钢箱梁桥面铺装层材料梯度设计

第31卷 第10期2009年5月
武 汉 理 工 大 学 学 报
JOURNAL OF WUHAN UNI VERSITY OF TECHNOLOGY
Vol.31 No.10 May.2009
DOI:10.3963/j.issn.167124431.2009.10.009
钢箱梁桥面铺装层材料梯度设计
叶家军1,王小磊2,丁庆军2,付 军
2(1.湖北省交通厅,武汉430030;2.武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉430070)
摘 要: 通过对钢箱梁桥面的破坏进行大量的实地考察研究,对钢箱梁桥面铺装层材料进行梯度设计。

设计出新的钢箱梁桥面铺装方案为:在钢桥面板上焊接剪力件,在剪力件上绑扎钢筋网,然后浇筑一层高强高韧性轻质混凝土,再铺一层具有降躁、耐磨、抗滑功能的沥青混凝土面层。

关键词: 梯度设计; 弹性模量; 轻质混凝土; 挠跨比中图分类号: U 444
文献标识码: A
文章编号:167124431(2009)1020032204
Steel Box Girder Bridge Deck Pavement Layer Gradient
Materials Design
Y E Jia 2jun 1,WAN G Xiao 2lei 2,DIN G Qing 2jun 2,F U Jun 2
(1.Hubei P rovincial Communicat ions D epart ment,Wuhan 430030,China;
2.School of Mater ials Science and Engineer ing,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)
Abstract: The steel box gir der br idge to carry out the destruction of a large number of on 2site study,to the steel box girder
br idge deck pavement layer gradient material design,design a new steel box gir der bridge deck for the program:the steel br idge Shear welding pieces on the boar d in the shear banding on pieces of steel net,and then pouring a layer of light 2weight high 2strength and high toughness of concrete,then a layer have gone down,wear 2resistant,ant i 2slide function of the asphalt concrete surface.
Key wor ds: gradient design; modulus of elast icity; lightweight concrete; flexible cross 2over
收稿日期:2008212214.
基金项目:国家/十一五0科技支撑计划重大项目(2006BAF02A00).
作者简介:叶家军(19692),男,博士,高级工程师.E 2mail:ye.jiajun@
为了提高钢箱梁桥面铺装体系的服役寿命,从20世纪七八十年代开始,人们就在不断寻找解决沥青混凝土与钢板易脱粘,以及桥面沥青混凝土耐高温性差的技术方法,其中代表性的技术有3种:1)使用无空隙浇注式沥青混凝土;2)使用热固化性环氧沥青制备沥青混凝土;3)采用双层SMA 沥青混凝土[124]。

针对钢箱梁的破坏进行大量的实地考察分析检测,得出如下结论:钢箱梁桥面沥青混凝土铺装层的推移问题主要是沥青混凝土与桥面钢板间的粘结力不大,抗剪强度太小,钢属于热的良导体,夏季高温时钢板表面温度通常高达70e 以上,此时沥青软化,沥青混凝土与钢板之间的抗剪强度低至0.1MPa,重载车经过就会非常容易产生推移。

1 钢箱梁桥面铺装层材料梯度设计
针对钢箱梁桥面铺装技术存在的开裂、推移、拥包、车辙等世界性难题以及对铺装材料和施工工艺要求
高的特点,提出钢箱梁桥桥面铺装关键材料制备与铺装组合层结构梯度设计的新方案。

在钢箱梁桥面铺装上面层SMA13和钢桥面板之间设置一层集结构与功能为一体的高韧性轻质混凝土,解决了沥青混凝土与钢板间粘结力不大、抗剪强度太小的问题,轻质混凝土与钢板间的粘结性能良好,抗剪强度高达2.0MPa 以上,轻质混凝土与铺装上面层SMA13之间也有非常良好的粘结性能和很高的抗剪
强度,且轻质混凝土的弹性模量小于30GPa,弯曲韧
性很大,不容易随桥体上下扰动而断裂。

在钢桥面板上焊接剪力连接件,在剪力连接件上绑扎钢筋网,使轻质混凝土与钢板成为一体,提高刚性铺装下面层与钢桥面板之间的协调变形性能、铺装组合层的静力学性能、疲劳性能及其与钢板之间的界面抗剪强度,然后在高韧性轻质混凝土层上加铺一层SMA13沥青混合料,进一步降低表层的弹性模量。

该方案还有一个显著优点就是轻质混凝土的容重小于1950kg/m 3,较沥青混凝土的容重2450kg/m 3轻很多,降低了桥梁的恒载,因此该方案可以增加桥梁的跨度,如图1所示。

为实现轻质混凝土铺装层的高韧性、高强、高耐久性、优异疲劳性能以及长寿命,引入聚合物、纤维、高效矿物掺和料等对其增韧增强改性;为实现铺装上面层与轻质混凝土之间的良好界面粘结性能与抗剪性能,在其两者之间设置高粘结强度的界面粘结剂,提高防水及铺装面层的抗滑移开裂能力。

2 高韧性轻质混凝土层材料的设计
钢箱梁桥面铺装使用环境复杂,要求铺装层轻质混凝土不仅具有较高的强度及韧性,同时还要求其具有良好的施工工作性能,特别是能满足泵送要求;较低的容重,适应大跨度钢桥建设;长期耐久性能,即干缩小、防渗能力强,经久耐用。

钢桥面铺装高韧性轻质混凝土具体性能指标如下:干表观密度小于2000kg/m 3;初始坍落度大于18cm,2h 坍落度大于16cm,不分层、不离析泌水,满足泵送要求;28d 抗压强度大于60MPa;28d 抗折强度大于7.0MPa;28d 弹性模量小于30GPa;韧性指数G 30大于26;抗渗等级达P12以上;90d 干缩率小于3.0@10-4;抗冻等级\F300;疲劳荷载次数\300万次。

如果是普通的轻集料混凝土,只是在普通混凝土基础上替代集料,轻质混凝土的韧性将仍得不到明显提高,其弯曲韧性指数G 30只能达到1.1左右,轻质混凝土的脆性很大,不能在随桥面扰动是协同变形后仍不发生破坏,在混凝土发生破坏后裂缝将反射到面层上,从而使整个铺装体系发生破坏。

故必需研究在轻集料混凝土中加入钢纤维和聚合物增韧,通过研究最合适的钢纤维和聚合物掺量来达到大幅度提高轻集料混凝土的弯曲韧性,使其韧性指数G 30大于26,从而能使高韧性轻质混凝土随桥面协同一体变形而不发生破坏。

经过大量的试验,确定了高韧性轻质混凝土中钢纤维和聚合物的掺量,使轻质混凝土的韧性得到大幅提高,从而确定出钢箱梁桥面铺装用高韧性轻质混凝土的配合比,见表1。

该配合比轻质混凝土经检测得到了如下指标:混
表1 钢桥铺装高韧性轻质混凝土施工配合比/(kg #m -3)
水水泥粉煤灰膨胀剂砂子轻集料钢纤维减水剂165
470
50
30
639
504
50
4.95
注:聚合物掺量为胶凝材料质量的10%。

凝土初始坍落度大于18cm,现场混凝土具有的坍落度控制在16cm 左右,1h 坍落度损失不大于1)2cm,28d 抗压强度大于58MPa,抗折强度大于7.0MPa,断裂韧性要求达到普通混凝土的20倍以上,抗冲击性能良好,体积稳定性优良,90d 收缩率小于2.8@10
-4。

3 具有降躁、耐磨、抗滑功能的沥青混凝土面层材料的设计
沥青路面材料的行车舒适性好,抗滑、降噪效果良好,根据沥青材料的设计方法的优化及材料的开发,抗滑及降噪效果可进一步改善,还有沥青具有可燃性,一般的沥青路面材料存在火灾隐患,所以必须采取一定阻燃技术手段进行处理,对比分析结构表明,沥青路面材料的性能优于水泥混凝土路面,是目前高等级公路建设的主要路面形式。

SMA 是一种由集料骨架和填充在集料骨架内的沥青玛蹄脂所组成的断级配沥青混合料,粗集料含量多、矿粉含量多、沥青用量高是SMA 显著特点。

表2是针对钢桥面铺装而提出的级配和油石比控制范围。

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第31卷 第10期 叶家军,等:钢箱梁桥面铺装层材料梯度设计
表2钢桥面铺装SMA级配及施工控制范围
混合料类型
通过以下筛孔的通过率/%
13.2mm9.5mm 4.75mm 2.36mm 1.18mm0.6mm0.3mm0.15mm0.074mm
油石
比
SMA13生产设计10070.524.716.715.013.011.410.28.7 6.5
控制范围95)10065.5)75.521.7)27.713.7)19.712)1810)168.4)14.47.2)13.2 6.7)10.76.2) 6.8
表3铺装层沥青混合料马歇尔性能指标要求
技术指标油石比/%水飞散损失率/%析漏损失率/%空隙率/%矿料间隙/%沥青饱和度/%稳定度/kN 设计范围 6.2<15<0.18 3.8>1775)85>6.0
根据桥面铺装层的设计要求,确定纤维掺量为矿料和沥青胶结料总重的0.3%,根据铺装层不同部位的使用功能,其设计混合料的性能也有所不同。

铺装面层不仅要求具有良好的变形能力,还要具有抵抗疲劳开裂的性能。

通过大量试验研究,并针对大桥钢桥面板夏季高温达60)70e的温度特点,提出了铺装层沥青混合料的性能指标要求,见表3和表4。

表4SMA13的技术性能要求
SMA混合料类别技术指标要求范围SMA13
空隙率/% 3.0) 4.0
集料间隙率/%>17
马歇尔稳定度/kN>6.0
流值/(0.1mm)20)50
70e,0.7MPa动稳定度/(次#mm-1)\3000
-10e低温弯曲极限应变6@10-3
冻融劈裂强度比/%>80
4工程实例
当前大跨径正交异性钢箱梁桥桥面铺装对结构分析而言,一般考虑在最不利车载荷位时如下主要分析指标:1)铺装层表面横向最大拉应力;2)铺装层与钢桥面板的层间横向最大剪应力;3)加劲肋局部挠跨比。

以大跨径正交异性钢箱梁常见的分离式双箱单室截面为例,中间用横梁相连,桥面板为正交异性钢桥面板,顶板厚度12mm,横隔板间距为3.0m,横隔板厚度为12mm,梯形加劲肋开口宽度为320mm,高度260mm,厚度8mm,两加劲肋间距640mm。

有限元分析选取柔性铺装层与正交异性钢桥面板局部梁段为计算对象,包含4块横隔板和8条纵向加劲肋,模型尺寸8640mm@ 9000mm(横向@纵向)。

下面层高韧轻质混凝土铺装和钢筋网采用整体式SOLID65单元模拟,铺装上面层高粘度改性沥青SMA13采用无配筋SOLID65单元模拟,纵向加劲肋和剪力连接件采用beam188单元模拟,钢桥面板、横隔板均采用SHELL63单元模拟。

边界条件采用钢桥面板和铺装层无水平位移而
表5有限元模型的几何物理参数和材料参数
项目计算参数项目计算参数钢箱梁顶板厚度/mm12横隔板厚度/mm10横隔板间距/mm3000横隔板高度/mm1000纵向加劲肋厚度/mm8纵向加劲肋高度/mm260纵向加劲肋间距/mm640SMA13厚度/mm40 SMA弹性模量/MP a1400SMA波松比0.3
轻质混凝土下面层厚度/mm50轻质混凝土弹模/MPa26000下面层波松比0.2剪力连接件高度/mm40剪力连接件直径/mm10钢筋网直径/mm7
钢材弹性模量/MPa210000钢材波松比0.3钢筋网网格尺寸/mm100@150剪力连接件间距/mm400
允许有竖向位移,横隔板底部固结。

相关的材料、几何和物理参数见表5。

计算荷载采用标准轮载0.7 MPa,考虑冲击和超载60%。

在考虑标准轮载BZZ100超载60%并且冲击系数达到0.1的情况下,通过ANSYS软件对桥面铺装层材料进行模拟计算,得出结果见图2)图4。

由图2可知,在图示最不利车载作用下,SMA表面铺装层的横向最大拉应力SX达到约0.21MPa,一般以桥面铺装层表面横向最大拉应力SX为设计指标之一。

由图3可知,在图示最不利车载作用下,轻集料混凝土与钢板界面最大横向剪应力(SXY)为0.89MPa,一般以轻集料混凝土与钢板界面最大横向剪应力SXY 34武汉理工大学学报2009年5月
为设计指标之一。

由图4可知,桥面铺装表面最大竖向位移为1.38mm,计算得加劲肋局部挠跨比为1/250。

通过ANSYS 软件进行模拟计算分析后,得出结果见表6,由表6可知,SMA 层表面横向最大拉应力为0.213MPa,小于SMA 的抗拉强度1.0MPa,轻集料混凝土层与钢桥面板层间界面的纵向最大剪应力为0.89MPa,而通过直剪试验做出的层间界面抗剪强度为1.46MPa,加劲肋局部挠跨比为1/250,通常加劲肋局部挠跨比达到1/200即可,因此该桥面铺装组合方案达到设计指标,完全可以满足工程需要。

表6 钢箱梁桥面铺装层强度分析结果
强度设计指标
铺装层SMA 最大横向拉应力/
MPa 轻集料混凝土层与钢板间最大
横向剪应力/MPa
铺装层材料SMA 抗拉强度\ 1.0MPa 0.213)轻集料混凝土层与钢板间抗剪强度\ 1.46MPa
)
0.89
该研究成果先后在武汉外环与京珠连线C 匝道桥(已使用4年)、香港路立交桥(已使用3年)、武汉市中环线西环段高架桥(已使用2年)、汉蔡高速公路钢箱梁立交桥(已使用接近1年)的桥面铺装工程中得到成功应用。

在交通流量大、重载车多的情况下,通车至今未出现病害,而且此方案与其他方案相比,有显著的经济效益。

5 结 语
通过对钢箱梁桥面铺装层材料的梯度设计,很好地解决了钢箱梁桥面铺装技术存在的开裂、推移、拥包、车辙等世界性难题,为今后的桥面铺装提供了一个方向。

该方案的不足在于还没有在大跨度钢箱梁桥面进行铺装经受考验,下一步进行大量研究分析,尽快实现大跨度桥梁铺装应用并进行推广。

参考文献
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