正交异性钢桥面复合铺装结构研究

论文摘要

正交异性钢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,至今尚未得到妥善解决。正交异性钢桥面板柔度大、局部变形大,并受到行车荷载与温度变化、风载、地震等自然因素共同影响,其受力和变形非常复杂,这直接导致其铺装层受力更复杂、更不利。而沥青混凝土本身抗拉、抗剪和抗压各方面强度均较小,与钢桥面板的性能差异大,在交通荷载和环境因素共同作用下铺装层和层间等整个铺装结构受力非常复杂,疲劳开裂、车辙和脱层等沥青混凝土铺装层早期病害非常普遍,即想按传统沥青混凝土铺装理念解决正交异性钢桥面铺装问题的难度相当大。因此,本文在现有研究基础上,针对正交异性钢桥面板特点,通过调查、理论分析与室内试验研究,分析了正交异性钢桥面铺装的受力特点和使用要求;借鉴钢-混凝土组合结构所具备独特的优势及其在土木工程中所取得的巨大成果,提出“SMA13（铺装上层）+轻质聚合物水泥砂浆（LPCM,铺装下层）”新型复合铺装结构,并通过理论和试验检验了该铺装方案的整体性能。首先,根据对国内外正交异性钢桥面铺装层病害的调查与分析,总结铺装层使用过程中出现的主要破坏类型,提出铺装层相应的四个主要设计指标:铺装层表面拉应力、铺装层与钢桥面板层间剪应力、铺装层垂直压应变和铺装层剪应力。其次,以铺装层与含加劲肋和纵横隔板的正交异性钢桥面局部梁段作为计算对象,开展有限元分析,确定典型正交异性钢桥面铺装结构的响应特性,并分析铺装层各主要设计指标与铺装过渡层模量、铺装层厚度的关系;在此基础上,借鉴钢-混凝土组合结构的研究成果,提出SMA+LPCM过渡层的新型复合铺装结构,并确定各铺装层厚度和层间剪力连接件构造等设计计算方法。然后,依托广东省交通厅交通建设科技项目“重载和高温作用下沥青路面罩面结构和材料研究”,进行材料选择、级配设计和马歇尔试验,设计出高性能的SMA13铺装表层,并通过高温车辙试验、三轴试验、水稳定性试验和疲劳试验等,系统地研究了复合铺装结构SMA13表层的各项路用性能,并结合实体工程进行了验证。同时,通过对掺加丙烯酸乳液的轻质水泥砂浆进行配合比设计、抗折抗压强度试验、疲劳性能试验、极限弯拉应变试验和氯离子渗透等试验研究,研制出具有轻质、刚性过渡、优良抗疲劳、优良抗弯拉等性能、适用于正交异性钢桥面铺装过渡层的LPCM,并通过作用机理分析得知具有高抗拉强度的聚合物膜是显著改善LPCM力学性能的根本原因。再次,进行铺装层与钢板层间稳定性试验、铺装层层间稳定性试验、高温稳定性试验和新型复合铺装结构与钢板热相容耐久性试验研究,考察新型复合铺装结构的温度和强度稳定性;并采用经典损伤理论,针对本文研制的SMA13和LPCM两种铺装层材料的单梁四点弯曲疲劳试验过程进行疲劳损伤分析,并将疲劳损伤分析结果与相应的疲劳试验结果进行对比,验证所提出疲劳损伤模型的正确性,探索这两种材料疲劳寿命的理论预测方法。此外,还分别进行了含钢板的新型复合铺装结构和传统双层SMA铺装结构两种铺装结构的复合梁疲劳试验,对比该两种铺装结构的疲劳寿命,发现新型复合铺装比传统结构疲劳性能更优异。最后,针对本文提出的正交异性钢桥面复合铺装结构进行设计方法探讨,提出了正交异性钢桥面复合铺装结构设计的控制指标与验算指标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 正交异性桥梁建设及其铺装概况
• 1.1.2 钢-混凝土组合梁的优点
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 正交异性钢桥铺装国内外研究概况
• 1.2.2 钢-混凝土组合梁国内外研究概况
• 1.3 本文研究的主要内容、技术路线及研究目标
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 主要内容
• 1.3.3 技术路线
• 第2章 早期病害原因分析与设计指标
• 2.1 正交异性钢桥面铺装的常用结构形式
• 2.1.1 铺装材料
• 2.1.2 典型铺装结构方案
• 2.2 早期病害与原因分析
• 2.2.1 国内外正交异性钢桥面铺装病害
• 2.2.2 病害原因分析
• 2.3 破坏类型与设计指标
• 2.3.1 铺装层疲劳开裂
• 2.3.2 铺装层与钢桥面板层间剪切破坏
• 2.3.3 车辙
• 2.3.4 推移、拥包
• 2.4 本章小结
• 第3章 力学特性分析与新型复合铺装结构的提出
• 3.1 力学特性分析
• 3.1.1 基本原理与假设
• 3.1.2 有限元计算基本参数与模型
• 3.1.3 确定最不利荷位
• 3.1.4 铺装层下层模量变化对各主要设计指标的影响
• 3.1.5 铺装层厚度对各主要设计指标的影响
• 3.2 复合铺装结构的提出
• 3.2.1 钢-混凝土组合梁的优点
• 3.2.2 新型复合铺装结构
• 3.3 本章小结
• 第4章 SMA13铺装表层性能试验研究
• 4.1 概述
• 4.2 混合料设计
• 4.2.1 原材料
• 4.2.2 级配选择
• 4.3 抗剪性能试验
• 4.3.1 车辙试验
• 4.3.2 三轴试验
• 4.4 水稳性能试验
• 4.5 疲劳性能试验
• 4.5.1 疲劳试验方法
• 4.5.2 四点弯曲疲劳试验仪器与条件
• 4.5.3 四点弯曲疲劳荷载设计
• 4.5.4 疲劳试验结果与分析
• 4.6 应用与跟踪调查分析
• 4.6.1 应用
• 4.6.2 跟踪调查与分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 轻质聚合物水泥砂浆过渡层的研制
• 5.1 提出背景
• 5.1.1 轻质混凝土的基本概念和优点
• 5.1.2 聚合物改性水泥基材料优点
• 5.1.3 聚合物的分类与适用范围
• 5.2 LPCM的基本性能试验
• 5.2.1 原材料
• 5.2.2 力学性能试验
• 5.2.3 氯离子渗透性能
• 5.3 机理分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 新型复合铺装结构稳定性试验研究
• 6.1 钢桥面板与过渡层间稳定性试验
• 6.1.1 剪力连接件的工作原理
• 6.1.2 焊钉常见的破坏形式
• 6.1.3 试验目的
• 6.1.4 试件设计与制作
• 6.1.5 试验结果与分析
• 6.2 铺装层层间稳定性试验
• 6.2.1 仪器及试验简介
• 6.2.2 试件制备
• 6.2.3 试验结果与分析
• 6.3 复合铺装结构热相容试验
• 6.3.1 背景
• 6.3.2 目标
• 6.3.3 铺装层与桥面板剥离分层机理
• 6.3.4 试验方案
• 6.3.5 结果与讨论
• 6.4 高温稳定性试验
• 6.5 本章小结
• 第7章 复合铺装结构疲劳损伤试验研究
• 7.1 概述
• 7.2 四点弯曲疲劳裂纹损伤分析基本方程
• 7.2.1 线弹性损伤方程
• 7.2.2 梁式试件拉压分区
• 7.2.3 等效弯曲刚度和应力计算
• 7.3 四点弯曲疲劳裂纹形成与扩展的疲劳寿命
• 7.3.1 疲劳裂纹形成阶段的疲劳寿命
• 7.3.2 疲劳裂纹扩展阶段的疲劳寿命
• 7.4 铺装层疲劳损伤分析
• 7.4.1 疲劳损伤演化方程
• 7.4.2 疲劳损伤过程寿命分析
• 7.5 复合铺装结构疲劳试验
• 7.5.1 试验仪器与条件
• 7.5.2 荷载设计
• 7.5.3 疲劳破坏标准
• 7.5.4 疲劳试验
• 7.6 本章小结
• 第8章 复合铺装结构设计方法探讨
• 8.1 复合铺装结构设计内容与原则
• 8.2 复合铺装结构设计标准轴载及轴载换算
• 8.3 复合铺装结构设计指标
• 8.3.1 复合铺装结构疲劳控制设计指标的确定
• 8.3.2 复合铺装结构车辙验算指标的确定
• 8.3.3 复合铺装结构层间抗剪强度验算指标的确定
• 8.4 复合铺装结构设计流程
• 8.5 本章小结
• 第9章 结论与展望
• 9.1 本文的主要结论
• 9.2 本文的创新点
• 9.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录