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正交异性钢桥面复合铺装结构研究

李雪莲  
【摘要】: 正交异性钢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,至今尚未得到妥善解决。正交异性钢桥面板柔度大、局部变形大,并受到行车荷载与温度变化、风载、地震等自然因素共同影响,其受力和变形非常复杂,这直接导致其铺装层受力更复杂、更不利。而沥青混凝土本身抗拉、抗剪和抗压各方面强度均较小,与钢桥面板的性能差异大,在交通荷载和环境因素共同作用下铺装层和层间等整个铺装结构受力非常复杂,疲劳开裂、车辙和脱层等沥青混凝土铺装层早期病害非常普遍,即想按传统沥青混凝土铺装理念解决正交异性钢桥面铺装问题的难度相当大。 因此,本文在现有研究基础上,针对正交异性钢桥面板特点,通过调查、理论分析与室内试验研究,分析了正交异性钢桥面铺装的受力特点和使用要求;借鉴钢-混凝土组合结构所具备独特的优势及其在土木工程中所取得的巨大成果,提出“SMA13(铺装上层)+轻质聚合物水泥砂浆(LPCM,铺装下层)”新型复合铺装结构,并通过理论和试验检验了该铺装方案的整体性能。 首先,根据对国内外正交异性钢桥面铺装层病害的调查与分析,总结铺装层使用过程中出现的主要破坏类型,提出铺装层相应的四个主要设计指标:铺装层表面拉应力、铺装层与钢桥面板层间剪应力、铺装层垂直压应变和铺装层剪应力。 其次,以铺装层与含加劲肋和纵横隔板的正交异性钢桥面局部梁段作为计算对象,开展有限元分析,确定典型正交异性钢桥面铺装结构的响应特性,并分析铺装层各主要设计指标与铺装过渡层模量、铺装层厚度的关系;在此基础上,借鉴钢-混凝土组合结构的研究成果,提出SMA+LPCM过渡层的新型复合铺装结构,并确定各铺装层厚度和层间剪力连接件构造等设计计算方法。 然后,依托广东省交通厅交通建设科技项目“重载和高温作用下沥青路面罩面结构和材料研究”,进行材料选择、级配设计和马歇尔试验,设计出高性能的SMA13铺装表层,并通过高温车辙试验、三轴试验、水稳定性试验和疲劳试验等,系统地研究了复合铺装结构SMA13表层的各项路用性能,并结合实体工程进行了验证。同时,通过对掺加丙烯酸乳液的轻质水泥砂浆进行配合比设计、抗折抗压强度试验、疲劳性能试验、极限弯拉应变试验和氯离子渗透等试验研究,研制出具有轻质、刚性过渡、优良抗疲劳、优良抗弯拉等性能、适用于正交异性钢桥面铺装过渡层的LPCM,并通过作用机理分析得知具有高抗拉强度的聚合物膜是显著改善LPCM力学性能的根本原因。 再次,进行铺装层与钢板层间稳定性试验、铺装层层间稳定性试验、高温稳定性试验和新型复合铺装结构与钢板热相容耐久性试验研究,考察新型复合铺装结构的温度和强度稳定性;并采用经典损伤理论,针对本文研制的SMA13和LPCM两种铺装层材料的单梁四点弯曲疲劳试验过程进行疲劳损伤分析,并将疲劳损伤分析结果与相应的疲劳试验结果进行对比,验证所提出疲劳损伤模型的正确性,探索这两种材料疲劳寿命的理论预测方法。此外,还分别进行了含钢板的新型复合铺装结构和传统双层SMA铺装结构两种铺装结构的复合梁疲劳试验,对比该两种铺装结构的疲劳寿命,发现新型复合铺装比传统结构疲劳性能更优异。 最后,针对本文提出的正交异性钢桥面复合铺装结构进行设计方法探讨,提出了正交异性钢桥面复合铺装结构设计的控制指标与验算指标。


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