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大跨径悬索桥新型钢桥面铺装结构研究

李洪涛  
【摘要】: 大跨径钢箱梁悬索桥的桥面铺装技术一直是困扰道路工程界与学术界的难题之一,尚未得到妥善解决。我国对钢箱梁桥桥面铺装的研究与应用时间均不长,大跨径钢桥桥面铺装的整体使用状况不容乐观,而悬索桥铺装早期破坏比斜拉桥等其他结构型式钢桥的铺装更为严重。目前国内投入运营以及设计与建造中的大跨径钢箱梁悬索桥有近10座,及时开展悬索桥钢箱梁正交异性钢桥面铺装技术的系统研究,寻求适合我国交通荷载和气候条件的新型桥面铺装材料及铺装结构,具有较强的理论意义和实用价值。本文在现有研究的基础上,针对大跨径悬索钢桥技术特点,开展钢桥面铺装技术的研究,通过技术调研、理论分析、室内试验与实桥试验相结合的方式,分析了大跨径悬索桥钢桥面铺装的受力特点和使用技术要求,开发出“下层浇注式沥青混凝土、上层环氧沥青混凝土”新型铺装结构,并通过实桥试验验证了该铺装方案在大跨径钢箱梁悬索桥上的适用性。 本文首先介绍了对国内外主要钢桥面铺装材料的研究及应用情况,对比分析了钢桥面铺装与普通沥青混凝土铺装的差异以及悬索桥与斜拉桥不同受力特点,明确了大跨径悬索桥钢桥面铺装技术要求,在此基础上提出本文研究内容、技术路线及研究目标。 其次,在现有钢桥面铺装理论研究的基础上,采用静力学分析、模态分析与移动荷载下的动力响应分析相结合的手段,完成了大跨径钢箱梁悬索桥桥面铺装的理论分析,从而为新型铺装结构的设计提供理论依据。运用模态分析的方法,对不同厚度桥面板进行分析,得出桥面板厚度变化对系统动力性能的影响。应用有限元方法对铺装结构进行了动力响应分析,不同铺装结构的铺装表面最大横向拉应力和最大竖向位移均在荷载位于两横隔板中间位置时出现峰值,钢板与铺装层间最大剪应力则在横隔板处出现峰值。在动力荷载作用下,铺装与钢板间会产生很大的层间剪应力,这是导致铺装出现脱层、滑移等病害的主要原因。与静力分析结果的比较表明,对层间剪应力进行分析时,采用静力分析是偏于不安全的。动力分析表明,与双层环氧沥青混凝土结构相比,下层浇注式沥青混凝土、上层环氧沥青混凝土复合结构总体受力状况更好。 然后,本文针对大跨径悬索桥大变形受力特点,分别对环氧沥青混合料与浇注式沥青混合料进行了系统研究,明确了两种混合料的性能差异与优缺点,并进行新型环氧沥青材料开发研究,为悬索桥铺装结构设计提供了试验支持。 再次,根据已有成果及大跨径钢箱梁悬索桥桥面铺装的理论分析结果,提出大跨径钢箱梁悬索桥宜采用双层铺装结构;根据环氧沥青混合料与浇注式沥青混合料的技术特点,在国内外首次提出了“下层浇注式沥青混凝土、上层环氧沥青混凝土”新型铺装结构,并与其他铺装结构进行对比试验研究,全面考察各铺装结构的高、低温及疲劳性能。试验结果表明,“下层浇注式沥青混凝土、上层环氧沥青混凝土”的新型铺装结构高、低温性能均衡,疲劳性能优良,对钢板的变形追从性较好,有利于降低铺装表面应变,能适应悬索桥钢箱梁变形较大的特点。 最后,为了验证理论分析与室内试验结果,在国内首次开展钢箱梁实桥试验研究,试验桥的铺装层采用“下层浇注式沥青混凝土、上层环氧沥青混凝土”新型铺装结构。在实桥试验研究过程中,分别进行了荷载响应分析、静载试验以及浇注式沥青混凝土施工工艺研究,并对试验桥新型铺装结构路用性能进行了4年多的跟踪观测。观测结果表明,该新型铺装结构能够适应大跨径钢箱梁悬索桥的使用要求,具有良好的路用性能。


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