新型桥面铺装与结构优化设计 钢桥面铺装汇报内容钢桥面铺装汇报内容研究背景钢桥面铺装水泥混凝土桥面铺装获得的知识产权下一步工作展望 桥面铺装层是桥梁结构桥面铺装层是桥梁结构重要组成部分，重要组成部分，在荷载和环境在荷载和环境侵蚀的偶合作用下易发生磨耗和劣化，桥面铺装质量和性侵蚀的偶合作用下易发生磨耗和劣化，桥面铺装质量和性能将直接影响到能将直接影响到汽车行驶舒适性和安全性汽车行驶舒适性和安全性。一、研究背景桥面铺装桥面铺装桥面铺装桥面铺装钢钢桥桥面面1 12 2混混凝凝土土桥桥面面钢格子梁钢格子梁钢箱梁钢箱梁钢桁架梁钢桁架梁其他其他简支梁简支梁连续刚构梁连续刚构梁钢钢-混叠合梁混叠合梁其他其他悬臂梁悬臂梁p ERSERS铺装体系铺装体系p 剪力件剪力件+钢筋网钢筋网+高韧性高韧性混凝土混凝土+高粘高粘SMA混凝土混凝土p 浇注式沥青混凝土浇注式沥青混凝土p 环氧树脂沥青混凝土环氧树脂沥青混凝土铺装材料p 双层双层SMA铺装铺装2.1 钢桥钢桥面面铺铺装装层层材料种材料种类类及存在的及存在的问题问题二、钢桥面铺装技术部分国家的铺装体系桥桥梁名称梁名称主跨主跨/m主梁主梁类类型型建成建成年代年代铺铺装装类类型型金金门门大大桥桥（美）（美）1280钢钢桁架梁桁架梁193750mm美国美国环环氧氧沥沥青混合料青混合料维维拉扎拉扎诺诺大大桥桥1298钢钢桁架梁桁架梁196450mm美国美国环环氧氧沥沥青混合料青混合料香港青香港青马马大大桥桥1377钢钢桁架梁桁架梁199740mm浇浇注式注式沥沥青混凝土青混凝土明石海峡搭明石海峡搭桥桥（日）（日）1991钢钢桁架梁桁架梁199835mm浇浇注式注式+30mm改性改性AC大大贝贝尔尔特特桥桥（丹）（丹）1624钢钢箱梁箱梁1998沥沥青青马马蹄脂混合料蹄脂混合料恒文伯大恒文伯大桥桥（英）（英）1410钢钢箱梁箱梁1981沥沥青青马马蹄脂混合料蹄脂混合料江阴江阴长长江大江大桥桥1385钢钢箱梁箱梁1999原原浇浇注式后改注式后改为为日本日本环环氧氧(2004)镇镇江江润扬润扬大大桥桥1490钢钢箱梁箱梁200550mm美国美国环环氧氧沥沥青青广广东东虎虎门门大大桥桥888钢钢箱梁箱梁1997原原SMA后改后改为为日本日本环环氧（氧（2008）广州黄埔大广州黄埔大桥桥1108钢钢箱梁箱梁2008日本日本环环氧和美国氧和美国环环氧氧南京南京长长江二江二桥桥628钢钢箱梁箱梁200050mm美国美国环环氧氧沥沥青混合料青混合料武武汉汉白沙洲大白沙洲大桥桥618钢钢箱梁箱梁2000SMA 美国美国环环氧氧沥沥青（青（2009）武武汉汉阳阳逻逻大大桥桥1280钢钢箱梁箱梁200750mm美国美国环环氧氧沥沥青青铺铺装材料装材料优优点点缺点缺点浇浇注式注式沥沥青混凝土青混凝土(GA)以德国、日本为主以德国、日本为主1）材料的空隙率几乎为零，）材料的空隙率几乎为零，防止粘防止粘结层免遭水损害结层免遭水损害；2）低温柔韧性较好，）低温柔韧性较好，与钢桥面板协与钢桥面板协调变形性能强；调变形性能强；1）对施工）对施工设备要求高设备要求高；2 2）高温推移、拥包、车辙，冬）高温推移、拥包、车辙，冬 季低温时出现收缩开裂；季低温时出现收缩开裂；国内外钢桥面铺装材料对比国内外钢桥面铺装材料对比改性改性沥沥青青(SMA)以德国、日本为主以德国、日本为主1)热稳性优良；热稳性优良；2)抗滑耐磨耗；抗滑耐磨耗；3)抗裂性性优良；抗裂性性优良；1)1)粘粘结结性能差性能差；2 2）易出）易出现现推移、推移、拥拥包等包等问题问题；3 3）易造成疲易造成疲劳劳破坏破坏；环环氧氧树树脂脂沥沥青青(EA)以美国、日本为主以美国、日本为主，主要主要有温拌及热拌有温拌及热拌两两种。种。1)粘结性能好；粘结性能好；2)高温时车辙与推移现象明显减少高温时车辙与推移现象明显减少1）低温劲度大，易开裂低温劲度大，易开裂；2）施工复杂，温度范围较窄）施工复杂，温度范围较窄3）国外技术，）国外技术，成本较高成本较高；4）构造深度小，抗滑性差，）构造深度小，抗滑性差，在重载车交通环境下，使用不在重载车交通环境下，使用不到两年也出现了破坏。到两年也出现了破坏。南京长江二桥南京长江二桥江阴大桥江阴大桥材料与钢板间的弹性模量差材料与钢板间的弹性模量差异大异大,不能协调一致变形不能协调一致变形.车辆超载、重车辆超载、重载普遍载普遍高温、多雨等高温、多雨等恶劣气候恶劣气候内内因因外外因因耐疲劳性差耐疲劳性差粘结性能差粘结性能差无法改变无法改变内因上解决内因上解决从材料与结构设计出发从材料与结构设计出发 因此，研究开发一种基于材料梯度设计的因此，研究开发一种基于材料梯度设计的新型钢桥面铺装技术！新型钢桥面铺装技术！钢桥面铺装层破坏原因与解决思路钢桥面铺装层破坏原因与解决思路减轻自重荷载。轻集料混凝土可使铺装层内材料产生弹模梯减轻自重荷载。轻集料混凝土可使铺装层内材料产生弹模梯度变化，显著降低铺装层体系的拉应力和剪应力，提高其使度变化，显著降低铺装层体系的拉应力和剪应力，提高其使用寿命用寿命 浇注轻质高韧性混浇注轻质高韧性混凝土凝土 钢板钢板焊接剪力件焊接剪力件提高铺装层材料与钢板之间的界面抗剪强度和与钢板的协同提高铺装层材料与钢板之间的界面抗剪强度和与钢板的协同一致变形能力一致变形能力焊接剪力件焊接剪力件绑扎钢筋网绑扎钢筋网防水防锈层防水防锈层设置防水防锈层设置防水防锈层 提高防水性能提高防水性能,防止钢板生锈防止钢板生锈 设置防水应力吸收层设置防水应力吸收层防止反射裂缝防止反射裂缝 高粘高弹高粘高弹SMA13 高粘高弹防水粘高粘高弹防水粘结应力吸收层结应力吸收层铺设高粘铺设高粘SMA13提高面层的行车舒适性、抗滑性、抗车辙、提高面层的行车舒适性、抗滑性、抗车辙、水稳性和耐疲劳性水稳性和耐疲劳性绑扎钢筋网绑扎钢筋网轻质高韧性混凝土轻质高韧性混凝土2.2 新型新型钢桥钢桥面面铺铺装装层层技技术术方案方案（2001年提出）年提出）钢箱梁段铺装体系复合作用模型钢箱梁段铺装体系复合作用模型 钢箱梁段车载沿横桥向作用示意图钢箱梁段车载沿横桥向作用示意图 以以武汉机场第二公路通道主桥钢箱梁段武汉机场第二公路通道主桥钢箱梁段(跨度跨度150m）为例为例2.3 铺装层力学响应分析铺装层力学响应分析项项 目目计计 算算 参参 数数钢箱梁顶板厚度钢箱梁顶板厚度/mm20横隔板间距横隔板间距/mm3000横隔板厚度横隔板厚度/mm10顶板顶板U形加劲肋厚度形加劲肋厚度/mm8U形加劲肋间距形加劲肋间距/mm600沥青铺装层厚度沥青铺装层厚度/mm50+50钢板泊松比钢板泊松比0.25钢板弹性模量钢板弹性模量/MPa210000改性沥青改性沥青SMA泊松比泊松比0.35改性沥青改性沥青SMA弹性模量弹性模量/MPa1200最最大大横横向向拉拉应应力力位位于于沿沿桥桥纵纵向的加劲肋板上方铺装表面。向的加劲肋板上方铺装表面。最最大大纵纵向向拉拉应应力力位位于于横横隔隔板板上方铺装层表面。上方铺装层表面。最最大大层层间间剪剪应应力力出出现现在在横横隔隔板上方附近加劲肋两侧区域。板上方附近加劲肋两侧区域。最最大大竖竖向向位位移移出出现现荷荷载载作作用用于跨中时。于跨中时。下面下面层铺层铺装材料的模量装材料的模量400MPa800MPa3000MPa30GPa上面上面层层横横/纵纵向最大拉向最大拉应应力力MPa0.42/0.320.35/0.260.28/0.210.11/0.08下面下面层层横横/纵纵向最大拉向最大拉应应力力MPa0.37/0.300.49/0.390.77/0.541.02/0.82上下上下铺铺装装层间层间最大剪最大剪应应力力MPa0.230.170.120.09铺铺装装层层与与钢钢板板间间最大剪最大剪应应力力MPa0.440.480.610.81 随着下面层模量的提高，随着下面层模量的提高，上面层的横向拉应力减小，下面层的拉应上面层的横向拉应力减小，下面层的拉应力增大，上下面层间的层间剪应力减小，下面层与钢板的层间剪应力力增大，上下面层间的层间剪应力减小，下面层与钢板的层间剪应力增大增大。双层铺装结构需要采取措施提高下面层材料的抗拉强度、韧性。双层铺装结构需要采取措施提高下面层材料的抗拉强度、韧性以及与钢板的粘结强度，并使下面层与钢板协同变形。以及与钢板的粘结强度，并使下面层与钢板协同变形。表表1 上面层上面层SMA、下面层不同模量铺装材料的力学分析、下面层不同模量铺装材料的力学分析 2.4 梯度设计下铺装层力学分析梯度设计下铺装层力学分析 将将“钢桥面板钢桥面板-铺装结构层铺装结构层-表面功能层表面功能层”作为一个整体结构单元进作为一个整体结构单元进行设计，提出行设计，提出“强化界面粘接、协同层间变形、优化表面功能、提升强化界面粘接、协同层间变形、优化表面功能、提升整体性能整体性能”的设计思路，采用的设计思路，采用“创新设计、优化结构、提升性能、材创新设计、优化结构、提升性能、材料复合料复合”的技术方法。的技术方法。基于材料梯度基于材料梯度设计设计原理原理,提出在提出在钢钢板（板（弹弹性模量性模量210GPa）上）上焊焊接剪力件接剪力件、绑绑扎扎钢钢筋网、筋网、浇浇筑与筑与钢钢板具有板具有较较好追从性的高好追从性的高韧韧性性轻质轻质混凝土混凝土为为下下面面层层（弹弹性模量性模量约约2528GPa，I20 20，厚度，厚度58cm），上面），上面层铺设层铺设SMA13沥沥青混凝土（青混凝土（弹弹性模量性模量1.21.6GPa，厚度，厚度45cm），），形成形成弹弹性性模量梯度复合模量梯度复合结结构。构。2.5 2.5 新型铺装结构铺装层设计原理新型铺装结构铺装层设计原理钢桥面双层沥青铺装层钢桥面双层沥青铺装层 钢桥面钢桥面“过渡层过渡层-沥青组合沥青组合”铺装层铺装层 在下面在下面层铺层铺装装结结构中，剪力件与构中，剪力件与钢钢筋网构成的筋网构成的桥桥面抗推移骨架，在提面抗推移骨架，在提高下面高下面层层高高韧韧性性轻轻集料混凝土抗滑移能力的同集料混凝土抗滑移能力的同时时，使行使行车车荷荷载载作用于作用于钢桥钢桥面的各向面的各向应应力得以均匀力得以均匀传递传递，进进一步提高一步提高铺铺装装层层与与钢桥钢桥面之面之间间的的协协同同变变形能力和抗疲形能力和抗疲劳劳特性。特性。在上、下铺装层间热洒在上、下铺装层间热洒2mm高粘高弹改性沥青的防水粘结应力吸收层，高粘高弹改性沥青的防水粘结应力吸收层，提高了混凝土层与沥青铺装层之间的界面提高了混凝土层与沥青铺装层之间的界面粘结强度和抗剪强度粘结强度和抗剪强度同时能同时能防止水渗透造成的剪力件和钢筋网以及钢板锈蚀，并耗散车辆荷载往防止水渗透造成的剪力件和钢筋网以及钢板锈蚀，并耗散车辆荷载往复作用下混凝土层裂缝处应力集中产生的能量，复作用下混凝土层裂缝处应力集中产生的能量，阻止裂缝反射阻止裂缝反射到到SMA13沥青混凝土层。沥青混凝土层。采用高粘采用高粘SMA铺装技术，使表面磨耗层具有更为优良的铺装技术，使表面磨耗层具有更为优良的高温抗车辙、高温抗车辙、低温抗裂及耐久性性能。低温抗裂及耐久性性能。2.5 2.5 新型铺装结构铺装层设计原理新型铺装结构铺装层设计原理 1 1、混凝土的增韧和轻质化，优异的抗疲劳开裂性能并、混凝土的增韧和轻质化，优异的抗疲劳开裂性能并降低桥面铺装层静荷载且易于泵送浇筑施工降低桥面铺装层静荷载且易于泵送浇筑施工高强高韧高强高韧性轻质混凝土材料的设计与制备技术性轻质混凝土材料的设计与制备技术 2 2、防水、粘结、应力吸收一体化功能材料的开发。提、防水、粘结、应力吸收一体化功能材料的开发。提高沥青混凝土铺装层与混凝土之间的界面粘结、抗剪性能、高沥青混凝土铺装层与混凝土之间的界面粘结、抗剪性能、防水性能一体化防水性能一体化高粘高弹沥青的开发高粘高弹沥青的开发 3 3、提高沥青混凝土的高温性能及抗疲劳性能、提高沥青混凝土的高温性能及抗疲劳性能高粘高粘度度SMASMA沥青混凝土制备技术沥青混凝土制备技术2.