鋼橋面鋪裝研究

1、鋼橋面的鋪裝研究1. 項(xiàng)目背景1.1. 研究背景我國(guó)自九十年代初開始修建大跨徑鋼橋，同時(shí)對(duì)鋼橋面鋪裝技術(shù)也展開了系列研究工作。已有的資料表明，無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，對(duì)橋面鋪裝技術(shù)的研究大都集中在鋪裝材料的改性研究方面，鋼橋面鋪裝的設(shè)計(jì)多以經(jīng)驗(yàn)為主，對(duì)鋼橋面鋪裝體系破壞的力學(xué)機(jī)理研究不夠深入。正交異性鋼橋面板以其自重輕、極限承載力大、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)目前已廣泛應(yīng)用于大跨徑公路橋梁鋼箱梁。由于其復(fù)雜的幾何構(gòu)造形式，輪載作用下獨(dú)特的受力性能，導(dǎo)致其上的鋪裝層受力復(fù)雜。從已經(jīng)建設(shè)并投入使用的大跨徑橋梁鋼橋面鋪裝的使用情況來(lái)看，不管鋪裝是何種形式，或多或少均存在著一定的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外道路工作者對(duì)此進(jìn)行了大量的

2、調(diào)查研究，認(rèn)為僅僅從鋪裝材料和結(jié)構(gòu)形式上對(duì)瀝青鋪裝層進(jìn)行調(diào)整并不能從根本上解決出現(xiàn)的問(wèn)題，應(yīng)該從橋梁的結(jié)構(gòu)特性入手，分析鋪裝層受力與橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系，才能夠從力學(xué)的高度來(lái)研究鋪裝層的工作狀態(tài)，最終找到解決問(wèn)題的方法。我國(guó)建設(shè)大跨徑鋼橋的有20年左右的歷史，已建成大跨徑鋼橋100余座，但我國(guó)幅員遼闊，山川河流較多，分布較廣，因此，大跨徑鋼橋的建設(shè)在我國(guó)方興未艾。從大跨徑鋼橋在我國(guó)建設(shè)的背景及前景來(lái)看，我國(guó)目前和今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，還將建設(shè)一大批跨江、跨河、跨海、跨湖的大橋。因此，對(duì)大跨徑鋼橋的橋面鋪裝的力學(xué)研究將對(duì)我國(guó)大跨徑鋼橋鋪裝層的設(shè)計(jì)、建設(shè)等產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，有必要對(duì)其進(jìn)一步研究。1.2.

3、 研究必要性（1）鋼橋面鋪裝仍是世界尚需解決的一個(gè)技術(shù)難題鋼橋面鋪裝是大跨徑橋梁建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，大跨徑橋梁正交異性鋼橋面變形大，鋪裝層薄、剪應(yīng)力大所帶來(lái)的鋪裝技術(shù)問(wèn)題一直是一個(gè)世界性難題。我國(guó)大跨徑鋼橋的研究已有20年歷史，積累了不少經(jīng)驗(yàn)，但我國(guó)幅員遼闊，有些地區(qū)氣候條件惡劣，加之重載超載車輛較多，鋼橋面鋪裝早期病害嚴(yán)重，鋪裝失敗的例子很多。（2）橋面鋪裝問(wèn)題解決的前提是明確鋪裝層的受力狀態(tài)及特點(diǎn)造成鋼橋面鋪裝早期病害的原因有很多，其中最主要的對(duì)于正交異性鋼橋面鋪裝的認(rèn)識(shí)不夠，鋼橋面鋪裝問(wèn)題的解決，需要從力學(xué)機(jī)理、材料組成、鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程施工等方面綜合研究，其前提是必須明確鋪裝層的受力

4、狀態(tài)及特點(diǎn)，鋼橋面鋪裝力學(xué)響應(yīng)研究有利于優(yōu)化鋪裝體系結(jié)構(gòu)及材料設(shè)計(jì)。（3）目前國(guó)內(nèi)外尚未沒(méi)有普遍有效的橋面鋪裝設(shè)計(jì)理論與方法近年來(lái)，廣大研究人員對(duì)鋼橋面鋪裝受力狀態(tài)進(jìn)行了力學(xué)分析和計(jì)算，并提出了以各種參數(shù)作為控制指標(biāo)的瀝青混凝土橋面鋪裝層的設(shè)計(jì)方法。但是現(xiàn)有大部分的研究要么是僅考慮了橋面鋪裝系統(tǒng)，要么是將車輛、鋼橋結(jié)構(gòu)和橋面鋪裝系統(tǒng)分開考慮。事實(shí)上，在受到車輛荷載作用時(shí)，車輛、橋梁結(jié)構(gòu)和橋面鋪裝的振動(dòng)是一個(gè)相互影響、相互耦合的過(guò)程。本項(xiàng)目擬從橋梁整體結(jié)構(gòu)入手，分析鋪裝層在車輛荷載作用下的力學(xué)特性，揭示瀝青鋪裝層的受力特性與橋梁結(jié)構(gòu)特性、鋪裝層材料性質(zhì)，以及荷載特性等因素之間的關(guān)系，從而為鋪裝層

5、的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。同時(shí)，在滿足橋梁設(shè)計(jì)的同時(shí)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)特別是鋼箱梁結(jié)構(gòu)作一些微調(diào)，使得鋪裝層處于更加有利的受力環(huán)境中，從而減少鋪裝層的破壞，使得大橋建設(shè)更加經(jīng)濟(jì)。 2. 項(xiàng)目前期工作基礎(chǔ)2.1. 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1.1 鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)與材料各國(guó)鋪裝工程師對(duì)橋面鋪裝層的材料以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列的研究。美國(guó)修建大跨橋梁最早，橋面結(jié)構(gòu)一般采用桁架式加勁梁和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，承受恒載能力強(qiáng)，其鋪裝層一般采用80mm左右的環(huán)氧熱碾壓瀝青，它具有只需常規(guī)機(jī)械鋪筑的技術(shù)、良好的路面行車性能以及強(qiáng)度高的特點(diǎn)，但是也存在鋪裝初期強(qiáng)度低，維護(hù)時(shí)間長(zhǎng)，開放交通晚、易出現(xiàn)早期開裂等缺點(diǎn)；英國(guó)自賽文橋開始

6、，橋面鋪裝材料一般是澆注式瀝青混凝土，1952年英國(guó)道路研究試驗(yàn)室進(jìn)行了大規(guī)模試驗(yàn)后得出結(jié)論認(rèn)為為了減輕自重，橋面澆注式瀝青混凝土鋪裝厚度38mm為最佳厚度，英國(guó)于1964年建造福斯橋時(shí)，即將38mm列入規(guī)范；日本自70年代末開始修筑大跨懸索橋，進(jìn)入90年代以后，日本在本州島與四國(guó)島之間規(guī)劃建造17座大跨懸索橋，1997年已全部完工。日本懸索橋的主梁結(jié)構(gòu)雖然采用美國(guó)傳統(tǒng)技術(shù)，即高大的桁架式加勁梁，而橋面系統(tǒng)則引進(jìn)歐洲澆注式瀝青混凝土作為雙層結(jié)構(gòu)的下層，主要考慮到澆注式瀝青混凝土具有良好的密封防水性能以及良好的抗震能力，但是日本認(rèn)為澆注式瀝青混凝土抗變形能力及抗滑能力不理想，因此雙層結(jié)構(gòu)的上層仍

7、采用改性瀝青密級(jí)配混合料，以確保足夠的強(qiáng)度、抗車轍能力和抗滑能力。常用的結(jié)構(gòu)為40mm澆注式瀝青混凝土下層，40mm改性瀝青密級(jí)配上層，總厚度為80mm。由于各國(guó)在材料研究方面投入了大量的人力及資金，材料和鋪裝層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)日趨完善，但是由于各國(guó)的設(shè)計(jì)方法往往是與其國(guó)情緊密結(jié)合的經(jīng)驗(yàn)性方法，適用性不廣，如果生搬硬套，勢(shì)必會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。如1997年由英國(guó)設(shè)計(jì)施工的香港青馬大橋，通車僅四個(gè)月，就開始全面整修。又如，由德國(guó)設(shè)計(jì)的曼谷大橋，不到三個(gè)月，橋面鋪裝就損壞不能使用。其次，各國(guó)工程師也從力學(xué)理論的高度上對(duì)鋪裝層在車載作用下的響應(yīng)進(jìn)行了分析。日本在這方面的研究和實(shí)踐工作開展的較早，還制定了

8、相應(yīng)的鋼橋面的鋪裝技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，并建議了某些鋼橋面板參數(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的推薦值（加勁肋間距、橫梁間距等），通過(guò)在200-800米之間不同跨徑的鋼橋面板上進(jìn)行橋面鋪裝的實(shí)踐，取得了一些成功和失敗的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。日本工程學(xué)界十分重視對(duì)鋼橋面板和鋪裝層的應(yīng)力、應(yīng)變研究，日本學(xué)者小西一郎所著的鋼橋第一分冊(cè)中就系統(tǒng)地介紹了鋼橋面板的結(jié)構(gòu)形式、計(jì)算分析理論等詳細(xì)內(nèi)容，其計(jì)算方法主要是采用解析法，把正交異性鋼橋面板看成是支承在剛度無(wú)窮大的主梁上的、按等間距排列的彈性橫肋上的正交異性連續(xù)板。至于從橋面鋪裝的角度對(duì)鋼橋面板的受力狀態(tài)進(jìn)行研究的日本學(xué)者多田宏行將鋼橋面板簡(jiǎn)化成平面應(yīng)力狀態(tài)來(lái)處理，而忽略其正交異性的結(jié)構(gòu)

9、特征，且一般不考慮鋪裝對(duì)鋼橋面剛度的組合作用，而僅僅考慮鋪裝層對(duì)車輪荷載的分散作用。因此，目前還沒(méi)有成熟的應(yīng)用有限元方法對(duì)鋼橋面板進(jìn)行系統(tǒng)的分析。綜觀各國(guó)的研究?jī)?nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，目前對(duì)鋪裝理論的研究往往多從材料方面入手，著重于材料性質(zhì)的改善，而很少?gòu)慕Y(jié)構(gòu)的高度來(lái)進(jìn)行研究。即使作了一定的研究，也只是通過(guò)試驗(yàn)手段或者近似的理論計(jì)算得到的一些感性認(rèn)識(shí)。當(dāng)環(huán)境條件、橋跨結(jié)構(gòu)和箱梁幾何尺寸等結(jié)構(gòu)和環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，并不能準(zhǔn)確反映出橋面結(jié)構(gòu)對(duì)鋪裝層受力變化的影響。因此，對(duì)于鋼橋面鋪裝，不僅在我國(guó)沒(méi)有這方面的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，在國(guó)外也并沒(méi)有系統(tǒng)的成熟的理論和方法。2.1.2 鋼橋面鋪裝力學(xué)特性研究最早對(duì)鋼橋面鋪裝

10、體系開展研究的是德國(guó)，其后美國(guó)、英國(guó)、丹麥、荷蘭、日本以及其它一些國(guó)家和地區(qū)也先后進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)外關(guān)于正交異性鋼橋面鋪裝體系力學(xué)特性的研究主要包括以下幾個(gè)方面：（1）鋼板自身厚度及板下加勁肋，橫隔板的形狀、尺寸以及焊接的方式；（2）外界環(huán)境（溫度、風(fēng)載等）的變化導(dǎo)致鋪裝體系的變形；（3）車輛荷載的作用位置不同產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變變化。鋼橋面鋪裝體系力學(xué)特性的研究主要采用理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬等方法，以確定橋面板局部應(yīng)力、變形及結(jié)構(gòu)的可靠性，為橋面設(shè)計(jì)提供有效可靠參數(shù)。早期的研究對(duì)象都是正交異性鋼橋面板，研究人員大都采用彈性正交異性板理論對(duì)鋼橋板進(jìn)行分析，其中較為典型的是1957年由Pelik

11、an與Esslinger共同提出的Pelikan-Esslinger方法，簡(jiǎn)稱P-E法。該方法首先將鋼橋面鋪裝體系分為三個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)單獨(dú)作用疊加后最終得到了橋的力學(xué)特性。三個(gè)系統(tǒng)分別為：兩支承加勁肋間板的局部響應(yīng)；板、加勁肋及橫梁的響應(yīng)；主縱梁的響應(yīng)，與橋板及縱梁共同作用，該系統(tǒng)假設(shè)為一大梁。P-E 方法的主要貢獻(xiàn)是預(yù)測(cè)了系統(tǒng)的特性，即柔性支承上的連續(xù)的各向異性板。Gunther, Bild, Sedlacek利用簡(jiǎn)化的模型計(jì)算了各向異性鋼橋面板上瀝青鋪裝層的作用響應(yīng)，并將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果作了比較，定義了鋪裝層的極限阻力。分別從鋼橋面板厚度、主梁附近補(bǔ)強(qiáng)加勁肋、瀝青鋪裝層最小剛度、鋪

12、裝層的材料特性及鋪裝層強(qiáng)度等方面探討了影響鋪裝層耐久性的因素。林同炎國(guó)際咨詢公司在泰國(guó)RAMA大橋橋面的研究中對(duì)橋面板的各向異性、鋪裝厚度、材料模量特性、車載位置、載荷撓度關(guān)系等進(jìn)行分析，得到RAMA大橋的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)。2.1.3 鋼橋面鋪裝破壞類型與控制指標(biāo)工程實(shí)踐表明，橋面鋪裝層的受力狀態(tài)及其與橋梁結(jié)構(gòu)主體受力之間的相互關(guān)系是橋面鋪裝損壞的一個(gè)重要因素，橋面鋪裝層由于受力原因引起的破損大致分為以下幾種情況：（1）局部應(yīng)力集中與疲勞由于鋼箱梁的正交異性特性，在車載作用下，橋面板局部剛度變異部位將產(chǎn)生應(yīng)力或彎矩奇變，造成局部應(yīng)力集中，在循環(huán)往復(fù)的車載作用時(shí)，形成疲勞裂縫，如鋼橋面板的縱、橫腹板

13、和縱向加勁肋上方出現(xiàn)的有規(guī)律的裂縫。（2）剪切破壞鋪裝層內(nèi)部存在的較大剪應(yīng)力引起剪切變形，當(dāng)鋪裝層與橋面板層間結(jié)合面的粘結(jié)力差、抗水平剪切能力較弱時(shí)，在水平方向便產(chǎn)生相對(duì)位移。（3）撓曲破壞因車載作用或溫度變化，橋面鋪裝層表面出現(xiàn)負(fù)彎矩，進(jìn)而引起鋪裝層面層的拉應(yīng)力/應(yīng)變，當(dāng)拉應(yīng)力/應(yīng)變超出材料的抗拉極限便產(chǎn)生開裂。車輛輪載和水的滲入等因素的影響還會(huì)使裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。（4）局部沖壓破壞由于重載和特大交通量的作用，車輪對(duì)橋面鋪裝層的局部沖擊作用導(dǎo)致在橋面鋪裝層薄弱區(qū)域，如縱縫附近或粘結(jié)層薄弱處，出現(xiàn)局部碎裂或網(wǎng)狀裂縫。（5）粘塑性永久變形因車載反復(fù)作用以及鋪裝材料在一定環(huán)境下，如車輛超載、高溫等因

14、素，鋪裝層形在行車道成永久變形車轍等形式的破壞。鋪裝層的主要病害類型與控制指表見下表。表 鋪裝病害與控制指標(biāo)病害類型控制指標(biāo)疲勞開裂鋪裝層最大拉應(yīng)力或最大拉應(yīng)變層間剪切破壞鋪裝層與橋面板間的最大剪應(yīng)力車轍鋪裝層厚度變化以及整體壓應(yīng)變鋪裝層相應(yīng)的控制指標(biāo)：鋪裝層表面拉應(yīng)力、鋪裝層垂直壓應(yīng)變、鋪裝層間剪應(yīng)力及肋間撓度等，在力學(xué)響應(yīng)分析中，根據(jù)重點(diǎn)不同選擇其中部分控制指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。3.3主要研究?jī)?nèi)容及實(shí)施方案3.3.1 橋梁結(jié)構(gòu)整體受力對(duì)鋼橋面鋪裝影響因素分析（橋梁所修改完善）建立面向鋼橋面鋪裝的整橋橋梁結(jié)構(gòu)模型，分析典型橋梁結(jié)構(gòu)、加載位置、荷載分布及大小等對(duì)橋面板及鋪裝受力的影響（主梁的撓度和彎矩

15、、鋪裝層最大豎向位移、表面橫向拉應(yīng)力、層間剪應(yīng)力），通過(guò)整橋靜力分析，確定橋梁的最不利荷位，提取最不利位置的荷載響應(yīng)值。（1）整橋受力模型建立選擇實(shí)橋，對(duì)不同橋型（斜拉橋、懸索橋）、不同加勁結(jié)構(gòu)（鋼箱梁、鋼桁架梁），建立整橋非線性力學(xué)分析模型。整橋模型中除考慮幾何非線性外，還要考慮主梁、主塔、索塔、纜索、拉索、加勁梁等對(duì)主梁和鋪裝受力的影響，對(duì)其進(jìn)行等效簡(jiǎn)化。（2）懸索橋整橋靜力分析u 加勁梁（鋼箱梁、鋼桁梁）的影響u 纜索、吊桿、橋塔的影響u 加載位置的影響u 荷載分布的影響（3）斜拉橋整橋靜力分析u 加勁梁（鋼箱梁、鋼桁梁）的影響u 拉索、塔柱的影響u 加載位置的影響u 荷載分布的影響3.

16、3.2 鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)局部受力影響因素靜力分析根據(jù)整橋靜力分析結(jié)果，提取橋梁最不利荷位梁段，建立鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)體系局部靜力分析模型，分析軸載、橋面板結(jié)構(gòu)參數(shù)和鋪裝層結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素對(duì)鋪裝層力學(xué)響應(yīng)的影響。已有的研究表明，不論是鋪裝層頂面和還是底面，最大拉應(yīng)彎均大于最大縱向拉應(yīng)變，且表面拉應(yīng)變大于底面拉應(yīng)變；最大橫向剪應(yīng)力均大于最大縱向剪應(yīng)力。因此鋪裝結(jié)構(gòu)靜力分析時(shí)，選擇橫向拉應(yīng)力、層間剪應(yīng)力、以及最大豎向位移為分析對(duì)象。（1）鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)體系局部分析模型：分析橋面系組成及其支撐約束條件，建立正交異性鋼橋面板（包括鋼板、橫隔板、縱向加勁肋）和鋪裝層組成的鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)荷載作用下整橋計(jì)算

17、結(jié)果，截取最不利受力梁段，設(shè)置模型邊界條件（強(qiáng)制位移）。計(jì)算參數(shù)：u 鋼板厚度、模量、泊松比、密度u 鋪裝磨耗層（上層）厚度、模量、泊松比、密度u 鋪裝保護(hù)層（下層）厚度、模量、泊松比、密度u 橫隔板厚度及間距u 加勁肋厚度、間距、開口寬度等（2）軸載對(duì)對(duì)鋪裝層受力的影響分析軸載變化對(duì)鋪裝層最大豎向位移、表面橫向拉應(yīng)變、層間剪應(yīng)力的影響。軸載：100kN、130kN、160kN、200kN、250kN。（3）橋面板結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)鋪裝層荷載響應(yīng)的影響分件正交異性鋼橋面板厚度和支撐約束條件（如加勁肋厚度、寬度等）變化對(duì)鋪裝層最大豎向位移、表面橫向拉應(yīng)變、層間剪應(yīng)力的影響。鋼板厚度：12cm、14cm、

18、16cm、18cm、20cm、22cm;加勁肋厚度：6cm、8cm、10cmU肋開口寬度：300、400、500；U肋高度：250、280、300、320；橫隔板間距：2.4、3.2、4.0（4）鋪裝結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)鋪裝層受力的影響分析鋪裝層厚度和模量變化對(duì)鋪裝層最大豎向位移、表面橫向拉應(yīng)力、層間剪應(yīng)力的影響。鋪裝層總厚度：3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm.模量：400、600、800、1000、1500、2000、3000、5000、80003.3.3 鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)局部受力影響因素動(dòng)力分析（橋梁所修改完善）模擬行車荷載的作用，分析鋪裝結(jié)構(gòu)體系在行車荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，與靜力分析結(jié)果對(duì)比。（1）行車荷載模型建立行車荷載的作用是一個(gè)非平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程，影響