大纵坡钢桥面铺装结构力学研究

摘要

近年来，随着中国交通基础设施建设迅猛发展，桥梁建设发展突飞猛进，已经达到了世界先进水平。钢桥面铺装技术作为桥梁建设的关键技术之一，得到各国学者的重视。国内外学者围绕钢桥面铺装，展开了大量理论与数值分析。但对大纵坡桥梁铺装的力学研究却少有涉及。大纵坡钢桥面铺装结构上坡段易产生车辙、滑移病害，下坡段易产生剪切推移病害。因此，对大纵坡钢桥面铺装结构的力学行为进行研究对于提高大纵坡钢桥面铺装结构的安全性及耐久性方面具有重要的意义。
　　论文基于钢桥面铺装设计理论，结合实际工程，运用有限元软件ABAQUS，首先对大纵坡钢桥面铺装结构下坡静力特性展开分析，提出应重点考虑铺装结构抗剪强度，初步总结回归得到大纵坡钢桥面铺装结构纵向应力指标计算公式，接着通过研究上坡段永久变形随各影响因素的变化规律，提出了大纵坡钢桥面铺装层车辙预估模型，最后结合仁皇山大桥铺装工程，进行环氧沥青混合料的原材料试验、配合比设计及部分力学性能试验研究，验证材料的安全性，介绍合理的施工方案。
　　首先，论文通过时温等效换算，计算了各级坡度对应的等效模量。分析了大纵坡钢桥面铺装层上下坡的受力特性，计算得到了各级坡度下铺装层受到的车辆荷载。论文运用ABAQUS软件建立了大纵坡正交异性钢桥面板铺装结构的“实体-壳”结合的三维有限元模型，通过比较荷载作用于不同位置时铺装层的力学响应，确定了最不利荷位。分析了匀速行驶和紧急制动状态时下坡道钢桥面局部铺装结构在车辆荷载作用下的力学响应，明确了应重点考虑铺装结构抗剪设计。分析了行车荷载作用下大纵坡钢桥面铺装结构参数对铺装层力学响应的影响。
　　其次，论文考虑以纵向最大拉应力、纵向最大剪应力作为极限破坏控制指标，研究了匀速行驶和紧急制动状态时下坡道钢桥面铺装层应力指标。论文采用正交设计法及多元回归方法，回归得到了大纵坡钢桥面铺装结构的铺装层表面最大纵向拉应力、铺装层底最大纵向剪应力的计算公式，对公式的精度进行了验证，并验算了实际工程的应力指标，结果表明其满足工程要求。
　　然后，针对大纵坡钢桥面铺装层上坡段易出现车辙病害问题，研究了大纵坡钢桥面铺装层上坡段永久变形。在有限元模型中考虑沥青混凝土的蠕变特性，分析了纵坡、荷载、温度、铺装层厚度、钢桥面结构等因素对永久变形深度的影响，提出了大纵坡钢桥面铺装层车辙预估计算模型，最后以实际工程为例，预估了其车辙寿命。
　　最后，结合仁皇山大桥钢桥面铺装工程，完成了环氧沥青混合料的配合比设计，进行了高温稳定性试验、低温弯曲试验、水稳定性试验、黏结层剪切试验、黏结层拉拔试验等一系列性能试验验证，介绍了环氧沥青混合料的施工方案。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 问题的提出

1．2 国内外研究概况

1．2．1 国外研究概况

1．2．2 国内研究概况

1．2．3 对国内外研究概况的评价

1．3 主要研究内容及技术路线

第二章 大纵坡钢桥面铺装结构有限元静力分析

2．1 时温等效研究

2．1．1 时温等效原理

2．1．2 时温等效换算

2．2 汽车荷载在坡道铺装层上的作用力

2．2．1 作用在坡道铺装层上的车辆垂直荷载

2．2．2 作用在坡道铺装层上的车辆水平荷载

2．2．3 各级坡度对应的荷载

2．3 有限元模型

2．3．1 ABAQUS软件简介

2．3．2 基本假设

2．3．3 车辆荷载

2．3．4 模型尺寸与材料参数

2．3．5 有限元单元选取与网格划分

2．3．6 边界条件

2．4 模型验证

2．5 最不利荷位

2．5．1 荷位选择

2．5．2 不同荷位分析

2．5．3 最不利荷位确定

2．6 坡道钢桥面铺装层受力分析

2．6．1 匀速行驶状态下坡道铺装层受力分析

2．6．2 紧急制动状态下坡道铺装层受力分析

2．6．3 两种行驶状态下坡道铺装层受力比较

2．7 大纵坡钢桥面铺装层静力模型参数敏感性分析

2．7．1 铺装层上层厚度对钢桥面铺装层力学响应的影响

2．7．2 铺装层下层厚度对钢桥面铺装层力学响应的影响

2．7．3 铺装层上层模量对钢桥面铺装层力学响应的影响

2．7．4 铺装层下层模量对钢桥面铺装层力学响应的影响

2．7．5 钢板厚度对钢桥面铺装层力学响应的影响

2．7．6 U肋开口宽度对钢桥面铺装层力学响应的影响

2．7．7 U肋高度对钢桥面铺装层力学响应的影响

2．7．8 横隔板间距对钢桥面铺装层力学响应的影响

2．8 本章小结

第三章 大纵坡钢桥面铺装结构力学指标研究

3．1 铺装层表面最大纵向拉应力计算公式

3．1．1 单变量单因素回归

3．1．2 单变量多因素回归

3．2 铺装层底最大纵向剪应力计算公式

3．2．1 单变量单因素回归

3．2．2 单变量多因素回归

3．3 紧急制动状态下坡道纵向应力计算公式

3．3．1 紧急制动状态铺装层表面最大纵向拉应力计算公式

3．3．2 紧急制动状态铺装层底最大纵向剪应力计算公式

3．4 实例分析

3．5 本章小结

第四章 大纵坡钢桥面铺装永久变形分析

4．1 钢桥面铺装沥青混合料蠕变模型

4．2 大纵坡钢桥面铺装层的永久变形

4．3 大纵坡钢桥面铺装层永久变形敏感性分析

4．3．1 纵坡对永久变形的影响

4．3．2 铺装上层厚度对永久变形的影响

4．3．3 钢板厚度对永久变形的影响

4．3．4 U肋开口宽度对永久变形的影响

4．3．5 U肋高度对永久变形的影响

4．3．6 横隔板间距对永久变形的影响

4．3．7 温度对永久变形的影响

4．3．8 荷载对永久变形的影响

4．4 大纵坡钢桥面铺装层车辙预估模型

4．5 实例分析

4．6 本章小结

第五章 铺装材料组成设计与性能试验

5．1 大纵坡钢桥面铺装材料检测

5．1．1 集料

5．1．2 矿粉

5．1．3 环氧

5．1．4 沥青

5．2 环氧沥青混合料配合比设计

5．2．1 确定级配范围

5．2．2 配合比设计指标与标准

5．2．3 配合比设计

5．3 环氧沥青混合料性能试验

5．3．1 高温稳定性试验

5．3．2 低温弯曲试验

5．3．3 水稳定性试验

5．4 黏结层性能试验

5．4．1 黏结层剪切试验

5．4．2 黏结层拉拔试验

5．5 现场施工方案

5．5．1 桥面处理喷砂除锈及涂漆

5．5．2 喷洒黏层油

5．5．3 拌和及摊铺碾压

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文