大跨径悬索桥新型钢桥面铺装结构研究

论文摘要

大跨径钢箱梁悬索桥的桥面铺装技术一直是困扰道路工程界与学术界的难题之一,尚未得到妥善解决。我国对钢箱梁桥桥面铺装的研究与应用时间均不长,大跨径钢桥桥面铺装的整体使用状况不容乐观,而悬索桥铺装早期破坏比斜拉桥等其他结构型式钢桥的铺装更为严重。目前国内投入运营以及设计与建造中的大跨径钢箱梁悬索桥有近10座,及时开展悬索桥钢箱梁正交异性钢桥面铺装技术的系统研究,寻求适合我国交通荷载和气候条件的新型桥面铺装材料及铺装结构,具有较强的理论意义和实用价值。本文在现有研究的基础上,针对大跨径悬索钢桥技术特点,开展钢桥面铺装技术的研究,通过技术调研、理论分析、室内试验与实桥试验相结合的方式,分析了大跨径悬索桥钢桥面铺装的受力特点和使用技术要求,开发出“下层浇注式沥青混凝土、上层环氧沥青混凝土”新型铺装结构,并通过实桥试验验证了该铺装方案在大跨径钢箱梁悬索桥上的适用性。本文首先介绍了对国内外主要钢桥面铺装材料的研究及应用情况,对比分析了钢桥面铺装与普通沥青混凝土铺装的差异以及悬索桥与斜拉桥不同受力特点,明确了大跨径悬索桥钢桥面铺装技术要求,在此基础上提出本文研究内容、技术路线及研究目标。其次,在现有钢桥面铺装理论研究的基础上,采用静力学分析、模态分析与移动荷载下的动力响应分析相结合的手段,完成了大跨径钢箱梁悬索桥桥面铺装的理论分析,从而为新型铺装结构的设计提供理论依据。运用模态分析的方法,对不同厚度桥面板进行分析,得出桥面板厚度变化对系统动力性能的影响。应用有限元方法对铺装结构进行了动力响应分析,不同铺装结构的铺装表面最大横向拉应力和最大竖向位移均在荷载位于两横隔板中间位置时出现峰值,钢板与铺装层间最大剪应力则在横隔板处出现峰值。在动力荷载作用下,铺装与钢板间会产生很大的层间剪应力,这是导致铺装出现脱层、滑移等病害的主要原因。与静力分析结果的比较表明,对层间剪应力进行分析时,采用静力分析是偏于不安全的。动力分析表明,与双层环氧沥青混凝土结构相比,下层浇注式沥青混凝土、上层环氧沥青混凝土复合结构总体受力状况更好。然后,本文针对大跨径悬索桥大变形受力特点,分别对环氧沥青混合料与浇注式沥青混合料进行了系统研究,明确了两种混合料的性能差异与优缺点,并进行新型环氧沥青材料开发研究,为悬索桥铺装结构设计提供了试验支持。再次,根据已有成果及大跨径钢箱梁悬索桥桥面铺装的理论分析结果,提出大跨径钢箱梁悬索桥宜采用双层铺装结构;根据环氧沥青混合料与浇注式沥青混合料的技术特点,在国内外首次提出了“下层浇注式沥青混凝土、上层环氧沥青混凝土”新型铺装结构,并与其他铺装结构进行对比试验研究,全面考察各铺装结构的高、低温及疲劳性能。试验结果表明,“下层浇注式沥青混凝土、上层环氧沥青混凝土”的新型铺装结构高、低温性能均衡,疲劳性能优良,对钢板的变形追从性较好,有利于降低铺装表面应变,能适应悬索桥钢箱梁变形较大的特点。最后,为了验证理论分析与室内试验结果,在国内首次开展钢箱梁实桥试验研究,试验桥的铺装层采用“下层浇注式沥青混凝土、上层环氧沥青混凝土”新型铺装结构。在实桥试验研究过程中,分别进行了荷载响应分析、静载试验以及浇注式沥青混凝土施工工艺研究,并对试验桥新型铺装结构路用性能进行了4年多的跟踪观测。观测结果表明,该新型铺装结构能够适应大跨径钢箱梁悬索桥的使用要求,具有良好的路用性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 国内外钢桥面铺装现状
• 1.2.1 浇注式沥青混合料
• 1.2.2 SMA混合料
• 1.2.3 环氧沥青混合料
• 1.3 悬索桥桥面铺装技术要求
• 1.3.1 钢桥面铺装与普通沥青混凝土铺装的差异
• 1.3.2 缆索承重桥梁铺装力学特性
• 1.3.3 悬索桥钢桥面铺装技术要求
• 1.4 技术路线及研究内容
• 参考文献
• 第二章 铺装受力分析
• 2.1 正交异性板结构特点
• 2.2 力学分析研究现状
• 2.3 模态分析
• 2.3.1 简介
• 2.3.2 铺装结构模态分析
• 2.4 移动荷载下的动力响应分析
• 2.4.1 行车荷载的动力特性及形式
• 2.4.2 分析模型
• 2.4.3 评价指标
• 2.4.4 不同铺装结构的动力响应分析
• 2.4.5 动力与静力计算结果的比较
• 本章小结
• 参考文献
• 第三章 环氧沥青混合料性能试验研究
• 3.1 新型环氧沥青结合料开发研究
• 3.2 混合料设计
• 3.3 环氧沥青混合料疲劳性能试验研究
• 3.3.1 疲劳试验方法
• 3.3.2 试件成型方法
• 3.3.3 试验参数
• 3.3.4 疲劳试验方案
• 3.4 环氧沥青混合料疲劳特性分析
• 3.4.1 环氧沥青混合料小梁弯拉强度试验
• 3.4.2 环氧沥青混合料小梁弯曲疲劳试验
• 3.4.3 疲劳性能比较
• 3.4.4 疲劳方程修正
• 3.5 环氧沥青混合料劈裂疲劳性能
• 3.5.1 环氧沥青混合料劈裂疲劳变形特性
• 3.5.2 油石比对环氧沥青混合料劈裂疲劳性能的影响
• 3.5.3 应力水平对环氧沥青混合料劈裂疲劳性能的影响
• 3.5.4 温度对环氧沥青混合料劈裂疲劳性能的影响
• 本章小结
• 参考文献
• 第四章 浇注式沥青混合料性能试验研究
• 4.1 概述
• 4.2 混合料设计
• 4.3 沥青混合料性能试验研究
• 4.4 疲劳特性分析
• 4.4.1 基本分析方法
• 4.4.2 疲劳特性分析
• 4.5 浇注式沥青混凝土铺装施工关键工艺研究
• 本章小结
• 参考文献
• 第五章 “下层浇注、上层环氧”新型铺装结构试验研究
• 5.1 双层铺装结构的优点
• 5.1.1 钢桥面铺装的性能要求
• 5.1.2 双层体系的优越性
• 5.2 “浇注+环氧”新型铺装结构的提出
• 5.3 新型铺装结构性能研究
• 5.3.1 铺装整体结构技术标准与试验方案
• 5.3.2 高温稳定性
• 5.3.3 低温性能
• 5.3.4 粘结性能
• 5.3.5 复合梁疲劳试验
• 5.3.6 不同铺装方案性能比较
• 本章小结
• 参考文献
• 第六章 实桥试验研究
• 6.1 概述
• 6.2 试验桥双层铺装体系的荷载响应分析
• 6.2.1 双层铺装体系的基本参数
• 6.2.2 轴载响应分析
• 6.2.3 超载响应分析
• 6.2.4 双层铺装结构剪应力分析
• 6.3 静载试验研究
• 6.3.1 现场测试
• 6.3.2 测试结果分析
• 6.3.3 静载测试基本结论
• 6.4 跟踪监测与评价
• 6.4.1 粘结性能现场测试
• 6.4.2 预埋试件的室内试验检测
• 6.4.3 交通状况调查
• 6.4.4 使用功能跟踪观测
• 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本文结论
• 7.2 进一步研究设想
• 致谢
• 作者在攻读博士学位期间发表的文章