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超高性能轻型组合桥面铺装体系基本力学性能研究

王懿  
【摘要】:钢桥面铺装层作为大跨径桥梁的重要组成部分,越来越受到学者和工程师的关注。然而,目前的钢桥面铺装层却存在许多弊端,很容易出现早期病害,如车辙、铺装层开裂、脱层等。为解决钢桥面铺装层易损坏的问题,本文提出将薄层聚合物混凝土TPO铺筑于超高韧性混凝土STC和钢桥面板之上,形成超高性能的轻型组合桥面铺装体系,简称STC+TPO。本文主要开展STC+TPO铺装体系基本力学性能研究,取得了如下研究成果: 概括了钢桥面铺装体系的受力特点和常见病害,总结出钢桥面铺装易损坏的两个根本原因:桥面系刚度不足和铺装材料在物理力学性能方面存在缺陷。针对目前钢桥面铺装的不足,提出STC+TPO铺装,并将其设计控制指标确定为铺装层拉应力指标和层间剪应力指标 通过对STC、TPO材料性能及界面强度的研究,得到了两种材料的力学参数和界面的粘结性能参数。研究表明STC、TPO材料具有优良的性能,足以胜任钢桥面铺装;STC-钢板、STC-TPO的界面粘结性能优异,能够保证层间的可靠粘结。以上材料基本参数的获取,也为后面的力学分析和强度可靠性分析提供了依据。 本文基于验证过的北江马房大桥有限元模型,分析了STC+TPO铺装体系的受力和变形特点。计算结果表明,采用STC+TPO铺装体系,能有效降低钢桥面板和铺装层的应力应变幅值和局部竖向变形。此外,车辆荷载、环境温度和铺装层厚度等对STC+TPO铺装体系的受力状况有较大影响。通过综合考虑多参数的影响,得到STC+TPO的最不利受力状态,并计算了此状态下铺装层中的应力值。 本文对STC+TPO铺装体系的动力特性进行了初步分析,并将动力解与静力解进行了对比。计算结果表明:铺装层最大竖向位移的动力解与静力解基本相同;铺装层最大拉应力的动力解与静力解则相差较大,其冲击系数受车辆参数和铺装层结构参数的共同影响,但冲击系数的值均小于0.2,这也说明静力分析中取0.3的冲击系数是安全可靠的。 结合动力、静力分析的结果和材料性能参数,本文对STC+TPO铺装体系的强度可靠性进行了分析。结果表明:STC和TPO的抗拉强度及界面抗剪强度均满足重载和高温环境下的使用要求。从以上结果可知:STC+TPO是一种性能优异的铺装,能够解决钢桥面铺装层易损坏的难题。


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