（道路与铁道工程专业论文）钢桥面环氧沥青混凝土铺装特殊技术研究.pdf

摘要 摘要 近年来随着交通事业的快速发展，我国掀起了大规模的桥梁建设高潮。环氧沥青混凝土 具有强度高，韧性好、优良的耐疲劳性能、温度稳定性、抗腐蚀性能以及良好的层间结合能 力等特点，因此，在国内，环氧沥青混凝土广泛应用于大跨径钢桥桥面铺装中。与此同时， 随着应用条件的不同，环氧沥青混凝土钢桥面铺装也面临着一些特殊问题。 针对杭州湾大桥匝道桥钢箱梁线形具有的明显的圆曲线小半径“弯、坡、斜”特点，本 文从理论上对目前工程实践中出现过的在钢桥面板上焊接螺纹钢筋进行抗剪的方法进行研 究。首先，建立了杭州湾大桥匝道桥局部梁段有限元模型，对铺装层在竖向力、水平制动力 以及离心力共同作用下的受力情况进行了分析。其次，建立了含钢筋的匝道桥局部梁段有限 元接触分析模型，计算结果表明，钢筋对铺装层底部剪应力分布影响很小，且会对受力带来 一些负面影响，因此，采用焊接钢筋进行抗剪设计不可取。 此外，针对环氧沥青混凝土钢桥面铺装目前主要应用于我国南方气温相对较高地区的现 状，对环氧沥青混凝土钢桥面铺装在北方寒冷地区应用的可行性从理论分析和室内试验两方 面进行了研究。首先，通过有限元分析得到了低温情况下环氧沥青混凝土钢桥面铺装层受力 情况，从结构角度提出了一些改善铺装层受力状况的措施。其次，确定了美国型环氧 沥青混凝土的最佳油石比，通过低温小梁弯曲试验和复合梁低温超载疲劳试验研究了环氧沥 青混凝土及其与钢板复合结构的低温工作性能，结果表明，其低温性能可以满足低温环境下 的使用要求。 关键词：环氧沥青混凝土；钢桥面铺装；有限元分析：剪应力：低温性能 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h et r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r yo fo u rc o u n u 叫, al a r g ec a m p a i g no fb u i l d i n g b r i d g e sh a sb e e nl a u n c h e dd u r i n gr e c e n ty e a r s e p o x ya s p h a l tm i x t u r eh a sh i g h e rs t r e n g t ha n dt o u g h n e s s ， b e t t e ra n t i f a t i g u ep e r f o r m a n c e ，t e m p e r a t u r e s t a b i l i t y , a n t i c o r r o s i o np r o p e r t ya n db o n d i n gf o r c et h a n c o n v e n t i o n a la s p h a l tn a i x t u r e t h e r e f o r e ，e p o x ya s p h a l tc o n c r e t ei sw i d e l yu s e di n s t e e lb d d g ed e c k p a v e m e n ti n t e r i o r l y a tt h es a m et i m e ，w i t ht h ev a r y i n go fa p p l y i n gc o n d i t i o n s ，t h es t e e ld e c ke p o x ya s p h a l t c o n c r e t ep a v e m e n ti sc o n f r o n t e dw i t hs o m ep a r t i c u l a rp r o b l e m s a i m i n ga tt h ea d v e r s ec h a r a c t e r i s t i cs u c ha ss m a l lr a d i u s o fc i r c u l a rc u r v ei nr a m pb r i d g e so f h a n g z h o ub a yb r i d g e ，t h em e t h o do fw e l d i n gr e i n f o r c i n gs t e e lb a ro nt h es t e e ld e c kf o rt h es a k eo f r e d u c i n gt h es h e a rs t r e s si ss t u d i e d ，w h i c hh a so c c u r r e di np r a c t i c ep r e s e n t l y f i r s t l y , f i n i t ee l e m e n tm o d e l o ft h es t e e lb o xg i r d e ri se s t a b l i s h e dt oa n a l y z et h es t r e s so ft h ep a v e m e n tw h e nc e n t r i f u g a lf o r c eb e s i d e s h o r i z o n t a la n dv e r t i c a lf o r c ea r et a k e na c c o u n t s e c o n d l y , f i n i t ee l e m e n tc o n t a c ta n a l y s i sm o d e lw i t h r e i n f o r c i n gs t e e lb a r si ss e tup t h er e s e a r c hr e s u l ts h o w st h a tt h ej o i n i n go ft h er e i n f o r c i n gs t e e lb a r sa f f e c t s t h ed i s t r i b u t i n go ft h es h e a rs t r e s sa tt h eb o t t o mo ft h ep a v e m e n ts l i g h t l y t h e r e f o r e ，t h em e t h o do fw e l d i n g r e i n f o r c i n gs t e e lb a r st or e d u c es h e a rs t r e s si sn o t a d v i s a b l e m o r e o v e r , t a k i n gi n t oa c c o u n tt h a tt h es t e e ld e c ke p o x ya s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n ti sm a i n l ya p p l i e d i nt h es o u t h e r na r e a sw i t har e l a t i v e l yh i g ht e m p e r a t u r ei nc h i n a , t h ef e a s i b i l i t yo fi t su s ei nn o r t h e r nc o l d a r e a si se x p l o r e dt h r o u g hm e c h a n i c a la n a l y s i sa n dl a b o r a t o r i a lt e s t s f i r s t l y , u s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s m e t h o d ，t h es t r e s sc o n d i t i o no ft h es t e e ld e c ke p o x ya s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n ti nl o wt e m p e r a t u r e c o n d i t i o ni sg a i n e da n ds o m em e a s u r e si nt h ei n t e r e s to fa m e l i o r a t i n gt h es t r e s sc o n d i t i o na r ep u tf o r w a r d s e c o n d l y , t h eo p t i m u ma s p h a l tc o n t e n t o fe p o x ya s p h a l tm i x t u r ei sc o n f i r m e d ，a n dt h e n ，t h el o w t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo ft h ee p o x ya s p h a l tc o n c r e t ei sa n a l y z e dt h r o u g hl o w t e m p e r a t u r eb e n d i n gt e s t s a n do v e r l o a df a t i g u et e s t so fc o m p o s i t eb e a m t h er e s u l ts h o w st h a tt h el o wt e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo f e p o x ya s p h a l tc o n c r e t ec a l lf u l f i lt h er e q u i r e m e n to fu s ei nl o wt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n k e yw o r d s ：e p o x ya s p h a l tc o n c r e t e ；s t e e ld e c kp a v e m e n t ；f m i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；s h e a rs t r e s s ；l o w t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e 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：期：竺2 壁! 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：盗堂导师签名：日期： 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着我国近几年大跨径桥梁建设事业的迅猛发展，桥面铺装技术受到了越来越多的重视。对于 大跨径钢桥，桥面沥青混凝f ：铺装层作为桥梁行车系的重要组成部分，其好坏i 割妾影响到行车的安 全性、舒适性及桥梁耐久性。因此，除了对桥面沥青混凝土铺装层的强度、变形稳定性、疲劳耐久 性等均有较高的要求外。还要求其在使用性能上满足重鼍轻、高粘结性、不透水性等特殊要求。过 去一些小跨径钢桥用普通沥青混凝土铺装，或者采用改性沥青混凝土铺装尚能对付，但是对于大跨 径钢桥情况则显然不同，普通沥青混凝上铺装在短时间内就出现严重损坏，如广东九江丈桥桥面铺 装严重损坏就是一例。从铺装材料和施工方法角度来分，目前世界上主要采用的桥面铺装方案有4 类：以德国、日本为代表的高温拌和浇注式沥青混凝土( g u s sa s p h a l t ) 方案；以英国为代表 的沥青玛蹄脂混凝土( m a s t i ca s p h a l t ) 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s m a 方案( s t o n e - - m a s t i ca s p h a l t ) ；以 美国为代表的环氧树脂沥青( e p o x ya s p h a l t ) 混凝土方案。 环氧沥青混凝土由壳牌石油公司最初开发用于机场道面以抵抗飞机燃油和喷气的侵害，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 大桥正交异性钢板侨面的铺装层。它是通过在沥青中添加热固性 环氧树脂和固化剂，经固化反应而形成的一种强度高、韧性好的沥青混凝土。将这种材料用作钢桥 面铺装的国家主要有美国、日本、加拿大、荷兰和澳大利亚，其中以美国应用最为广泛”r 4 1 。 南京长江二桥钢桥面铺装是我国首次将环氧沥青混凝土运用于大跨径钢桥桥面铺装，因此对其 材料性能、路用性能和施j 二方法进行了全面系统的分析和研究。为充分认识环氧沥青混合料的性能， 还与其他几种用于钢桥面铺装的沥青混合料的性能进行了对比研究。通过研究对比，表明环氧沥青 混凝土具有较佳的综合性能。 在国内，继南京长江第二大桥成功应用之后，环氧沥青混凝土钢桥面铺装先后在润扬大桥和南 京长江第三大桥等特大桥梁工程中得以实施，环氧沥青混凝土钢桥面铺装技术日趋成熟。但是另外 一方面，随着应用条件的不同，环氧沥青混凝土钢桥面铺装也面临着一些特殊问题。 钢桥面沥青混凝土铺装与沥青混凝土路面一样，在受到较大的车轮水平荷载作用时，会出现剪 切破坏，包括铺装层搓板( 或波浪) 和拥包以及铺装层剥落等”】。造成这种破坏的原因是车辆荷载 的综合作用使铺装层产生的剪应力超过材料的抗剪强度，另外由于粘结层的抗剪能力不足而造成铺 装滑移、脱落，也是桥面铺装的主要病害之一。粘结层的破坏将直接影响到铺装层与钢板桥面铺装 体系的协同性，加速铺装层本身的破坏，并且修补工作巨大，目前对它的处理只有将粘结破坏区域 的铺装层清除重铺，代价很大，因此粘结层抗剪能力是否满足要求是桥面铺装成功的关键，研究水 平荷载对铺装结构剪切力的影响很有必要。 在建的杭州湾大桥是我国“五纵七横”国道主干线中同江三亚沿海大通道跨越杭州湾的便捷 通道，亦是浙江省东部沿海地区与上海之间的快捷通道。项目建成后，将成为具有重要战略意义的 同三线沿海大通道的重要组成部分。大桥北起乍浦南至慈溪，设置北、南两个通航孔，桥梁工程总 长3 6 0 0 0 m ，其中引道长约3 2 7 m ，主、引桥长约3 5 6 7 3 m 。其中钢箱梁段共计3 5 2 0 m ，包括南、北航道 两座钢箱梁斜拉桥和连接海上观光平台的五座匝道桥，铺装总面积约6 3 0 0 0 m 2 。钢箱梁桥面设计采用 双层环氧沥青混凝土铺装体系。其匝道桥的钢箱梁线形具有明显的圆曲线小半径“弯、坡、斜”特 点，正交异性钢桥面板最大纵坡超过3 8 且存在较大的横向超高，局部最大合成坡度约7 6 。在这 种情况下。当车辆上坡加速、转弯制动以及下坡刹车制动时，会使铺装层承受很大的剪应力，在超 载的情况下，这种情况会加剧。环氧沥青混凝土是一种熟固性材料，具有强度随时间增长的特点， 在铜桥面铺装施工阶段，由于强度没有增长完全，铺装层有可能因为过大的剪应力发生一次性破坏： 在使用阶段，铺装层长期承受较大的剪应力作用，容易发生由于剪切疲劳导致的推移、拥包以及粘 1 东南大学硕卜学位论文 结层脱层等病害。| 习此，在这些特殊路段，有必要采取特殊措施，增人铺装层的抗剪能力，或者减 小由于车辆水平制动力作用产生的剪应力。 此外，虽然目前环氧沥青混凝 ：在钢桥面铺装中应用比较成功，但是主要局限于南方气温相对 较高的地区，而气候条件是影响钢桥面铺装使用寿命的重要冈素之一，我国处于欧亚大陆板块的东 部，是季风气候最典型、最强烈的大陆。由于地理位置与气候条件的特殊性，我国广大地区与世界 同纬度地区相比，具有夏季炎热，冬季寒冷，年温差大的特点，气候条件较世界同纬度地区更为恶 劣。气候条件的恶劣直接反映在铺装工作温度上。国内几座大桥铺装设计工作温度如表j - l 所示。由 表1 1 可知，国内绝人部分铺装主要在南方气温相对较高的地区，位于武汉的军山大桥具有最低的铺 装设计工作温度，该丁= 作温度也只有一2 2 ，而我国北方寒冷地区极端最低气温要远低于这个温度， 如何使环氧沥青混凝土充分发挥其性能，适用于北方寒冷地区，也是一个值得研究的课题。 表卜1国内几座大桥钢桥面铺装设计工作温度一览表( 单位：) 桥梁所在地 经纬度( 4 ) 全年极端极端月均 月均 夏季钢板表 铺装 桥梁名称平均最高最低最高最低设计 北 东经气温气温气温气温 气温 面最高温度 温度 纬 南京三桥3 21 1 81 5 34 3一1 43 2 51 56 0 7 0一1 5 7 0 润扬大桥 3 21 1 91 5 44 0 91 23 1 82 06 5 7 0一1 5 7 0 江阴桥 3 21 2 01 5 23 8 1一1 4 23 21 46 5 7 0一1 5 7 0 南京二桥3 21 1 81 5 34 31 43 2 5 1 5 6 0 7 0一1 5 7 0 海沧桥2 41 1 82 0 93 8 1l42 8 5 1 5 6 0 6 55 7 0 宜昌桥 3 01 1 11 64 3 9一1 4 62 8 12 86 5 7 0一1 5 7 0 白沙洲桥3 041 6 64 1 3一1 7 32 8 93 96 5 7 0一1 5 7 5 军山大桥 3 01 1 4 1 6 64 1 3一1 8 12 8 9 3 9 6 5 7 0 2 2 8 0 鹅公岩桥 2 91 0 62 24 443 05 66 5 7 0- 4 7 5 1 2 国内外研究概况 1 2 1 环氧沥青混凝土钢桥面铺装层抗剪研究 水平荷载是车辆沿桥纵向行驶而产生的摩擦力，它对铺装层竖向表面位移，横向拉应力、横向 剪应力以及粘结层间横向剪应力的影响并不大，它对铺装层的作用主要体现在铺装层表面与粘结层 的纵向剪应力上1 。环氧沥青混凝土固化后具有很高的强度，且高温稳定性好，因此由于铺装材料 抗剪能力不足发生拥包推移等病害的可能性较小，在较大的水平力作用下，最有可能发生的是由于 粘结层粘结力不足而导致的脱层病害。 保证铺装层和钢板之间牢固耐久的粘结力，使铺装层适应钢板复杂的应力应变状态，一方面取 决于铺装材料自身的强度与韧性，另一方面还取决于铺装层与钢板以及铺装上下层问的粘结作用。 铺装层和钢板之间枯结力丧失而脱层是桥面铺装损坏的一种主要表现”1 。铺装层和钢板之间的脱层 可认为是桥面铺装的完全破坏。旦出现脱层现象，铺装层本身将很快发生破坏，铺装层在荷载作 用下对钢板的摩擦冲击会破坏钢板防锈层，在空气和水分作用下会使桥面板表面发生锈蚀。铺装与 钢板之闻的良好结合是桥面铺装与钢桥面板协同工作的关键，因此粘结层多用变形能力大的弹性材 料，当钢桥面板在温度变化或行车荷载作用下发生水平向变形时，粘结层可以吸收铺装层和钢板之 间部分相对位移，从而减小铺装层内应力。 从材料角度来讲，提高粘结层的抗剪性能，首先要选用优质的粘结层材料，国内也展开了很多 相关研究。 2 第一章绪论 国内的钢桥而铺装始于八卜年代，最甲是采用酱通帘级配沥青混凝_ 卜，防水籼结材料也多采用 乳化沥青，但使用后发现，一般使用寿命只有几个月，此后，逐步开始钢桥面铺装以及防水粘结层 的研究。 为了提高防水粘结层的粘结性能，延长钢桥面铺装的使用寿命，钢桥面铺装研究开始寻求比乳 化沥青性能更优良的防水粘结材料，改性乳化沥青粘结剂以及环氧煤焦油等性能更优良的防水粘结 材料逐渐取代了最初的乳化沥青。 1 9 9 1 年，由同济大学和厂东省肇庆市公路局联合研究并对北江马房桥钢桥面铺装进行了翻新。 铺装层采用p e + 废橡胶粉改性沥青作为结合料，以同样的材料作为防水粘结材料i l l 。铺装正常使 用了两年，后虽产生了严重的病害，但是相对以前的钢桥面铺装使用寿命己大大延长，改性沥青防 水粘结材料的使用也得到了进一步的发展。 以虎门大桥为开端，我国正式开始了大跨径钢箱梁桥的建设，也相应地开展了钢桥面铺装以及 防水粘结层的系统研究。虎门大桥建设人员在认真研究了当时国内钢桥铺装的使用情况以及仔细分 析德国、日本等国的相关技术资料和经验的基础上，确定采用s m a 沥青混凝土对虎门大桥进行铺装。 防水粘结体系则由e l i m i n a t o r 防水胶与改性沥青粘结层组成1 1 2 1 0 由于对虎门大桥的气候条件以及交 通条件认识不足，虎门大桥桥面铺装以及防水粘结层设计并没有取得成功。由于对虎门大桥地区持 续高温气候认识不足，以及过分强调了粘结材料的韧性，忽略了粘结荆的硬度和初始抗剪强度，造 成了选用的粘结剂软化点偏低，无法适应虎门大桥夏季持续高温的气候：而且粘结剂用量较大，而 作为粘结层一部分的预拌沥青碎石洒布较少，粘结剂尤法在粘结层内“消化”，降低了粘结层的性能 以及铺装层的高温性能；此外虎门大桥桥面防锈漆油污染严重，也造成了粘结层与钢板问的粘结力 损失。上述原因导致了虎门大桥在通车约一年后不得不进行了全桥处治1 1 3 1 。 其后的厦门海沧大桥、武汉白沙洲大桥、宜昌长江公路大桥以及重庆鹅公岩大桥等钢桥吸取了 虎门大桥铺装失败的教训，都对防水粘结层十分重视，分别对防水粘结层进行了大量的试验和研究， 并取得了一定的成果。 江阴大桥浇注式沥青混凝土铺装引进的是英国成套成熟技术，这种铺装技术在国外应用于钢桥 面铺装已取得了丰富的成功经验，采用类似铺装结构的英国亨伯尔大桥、法国诺曼底大桥以及土尔 其博斯海峡大桥等均未出现过由于结构层间结合力不足而导致的铺装破坏。同样，江阴大桥也末出 现粘结层与钢板的粘结力不足而造成的铺装层破坏。但由于防水粘结层采用的是热塑性橡胶改性沥 青，在高温状况下粘结力和热稳定性较低，因此，在夏季铺装表面也出现过一些局部的波浪、推移 与拥包现象”“。 东南大学研究人员在国内首次成功地使用环氧沥青混凝土对南京长江二桥进行了铺装，使用与 之配套的环氧沥青粘结材料作为防水粘结材料| 7 1 0 之后的润扬大桥和南京长江三桥均采用了环氧沥 青粘结料作为粘结层，均取得了较好的效果。 除了选用高性能的粘结材料提高铺装与钢板的粘结能力外，从提高界面抗剪强度的角度也提出 了一些解决措施。 周新刚，朱慧捷“”“”提到采用“植筋”技术，通过植筋处理，既能提高界面间的抗剪性能，改 善铺装层受力状况，同时也能满足界面内抗拉需要，这样可以确保桥面铺装与梁板体的连续工作。 张志宏”通过对钢桥面铺装使用条件和目前钢桥面沥青混凝土铺装主要病害原因的分析，提出 了钢桥面铺装界面抗剪的观点，进而提出了将特制防水卷材用于钢桥面铺装抗剪和防水的设计思路， 并进行了初步的试验对比。 甘先永“结合河南少( 林寺卜一洛( 阳) 高速公路的实际情况，应用b i s a r 程序分析了面层的应力 分布，介绍了设置粘层对层间剪应力的影响，通过弹性层状体系的b i s a r 软件分析，可知较厚沥 青面层和铺设土工织物粘结层可适当降低层间剪应力。 在钢桥桥面铺装工程实施过程中，曾采用过多种增强界面抗剪能力的方法。 广东马房北江大桥在国内钢桥面铺装过程中，首次采用在钢板与沥青铺装之间设置碎石胶层新 技术，提高了铺装的抗剪能力和层问结合能力”。 厦门海沧大桥钢桥面铺装层采用沥青玛蹄脂碎石( s 姒) 铺装，大桥建成通车使用一年半后，铺 3 东南大学硕十学位论文 装层出现了第一道裂缝，在随后的一年多的时间里，裂缝4 i 断增加和扩大，2 0 0 2 年i o n 对其钢桥面 铺装进行了翻修。为了增强铺装层的抗拉伸性能和提高铺装层的抗推拥的能力，在上f 铺装层之问 增加了2 5 r a m 2 5 t m 的玻纤格栅”。 此外还有采用点焊抗剪钢筋网( 山东东营黄河公路桥) 、加焊变形钢筋( 上海延安路高架钢桥桥 面) 、掺加钢纤维( 广东马坊桥维修方案) 、掺加建筑沥青与橡胶沥青改性( 北京大北窑立交桥) 、使 用改性乳化沥青( 西陵长江大桥原铺装方案) 等。目前实际施工中，为了增加粘结层与铺装层间的力 学咬合力，通常在粘结层上铺洒一层预拌沥青碎石。此类措施一定程度上提高了钢桥面铺装的抗剪 性能，延长了钢桥面铺装的使用寿命。 1 2 2 环氧沥青混凝土钢桥面铺装在寒冷地区应用研究 目前我国已建桥梁中钢桥面铺装主要应用于气温相对较高地区，一般我国钢桥面最高设计温度 达到7 0 以上，因而对于钢桥面铺装而言，对沥青混合料的高温稳定性研究较多，而关于铺装在低 温环境下的适用性研究较少。 东南大学桥面铺装课题组对环氧沥青混凝土的各项性能进行了试验研究”“，采用沥青混合料的 低温弯曲试验和低温劈裂试验来评价环氧沥青混合料的低温性能和变形能力。发现环氧沥青混合料 除具有较高的强度外，还有较好的变形能力。将不同类型沥青混合料在1 5 时的弯曲试验结果与1 5 时的试验结果对比，发现温度降低时，s m a 与a c 沥青混合料的破坏应变减小较多，环氧沥青 混合料的破坏应变降低幅度较小。相对于s m a 及a c 沥青混合料，在低温时环氧沥青混合料除具有 较高的强度外，还具有较好的变形能力。 长沙理工大学的刘大梁”“通过试验研究了国产环氧树脂、固化剂应用于改性沥青混凝土的配制 技术，在大量试验的基础上，筛选出了适用于国产环氧树脂改性沥青的固化剂品种及合适的掺量， 并对配制的环氧沥青混凝七的马歇尔稳定度、动稳定度、低温弯曲劲度模量、残留稳定度等性能进 行了研究，其所研究的环氧改性沥青混合料比普通沥青混合料低温抗弯拉强度和极限应变都有较大 的提高。 桥面铺装层的温度变化幅度和速度远大于普通路面，铺装层与底部桥面钢板热变形会相互影响 和制约，如果铺装层和钢板的收缩系数相差过大，温度应力可能导致铺装开裂或层间滑移。因此国 内外对其可能产生的温度应力也进行了相关研究。 k e n n e d y “等在对几种桥面进行理论分析和试验研究的基础上，提出了沿铺装层厚度方向温度分 布规律，指出根据该温度分布规律，可估算铺装层由温度引起的温度应力。 东南大学桥面铺装课题组对环氧沥青混凝土在一1 5 5 内的线收缩系数进行了测定”，试验 结果表明，无论在何种温度区间内，环氧沥青混凝土的线收缩系数都在( 1 3 2 5 ) x1 0 5 1 2 “内变化。 钢的线性收缩系数大约为( 1 1 1 4 ) l f f ，环氧沥青混凝土的线收缩系数与其相比，相差不大。 何平“”对s m a 、浇注式沥青混凝土和环氧沥青混凝土的低温性能进行了综合比较，采用低温弯 曲试验和线收缩系数评价其低温抗裂性能，发现在一1 5 的低温下，浇注式沥青混凝土具有最大的极 限弯曲应变，而环氧沥青混凝土的线收缩系数最小，因此产生的温度应力最小。 闵召辉。1 采用固化后的环氧沥青混凝土小粱，在m t s 8 1 0 材料试验机上进行弯曲蠕变试验，利 用数值计算将蠕变柔量转换为松弛模量，运用b o l t z m a n 叠加原理分析环氧沥青混凝土钢桥面铺装层 的温度应力，研究表明考虑钢板收缩的温度应力比不考虑钢板收缩的降低许多，且均小于其低温极 限抗拉强度。 1 3 研究目的 针对杭州湾大桥匝道桥存在圆曲线小半径“弯、坡、斜”的特点，提出可行的抗剪解决措施， 重点对焊接抗剪钢筋的方法进行研究，该方案在一些工程中曾经得到过应用，但效果并不是十分理 想，本文拟通过探索铺装层与钢筋共同受力规律，从理论上分析采用钢筋抗剪的可行性。 4 第一章绪论 针对目前环氧沥青混凝主要局限于气温较高地i ) ( 的现状，研究环氧沥青混凝土在寒冷地区应 用的可行性。 1 4 研究的主要内容及关键技术路线 1 ) 结合杭州湾大桥匝道桥的特点，对车辆行驶过程中对铺装层施加的荷载进行研究，确定车辆 在匝道的特殊路况下行驶时对铺装层可能施加的荷载大小； 2 ) 充分考虑杭州湾人桥匝道桥“弯、坡、斜”特点，选取最不利的局部梁段，建立该局部粱段 有限元分析模型，将车辆荷载产生的竖向力、纵桥向制动力以及离心力叠加，分析铺装层受力情况， 尤其是其剪应力情况； 3 ) 考虑通过焊接抗剪钢筋的方法提高铺装层抗剪能力，建立表面焊有钢筋的局部梁段钢桥面铺 装有限元模型，确定最不利荷位，分析加焊抗剪钢筋后铺装层剪应力的分布情况，讨论焊接钢筋抗 剪的可行性； 4 ) 以模量变化来模拟温度的变化，对低温情况下的环氧沥青混凝土钢桥面铺装层进行有限元分 析，研究低温下铺装层的应力应变规律； 5 ) 将v 型与v i i i 型两种环氧沥青混凝土进行对比，通过低温小梁弯曲试验及复合梁疲劳试验， 研究其低温性能。 东南大学硕士学位论文 第二章杭州湾大桥匝道桥钢桥面铺装力学分析 2 1 工程背景介绍 杭州湾大桥是我国“五纵七横”国道主干线中同江三亚沿海大通道( 以下简称同三线) 跨越杭州湾 的便捷通道，亦是浙江省东部沿海地区与上海之间的快捷通道。人桥向北通过同三线、乍嘉苏等高速公路 通往浙江省嘉兴、湖州和上海、江苏、山东、京津塘等东部沿海经济发达地区；向南通过甬台温高速公路 ( 同三线) 、上三线等高速公路通往浙江省沿海的宁波、舟山，台州、温州和东南沿海广大经济发达地区。 大桥北起嘉兴市海盐县郑家埭，南至宁波市慈溪庵东水路湾，设置北、南两个通航孔桥，大桥总长3 6 0 0 0 m ， 其中引道长约3 2 7 m ，主、引桥长约3 5 6 7 3 m 。 与我国已有的钢箱梁桥环氧沥青混凝土铺装工程项目相比，杭州湾大桥钢箱梁桥存在以下几方面的差 异： 环境条件：本项目所在区域为强潮海湾，夏季高温、冬季严寒，常年风力较大且台风频发，空气湿度 较大且富含氯离子。 交通条件：杭州湾大桥为杭州湾地区的重要交通通道，同时也是国道主干线一同三线的重要组成部分， 杭州湾周边地区有着多个大型集装箱码头与石化油v i 基地，其承载的交通量与重型货车通行比例均高于已 有的环氧沥青混凝上铺装工程项目。 构造条件：杭州湾大桥的钢箱梁包括南、北主航道斜拉桥和连接海上观光平台的匝道桥两部分，作为 钢桥面铺装支撑的钢箱梁结构设计不尽相同；尤其匝道桥的钢箱梁线形具有明显的圆曲线小半径“弯、坡、 斜”特点，正交异性钢桥面板最大纵坡超过3 8 且存在较大的横向超高，局部最大合成坡度约7 6 。 施工条件：杭州湾大桥为全长3 6 k m 的跨海高架桥，南、北航道桥与陆地的最短距离约为1 8 k i n ，匝道 桥位于南、北航道桥之间，这给施工拌和站点的设置及施工组织均带来较大的困难。 匝道桥的情况更为复杂，国内外已有由于较大的坡度导致环氧沥青混凝土钢桥面铺装一年内破坏的先 例，因此必须高度重视匝道桥铺装的设计与施工。匝道桥“弯、坡、斜”的特点不但对铺装材料与结构 的抗剪切破坏能力提出了更高的要求，而且也给铺装的设计与施工带来了相当大的难度，尤其匝道桥接往 观光平台，一旦铺装出现问题将产生不良的社会影响，因此必须从方案设计和施工技术入手，认真研究， 加以解决。 2 。2 力学分析模型的建立 有限元方法是力学分析的一种有效手段，与其他计算方法相比具有简单、有效的优点，目前对 正交异性钢桥面板进行力学分析的方法主要有三种：等效格子梁法、有限条法、有限元法。这几个 方法各有优缺点与适用范围，但在钢桥面铺装分析中以有限元方法应用最为广泛。有限元( f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ) 的基本思想是将求解区域离散为一组个数有限，且按一定相互连接在一起的单元 组合体。 2 2 1 铺装层力学分析的基本假定 铺装层通过粘结层与钢桥面板牢固地粘结在一起共同承受外荷载作用，在分析铺装层的受力变 形时，需将铺装层与正交异性板结构作为一个整体进行分析。钢桥面铺装层由于钢板加劲肋的作用， 在车载作用下，横隔板及加劲肋侧肋顶部附近产生明显的应力集中现象，分析这种力学特性的最有 效的工具就是有限元。 应用有限元方法对正交异性钢桥面铺装体系进行力学分析时，采用如下假设： 6 - 第二章抗州湾大桥匝道桥钢桥面铺装力学分析 ( 1 ) 沥青混凝i ：铺装层足连续的、完全弹性的、均匀的、各向同性的； ( 2 ) 结构的位移和变形足微小的； ( 3 ) 铺装层与钢板的层间接触是完全连续； ( 4 ) 正交异性钢板和铺装层的自重不计。通常铺装层是在正交异性钢板完全安装完毕后才铺筑 的，因此正交异性钢板自重对铺装层的受力无影响。 2 2 2 单元的选取 由于模型较大，如果全部用三维实体单元，单元数太多，这样将极大地浪费资源共至可能无法计 算，由于钢桥面板厚度只有1 0 m m 2 0 m m ，因此考虑采用壳单元模拟钢板( 包括斜腹板和横隔板等) ， 见图2 - i ，混凝t 铺装层用8 节点等参实体单元模拟，见图2 - 2 ，单元之间的衔接使用a d i n a 的新 功能m e s h i n g g l u em e s h 。 凸， 图2 - 1 四节点壳单元 2 2 3 计算参数及有限元模型 图2 - 2 八节点实体单元 根据铺装层与桥面系统的完整性，沥青混凝土铺装层开裂破坏主要与钢桥面板局部受力变形有 关。计算中取钢箱梁局部梁段作为计算对象。局部梁段纵向取三跨，包含四块横隔板。正交异性钢 桥面板的构造参数根据杭州湾大桥匝道桥钢箱梁设计文件选取，钢桥面铺装有限元模型的基本参数 见表2 1 。 东南大学硕士学位论文 表2 - 1 有限元模型计算几何尺寸与材料参数 项目计算参数 钢箱粱项板宽度( m m )8 5 0 0 钢箱梁底板宽度( r r a n )4 9 5 0 钢箱粱高度( n u n )1 6 5 0 钢箱梁项板厚度( n u n ) 1 6 横隔板间距( n u n ) 2 0 0 0 横隔扳厚度( m m ) 1 0 顶板梯形加劲肋厚度c r a m ) 8 梯形加劲肋上口宽度( n u n ) 3 0 0 梯形加劲肋f 口宽度( n u n )1 7 0 梯形加劲肋间距( m m )6 0 0 梯形加劲肋高度( 姗) 2 8 0 沥青铺装层厚度( m m ) 2 5 + 2 5 钢板泊松比 o 3 钢板弹性模量( m p a ) 2 1 0 0 0 0 沥青铺装层泊松比 0 2 5 沥青铺装层弹性模量( m p a ) 1 0 0 0 将正交异性桥面板体系、铺装层作为一整体，建立有限元模犁，采用通用有限元程序a d i n a 对桥面铺装层进行力学分析，建立有限元模型如图2 - 3 所示，模型边界条件为两端同结。 图2 - 3 钢箱梁局部梁段有限元分析模型 8 第二章杭州湾大桥也道桥钢桥面铺装力学分析 2 2 4 作用荷载 ( i ) 竖向力 依据公路工程技术标准( j i g b 0 1 - - 2 0 0 3 ) ，采用汽车一超2 0 级车队中重车为作用荷载。目 前还没有针对钢桥面铺装设计的标准轮载形式，国内外在进行桥面铺装设计研究中采用过多种轮载， 主要可分为单轮均布荷载形式和双轮均布荷载形式两种。本研究选用双轮荷载，汽一超2 0 级车队中 重车后轴重1 4 0 k n ，后轴一侧轮组为双轮组，则单个轮载为3 5 k n 。轮压选用标准轮胎接地压力 0 7 m p a ，并考虑3 0 的冲击系数，则竖向力大小为0 9 1 m p a 。单轮接地面积为5 0 0 c m 2 ，参考以往文 献”“，单轮接地宽度多取2 0 c m ，两轮侧间距取1 0 c m ，故其接地k 度为2 5 c m 。双轮矩形均布荷载 几何形式如图2 4 。 l 至量 - i ! q f 至量 | 单位： n 图2 - 4 双轮矩形均布荷载几何形式 ( 2 ) 纵向水平制动力 由于杭州湾匝道桥存在明显的“弯、坡、斜”特点，汽车在该匝道桥上行驶时可能发生频繁的 紧急刹车现象，因此有必要计入刹车制动产生的水平力的影响。水平制动力通过垂直荷载乘以车轮 和桥面铺装间的摩擦系数f 得到。已有研究成果表明，在正常路段汽车紧急制动时摩擦系数f 为o 3 0 5 1 。本研究按最不利考虑，选取f = 0 5 ，即纵桥向水平制动荷载为0 4 5 m p a 。 ( 3 ) 离心力 匝道桥最小平曲线半径只有7 2 m ，根据公路桥涵设计通用规范j t gd 6 0 - - 2 0 0 4 中第4 3 3 条 规定：当弯道桥的曲线半径等于或者小于2 5 0 m 时，应计算汽车荷载引起的离心力。汽车荷载引起 的离心力标准值为按本规范规定的车辆荷载( 不计冲击力) 标准值乘以离心力系数c 计算，离心力 系数按式( 3 1 ) 计算： c - 芸 ( 3 1 ) 1 2 7 r 。 故本研究中计入汽车在弯道上行驶时可能产生的离心力。规范还规定，计算多车道桥梁的汽车荷载 离心力时，车辆荷载标准值应根据车道数乘以规范规定的横向折减系数，杭州湾大桥匝道桥为双向 两车道，根据该规范对应的横向折减系数为l ，因此不予折减。根据设计文件，匝道桥设计车速为 8 0 k m h ，最小平曲线半径7 2 m ，根据式( 3 1 ) c 取值0 7 。 根据公路桥涵设计通用规范第4 3 1 条关于车辆荷载主要技术指标的规定可知，车辆重力 标准值为5 5 0 k n ，荷载作用面积为1 0 8 m 2 ，因此离心力为： f ：= 5 5 0 x 1 0 3 0 7 ：0 3 5 6 m p a 由于桥面纵坡和横向超高的存在( 所选取粱段桥面纵坡为3 8 ，横向超高为7 ) ，上述三种荷 载作用时并不是简单的两两垂直关系，因此在有限元模型中施加荷载时考虑了上述三种力的合成作 用。为了考察汽车纵向水平制动力对铺装层受力的影响，计算分为包括与不包括水平制动力两种情 r l 矧i l 东南人学硕士学位论文 况，两种情况卜作用于模型中的蟹桥向分力b 横桥向分力是一样的，不同的是纵桥向分力。 竖桥向分力f z = o 9 1 c o s 3 8 = 0 9 1 m p a ： 横桥向分力f v = o 3 5 6 x c o s 7 - - o 9 1xs i n 7 = o 2 4 2 m p a ； 不考虑水平制动力时： 纵桥向分力f x 卸9 l s i n 3 8 = 0 0 6 m p a ； 考虑水平制动力时： 纵桥向分力f x = o 4 5 + 0 9 1xs i n 3 8 = 0 5 1 m p a 。 2 2 5 作用荷位选择 为考虑车载相对于加劲肋不同横向位置对铺装层所产生的不同影响，横向荷位按图2 5 所示分 三种情况，即：荷位i 一车载对称施加于一加劲肋正上方；荷位i i 一车载以一加劲肋边为中心对称 施加于正上方；荷位l l i - - 车载施加于两加劲肋中心之间的正上方。 2 3 铺装层受力分析 图2 5 车载沿横截面方向的不同位置图 根据前述的不同加载方式，横向分3 种荷位，纵向分6 种荷位，共有3 6 = 1 8 种荷位，对不同 荷位进行力学分析，得到铺装层各项力学指标。 2 3 1 铺装层内部最大拉应力( 拉应变) 铺装层开裂破坏是钢桥面铺装常见的一种破坏类型，铺装层最大拉应力与拉应变是控制铺装层 开裂破坏的重要设计指标，分析其分布变化规律可以了解铺装层开裂破坏的特性以采取有效的防范 措施。 不考虑水平制动力时，铺装层在不同荷位下拉应力与拉应变计算结果如图2 _ 6 图2 - 9 所示。 1 0 第二章杭州湾犬桥匝道桥钢桥面铺装力学分析 考 r 氇 捌 o 4 5 0 4 0 3 5 0 3 o 2 5 00 20 40 6 0 81 荷载中心距横隔板的距离( m ) 荷位i 1 岢位i i 茼位i i i 倚位i 倚位i i 荷位i i i 图2 - 6 荷载沿桥面纵向移动时铺装层主应力与横向最大拉应力一荷位曲线 5 5 0 ，、5 0 0 v4 5 0 制 曩4 0 0 窟 颦3 5 0 3 0 0 00 20 40 60 8 l 荷载中心距横隔板的距离( m ) + - 横向荷位i t - 一横向荷位i i 一一一横向荷位 图2 - 7 荷载沿桥面纵向移动时铺装层表面横向最大拉应变一荷位曲线 o 1 2 o 1 1 主0 1 较o 0 9 翻0 0 8 暹0 0 7 舔o 0 6 o 0 5 00 20 40 60 81 荷载中心距横隔板的距离( m ) 图2 - 8 荷载沿桥面纵向移动时铺装层表面纵向最大拉应力一荷位曲线 “一 东南大学硕士学位论文 j 。 u | 争( 翅 瓤 叵 0 0 20 40 60 81 荷载中心距横隔板的距离( ) 图2 - 9 荷载沿桥面纵向移动时铺装层表面纵向最大拉应变一荷位曲线 由图2 6 图2 - 9 可以看出，最大横向拉应力与最大横向拉应变发生在纵向距横隔板0 2 m 处的 横向荷位i i ，横向拉应力最大值为0 4 3 5 m p a ，横向拉应变最大值为5 3 1 u ，最大纵向拉应力发生 在横隔板顶部的横向荷位i ，最大值为0 1 1 4 m p a ，纵向拉应变位于横隔板顶部的横向荷位i i i ，最大 值为9 5eu 。铺装层内的横向晟大拉应力或横向最大拉应变均远远大于纵向最大拉应力或纵向最大 拉应变，横向最大拉应力约为纵向最大拉应力的舢6 倍( 横向拉应变约为纵向拉应变的5 7 倍) ，因 此横桥方向的控制是铺装层内部拉应力的主要控制方向，铺装层出现的开裂破坏主要是横向拉应力 引起的纵桥向裂缝。 铺装层最大拉应力与拉应变是控制铺装层开裂破坏的重要设计指标，通过控制铺装层的最大拉 应