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1、大跨径钢桥桥面铺装关键技术研究,二零一二年六月,汇报人：吴 传 海,完成单位：广东省交通集团有限公司 广东省路桥建设发展有限公司 广东省长大公路工程有限公司 华 南 理 工 大 学 广东华路交通科技有限公司,主要内容,1,立项背景与总体思路,立项背景与总体思路,一.立项背景与总体思路,立项背景及意义,1,自上世纪90年代末以来，由于新材料和新结构的广泛应用，我国开始大规模的悬索桥、斜拉桥等大跨径钢桥建设，固定资产投入超过8000亿元人民币，为国家的经济建设发挥了巨大作用。十二五规划中，我省还面临着多座大跨径钢桥建设重任，其中包括虎门二桥、港珠澳大桥、中深通道、琼州海峡大桥等多座跨海公路特大桥梁
2、的建设，投资规模超过3000亿元人民币。,2,面临的技术难题,一.立项背景与总体思路,钢桥面铺装的早期损坏是我们面临的一个非常严峻的技术难题，其严重制约了这些规模巨大的固定资产效益的发挥，也已成为了公路建设中的一个社会关注焦点（如武汉某长江大桥）！,2,面临的技术难题,一.立项背景与总体思路,由于桥面铺装直接铺筑在刚度相对较低的钢桥面板上，桥面铺装对气候条件、交通荷载特点、桥面板结构刚度等因素非常敏感，其受力、变形及运营环境远较公路路面或机场道面复杂，因而对其强度、柔韧性、高温稳定性及疲劳耐久性等均有更高的要求。,3,国内外研究现状,大跨径桥梁桥面铺装受力主要是分析轮载作用下铺装结构的局部问题
3、，如果在整桥模型中来分析桥面板的局部变形，需要划分单元网格较小，对计算机性能要求较高，而且计算效率低。国内外一般采用独立梁段法不能反映大跨径桥梁整体影响，而且缺少实桥检测校核。,一.立项背景与总体思路,3,国内外研究现状,一.立项背景与总体思路,目前国内外常用环氧沥青包括温拌环氧沥青和热拌环氧沥青，以东南大学为主的研究机构在我国长三角等地区主要推荐选用了温拌环氧沥青（如ChemCo环氧沥青），温拌环氧沥青模量相对较低，容易产生鼓包开裂病害，而且施工控制难度大，养生时间较长，难以用于维修工程；原有热拌环氧沥青存在变形能力相对较低的问题。,3,国内外研究现状,一.立项背景与总体思路,国内外环氧沥青
4、混合料一般采用玄武岩，因集料资源和运输等问题造成环氧沥青混合料集料成本非常高。,3,国内外研究现状,一.立项背景与总体思路,国内外ChemCo环氧沥青铺装施工中粘结层洒布、TAF环氧沥青铺装施工中环氧树脂注入、压路机的实时清理均为人工操作，施工效率低、质量不稳定、不利于安全。,4,课题研究总体思路,主要针对高温气候环境、重载交通、薄桥面板特点，从调研总结、桥面铺装力学分析、铺装材料设计、施工技术控制等方面进行系统研究。项目研究中尤其加强了钢桥面板、铺装层结构一体化设计研究，加强了铺装结构设计、铺装材料设计、施工技术的一体化系统研究，从整体和系统的原则出发解决钢桥面铺装问题。,一.立项背景与总体
5、思路,钢桥面铺装结构分析与设计,二.钢桥面铺装结构分析与设计,1,钢桥面铺装结构试验与分析,二.钢桥面铺装结构分析与设计,目的：对汕头礐石大桥的正交异性钢桥面铺装进行了实桥力学试验检测研究，一方面为桥面铺装材料设计提供直接可靠的力学性能指标要求，另一方面对桥面铺装力学计算模型进行校核，提高理论分析的精确度。内容：首先对桥面板下表面的横、轴两个方向静态、动态应变，以及桥面板局部振动频率进行试验检测。然后对桥面铺装层上表面横、轴两个方向静态、动态应变进行检测，通过此项检测分析桥面铺装层表面受力状态，为桥面铺装材料设计提供可靠的数据。桥面铺装表面、桥面板下表面的应变布置图分别见图1、图2。,1,二.
6、钢桥面铺装结构分析与设计,钢桥面铺装结构试验与分析,图1 桥面板下表面应变及振动检测位置布置图,图2 桥面铺装表面应变检测位置布置图,1,二.钢桥面铺装结构分析与设计,钢桥面铺装结构试验与分析,图3 实际桥面铺装表面应变检测位置布置照片,图4 桥面铺装表面进行切槽处理照片,1,二.钢桥面铺装结构分析与设计,钢桥面铺装结构试验与分析,图5 应变粘贴布置照片,图6 试验加载照片,1,二.钢桥面铺装结构分析与设计,钢桥面铺装结构试验与分析,图7 桥面板下表面检测点布置照片,图8 桥面板下表面检测照片,1,二.钢桥面铺装结构分析与设计,钢桥面铺装结构试验与分析,2,钢桥面铺装结构优化与设计,二.钢桥面
7、铺装结构分析与设计,桥面铺装所承受的作用包括桥面板变形作用及轮载的直接作用。本课题针对桥面铺装的受力特点，分为三个层次进行力学分析，即桥梁整体变形、桥面板局部变形、及铺装层结构内部受力分析，这里简称三层次法。同时对粘结层作用及相关参数的敏感性进行分析。,2,钢桥面铺装结构优化与设计,二.钢桥面铺装结构分析与设计,图9-a 整桥计算模型视图,图9-b 梁段子模型视图,图9-c 铺装结构局部计算模型视图,2,钢桥面铺装结构优化与设计,二.钢桥面铺装结构分析与设计,10mm厚2000MPa刚度过渡层有限元模型X方向应变分布图,2,钢桥面铺装结构优化与设计,二.钢桥面铺装结构分析与设计,铺装材料弯拉模
8、量随温度变化曲线,环氧沥青铺装层顶面横向应变随铺装模量变化曲线,2,钢桥面铺装结构优化与设计,二.钢桥面铺装结构分析与设计,铺装层顶面横向拉应变受超载影响比较,铺装层剪应力受超载影响比较,2,二.钢桥面铺装结构分析与设计,钢桥面铺装结构优化与设计,3,湛江海湾大桥钢桥面铺装设计方案,二.钢桥面铺装结构分析与设计,湛江海湾大桥为一级公路兼顾城市快速道路，双向四车道，远期考虑六车道划线，计算行车速度80km/h。大桥设计标准是：设计荷载汽车超20，验算荷载挂车120。正交异性桥面系的桥面钢板厚度为14mm；梯形加劲肋厚度6mm，两相邻加劲肋中心间距600mm；横隔板间距为3200mm，厚度为12m
9、m。桥址处极端最高温度为38.1，年平均温度为23.1C。,3,二.钢桥面铺装结构分析与设计,湛江海湾大桥钢桥面铺装设计方案,3,湛江海湾大桥钢桥面铺装设计方案,二.钢桥面铺装结构分析与设计,根据国内外钢桥面铺装调研分析，湛江海湾大桥桥面铺装力学分析，以及室内材料试验评价数据，对ChemCo、TAF环氧沥青混凝土、高粘度改性沥青SMA、ROSPHALT改性沥青混凝土、浇注式沥青混凝土等不同桥面铺装方案进行了比较分析。综合考虑铺装材料性能、工程经验、施工技术、寿命周期造价等方面因素，推荐湛江海湾大桥钢桥面行车道铺装采用右图方案（I）。,方案（I）50mm厚双层环氧铺装方案,3,湛江海湾大桥钢桥面
10、铺装设计方案,二.钢桥面铺装结构分析与设计,湛江海湾大桥钢桥面铺装状况（2010.04）,4,虎门大桥钢桥面铺装维修方案,二.钢桥面铺装结构分析与设计,虎门大桥于1997年5月建成通车,是我国首座自行设计、施工、监理具有世界先进水平的现代化特大桥梁。虎门大桥钢桥面板结构、交通荷载、所处气候环境具有典型的代表性：桥面钢板薄（12mm）、重载交通、高温多雨，其钢桥面铺装可能是我国、乃至世界上最难解决的桥面铺装技术难题之一。,虎门大桥钢桥面铺装自投入运行，每隔23年需要进行维修。1998年主要病害是高温稳定性，随着改性沥青技术提高，后期主要病害表现为开裂、脱层、滑移和坑槽，常规改性沥青铺装层的抗弯拉
11、疲劳性能、粘结层性能还难以达到虎门大桥钢桥面铺装的特殊要求。,4,虎门大桥钢桥面铺装维修方案,二.钢桥面铺装结构分析与设计,钢桥面铺装材料可分为两大类：热塑型的常规沥青混凝土、热固型的树脂类混凝土，从我国的大跨径钢桥面铺装使用情况来看，目前常规沥青混凝土还难以满足我国的重载、大交通量、高温、桥面钢板薄弱等特殊使用环境要求，树脂类混凝土桥面铺装目前表现相对较好，但也有部分桥梁的环氧沥青桥面铺装由于某些原因出现较严重鼓包开裂病害。根据虎门大桥钢桥面铺装维修方案研究思路，本次维修主要考虑采用热固型的树脂类混凝土，在提高铺装层抗弯拉性能同时，提高铺装材料模量以增强正交异性钢桥面铺装复合结构刚度。,4,
12、虎门大桥钢桥面铺装维修方案,二.钢桥面铺装结构分析与设计,目前国内应用较多的树脂类混凝土主要是美国ChemCo环氧沥青混凝土和日本近代化成株式会社TAF环氧沥青混凝土，这两种环氧沥青混凝土差别较大，ChemCo环氧沥青混凝土养生周期长（约3045d），混合料施工温度约为120。TAF环氧沥青混凝土养生周期短（约410d），而且TAF环氧沥青混凝土高温施工（约180）可以去除水分，显著减少或避免铺装层鼓包开裂病害。根据虎门大桥通车营运要求必须采用施工期短、养生期短的材料，原基本型TAF环氧沥青混凝土相对ChemCo环氧沥青混凝土模量较高，但韧性相对较低。,4,虎门大桥钢桥面铺装维修方案,二.钢桥
13、面铺装结构分析与设计,针对虎门大桥钢桥面铺装特殊要求，对TAF环氧沥青配比进行了改进优化设计，在保证提高的模量同时，也显著提高了TAF环氧沥青混凝土的韧性，与ChemCo环氧沥青混凝土韧性、疲劳性能接近，两种环氧沥青混凝土具体比较见表1，改进后的TAF环氧沥青混凝土具有良好的施工性能、高模量、高韧性、耐疲劳等综合优势。,表1 改进型TAF、ChemCo环氧沥青混凝土性能比较,4,虎门大桥钢桥面铺装维修方案,二.钢桥面铺装结构分析与设计,.虎门大桥钢桥面铺装维修方案,桥面铺装正式施工过程中进行严格的检测和控制，施工温度、时间控制整体稳定，在设计要求规定的温度、时间范围内完成了铺装施工程序。通车期
14、间污染问题对粘结层的影响较大，为了做好粘结层养护期间保洁工作，采取全覆盖方式保护粘结层，避免灰尘杂物污染粘结层。,4,虎门大桥钢桥面铺装维修方案,二.钢桥面铺装结构分析与设计,粘结层的覆盖和防护效果,4,虎门大桥钢桥面铺装维修方案,二.钢桥面铺装结构分析与设计,虎门大桥环氧沥青铺装施工表面效果,虎门大桥TAF桥面铺装整体状况（2010.03）,钢桥面铺装材料试验研究,三.钢桥面铺装材料试验研究,1,铺装层混合料性能研究,三.钢桥面铺装材料试验研究,铺装层沥青混合料设计包括SK改性沥青SMA、环氧沥青混合料、Rosphalt改性沥青混合料、浇筑式沥青混凝土。根据试验数据，对四种沥青混合料基本路用
15、性能进行比较分析，比较情况见表2。,表2 不同沥青混合料基本路用性能比较,1,铺装层混合料性能研究,三.钢桥面铺装材料试验研究,四点弯曲疲劳试验试件夹具,COOPER NU-14型四点弯曲疲劳试验系统,1,铺装层混合料性能研究,三.钢桥面铺装材料试验研究,不同铺装层材料疲劳寿命曲线,1,铺装层混合料性能研究,三.钢桥面铺装材料试验研究,不同铺装层材料综合性能比较,1,铺装层混合料性能研究,三.钢桥面铺装材料试验研究,针对虎门大桥钢桥面铺装特殊要求，对TAF环氧沥青配比进行了改进优化设计，在保证提高的模量同时，也显著提高了TAF环氧沥青混凝土的韧性，与ChemCo环氧沥青混凝土韧性、疲劳性能接近
16、，两种环氧沥青混凝土具体比较见下表。,表4 改进型TAF、ChemCo环氧沥青混凝土性能比较,2,粘结层材料性能研究,三.钢桥面铺装材料试验研究,铺装层与钢板之间、铺装层之间的粘结强度对桥面铺装的使用寿命有直接影响，层间粘结破坏将导致铺装层迅速破坏。目前不同研究机构对粘结层强度要求有一定差异，粘结层强度相关标准对粘结层性能指标见下表。,表5 粘结层强度指标要求,2,三.钢桥面铺装材料试验研究,粘结层材料性能研究,表6 SK改性沥青SMA与环氧沥青混合料层间直接拉拔强度,图4-35 拉伸断裂界面,2,三.钢桥面铺装材料试验研究,粘结层材料性能研究,2,三.钢桥面铺装材料试验研究,粘结层材料性能研
17、究,表8 双层环氧铺装粘结层拉拔试验数据,拉拔试验装置,拉拔试验破坏界面,2,三.钢桥面铺装材料试验研究,粘结层材料性能研究,表9 双层环氧铺装与钢板间剪切试验数据,铺装层与钢板间剪切试验装置,2,三.钢桥面铺装材料试验研究,粘结层材料性能研究,铺装层间剪切试验装置,表10 双层环氧上下铺装层间剪切试验数据,3,三.钢桥面铺装材料试验研究,集料类型对环氧沥青混合料性能影响研究,花岗岩、辉绿岩与玄武岩环氧沥青混凝土的基本性能见下表。,表11 不同沥青混凝土性力学特性比较,主要研究成果及展望,四.主要研究成果及展望,1,四.主要研究成果及展望,主要研究成果,1,四.主要研究成果及展望,主要研究成果
18、,2,主要创新点,四.主要研究成果及展望,对钢桥面铺装采用子模型三阶段法分析了桥面铺装受力特点及变形规律，并通过实桥桥面铺装进行静、动载试验分析，对有限元数值模拟计算模型进行校核，掌握了钢桥面铺装结构分析方法、铺装变形规律和性能要求。,2,四.主要研究成果及展望,主要创新点,研究开发了同时具有高劲度模量和抗疲劳开裂改进型环氧沥青混凝土，增加了钢桥面铺装与钢板的复合结构刚度，有效降低铺装层应变水平，并改进提高了TAF环氧沥青钢桥面铺装施工技术，显著延长铺装层使用寿命，也有利于提高钢桥面板耐久性。,2,四.主要研究成果及展望,主要创新点,开展了集料对环氧沥青混合料性能影响和适应性研究，研发了钢桥面铺装集料生产加工技术，将辉绿岩、闪长岩等集料应用在钢桥面铺装环氧沥青铺装实体工程，达到技术指标要求，显著降低了环氧沥青铺装造价，提高了工程质量。,2,主要创新点,通过技术创新和管理创新，系统提高和掌握了钢桥面环氧沥青铺装施工技术，有效改进和提高了钢桥面铺装施工质量，取得2项授权发明专利和4项实用新型专利，完成2项钢桥面铺装施工工法编制。显著提高施工企业竞争力和经济效益。,四.主要研究成果及展望,3,四.主要研究成果及展望,进一步展望,不足之处，敬请各位领导和专家批评指正！谢 谢！,
