沥青混凝土桥面铺装结构设计及力学性能分析.doc

沥青混凝土桥面铺装结构设计及力学性能分析
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摘要:本文在综合分析国内沥青混凝土桥面铺装结构形式的基础上,对沥青混凝土桥面铺装材料选择及结构层的合理厚度进行了分析,提出了依托工程桥面铺装结构设计推荐方案。同时,针对不同桥型结构的受力特点,采用ANSYS大型通用有限元软件对不同桥型结构的沥青混凝土桥面铺装力学性能进行分析,计算了在车辆标准荷载作用下,沥青混凝土桥面铺装面层的层底拉应力和剪应力。结果表明,在合理确定桥面铺装材料后,桥面铺装的最小厚度不宜小于10cm,桥面铺装在车辆荷载作用下的最大拉应力及剪应力均小于材料的极限应力,能够满足使用要求。
关键词:沥青混凝土;桥面铺装;桥型结构;有限元;力学计算

桥面铺装是桥梁结构组成的一部分,在桥梁运营过程中主要担负着保护主梁不受破坏、分散桥面所受荷载和排水等任务,桥面铺装的合理设计对于桥梁的正常使用有很大的影响。而在我国的桥面铺装层设计过程中,对于不同的桥型结构基本采用同一种桥面铺装层,而不是针对不同的桥型结构受力特点合理的选择不同的桥面铺装结构,为此,本文结合广东省某高速公路的建设,针对该项目桥梁结构的特点,在分析国内桥面铺装常用结构的基础上,提出适合于该项目中不同桥型结构的桥面铺装设计方案。借助ANSYS大型有限元软件,对不同桥型结构桥面铺装的力学特性进行分析。
1 国内桥面铺装结构形式
(1)国内常规桥桥面铺装
我国对于常规桥桥面铺装方面的研究比较少,对于常规桥桥面铺装层结构、材料的要求仅限于满足公路桥涵设计规范的要求。《公路桥涵设计通用规范》(
JTG D60-2004)中规定:高速公路、一级公路上桥梁的沥青混凝土桥面铺装厚度不宜小于70mm;二级及二级以下公路桥梁的沥青混凝土桥面铺装厚度不宜小于50mm;对于水泥混凝土桥面铺装,层内应配置钢筋网,钢筋直径不应小于8mm,间距不宜大于100mm。且水泥混凝土桥面铺装应符合《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2003)的有关规定。
(2)国内连续刚构桥桥面铺装
从调查的国内部分预应力混凝土连续刚构桥的桥面铺装资料可知,国内对于大跨径预应力混凝土连续刚构桥桥面铺装主要采用沥青混凝土材料,一般采用双层桥面铺装形式,沥青与桥面板之间设置防水粘结层。例如厦门海沧大桥西航道桥上面层采用30mmSMA-13改性沥青玛蹄脂碎石混合料,下面层35mm AC-20中粒式改性沥青混合料。
在材料使用方面,由于改性沥青SMA由于其具有较好的密水、耐高温、抗滑以及抗老化与油污等性能,经常用于大跨径桥梁桥面铺装的上面层,中、下面层的材料比较多选用改性沥青混凝土SMA和AC改性沥青混凝土,目前双层SMA铺装技术在大跨径桥梁的桥面铺装中应用较为广泛,其效果也较为理想。

(3)国内斜拉桥桥面铺装
从国内斜拉桥桥面铺装结构调查可知,国内早期斜拉桥桥面铺装层多数为水泥混凝土桥面铺装,但是由于水泥混凝土自身重量大对于桥梁的承载能力的影响比较大,且维修养护比较麻烦等缺点,桥面铺装形式逐渐被沥青混凝土取代。早期铺筑的沥青混凝土桥面铺装由于比较薄,材料较粗,摊铺时容易发生离析现象,铺筑后许多桥面出现了排水不畅,层间脱离等现象,影响了整个沥青铺装层的使用性能;后期多数采用了双层铺装结构,其中沥青混凝土铺装层的厚度在4~8cm之间,要小于一般的常规桥的铺装层厚度。
在铺装层材料使用方面,水泥混凝土桥多采用密级配中粒式沥青混凝土和改性沥青玛蹄脂碎石SMA,而钢箱梁斜拉桥主要采用环氧沥青混凝土桥面铺装,从我国最近几座大型斜拉桥桥面使用状况的调查中发现,环氧沥青混凝土在钢桥
桥面铺装的使用效果比较好,而SMA沥青玛马蹄脂混合料在预应力水泥混凝土桥桥面铺装中的使用效果较好。

2 桥面铺装结构层材料选择
本文依托项目地处珠三角经济发达地区,夏季气温高、时间长,对于沥青混合料的高温稳定性要求高,同时,雨季比较长、降雨量比较大,对沥青混合料的密水性、均匀性及抗滑性能要求比较高。
(1)上面层
国内对于常规桥桥面铺装的要求较少,本次常规桥桥面铺装主要结合项目的特点,在综合降噪效果、抗滑、耐久性及经济等方面的基础上,推荐采用OGFC沥青混合料。
国内连续刚构桥和斜拉桥桥面铺装上面层主要采用SMA(沥青玛蹄脂碎石)混合料,由于SMA具有粗集料多、矿粉多、沥青结合料多、细集料少、掺加纤维增强剂及材料要求高等特点,使得SMA既保持了大孔隙排水路面表面功能好的优点,又克服了其耐久性差的缺点,兼具嵌挤和密实型混合料的长处,即同时具有较高的粘结力和内摩阻力,SAM沥青混合料近几年广泛用于大跨径桥梁桥面铺装中,使用效果比较好。因此,本文连续刚构桥及斜拉桥磨耗层推荐采用SMA