大跨径钢桥桥面铺装关键技术研究 - 广东省公路学会讲课教案.ppt
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1、广东交通集团广东交通集团大跨径钢桥桥面铺装关键技术研究-广东省公路学会 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望广东交通集团广东交通集团主要内容主要内容1 立项背景与总体思路立项背景与总体思路一 钢桥面铺装材料试验研究钢桥面铺装材料试验研究三5 主要研究成果及展望主要研究成果及展望四 钢桥面铺装结构分析与设计钢桥面铺装结构分析与设计二广东交通集团广东交通集团立项背景与总体思路立项背景与总体思路立项背景及意义立项背景及意义1面临的技术难题面临的技术难题2国内外
2、研究现状国内外研究现状3课题研究总体思路课题研究总体思路4立项背立项背景与总景与总体思路体思路广东交通集团广东交通集团一一.立项背景与总体思路立项背景与总体思路立项背景及意义立项背景及意义1v自上世纪自上世纪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,固定资产投入超过投入超过8000亿元人民币,为国家的经济建设发挥了巨大作亿元人民币,为国家的经济建设发挥了巨大作用。用。v十二五规划十二五规划中,我省还面临着多座大跨径钢桥建设重任,其中中,我省还面临
3、着多座大跨径钢桥建设重任,其中包括包括虎门二桥、港珠澳大桥、中深通道、琼州海峡大桥虎门二桥、港珠澳大桥、中深通道、琼州海峡大桥等多座等多座跨海公路特大桥梁的建设,投资规模超过跨海公路特大桥梁的建设,投资规模超过3000亿元人民币。亿元人民币。广东交通集团广东交通集团2面临的技术难题面临的技术难题一一.立项背景与总体思路立项背景与总体思路v钢桥面铺装的早期损坏钢桥面铺装的早期损坏是我们面临的一个非常严峻的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益的发挥,也已成为了公路建设中
4、的一个社会关注焦点(如点(如武汉某长江大桥武汉某长江大桥)!)!广东交通集团广东交通集团2面临的技术难题面临的技术难题一一.立项背景与总体思路立项背景与总体思路v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,桥面铺装铺装对气候条件、交通荷载特点、桥面板结构刚度等因素非对气候条件、交通荷载特点、桥面板结构刚度等因素非常敏感常敏感,其受力、变形及运营环境远较公路路面或机场道面其受力、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。均有更高
5、的要求。广东交通集团广东交通集团3 国内外研究现状国内外研究现状v大跨径桥梁桥面铺装受力主要是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分析轮载作用下铺装结构的局部问题局部问题,如果在整桥模型中来分析桥面板的局部变形,需,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。影响,而且缺少实桥检测校核。一一.立项背景与总体思路立项背景与总体思路广东交通集团广东交通
6、集团3 国内外研究现状国内外研究现状一一.立项背景与总体思路立项背景与总体思路v目前国内外常用环氧沥青包括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(如用了温拌环氧沥青(如ChemCo环氧沥青),环氧沥青),温拌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,难以用于维修工程大,养生时间较长,难以用于维修工程;原有热拌环氧沥青原有热拌环氧沥青存在
7、变形能力相对较低的问题。存在变形能力相对较低的问题。广东交通集团广东交通集团3 国内外研究现状国内外研究现状一一.立项背景与总体思路立项背景与总体思路v 国内外环氧沥青混合料国内外环氧沥青混合料一般采用玄武岩一般采用玄武岩,因集料,因集料资源和运输等问题造成环氧沥青混合料资源和运输等问题造成环氧沥青混合料集料成本集料成本非常高非常高。广东交通集团广东交通集团3 国内外研究现状国内外研究现状一一.立项背景与总体思路立项背景与总体思路 v 国内外国内外ChemCo环氧沥青铺装施工中粘结层洒布环氧沥青铺装施工中粘结层洒布、TAF环氧环氧沥青铺装施工中环氧树脂注入、沥青铺装施工中环氧树脂注入、压路机的
8、实时清理压路机的实时清理均为人工操均为人工操作,施工效率低、质量不稳定、不利于安全。作,施工效率低、质量不稳定、不利于安全。广东交通集团广东交通集团4 课题研究总体思路课题研究总体思路v主要主要针对高温气候环境、重载交通、薄桥面板特点针对高温气候环境、重载交通、薄桥面板特点,从调研总,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进行系统系统研究。研究。v项目研究中尤其加强了钢桥面板、铺装层结构项目研究中尤其加强了钢桥面板、铺装层结构一体化一体化设计研究,设计研究,加强了加强了铺装结构设计、铺装材料设计、施工技术铺装结构
9、设计、铺装材料设计、施工技术的一体化系统的一体化系统研究,从整体和系统的原则出发解决钢桥面铺装问题。研究,从整体和系统的原则出发解决钢桥面铺装问题。一一.立项背景与总体思路立项背景与总体思路广东交通集团广东交通集团钢桥钢桥面铺面铺装结装结构分构分析与析与设计设计二二.钢桥面铺装结构分析与设计钢桥面铺装结构分析与设计钢桥面铺装结构试验与分析钢桥面铺装结构试验与分析1钢桥面铺装结构优化分析与设计钢桥面铺装结构优化分析与设计2虎门大桥钢桥面铺装维修方案虎门大桥钢桥面铺装维修方案4湛江海湾大桥钢桥面铺装设计方案湛江海湾大桥钢桥面铺装设计方案3广东交通集团广东交通集团1钢桥面铺装结构试验与分析钢桥面铺装
10、结构试验与分析二二.钢桥面铺装结构分析与设计钢桥面铺装结构分析与设计 目的: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,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。论分析的精确度。内容:内容:首先对桥面板下表面的横、轴两个方向静态、动态应变,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
11、铺装层上表面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,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铺装表面、桥面板下表面的应变布置图分别见图1、图、图2。广东交通集团广东交通集团1二二.钢桥面铺装结构分析与设计钢桥面铺装结构分析与设计钢桥面铺装结构试验与分析钢桥面铺装结构试验与分析图图1 桥面板下表面应变及振动检测位置布置图桥面板下表面应变及振动检测位
12、置布置图 图图2 桥面铺装表面应变检测位置布置图桥面铺装表面应变检测位置布置图广东交通集团广东交通集团1二二.钢桥面铺装结构分析与设计钢桥面铺装结构分析与设计钢桥面铺装结构试验与分析钢桥面铺装结构试验与分析图图3 实际桥面铺装表面应变检测位置布置照片实际桥面铺装表面应变检测位置布置照片图图4 桥面铺装表面进行切槽处理照片桥面铺装表面进行切槽处理照片广东交通集团广东交通集团1二二.钢桥面铺装结构分析与设计钢桥面铺装结构分析与设计钢桥面铺装结构试验与分析钢桥面铺装结构试验与分析图图5 应变粘贴布置照片应变粘贴布置照片图图6 试验加载照片试验加载照片广东交通集团广东交通集团1二二.钢桥面铺装结构分析
13、与设计钢桥面铺装结构分析与设计钢桥面铺装结构试验与分析钢桥面铺装结构试验与分析图图7 桥面板下表面检测点布置照片桥面板下表面检测点布置照片图图8 桥面板下表面检测照片桥面板下表面检测照片广东交通集团广东交通集团1根据桥面铺装检测数据及数值模拟分析表明根据桥面铺装检测数据及数值模拟分析表明,沥青沥青混凝土桥面铺装在静载或重复荷载作用下表现出混凝土桥面铺装在静载或重复荷载作用下表现出显著的粘弹性;显著的粘弹性;1 1改性沥青改性沥青SMA桥面铺装应变检测与数值模拟分析桥面铺装应变检测与数值模拟分析比较分析表明,基本可以按照铺装材料的均质弹比较分析表明,基本可以按照铺装材料的均质弹性假设进行静力计算
14、,模拟行驶车辆轮载作用下性假设进行静力计算,模拟行驶车辆轮载作用下桥面铺装的瞬间动态受力状态,可以满足工程设桥面铺装的瞬间动态受力状态,可以满足工程设计需要。计需要。3 3检测分析表明,桥面铺装结构在轮载作用下的变检测分析表明,桥面铺装结构在轮载作用下的变形状态,受到轮载水平、车速、初始应变水平、形状态,受到轮载水平、车速、初始应变水平、桥面坡度、桥面温度等因素影响;桥面坡度、桥面温度等因素影响;2 2二二.钢桥面铺装结构分析与设计钢桥面铺装结构分析与设计钢桥面铺装结构试验与分析钢桥面铺装结构试验与分析广东交通集团广东交通集团2钢桥面铺装结构优化与设计钢桥面铺装结构优化与设计二二.钢桥面铺装结
15、构分析与设计钢桥面铺装结构分析与设计 桥面铺装所承受的作用包括桥面铺装所承受的作用包括桥面板变形作用及轮桥面板变形作用及轮载的直接作用。载的直接作用。本课题针对桥面铺装的受力特点,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,分为三个层次进行力学分析,即桥梁整体变形、桥即桥梁整体变形、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。简称三层次法。同时对粘结层作用及相关参数的敏同时对粘结层作用及相关参数的敏感性进行分析。感性进行分析。广东交通集团广东交通集团2钢桥面铺装结构优化与设计钢桥面铺装结构优化与设计二二.钢桥面铺装结构分析
16、与设计钢桥面铺装结构分析与设计图图9-a 整桥计算模型视图整桥计算模型视图图图9-b 梁段子模型视图梁段子模型视图图图9-c 铺装结构局部计算模型视图铺装结构局部计算模型视图广东交通集团广东交通集团2钢桥面铺装结构优化与设计钢桥面铺装结构优化与设计二二.钢桥面铺装结构分析与设计钢桥面铺装结构分析与设计 10mm厚厚2000MPa刚度过渡层有限元模型刚度过渡层有限元模型X方向应变分布图方向应变分布图广东交通集团广东交通集团2钢桥面铺装结构优化与设计钢桥面铺装结构优化与设计二二.钢桥面铺装结构分析与设计钢桥面铺装结构分析与设计 铺装材料弯拉模量随温度变化曲线铺装材料弯拉模量随温度变化曲线 环氧沥青
17、铺装层顶面横向应变随铺装模量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广东交通集团广东交通集团2钢桥面铺装结构优化与设计钢桥面铺装结构优化与设计二二.钢桥面铺装结构分析与设计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铺装层剪应力受超载影响比较广东交通集团广东交通集团2铺装结构刚度过渡层的厚度、模量对铺装层的受力状态铺装结构刚度过渡层的厚度、模量对铺装层的受力状态有显著影响,主要表现随着刚度过渡层模量和厚度的增有显著影响,主要表现随着刚度过渡层模量和厚度的增加,铺装结构拉应变显著降低,有利于改善铺装结构受加,
18、铺装结构拉应变显著降低,有利于改善铺装结构受力状态。力状态。1 1钢桥面铺装的横向拉应变和层间剪应力受超载影响显著,钢桥面铺装的横向拉应变和层间剪应力受超载影响显著,钢桥面铺装的横向拉应变和层间剪应力与超载程度基本钢桥面铺装的横向拉应变和层间剪应力与超载程度基本成线性关系,因此应严格控制超载对钢桥面铺装造成不成线性关系,因此应严格控制超载对钢桥面铺装造成不利影响。利影响。3 3环氧沥青混凝土具有高模量、低蠕变柔量、高温稳定性环氧沥青混凝土具有高模量、低蠕变柔量、高温稳定性的特点,而且环氧沥青混凝土与钢桥面粘结牢固,可以的特点,而且环氧沥青混凝土与钢桥面粘结牢固,可以考虑作为钢桥面铺装的刚度过渡
19、层材料或整体铺装材料。考虑作为钢桥面铺装的刚度过渡层材料或整体铺装材料。2 2二二.钢桥面铺装结构分析与设计钢桥面铺装结构分析与设计钢桥面铺装结构优化与设计钢桥面铺装结构优化与设计广东交通集团广东交通集团3湛江海湾大桥钢桥面铺装设计方案湛江海湾大桥钢桥面铺装设计方案二二.钢桥面铺装结构分析与设计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,计算行车速度车道,远期考虑六车道划线,计算行车速度80km/h。大。大桥设计标准是:桥设计标准是:设计荷载汽车超设计荷载汽车超20,验算荷载挂车,验算荷载挂车1
20、20。正交异性桥面系的正交异性桥面系的桥面钢板厚度为桥面钢板厚度为14mm;梯形加劲;梯形加劲肋厚度肋厚度6mm,两相邻加劲肋中心间距,两相邻加劲肋中心间距600mm;横隔板;横隔板间距为间距为3200mm,厚度为,厚度为12mm。桥址处极端最高温度为桥址处极端最高温度为38.1,年平均温度为,年平均温度为23.1C。广东交通集团广东交通集团3整桥在满布荷载作用下桥面板产生的应变峰值低于整桥在满布荷载作用下桥面板产生的应变峰值低于190,并且大部分低于,并且大部分低于65,而且整桥满布荷载作用变形属于,而且整桥满布荷载作用变形属于周期长、低频率情况。因此,在桥面铺装设计中基本可以周期长、低频率
21、情况。因此,在桥面铺装设计中基本可以不考虑整桥变形对铺装层的影响,而主要是考虑桥面局部不考虑整桥变形对铺装层的影响,而主要是考虑桥面局部受力变形的作用。受力变形的作用。1 1对铺装刚度过渡层模量、厚度优化分析表明,随着刚度过对铺装刚度过渡层模量、厚度优化分析表明,随着刚度过渡层模量、厚度的增加拉应变降低,而且拉应变沿铺装层渡层模量、厚度的增加拉应变降低,而且拉应变沿铺装层厚度方向分布的趋于平缓,突变减小。适当增加刚度过渡厚度方向分布的趋于平缓,突变减小。适当增加刚度过渡层的厚度和模量可以有效改善铺装层的受力状态,降低铺层的厚度和模量可以有效改善铺装层的受力状态,降低铺装层底面、顶面的应变水平,
22、有利于提高上面层材料的抗装层底面、顶面的应变水平,有利于提高上面层材料的抗疲劳性能。疲劳性能。3 3通过对湛江海湾大桥桥面铺装层间剪应力分析,刚度过渡通过对湛江海湾大桥桥面铺装层间剪应力分析,刚度过渡层模量在层模量在50015000MPa时,刚度过渡层与桥面板间粘结时,刚度过渡层与桥面板间粘结层剪应力在层剪应力在0.51.6MPa之间,刚度过渡层与磨耗层之间剪之间,刚度过渡层与磨耗层之间剪应力在应力在0.50.65MPa之间。应注意加强粘结层材料的粘结之间。应注意加强粘结层材料的粘结和抗剪强度研究设计。和抗剪强度研究设计。2 2对桥面钢板厚度、加劲肋钢板厚度进行敏感性分析表明,桥对桥面钢板厚度
23、、加劲肋钢板厚度进行敏感性分析表明,桥面板厚度对铺装层顶面的影响比加劲肋的厚度影响显著,应面板厚度对铺装层顶面的影响比加劲肋的厚度影响显著,应进行桥面板厚度、加劲肋厚度的经济和技术两方面比较优化进行桥面板厚度、加劲肋厚度的经济和技术两方面比较优化的组合设计。的组合设计。4 4二二.钢桥面铺装结构分析与设计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湛江海湾大桥钢桥面铺装设计方案广东交通集团广东交通集团3湛江海湾大桥钢桥面铺装设计方案湛江海湾大桥钢桥面铺装设计方案二二.钢桥面铺装结构分析与设计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,湛根据国内外钢桥面铺装调研分析,湛江海
24、湾大桥桥面铺装力学分析,以及室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、高粘度改性沥青环氧沥青混凝土、高粘度改性沥青SMA、ROSPHALT改性沥青混凝土、改性沥青混凝土、浇注式沥青混凝土等不同桥面铺装方案浇注式沥青混凝土等不同桥面铺装方案进行了比较分析。进行了比较分析。综合考虑铺装材料性综合考虑铺装材料性能、工程经验、施工技术、寿命周期造能、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(面行车道铺装采用右图方案(I)。)。25mm ChemCo
25、环氧沥青混凝土环氧沥青混凝土环氧沥青粘结层环氧沥青粘结层 0.45L/m225mm ChemCo环氧沥青混凝土环氧沥青混凝土环氧沥青粘结层环氧沥青粘结层 0.68L/m2环氧富锌防锈层(环氧富锌防锈层(6080m)钢板喷砂除锈钢板喷砂除锈Sa3.0级,粗糙度级,粗糙度5010014mm 钢板钢板 方案(方案(I)50mm厚双层环氧铺装方案厚双层环氧铺装方案广东交通集团广东交通集团3湛江海湾大桥钢桥面铺装设计方案湛江海湾大桥钢桥面铺装设计方案二二.钢桥面铺装结构分析与设计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(湛江海湾大桥钢桥面铺装状况(2010.04)广东交通集团广东交通集团4虎
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