大跨径钢桁架桥桥面铺装层材料及结构设计

摘要

目前正值我国经济飞速发展时期，公路网络正在迅速形成。大跨径钢桥由于其具有质轻、经济、架设方便等特点被越来越广泛的应用于公路工程中。然而，随着时间的检验其缺点也逐渐暴露出来，国内诸多钢桥在建好不久其钢桥面铺装层就出现病害，其主要有疲劳开裂、车辙、推移、拥包、脱粘等。针对以上问题，并结合枝城长江大桥公路桥维修加固工程，开展大跨径钢桁架桥钢桥面铺装层材料与结构设计的研究。通过对大跨径钢桁架桥桥面铺装层的破坏形态、病害原因的研究分析，确定了钢桥面铺装层材料及结构设计方案，即钢桥面板+剪力钉+钢筋网+高韧性轻质混凝土+粘结层+SMA-16，并明确了对铺装层材料的性能要求；在此基础上，进行铺装层材料，尤其是下面层材料—高强高韧性轻质混凝土的研究与制备；借助ANSYS软件对这种钢桥面铺装层的材料及结构进行了静载-轮载作用下的应力、应变理论分析，取得了如下成果：
　　1）通过对钢桥面铺装病害原因分析，确定了大跨径钢桁架桥桥面铺装层结构方案，明确了对铺装层材料的要求，特别是铺装下面层材料—高韧性轻质混凝土的性能要求：干表观密度≤1950kg/m3；28d抗压强度≥58.0MPa，28d抗折强度≥7.0MPa，28d抗拉强度≥5.0MPa，28d弹性模量≤30GPa；韧性指数I20≥15；抗渗等级达P12以上；90d干缩率≤3.0×10-4。此外，为满足施工工艺的要求，并保证施工进度，LC50高韧性轻集料混凝土还应满足如下的性能要求：初始坍落度≥180mm，2h坍落度≥160mm，不分层、不离析泌水，满足泵送要求；3d抗压强度≥35.0MPa，3d抗拉强度＞5.0MPa；3d抗折强度＞4.0MPa
　　2）通过正交实验设计方法进行了LC50混凝土配合比设计，并运用轻集料混凝土工作性控制技术、纤维与聚合物复合增韧技术，开发了高韧性轻质混凝土LC50，其配合比为：水泥：粉煤灰：砂子：污泥陶粒：水：减水剂：钢纤维：高分子聚合物=500：50:680:530:150:12.1:60：0.06。在此基础上，研究制备了铺装下面层用的微膨胀抗裂轻质湿接缝混凝土。
　　3）LC50轻质混凝土性能研究表明，其各项性能均满足本铺装方案要求：初始坍落度180mm以上，1h后坍落度160mm以上，不泌水、不离析，和易性良好。其28d抗压强度达到67.2MPa，28d抗折强度达到7.6MPa，28d极限抗拉值达到1.81×10-4，韧性指数I20达到22.2，在0.6应力水平下抗弯疲劳寿命达到200万次以上，28d收缩率为2.35×10-4，抗渗等级达到P12以上。对28d龄期的轻骨料－水泥浆体界面过渡区的SEM研究表明，陶粒表面有较多的水化产物C-S-H等，这很可能一方面是因为硅灰的火山灰反应生成了更多的凝胶产物，同时破坏了Ca(OH)2规则排列，从而提高了轻骨料与水泥石之间的粘结性能；另一方面，是由于陶粒的内养护作用使轻集料附近的水泥能更充分地水化，增加了界面区的密实程度。微膨胀抗裂轻质湿接缝混凝土28d抗压强度达到64.2MPa，28d抗折强度达到7.7MPa，韧性指数I20达到21.3，60d龄期时混凝土的体积变形基本稳定，此时膨胀率为2.5×10-4，抗渗等级达P12以上。
　　4）为了提高铺装上面层的防水防渗、水稳定性、抗高温抗软化和低温开裂及抗疲劳性能，研究制备出高粘高弹应力吸收层材料和上面层高粘 SMA-16沥青混合料。
　　5）借用ANSYS对钢桥面铺装层进行了静载作用下的仿真模拟分析。结果表明，随着剪力钉分布逐渐密集，钢桥面铺装层各项应力应变指标有所降低，根据受力分析结果，300mm×300 mm为最佳选择方案，但是考虑到最大横向、纵向拉应力为1.76MPa、1.97MPa，应力低于铺装下面层用的高韧性 LC50混凝土的抗拉强度（3d抗拉强度5.0MPa），综合考虑经济效益以及受力性能，剪力钉分布间距为400mm×400mm是较为合适的。

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1绪论

1.1选题意义与应用前景

1.2 国内外钢桥面铺装研究概述

1.3钢桥面铺装层普遍出现的病害及原因分析

1.4课题的提出

1.5 研究内容

1.6 研究方法及技术路线

1.7依托工程

2 LC50高韧性污泥陶粒混凝土的开发

2.1设计思路

2.2原材料及试验方法

2.3 LC50混凝土的初步配合比设计

2.4工作性控制技术

2.5轻质混凝土的增强、增韧技术

2.6 高韧性轻质混凝土（LC50）的制备

2.7 高韧性轻质混凝土性能研究

2.8湿接缝LC50混凝土

2.9本章小结

3 钢桥面铺装上面层材料的制备

3.1 铺装上面层材料的性能要求

3.2高粘高弹应力吸收层材料制备

3.3 铺装上面层材料性能

3.4 高粘高弹SMA-16的制备

3.5高粘高弹SMA-16性能研究

3.6本章小结

4 组合钢桥面铺装层在荷载作用下的应力应变分析

4.1应力应变有限元分析

4.2钢桥铺装层受力模型分析应力

4.3本章小结

5 工程应用

5.1工程概况

5.2枝城长江大桥桥面铺装层施工

5.3工程应用效果

5.4本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2后续工作

参考文献

后记

附录