钢桥面铺装研究

钢桥面的铺装研究1.项目背景1.1.研究背景我国自九十年代初开始修建大跨径钢桥，同时对钢桥面铺装技术也展开了系列研究工作。已有的资料表明，无论国内还是国外，对桥面铺装技术的研究大都集中在铺装材料的改性研究方面，钢桥面铺装的设计多以经验为主，对钢桥面铺装体系破坏的力学机理研究不够深入。正交异性钢桥面板以其自重轻、极限承载力大、适用范围广等优点目前已广泛应用于大跨径公路桥梁钢箱梁。由于其复杂的几何构造形式，轮载作用下独特的受力性能，导致其上的铺装层受力复杂。从已经建设并投入使用的大跨径桥梁钢桥面铺装的使用情况来看，不管铺装是何种形式，或多或少均存在着一定的问题，国内外道路工作者对此进行了大量的调查研究，认为仅仅从铺装材料和结构形式上对沥青铺装层进行调整并不能从根本上解决出现的问题，应该从桥梁的结构特性入手，分析铺装层受力与桥梁结构的内在联系，才能够从力学的高度来研究铺装层的工作状态，最终找到解决问题的方法。我国建设大跨径钢桥的有20年左右的历史，已建成大跨径钢桥100余座，但我国幅员辽阔，山川河流较多，分布较广，因此，大跨径钢桥的建设在我国方兴未艾。从大跨径钢桥在我国建设的背景及前景来看，我国目前和今后很长一段时间内，还将建设一大批跨江、跨河、跨海、跨湖的大桥。因此，对大跨径钢桥的桥面铺装的力学研究将对我国大跨径钢桥铺装层的设计、建设等产生深远的影响，有必要对其进一步研究。1.2.研究必要性（1）钢桥面铺装仍是世界尚需解决的一个技术难题钢桥面铺装是大跨径桥梁建设的关键技术之一，大跨径桥梁正交异性钢桥面变形大，铺装层薄、剪应力大所带来的铺装技术问题一直是一个世界性难题。我国大跨径钢桥的研究已有20年历史，积累了不少经验，但我国幅员辽阔，有些地区气候条件恶劣，加之重载超载车辆较多，钢桥面铺装早期病害严重，铺装失败的例子很多。（2）桥面铺装问题解决的前提是明确铺装层的受力状态及特点造成钢桥面铺装早期病害的原因有很多，其中最主要的对于正交异性钢桥面铺装的认识不够，钢桥面铺装问题的解决，需要从力学机理、材料组成、铺装结构设计和工程施工等方面综合研究，其前提是必须明确铺装层的受力状态及特点，钢桥面铺装力学响应研究有利于优化铺装体系结构及材料设计。（3）目前国内外尚未没有普遍有效的桥面铺装设计理论与方法近年来，广大研究人员对钢桥面铺装受力状态进行了力学分析和计算，并提出了以各种参数作为控制指标的沥青混凝土桥面铺装层的设计方法。但是现有大部分的研究要么是仅考虑了桥面铺装系统，要么是将车辆、钢桥结构和桥面铺装系统分开考虑。事实上，在受到车辆荷载作用时，车辆、桥梁结构和桥面铺装的振动是一个相互影响、相互耦合的过程。本项目拟从桥梁整体结构入手，分析铺装层在车辆荷载作用下的力学特性，揭示沥青铺装层的受力特性与桥梁结构特性、铺装层材料性质，以及荷载特性等因素之间的关系，从而为铺装层的材料和结构设计提供理论依据。同时，在满足桥梁设计的同时，对桥梁结构特别是钢箱梁结构作一些微调，使得铺装层处于更加有利的受力环境中，从而减少铺装层的破坏，使得大桥建设更加经济。2.项目前期工作基础2.1.国内外研究现状2.1.1钢桥面铺装结构与材料各国铺装工程师对桥面铺装层的材料以及结构进行了一系列的研究。美国修建大跨桥梁最早，桥面结构一般采用桁架式加劲梁和钢筋混凝土结构，承受恒载能力强，其铺装层一般采用80mm左右的环氧热碾压沥青，它具有只需常规机械铺筑的技术、良好的路面行车性能以及强度高的特点，但是也存在铺装初期强度低，维护时间长，开放交通晚、易出现早期开裂等缺点；英国自赛文桥开始，桥面铺装材料一般是浇注式沥青混凝土，1952年英国道路研究试验室进行了大规模试验后得出结论认为为了减轻自重，桥面浇注式沥青混凝土铺装厚度38mm为最佳厚度，英国于1964年建造福斯桥时，即将38mm列入规范；日本自70年代末开始修筑大跨悬索桥，进入90年代以后，日本在本州岛与四国岛之间规划建造17座大跨悬索桥，1997年已全部完工。日本悬索桥的主梁结构虽然采用美国传统技术，即高大的桁架式加劲梁，而桥面系统则引进欧洲浇注式沥青混凝土作为双层结构的下层，主要考虑到浇注式沥青混凝土具有良好的密封防水性能以及良好的抗震能力，但是日本认为浇注式沥青混凝土抗变形能力及抗滑能力不理想，因此双层结构的上层仍采用改性沥青密级配混合料，以确保足够的强度、抗车辙能力和抗滑能力。常用的结构为40mm浇注式沥青混凝土下层，40mm改性沥青密级配上层，总厚度为80mm。由于各国在材料研究方面投入了大量的人力及资金，材料和铺装层结构的设计日趋完善，但是由于各国的设计方法往往是与其国情紧密结合的经验性方法，适用性不广，如果生搬硬套，势必会造成一定的经济损失。如1997年由英国设计施工的香港青马大桥，通车仅四个月，就开始全面整修。又如，由德国设计的曼谷大桥，不到三个月，桥面铺装就损坏不能使用。其次，各国工程师也从力学理论的高度上对铺装层在车载作用下的响应进行了分析。日本在这方面的研究和实践工作开展的较早，还制定了相应的钢桥面的铺装技术规范和标准，并建议了某些钢桥面板参数在结构设计中的推荐值（加劲肋间距、横梁间距等），通过在200-800米之间不同跨径的钢桥面板上进行桥面铺装的实践，取得了一些成功和失败的经验教训。日本工程学界十分重视对钢桥面板和铺装层的应力、应变研究，日本学者小西一郎所著的《钢桥》第一分册中就系统地介绍了钢桥面板的结构形式、计算分析理论等详细内容，其计算方法主要是采用解析法，把正交异性钢桥面板看成是支承在刚度无穷大的主梁上的、按等间距排列的弹性横肋上的正交异性连续板。至于从桥面铺装的角度对钢桥面板的受力状态进行研究的日本学者多田宏行将钢桥面板简化成平面应力状态来处理，而忽略其正交异性的结构特征，且一般不考虑铺装对钢桥面刚度的组合作用，而仅仅考虑铺装层对车轮荷载的分散作用。因此，目前还没有成熟的应用有限元方法对钢桥面板进行系统的分析。综观各国的研究内容可以发现，目前对铺装理论的研究往往多从材料方面入手，着重于材料性质的改善，而很少从结构的高度来进行研究。即使作了一定的研究，也只是通过试验手段或者近似的理论计算得到的一些感性认识。当环境条件、桥跨结构和箱梁几何尺寸等结构和环境参数发生变化时，并不能准确反映出桥面结构对铺装层受力变化的影响。因此，对于钢桥面铺装，不仅在我国没有这方面的经验可供借鉴，在国外也并没有系统的成熟的理论和方法。2.1.2钢桥面铺装力学特性研究最早对钢桥面铺装体系开展研究的是德国，其后美国、英国、丹麦、荷兰、日本以及其它一些国家和地区也先后进行了研究。国内外关于正交异性钢桥面铺装体系力学特性的研究主要包括以下几个方面：（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）车辆荷载的作用位置不同产生的应力应变变化。钢桥面铺装体系力学特性的研究主要采用理论分析、试验研究和数值模拟等方法，以确定桥面板局部应力、变形及结构的可靠性，为桥面设计提供有效可靠参数。早期的研究对象都是正交异性钢桥面板，研究人员大都采用弹性正交异性板理论对钢桥板进行分析，其中较为典型的是1957年由Pelikan与Esslinger共同提出的Pelikan-Esslinger方法，简称P-E法。该方法首先将钢桥面铺装体系分为三个系统，每个系统单独作用叠加后最终得到了桥的力学特性。三个系统分别为：①两支承加劲肋间板的局部响应；②板、加劲肋及横梁的响应；③主纵梁的响应，与桥板及纵梁共同作用，该系统假设为一大梁。P-E方法的主要贡献是预测了系统②的特性，即柔性支承上的连续的各向异性板。Gunther,Bild,Sedlacek利用简化的模型计算了各向异性钢桥面板上沥青铺装层的作用响应，并将计算结果与现场实测结果作了比较，定义了铺装层的极限阻力。分别从钢桥面板厚度、主梁附近补强加劲肋、沥青铺装层最小刚度、铺装层的材料特性及铺装层强度等方面探讨了影响铺装层耐久性的因素。林同炎国际咨询公司在泰国RAMA大桥桥面的研究中对桥面板的各向异性、铺装厚度、材料模量特性、车载位置、载荷－挠度关系等进行分析，得到RAMA大桥的各项设计参数。2.1.3钢桥面铺装破坏类型与控制指标工程实践表明，桥面铺装层的受力状态及其与桥梁结构主体受力之间的相互关系是桥面铺装损坏的一个重要因素，桥面铺装层由于受力原因引起的破损大致分为以下几种情况：（1）局部应力集中与疲劳由于钢箱梁的正交异性特性，在车载作用下，桥面板局部刚度变异部位将产生应力或弯矩奇变，造成局部应力集中，在循环往复的车载作用时，形成疲劳裂缝，如钢桥面板的纵、横腹板和纵向加劲肋上方出现的有规律的裂缝。（2）剪切破坏铺装层内部存在的较大剪应力引起剪切变形，当铺装层与桥面板层间结合面的粘结力差、抗水平剪切能力较弱时，在水平方向便产生相对位移。（3）挠曲破坏因车载作用或温度变化，桥面铺装层表面出现负弯矩，进而引起铺装层面层的拉应力/应变，当拉应力/应变超出材料的抗拉极限便产生开裂。车辆轮载和水的渗入等因素的影响还会使裂缝进一步扩展。（4）局部冲压破坏由于重载和特大交通量的作用，车轮对桥面铺装层的局部冲击作用导致在桥面铺装层薄弱区域，如纵缝附近或粘结层薄弱处，出现局部碎裂或网状裂缝。（5）粘塑性永久变形因车载反复作用以及铺装材料在一定环境下，如车辆超载、高温等因素，铺装层形在行车道成永久变形——车辙等形式的破坏。铺装层的主要病害类型与控制指表见下表。表铺装病害与控制指标病害类型控制指标疲劳开裂铺装层最大拉应力或最大拉应变层间剪切破坏铺装层与桥面板间的最大剪应力车辙铺装层厚度变化以及整体压应变铺装层相应的控制指标：铺装层表面拉应力、铺装层垂直压应变、铺装层间剪应力及肋间挠度等，在力学响应分析中，根据重点不同选择其中部分控制指标进行计算。3.3主要研究内容及实施方案3.3.1桥梁结构整体受力对钢桥面铺装影响因素分析（桥梁所修改完善）建立面向钢桥面铺装的整桥桥梁结构模型，分析典型桥梁结构、加载位置、荷载分布及大小等对桥面板及铺装受力的影响（主梁的挠度和弯矩、铺装层最大竖向位移、表面横向拉应力、层间剪应力），通过整桥静力分析，确定桥梁的最不利荷位，提取最不利位置的荷载响应值。（1）整桥受力模型建立选择实桥，对不同桥型（斜拉桥、悬索桥）、不同加劲结构（钢箱梁、钢桁架梁），建立整桥非线性力学分析模型。整桥模型中除考虑几何非线性外，还要考虑主梁、主塔、索塔、缆索、拉索、加劲梁等对主梁和铺装受力的影响，对其进行等效简化。（2）悬索桥整桥静力分析加劲梁（钢箱梁、钢桁梁）的影响缆索、吊杆、桥塔的影响加载位置的影响荷载分布的影响（3）斜拉桥整桥静力分析加劲梁（钢箱梁、钢桁梁）的影响拉索、塔柱的影响加载位置的影响荷载分布的影响3.3.2钢桥面铺装结构局部受力影响因素静力分析根据整桥静力分析结果，提取桥梁最不利荷位梁段，建立钢桥面铺装结构体系局部静力分析模型，分析轴载、桥面板结构参数和铺装层结构参数等因素对铺装层力学响应的影响。已有的研究表明，不论是铺装层顶面和还是底面，最大拉应弯均大于最大纵向拉应变，且表面拉应变大于底面拉应变；最大横向剪应力均大于最大纵向剪应力。因此铺装结构静力分析时，选择横向拉应力、层间剪应力、以及最大竖向位移为分析对象。（1）钢桥面铺装结构体系局部分析模型：分析桥面系组成及其支撑约束条件，建立正交异性钢桥面板（包括钢板、横隔板、纵向加劲肋）和铺装层组成的钢桥面铺装结构体系。根据荷载作用下整桥计算结果，截取最不利受力梁段，设置模型边界条件（强制位移）。计算参数：钢板厚度、模量、泊松比、密度铺装磨耗层（上层）厚度、模量、泊松比、密度铺装保护层（下层）厚度、模量、泊松比、密度横隔板厚度及间距加劲肋厚度、间距、开口宽度等（2）轴载对对铺装层受力的影响分析轴载变化对铺装层最大竖向位移、表面横向拉应变、层间剪应力的影响。轴载：100kN、130kN、160kN、200kN、250kN。（3）桥面板结构参数对铺装层荷载