植入式桥面连续构造

按公路-I级取值
按公路规范铺装8cm厚沥青混凝土 按公路规范铺装8cm厚沥青混凝土 ±30℃ 施加重车的轮荷载 按公路规范设定 上缘最大拉应力 下缘最大拉应力
工况组合Ⅰ计算结果 1）最大主拉应力减小 2）应力分布均匀
方案一A 最大主拉应力11.52MPa
方案二D 最大主拉应力16.23MPa
方案一C 最大主拉应力12.93MPa
梁体 伸缩缝
采用大型有限元程序ABAQUS 6.5
两跨20m跨度单片板梁为计算对象
桥面连续部
梁体
1996
4
1996
单位：cm
荷载工况：考虑可能的荷载、按规范取值
工况 考虑的荷载 备 注
1
2 3 4 5 6 7 8
车道荷载
温度正梯度 温度负梯度 整体升降温 局部车轮荷载 制动力工况 组合工况I 组合工况II
1 荷载级
2
3
1 荷载级
2
3
试验结果
桥面连续结构是桥梁最薄弱的截面，在温度梯度 以及车道荷载作用下容易开裂。 在温度梯度条件下，A方案的桥面连续的开裂变 形（抬升量）比其他两个方案大。 在车道荷载作用下，A方案能够将裂缝分散成多 条细裂缝，而其他两种方案均为集中粗裂缝。
工程应用
新仓公铁立交桥为双幅桥梁，全长713.771m，全宽26.0m。 跨径布置为： 6×16+3×16+30+20+5×20+2×20+30+2×20+5×20+5×20+5×20m 单幅横向布置为：0.5(护栏)+11.5(行车道)+1m(护栏+分隔带)。 上部结构为后张法预应力混凝土空心板，桥面设10cm厚40号水泥混 凝土和8cm厚中粒式沥青混凝土，空心板采用C50混凝土。
1
2 3 4 5 6 7 8
车道荷载
温度正梯度 温度负梯度 整体降温 局部车轮荷载 制动力 工况组合Ⅰ 工况组合Ⅱ
6.128
5.304 3.679 2.816 5.085 0.224 11.52 8.019
6.621
4.903 4.784 3.912 5.559 0.174 12.93 7.853
9.138
序 号 1 类别 跨径（m） 桥宽（m） 10 空心板 13 梁高 （cm） 45 梁宽 （cm） 125 横向分配系数 转角（弧度） 0.3224 1.93×10-3
2
3 4 5 6
13
16 20
13
13 13 13 13
60
80 90 1400 2600
125
125 125 2400 2385
0.3026
21.920 6.331 3.146 5.669 0.218 16.23 25.800
方案一A主拉应力最小
方案一C主拉应力最小 方案一A主拉应力最小 方案一A主拉应力最小 方案一A主拉应力最小 方案一C主拉应力最小 方案一A主拉应力最小 方案一C主拉应力最小
足尺试验研究
试验时间：2009年6月8日。
方案一C 最大主拉应力7.853MPa
工况组合Ⅱ计算结果
1）最大主压应力减小 2）应力分布均匀
方案一A 最大主压应力5.443MPa
方案二D 主压应力最大为11.98MPa
方案一C 最大主压应力8.352 MPa
混凝土主拉应力计算结果汇总表(MPa)
序号 工况 方案一A 方案一C 方案二D 结果比较
4）梯度温度作用中的正温差将引起梁端上挠转角效应，导致上缘受压、 下缘受拉；反温差效应正好与之相反。所产生的应力计为σt。 5）车轮荷载作用在桥面连续处引起的局部受力效应。所产生的应力计为 σj。
ECS构造设计
下列三种工况下应力较小
□ 简支梁在整体温度变化下引起的收缩或伸长（工况1）
σw=83.48kN/（0.062*1）=1346.5kPa=1.35Mpa
方案A：细裂缝
方案C：裂缝比较集中
侧面
桥面
方案D：更粗的集中裂缝
桥面拉应变比较
ECS桥面的拉应变相对较小
2000 方案一A 方案一C 方案二D
应变1（μ ε ）
1500 1000 500 0 0
2000
应变2（μ ε ）
1500 1000 500 0 0
方案一A 方案一C 方案二D
桥面连续构造 桥面连续构造
梁体
梁体
梁体
梁体
车辆荷载
两端切缝型桥面连续受力变形
温差效应
国内外研究现状
英国：ECC桥面连续构造 日本：CFRP的桥面连续构造
ECS构造设计
新型桥面连续构造设计要点：
使应变被分散、分布均匀，减小应力水平
避免上层沥青混凝土出现反射裂缝 增强了排水功能，杜绝桥墩水侵害
研究内容
提出新的桥面连续—植入式桥面连续(ECS)结构
通过有限元理论计算分析、足尺模型试验、实际应用 三个方面的研究，验证新型桥面连续构造的优越性 经济性分析 结构优化设计
提出设计、施工规定和施工工艺，为推广研究成果的
应用创造条件
传统桥面连续装置及存在的缺点问题
设计施工方面：
植入式桥面连续（ECS）构造
在公路桥梁中的应用研究
研究背景
2008年底，我国已建桥梁59.46万座，年 增1.5万座664公里桥梁。 2008年底，浙江省国省道共有桥梁8396座， 计91.96万米。 已建成的桥梁中70%以上是简支梁桥。 桥面连续是简支梁桥的重要构造措施，对桥 梁受力性能和使用性能改善、减低桥梁维护 费用、确保道路交通的畅通具有重要意义。
桥梁在使用过程中出现桥面连续部渗水等病害，本课题 研究结合本桥的加固施工，选择部分连续部位对ECS的 使用性能进行检验。
测点布置及传感器设置
选择10个截面
桥面连续装置类型
对应桥墩号
由于埋置误差较大， 实测数据非常随机
本课题采用荷载试验 结果来检验其有效性
A方案（植入式） B方案（植入式）
□ 汽车制动力引起Hale Waihona Puke Baidu桥面连续部位拉、压应力（工况2）
σz =282.9×10-3/13/0.08=0.27MPa
□ 车轮荷载作用在桥面连续处引起的局部受力效应（效应5）
σj：上缘应力为0.6MPa，下缘应力为-1.2MPa
ECS构造设计
Pk=240kN Qk=10.5kN/m
下列2种工况下起控制作用
C方案（植入式） D方案（传统） 合计
15#、23#、27# 14#、24#、28#
25#、29# 22#、30# 10处
试验工况
静载试验工况 工况一、 二、三、 四 纵向按连续桥面墩顶处最大负弯矩(支点最大角位移) 横向偏载，试验截面分别为27#墩、28#墩、29#墩、 30#墩
8-10cm厚度内共有5层钢筋，钢筋过于密集、混凝土浇筑质量难 以保证。 钢筋没有形成钢筋骨架，施工时容易移位、变形.
底部橡胶隔离层很薄，在混凝土浇筑时损坏、混凝土落底 。
传统桥面连续装置及存在的缺点问题
受力方面：
桥面连续结构的上、下缘长期处于弯拉、弯剪或弯压的复杂应力 状态之中。 截面薄弱，在车辆荷载和温度梯度荷载作用下混凝土容易开裂。
埋入钢筋 透水 排水管
保证施工质量，防止混凝土浆液下渗
橡胶层
ECS构造设计
80 200 20 195
截面图
1030 30～50 195 20 200 80
沥青混凝土
2
混凝土
5
1
6
5
3&4
混凝土梁体
混凝土梁体
7
1- 植入式桥面连续装置 2- 植入式桥面连续装置（8mm钢筋） 3- 桥面铺装钢筋网φ10mm,间距10×10cm 4- 加密钢筋φ10mm 6- 混凝土铺装层
0.2858 0.2290 0.6140 0.6480
1.48×10-3
1.07×10-3 1.28×10-3 1.12×10-3 1.74×10-3
小箱梁 T梁
25 50
ECS构造设计
采用Midas6.11计算：
2种工况下应力
□ 车道荷载下最大的梁端转角：1.404×10-3rad和0.418×10-3rad ； □ 正温差效应的转角是1.27×10-3rad，反温差效应的转角是-6.37×10-4rad；
节约成本
结论：钢筋直径为8mm；橡胶厚度13~16mm、宽度430mm
有限元计算分析
计算对象：三种方案， A、C为ECS式，两者 之间的构造细节不同， D为传统形式
计算模型：完全模拟 实际构造，并考虑板 梁的支座变形影响 材料特性：根据实际 使用材料设定参数
计算模型
计算模型的细部
桥面连续破损带来的影响
影响行车舒适性和增大车轮冲击作用，
桥面连续破损带来的影响
导致桥墩水侵蚀，影响下部结构的耐久性，
此处增加照片
桥面连续破损带来的影响
提高养护成本、对交通正常通行影响大。
研究目的
在总结传统桥面连续结构存在的问题基础上， 提出新型桥面连续结构，避免桥面连续部位开 裂，确保行车安全性和舒适性，解决因桥面连 续部位开裂引起的桥墩、盖梁水侵害问题，提 高公路桥梁的使用寿命。
正温差作用
刚接 板式 15.9 -29.2 ECS 4.4 -4.7
反温差作用
刚接 板式 -8.0 14.8 ECS -2.2 2.4
ECS构造设计
ECS装置构造尺寸的优化选择
希望大幅减小应力水平，避免上层沥青混凝土反射裂缝形成 保证上部混凝土层的厚度
满足设计规范对各种构造尺寸的要求 施工方便
千分表（两侧）
支座
桥面连续装置，长约3.0m 倾角仪 千分表
支座
模拟温度梯度
模拟车道荷载
温度梯度模拟试验结果对比
A方案，顶升至5.0cm时，桥面一侧出现细裂缝 C方案，顶升至2.0cm时，桥面一侧出现细裂缝
D方案，顶升至2.5cm时，桥面一侧出现细裂缝
桥面压应变比较
A方案和C方案的压应 变比D方案大
450 350 方案一A 方案一C 方案二D
450 350
应变1（μ ε ）
250 150 50 -50 0 20 40 方案一A 方案一C 方案二D 60
应变2（μ ε ）
250 150 50 -50 0 10 20 30 40 抬升位移量(mm) 50 60
抬升位移量(mm)
车道荷载模拟试验结果对比
试验对象：A、C、D三种类型连续构造，跨度16m。 加载工况：温度梯度和车道荷载，根据梁端转角相等条件 模拟。如温度梯度按规范计算T1=16.4℃，T2=5.98℃，对应 梁端转角为0.001278°，按几何关系在梁远端顶升4cm。
桥面连续装置，长约3.0m 1604cm 4cm 1604cm
□ 车道荷载满布相邻两跨时引起的下挠转角效应（工况3）
工况一：满布公路一级车道荷载引起梁端转角
□ 梯度温度作用引起上挠转角效应、下挠转角效应（工况4）
T+ TT+ T-
TT+
TT+
ECS构造设计
2种工况下应力
□ 通过分析找到转角效应最大的跨径：10m跨空心板
常用型式简支梁在公路I级车道荷载作用下的最大梁端转角
工况组合Ⅰ计算结果 1）最大主压应力减小 2）应力分布均匀
方案一A 最大主压应力6.649MPa
方案二D 最大主压应力26.91MPa
方案一C 最大主压应力6.568MPa
工况组合Ⅱ计算结果 1）最大主拉应力减小 2）应力分布均匀
方案一A 最大主拉应力8.019MPa
方案二D 最大主拉应力25.800MPa
桥面连续的作用
构造：多孔简支梁用桥面铺装层将接头连接成 为一体，省去相邻跨桥梁之间的伸缩缝。 作用：在不改变简支桥梁受力条件下为车辆提 供连续、平稳的行车道。 应用：我国自20世纪70年代问世以来，受到工 程界广泛欢迎，应用普遍。
桥面连续破损状况
根据浙江省8条高速公路2750座桥梁初步调查， 有170座桥梁存在明显桥面连续破损病害； 根据金丽温高速公路金丽段和温州西过境段的 详细调查，在被调查的298座桥梁中有134座桥 梁在桥面连续部位开裂，占被调查桥梁数的 45.0%，开裂的桥面连续数量共417条，占病害 桥梁桥面连续1858条的22.4%，为全部4132条桥 面连续的10.1%。 浙江省70%以上桥梁都存在盖梁、台帽水侵害。
汽车荷载作用下桥面连续构造应力（单 位：MPa） 梯度温度作用下桥面连续构造应力 （单位：MPa）
一跨作用qk +Pk， 一跨作用qk，邻 邻跨作用qk 跨作用qk
部位 上缘 下缘 刚接板 式 -11.4 21.0 ECS -6.2 7.1 刚接板 式 -5.2 9.6 ECS -1.4 1.5 部位 上缘 下缘
5- 辅助钢筋φ10mm
80
ECS构造设计
考虑以下5种工况:
1）简支梁在整体温度变化下引起的收缩或伸长。所产生的应力计为σw。
2）汽车制动力引起的桥面连续部位拉、压应力。所产生的应力计为σz。
3）车道荷载满布相邻两跨时引起的下挠转角效应，转角变形将使连续部 位产生上缘受拉下缘受压的弯曲应力。所产生的应力计为σq。