大，因此，当务之急是加快对桥面铺装的进 一步理论分析研究，建立桥面沥青铺装层的足尺试验模型，并在此基础上进行试 6 验研究，为桥面铺装层的设计提供依据。 1 3 论文所做的工作 论文的主要工作如下： 1 、第一章介绍研究背景和意义，在广泛分析国内外桥面沥青铺装层已有的 研究成果的基础上，提出了采用模型桥进行足尺试验的研究方法及技术路线； 2 、第二章介绍模型桥的设计与施工，采用a n s y s 有限元分析软件依据实桥 的桥面变形进行相似模拟，建立了桥面挠度变形曲率与实桥相似的模型桥，并 加铺桥面沥青铺装层； 3 、第三章在直道试验室内采用自制的加热系统对模型桥桥面进行加热，对 模型桥和实桥的桥面沥青铺装层的温度场进行研究，在模型桥上进行高温超载 试验，对不同桥面沥青铺装层高温稳定性对比分析，并用车辙仪进行了辅助试 验，验证了相关的结论； 4 、第四章对论文做了总结分析和进一步展望。 7 第二章模型桥的设计与施工 为了真实地模拟水泥混凝土梁桥沥青铺装层的实际受力情况，在直道上设 计和修建模型桥，设计依据是主要考虑模型桥的桥面变形与实桥在同样的汽车 荷载作用下产生的变形尽可能地相似。基于挠度变形的相似原理，设计水泥混 凝土桥面变形研究的室内试验模型。利用有限元软件，建立并分析实桥模型， 得到实桥在车辆荷载作用下跨中挠曲变形，根据薄板弯曲理论及挠曲变形相似 原理，设计室内试验模型，使得试验模型在试验荷载作用下与原桥的桥面挠度 变形曲率的相似性，从而验证所设计的试验模型的正确性与有效性。 2 1 模型桥的建模和力学分析 2 1 1 技术思路 因原桥的上部构造为半幅采用4 片3 2 5 m 长3 4 5 m 宽的t 型梁，在实验室 中室内模型由于加载及其他实验要求，只能设计为长3 m 宽2 4 m 的板型构件。 设计要求是使得在实验荷载作用下实验模型表面铺装的沥青层受力情况与实桥 跨中3 m 区段桥面铺装的沥青层受力情况接近。 桥梁的梁板在荷载作用下会产生一定的变形，根据薄板的小挠度理论口3 删， 纵向位移“，v 及主要变形占。，占，可用挠度w 表示为： 甜：一划z ，v ：一划z( 2 1 ) 苏 砂 铲一掣y = 一掣叫= 一掣2 ， 式中是以桥面为x y 平面建立坐标系。若想达到设计要求，则只需以挠曲面 曲率为主要控制指标，设计室内的模型桥。设计模型的截面特性，使得其挠曲 面曲率与原桥桥面变形相刨3 副。 2 1 2 第一次建模 ( 1 ) 计算要点 实桥的预制t 梁设计强度为4 5 号混凝土，检测强度基本满足规范要求，计 算按照预制t 梁为4 5 号混凝土，现浇桥面板混凝土强度推定平均值为3 1 5 m p a ， 计算按照现浇段3 0 号混凝土。考虑活载影响修正系数六= 1 0 8 ，钢筋截面折减 系数0 9 。 实桥的预制t 梁设计钢绞线采用6 一中1 5 7 ，绞线面积1 5 0 m m 2 ，每股的极限 张拉力2 6 5 k n ，张拉控制应力为极限强度的8 0 ，锚具回缩6 m m ，摩擦系数0 2 。 高屈服强度钢筋屈服应力：巾1 6 ，4 6 0 m p a ，中2 0 ，4 2 5 m p a ；软钢屈服应力 2 5 0 m p a 。基于检测结果的计算中，均按照设计数据，张拉控制应力折合为 1 4 1 3 m p a 。材料安全系数按我国规范选取为1 2 5 。 ( 2 ) 实桥桥面板计算 结构横向计算采用有限元计算程序桥梁博士截取跨中1 延米桥宽进行 横向分析。边界条件按照主梁刚度情况反算结构弹性刚度，施加弹性约束。活 载横桥向按照影响线布载，荷载分别取汽一超2 0 重车重轴和挂一1 2 0 重轴计算 顺桥向有效宽度折算每延米荷载按照相应荷载横向间距布置。桥面板计算以荷 载组合i i 控制设计，横桥向不再考虑非线性温度的影响。 组合i ：恒载+ 汽车 组合i i ：恒载+ 挂车 根据理论厚度8 c m 钢筋混凝土作为组合截面参与受力这种工况进行计算。 t 梁结构检算采用有限元计算软件桥梁博士建立有限元分析模型。分 别取边粱和次边梁为计算对象。 由于t 梁与桥梁面板间采用现浇混凝土结构连接，活载跨中横向分布系数 按照刚接板梁法计算。经计算得到各梁跨中荷载横向分布系数如表2 1 所示。 9 表2 1t 梁横向分布系数 梁呼汽车挂车 防掩护栏 l0 6 5 60 4 6 7 0 4 3 9 20 7 5 30 4 3 2 0 1 0 7 3 0 7 4 60 4 4 4 o ( 3 ) 加载计算 二期恒载根据原设计图纸，单侧防撞护栏及其附属设施按照1 4 k n m 计取。 沥青混凝土桥面铺装二期恒载按照6 c m 厚沥青混凝土计1 3 8 k n m 2 。t 梁中心问 距3 4 5 m ，t 梁预制宽度1 6 m ，防撞护栏仅分配给第1 和第2 片梁，由此得到 各片梁的二期恒载分别为： 第1 片梁：1 5 8 k n m 第2 片梁：7 8 k n m 第3 片梁：4 8 k n m 经计算一片边梁自重( 包括二期恒载) g = 1 4 0 6 k n ，一片中梁( 包括二期 恒载) 自重g = 1 3 5 4 k n 根据以上计算结果选取边梁和次边梁分别进行计算。 组合i ：恒载+ 汽车 组合i i ：恒载+ 汽车 桥梁博士t 梁边梁和次边梁计算结果如表2 2 所示。 表2 2 荷载组合it 梁跨中截面应力 截面正应力计算结果最人主最人主 位置 一l ：缘最人f ：缘最小下缘最人下缘最小 压应力拉应力 边梁6 64 15 6 0 9 6 6o 次边梁5 63 16 2 0 6 6 2 0 1 规范限值1 5 7 52 2 41 5 7 5 2 2 4 1 8 9 - 2 2 4 注：表中数值单位均为m p a ，琏应力为正，拉心力为负。 1 0 表2 3 荷载组合t 梁跨中截面应力 截面正心力计算结果最大主最大主 控制截面 卜缘最大上缘最小下缘最大下缘最小 压应力 拉应力 边梁 7 74 15 6- 1 77 71 7 次边梁 5 93 16 20 46 40 4 规范限值1 8 9- 2 5 21 8 92 5 22 0 4 7 52 5 2 注：表中数值单位均为m p a ，压应力为正，拉应力为负。 利用有限元计算软件桥梁博士计算t 梁次边梁在汽超2 0 、挂1 2 0 荷载 作用下挠度计算结果如表2 4 所示。 表2 4t 梁跨中3 m 截面挠度 截面挠度计算结果 控制截面跨中相对挠度 跨中三米左边跨中三米中间跨中三米右边 次边梁2 0 1 4 92 0 7 5 42 0 1 4 90 6 0 5 注：表中数值单位均为m m 。 镕十h # m 镕十，十* 目十_ m 图2 1t 粱跨中三米示意图 d j d q | | 一i 剖隔日l 吲十l l = j l h l 口l 刊叫t j “ l ! i | 口j i 刊别刊 l 生型口o 。立坚_ j 匣丽再# 而i 上! 苎旦j 图2 0 采用桥梁博士建立的t 粱模型 ( 4 ) 模型桥的计算 模拟的3 24 m 2 c 3 5 混凝土板与t 粱的在同样的荷载汽超2 0 、挂1 2 0 作用 f 挠度一致，跨中相对挠度为06 m 。 口z 口l 日j a e 日e e 雕_ = 口甜呻# 省嚣_ _ 三：二：一嘉；手一。矗蠢： 图2 3 采用桥粱博士建立的模型桥 嚣篙二，j i i l ! 二! j 图2 4 模型桥计算结果 ( 5 ) 配筋 经有有限元计算程序桥梁博士计算t 模型桥的跨度为3m ，宽度为2 4 m ，高度为0 3 5 m 。 模型桥的横截面为2 4 m x 0 3 5 m 矩形，在横截面下部配两排( 每排1 6 根) 钢筋，钢筋距离截面底部的距离分别为6 0 m m 和8 2 r a m ，钢筋规格为h r b 3 3 5 ( 9 2 2 r a m ； 在横截面上部配一排钢筋，钢筋中心距离截面顶面的距离为6 0 m m ，钢筋尺寸为 h r b 3 3 5 1 6 m m ，箍筋尺寸为h r b 3 3 5 中6 m m ，间距为2 0 0 m m 。纵断面为3 m x 2 4 m 矩形，在纵断面下部配一排钢筋，钢筋距离截面底部的距离分别为1 0 4 m m ，钢 筋规格为h r b 3 3 5 ( i ) 2 2 m m ； 经验算，该梁板在汽超2 0 、挂1 2 0 的荷载作用下拉应力极小，不会出现导 致结构破坏的裂缝。配筋图见图5 和图6 。 o o o o o o o o o o o o o o o 图2 5 横断面钢筋图 图2 6 纵断面钢筋图 该梁板在2 0 1 8 9 0 1 8 9 的荷载作用下，板的弯矩及变形如下图所示，最 1 4 太挠度为04 8 l l n ，最大弯矩为1 0 33 2 k n m 。 圈2 7 模型桥梁板x 方向弯矩图 图2 8 模型桥梁板y 方向弯矩图 l匪璺垂雕掌 图2 9 模型桥粜板x y 方向弯矩图 门 囤21 0 模型桥粱板z 方向位移图 一。- i 2 1 3 ，第二欢建模 第二次建模的过程在第一次建模的基础上不但考虑了粱板的纵向变形，而 且考虑其横向变形，采用有别于传统桥梁模型研究的实体建模，使模型和原桥 的桥面变形的相似性得到了很大的提升哪! 。 设计3 m 长、24 m 宽的板型构件分析3 2 5 长3 4 5 m 宽的t 型粱桥跨中3 m 节段弯曲变形的性质。设计板的厚度，使得挠度或曲率与原t 粱一致。原桥计 算取3 05 2 m 长，共有两种变化的t 梁截面，计算软件采用有限元分析软件 a n s y s 9o 吲。 2131 、原桥计算： ( 1 ) 计算模型 田2 1 1a n s y s 有限元计算模型 模型为4 片t 粱组成。跨中并排作用3 辆5 5 t 重汽车，在距跨中l i4 m 处 作用3 辆2 0 t 重汽车前轮轴载7 t 。 ( 2 ) 计算参数：混凝土弹性模量3 15 g p a ，泊松比02 5 ： ( 3 ) 荷载施加：按标准汽车荷载施加： ( 4 ) 计算结果 ! ! ! 三笺兰! 互! 三三三! 。：；j 图21 2a n s y s 有限元计算结果图 ( j ) 模型控制参数的选取 采用3 24 m 板模拟原桥中3 24 m 的段的变形特点，完全模拟出各点 挠度及变形是不可能的，因此我们选取中心轴线变形曲率相似作为模型设计控 制参数，理由如下： 采用挠度作为控制参量存在一定的问题：因为从原桥中取出的3 2 4m 段中各点位移除了包含有变形产生的位移外还包含有随整体变形产生的刚体位 移。在模型试验中，这部分刚体位移是无法模拟的，因此，选用位移作为控制 参数不可取； 位移变化率同样也不能作为控制参量：理由和前面相同，由于原桥段中 刚体位移的存在，使得位移变化率中有刚体运动产生的项，试验无法模拟，因 此，选用位移变化率作为控制参数不可取； 采用挠度变形曲率作为控制参数的理由：因为对于铺装沥青而言，应变 主要是由桥面板弯曲引起；同时，刚体位移不影响曲率的变化，所以采用挠度 变形曲率相似作为控制参数是可行的。 2 1 3 2 、模型设计 由于实桥的梁板在荷载作用下的横向与纵向的产生的挠度变形曲率是不同 的，我们采用a n s y s 软件设计一块3 x 2 4m 的正交异性板，用四边简支板进行 曲率相似模拟，并进行配筋，通过在板中加肋使板有正交各向异性，不断调整 板厚以及肋板的尺寸从而达到各方向的曲率同时逼近近似3 7 1 。 1 9 ” 口e 口 1 ：4 x0 2 4 6 5 ： ： ； ； 图2 1 4 优化后的模型横断面图 通过a n s y s 软件计算，模型总体积1 7 8 8 m 3 ，边界条件为4 边简支，模型桥 与原桥在同样的汽车荷载作用下竖向位移曲线曲率如图2 1 5 所示。 裕 兰 签 二= = 3 矗 誊 誊 0 0 0 0 3 5 o 0 3 0 0 0 2 5 o 0 0 0 2 0 0 0 0 0 1 5 o 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 - o 0 0 0 0 5 1 5 1 0 - 0 50 00 51 o1 5 节点位置( m ) 图2 1 5 顺桥向中心线竖向位移曲线曲率 2 l 0 0 0 0 5 0 0 0 0 4 簪0 0 0 0 3 增 泣o 0 0 0 2 j 亭 ； 出 0 0 0 0 1 1 51 0 节点位置； 图2 1 6 横向中心线竖向位移曲线曲率 通过比较，从原桥与模型桥的桥面变形在顺桥向位移曲线曲率和横向位移 曲线曲率图我们可以看出，在原型中心线有载荷的一侧相差略大，在无载荷一 侧相差较小。模型桥与原桥的桥面变形的相似性较好。 2 。2 模型桥的施工图设计 2 2 1 、编制依据： ( 1 ) 公路桥涵施工技术规范等现有资料【”1 ； ( 2 ) 该工程建设地的交通运输、物资供应等工程建设条件以及现有提供的 施工用地计划； ( 3 ) 施工队伍的施工管理水平、施工队伍素质和投入该项工程的人员、机 械设备、能力等。 2 2 2 、模型桥钢筋布置图 表2 5 模型桥钢筋明细表 钢筋明细表 单根艮每米重 钢筋编号直径( m m )根数共长( m ) 共重( k g ) ( e m ) ( k g m ) n 11 22 8 02 0 0 8 8 85 64 9 7 n 2l o2 8 01 90 6 1 75 3 23 2 8 n 31 22 3 42 10 8 8 8 4 9 1 4 3 6 n 485 91 6 80 3 9 59 9 13 9 2 r 2 3 59 3 4 合计 h r b 3 3 57 2 0 图2 1 7 优化后的模型桥配筋图 2 4 2 2 3 、模型桥梁板构造图 图2 1 8 模型桥横截面图 一 30 n 一 田2 ，1 9 模型桥俯视圉 圈22 0 模型桥加载布置图 2 3 模型桥t 梁混凝土配合比设计 模型桥t 梁混凝土混凝土标号为c 3 5 ，其配合比设计按普通混凝土配合 比设计规程j g j 5 5 2 0 0 0 的步骤进行1 ： ( 1 ) 计算混凝土配制强度： f c u ，k = f c u ，o + 1 6 4 5 * 0 = 3 5 + 1 6 4 5 * 5 0 = 4 3 2 2 5 ( 2 ) 计算水灰比： w c = qa * f c e ( f c u ，k + qa 木qb 木f c e ) = 0 4 6 * 4 2 5 ( 4 3 2 2 5 + 0 4 6 * 0 5 2 * 4 2 5 i 13 ) = 0 3 6 qa ，qb 为回归系数，中砂取qa 为0 4 6 ，qb 为0 5 2 ( 3 ) 计算水泥用量： 取用水量为w o = ( t + k t ) 3 = ( 6 0 + 5 0 5 ) 3 = 1 8 8 k g m 3 c o = w o ( w c ) = 18 8 0 3 6 = 5 2 2k g m 3 ( 4 ) 计算混凝土砂、石用量： c o + s o + g o + w o = c p s o ( s o + g o ) 木1 0 0 = s p 假定混凝土容重为2 4 0 0k g m 3