高强高韧性混凝土钢桥面铺装体系力学特性分析

摘要

基于有限元分析方法，本文研究了高强高韧性混凝土钢桥面铺装体系的力学特性。首先归纳了国内外钢桥面铺装使用现状及相关研究进展，根据对国内外钢桥面铺装常见病害的总结，分析了相关病害出现的原因及理想的钢桥面铺装体系对铺装材料及铺装结构形式的要求。通过建立了钢桥面铺装局部梁段有限元模型，计算车辆荷载作用下纯钢板受荷方案、柔性铺装方案及刚性铺装方案的力学响应，确定不同铺装方案相关力学指标的最不利荷位，并分析了水平荷载对于钢桥面铺装力学指标的影响。
　　针对柔性铺装方案及刚性铺装方案的力学特性分析发现：铺装层模量的增大或是厚度的增加都可提高铺装体系整体刚度，降低钢桥面板应力水平；铺装层本身应力峰值随着厚度的增加而减小，随着模量的增大而增大，柔性铺装方案拉应力峰值的方向是横桥向，刚性铺装方案的是顺桥向。相比于柔性铺装方案，刚性铺装方案对降低钢桥面板应力水平，减小铺装层拉应变、剪应变、竖向压应变峰值等方面效果显著。
　　在对柔性、刚性铺装方案的力学特性对比分析基础上，提出了高强高韧性混凝土STC(Super Toughness Concrete)-沥青磨耗层新型铺装体系，并从铺装层材料特性及铺装结构形式角度分析了铺装体系所具有的特点。对新型铺装体系进行了相关参数的敏感性分析，包括荷位、水平荷载、铺装层模量、铺装层厚度、桥面板顶板厚度、横隔板间距、U肋高度、U肋厚度等参数，参数敏感性分析表明铺装层拉应力主要受铺装下层厚度、模量影响；铺装层剪应力主要受水平荷载作用的影响；钢桥面板参数主要影响铺装层的拉应力，对剪应力的影响较小。本文还分析了高强高韧性混凝土钢桥面铺装体系力学特性随铺装层深度变化规律：在铺装上层深度范围内，应力应变变化较小，拉应力(应变)峰值出现在顶面位置，剪应力(变)峰值出现在底面位置；铺装下层深度范围内，拉应力(应变)呈下降趋势，剪应力(变)呈增大趋势。
　　将研究钢桥面铺装力学特性的有限元建模方法运用到广东肇庆马房大桥钢桥面铺装实际工程中，并将有限元计算结果与检测数据对比分析，研究表明，有限元计算结果与实测数据吻合良好，说明了有限元分析方法的合理性。
　　有限元计算与试验桥检测结果均表明，高强高韧性混凝土铺装体系能有效降低钢桥面板应变及竖向位移值；有利于行车荷载的扩散作用，能有效降低铺装层应力应变幅值以及局部竖向变形，从而减小铺装层的疲劳开裂、车辙等破坏风险。

目录

文摘

英文文摘

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究概况

1.2.1 钢桥面铺装结构形式及铺装材料研究概况

1.2.2 钢桥面铺装体系力学特性分析的研究概况

1.3 本文的研究目标、内容及技术路线

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.3.3 技术路线

第2章 常见病害及理想铺装体系的分析

2.1 钢桥面铺装体系病害及原因分析

2.1.1 钢桥面铺装病害

2.1.2 钢桥面铺装病害原因分析

2.2 理想钢桥面铺装体系的分析

2.2.1 理想铺装体系对铺装材料的要求

2.2.2 理想铺装体系对铺装结构形式的要求

2.3 本章小结

第3章 钢桥面铺装体系力学特性分析

3.1 钢桥面铺装体系有限元分析

3.1.1 几种有限元单元的介绍

3.1.2 有限元模型及计算假设

3.2 铺装体系力学性能分析

3.2.1 铺装方案的介绍

3.2.2 有限元模型基本参数

3.2.3 最不利荷位的确定

3.2.4 不同铺装方案力学性能对比分析

3.3 高强高韧性混凝土铺装体系的提出

3.3.1 高强高韧性混凝土铺装体系

3.3.2 高强高韧性混凝土铺装体系在结构及材料上的特点

3.4 小结

第4章 钢桥面铺装体系参数敏感性分析

4.1 铺装体系的基本参数

4.2 铺装体系参数敏感性分析

4.2.1 荷位敏感性分析

4.2.2 水平荷载敏感性分析

4.2.3 铺装层弹性模量敏感性分析

4.2.4 铺装层厚度敏感性分析

4.2.5 钢桥面板参数敏感性分析

4.3 力学特性随铺装层深度变化分析

4.4 本章小结

第5章 实桥检测与有限元计算的对比分析

5.1 马房大桥实桥铺装简介

5.2 马房大桥钢桥面铺装检测

5.2.1 检测的内容

5.2.2 试验区域及试验荷载

5.3 马房大桥钢桥面铺装有限元分析

5.3.1 有限元模型及边界条件

5.3.2 有限元计算内容

5.4 检测数据与有限元计算的对比分析

5.4.1 应变实测数据与有限元计算对比分析

5.4.2 竖向位移实测数据与有限元计算对比分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录B．1 主要测点应变检测原始数据表(με)

附录：B．2 实测构件变形值(mm)