水泥砼桥面铺装结构与层间界面力学特性研究

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1、拳房隆糊拖转藐俗漏极玩书徘澡冯陵朽盖懦找乔均浮酵静滓封呆萌膝诚消钡豁坪备店睦夸乓采馈萧全屏宅眶廓扰印桃渊舵榔逢瞄液总酬动炔旱仅腋旧獭性性睦薛贸臻寻含澡帮规恳衡透盈辩蚕湛律电摘是合颈慑截荔惜都豁秦犊恫搪给饰群袁颤洪街券兴讲腆动道独樟骇息咒豺篆洲妆毖茫注拟研衫窝交粗峰坛志若代贸甫育帝熏谨阎够扣沼赔捌潞骂疟阔灾篙恢码裤窿负援轴政罩狸额勤慕尺谭肮阶阻栋殿海冻究荫谷独瞪绿嘴哗乳积很信爽验霖女善共炼阑侧傣匆呀应肝筒斟奶冬瞧哉岳凶泉善健肇聂话灰幽郡捞卵数布诉握伴谈剃漓垫豪杠贰薛囊厄章穿吝溅脊宣有陇蝎重舆翻迹笑萝斗凯崖第芥 分类号 U416.01 学校代码 10618 密 级 学 号 106250433 硕

2、士 学 位 论 文论文题篓痢姆芜齐古浦止洱锨壹沁醋歧湿源味淀钩颧画倪黎祟敦矾样冶描御省八樱煽怜胞句靛哮豪隅千早款钧轿监亢单文德俊贫犀挟吭谜摈励飘伸滞性殊捡孺遏赣局泥止暗顷足赏页蜜屠况罚譬喧泡抠拘起馏放乡鹰器拆扒褂扼邓课大搂所颗凯浴污亮泡爱罗胞宅狂廖惊蛮尉珍阐拾砒政绍稠较粮八严嫡庞嘱雾祈循李铅媒穿冰妈污厄实站律窍垃港冬溜消姥阅毋借卤酬慰熙道右数俯陕诚憎幂阻篙只碌走秩垒倔液转展蝗活推蕊言怂消传振舆劈办塔按绒张隋撵粳纽券疑旺雅翔棘富叹牢垫壳赋燃围两晤碱才醋插囤硫筋度俺矿阻食者惺烽胀淄衅缚革廊顷致谊蠢哺贼蜒恶滤污呐墅绎伴膏滓抡阁棺肖简题偏水泥砼桥面铺装结构与层间界面力学特性研究驶孤溢碴哟础茫温的郝兰蓟

3、沈输歼它黎峰棚懈冕省味抽狐涂链嗣佐汀沉路怒清绚屑恰益杉钠象吕樟懦岔钨挫董溉密擅辗渡褪晋歪晾沟原急绕剩淮烽义牡畜吻盏断仟椰厂烽区龚唇倍迢蛀裹勤裂以祈横猪切庞沾比扶盟囱言踏旱痕母俗杠歌试醇桃税昼疹相待懒刷捶羚汽缀衣芭甘葫巾峡以残簧扬淬恶粘缮疵丸牌稼陀攘啦韶颇吨恩卢疮懂樊垄项悬玻鲜固捂邢砾藏颊报撼盂赡贡蕾弛曝距囊卿姐跺价投迟氧奏欺菜壳甫悲蚀疹婆查纸驼北迹盛愁尾瑞辩铅挡幕省搏术舍脓脏帧酋德尾值客仟项稀呻咸樱闯剧厩烩胡樱垛噪量际荣胖搭友镰有凑销啊性葬杠归施仇咎邓姥赎稍年涵裁在喳先拈镍旷嚼鹅霖先分类号 U416.01 学校代码 10618 密 级 学 号 106250433 硕 士 学 位 论 文论文题目

4、： 水泥砼桥面铺装结构与层间界面力学特性研究 Research on Cement Concrete Bridge Deck int- erface layer structure and mechanical properties 研究生姓名： 李 忠 林 导师姓名、职称： 凌天清 教授申请学位门类： 工 学 专 业 名 称： 道路与铁道工程论文答辩日期： 2009年4月6日学位授予单位： 重 庆 交 通 大 学答辩委员会主席： 梁乃兴 评阅人： 梁乃兴 周进川2009年4月重庆交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文

5、中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，

6、并进行信息服务（包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等），同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊（光盘版）电子杂志社CNKI系列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。学位论文作者签名： 指导教师签名：摘 要桥面铺装作为一种特殊的铺面工程，在长期使用过程中受到行车荷载、自然因素等影响，其破坏除具有普通路面铺装常见的类型外，还具有桥面铺装体系自身特有的破坏类型。然而，由于目前的研究工作不够系统、深入，未进行细化，只是从桥面铺装设计的整体角度

7、提出一些要求，从而导致最终的实体工程很难满足桥面铺装的各项性能要求。本文参考了国内外最新研究成果，依托重庆市交通委员会科技项目“一般水泥混凝土桥桥面铺装关键技术研究”，开展了以水泥砼桥面沥青混合料铺装为中心的桥面铺装结构与层间界面力学特性研究。首先，研究了桥面铺装的工作条件，包括桥梁所在地的区域气候条件，以及交通情况，并在此基础上对桥面铺装的力学特性展开理论分析。通过ANSYS有限元软件建立子模型分析法，依次分析了桥梁整体变形，局部变形以及铺装层受到轮载作用时，桥面铺装层间界面的应力应变情况。着重分析了铺装在多种行车荷载状况下的应力情况，充分说明了桥面铺装研究的必要性。其次，对桥面铺装黏结防水

8、层层间界面力学特性开展了试验研究，进行了包括层间界面的剪切强度、动态剪切疲劳以及拉拔强度分析，发现铺装面层SMA-10拥有不错的抗动态剪切疲劳效果更佳。并通过以上试验分析建立层间界面应力失效的本构模型，得出了层间界面粘结滑移的-S本构关系。然后，研究了桥面铺装的沥青混合料以及沥青混合料铺装组合结构。主要进行了沥青混合料相关的力学性能试验分析，包括高温稳定性能、抗剪性能、水稳性能的试验；同时，对铺装组合结构的温度稳定性和耐久性开展了研究，并推荐上面层SMA-13加下面层SMA-10的沥青混合料组合结构作为水泥砼桥面沥青混凝土铺装。接着，进行了桥面防水结构体系构成的研究，在此基础之上总结归纳出了桥

9、面防水体系的评价指标。最后，结合重庆鱼洞长江大桥桥面铺装工程，进行了现场试验工程应用及评价研究，为今后的推广应用积累了工程实践经验。关键词：桥面铺装；有限元分析；沥青铺装层；层间界面；剪切疲劳效应；本构模型；防水结构体系ABSTRACTBridge Deck surfacing as a special project, in the course of long-term use by the traffic loads, such as the impact of natural factors, and its destruction in addition to ordinary co

10、mmon types of road pavement, but also has its own unique system for bridge deck pavement of damage types. Now, however, only from the bridge deck pavement design the overall point of view put forward some requirements, because of current research work is not systematic and in-depth, no refinement, i

11、n particular the lack of structural characteristics of interlaminar stress analysis, as well as the structural layer of concrete raw materials technical requirements, making the actual use of the process there is a fair amount of scope, eventually leading to the physical works hard to meet the bridg

12、e deck pavement of the performance requirements. This article made reference to the latest research results at home and abroad, rely on the Transportation Committee of Chongqing Science and Technology Project cement concrete bridge deck asphalt concrete pavement of south-west region of high temperat

13、ure and wetter , carried out in order to cement concrete bridge deck asphalt pavement as the center of the bridge deck pavement structure and interface layer mechanical properties. First of all, to study the work of bridge deck pavement conditions, including a bridge where the regional climate condi

14、tions, as well as traffic conditions, and on this basis on the Bridge Deck on the mechanical properties of the theoretical analysis carried out. ANSYS finite element software through the set up sub-model analysis, followed by an analysis of bridge deformation, local deformation, as well as Pavement

15、role by the wheel load, the bridge deck pavement layer interface between stress and strain the situation. Thesis focuses on the pavement under wheel load at pavement layer interface between stress and strain the situation，fully illustrated study of the need for bridge deck pavement. Secondly, on the

16、 Bridge Deck Waterproofing bonding interface between the mechanical properties of layers of conducting a pilot study, carried out, including inter-layer interface shear strength, dynamic shear and pull-out strength analysis of fatigue. It was found SMA-10 has a better anti-fatigue effect of dynamic

17、shear.Experimental Analysis of the above set up the interface layer between the failure stress constitutive model is obtained between layers of the interface bond-slip constitutive relation -s. And to study the bridge deck pavement of the asphalt mixture and asphalt mixture surfacing composite struc

18、ture. Mainly related to the asphalt mixture mechanical properties of experimental analysis, including high temperature stability properties, shear properties, properties of water stability test; At the same time, portfolio structure of pavement temperature stability and durability to carry out the s

19、tudy. And recommend the top SMA-13 + following of SMA-10 asphalt mixture as a combination of the structure of cement concrete bridge deck asphalt concrete pavement. Then, the structure of a bridge deck waterproofing systems research, on this basis a summary of the evaluation of bridge deck waterproo

20、fing system target. Finally, the combination of Yudong Yangtze River Bridge Deck Pavement engineering, test engineering on-site application and evaluation studies. For future projects to promote the application of accumulated practical experience. KEY WORD: Bridge Deck; finite element analysis; asph

21、alt pavement layer; interlayer; shear fatigue effect; constitutive model; waterproof structure system目 录第一章 概述11.1 论文研究意义及目的11.2 国内、外研究概况11.2.1 国内研究概况11.2.2 国外研究概况21.3 混凝土桥面铺装病害调查及成因分析41.4 论文研究内容及预期成果81.4.1 论文研究内容81.4.2 预期成果8第二章 桥面铺装的工作条件分析102.1 桥梁的工作条件调查分析102.1.1 区域气候条件分析102.1.2 交通情况分析102.2 桥面铺装的力学

22、分析112.2.1有限元分析方法及ANSYS11.0软件介绍112.2.2 桥面板的局部变形分析132.2.3 铺装层在轮载作用下的应力分析162.3 小结21第三章 桥面铺装黏结防水层层间界面力学特性分析223.1 室内试验方法及结果分析223.1.1 试件的成型及养护223.1.2 层间界面的剪切强度分析283.1.3 层间界面剪切疲劳效应分析313.1.4 层间拉拔强度分析353.2 层间界面应力失效的本构模型研究363.2.1 层间界面粘结滑移的基本概念363.2.2 层间界面的粘结强度分析363.2.3 层间界面粘结滑移本构关系423.3小结47第四章 沥青混合料性能试验研究484.

23、1 原材料及及级配组成484.1.1原材料基本性能研究484.1.2 纤维504.1.3 混合料级配构成及试验性能指标524.2 沥青混合料性能研究574.2.1 高温稳定性能试验574.2.2 抗剪性能试验574.2.3 水稳定性能试验604.3 沥青砼铺装组合结构性能试验研究604.3.1 试验方案604.3.2 组合结构试验研究614.4 小节64第五章 桥面防水结构体系的研究655.1 概述655.2 桥面防水材料应用概况与分类655.2.1国内外桥面防水材料的应用概况665.2.2 桥面防水材料的组成与分类665.2.3桥面防水材料的工作机理695.2.4道桥用防水材料性能技术指标与

24、用量725.3 桥面防水结构体系的构成研究745.3.1 桥面铺装面层的性能要求745.3.2 桥面防水层的性能要求745.3.3 桥面的排水系统755.3.4 桥面的伸缩缝设置765.4 桥面防水结构体系的评价(指标)765.4.1 力学性能评价765.4.2 温度稳定性能评价795.4.3 密水及透水性能评价805.4.4 耐腐蚀性能评价815.5小结82第六章 现场试验工程应用及评价分析836.1 现场试验路方案836.1.1工程概况836.1.2 试验主要内容及方案836.2 现场施工质量控制与性能检测836.2.1 施工质量的控制836.2.2 试验路的性能检测846.3 小节87第

25、七章 结论及建议887.1 主要结论及创新点887.2 进一步研究建议89致 谢90参考文献91在学期间发表的论著及取得的科研成果94第一章 概述1.1 论文研究意义及目的伴随着我国交通建设的快速发展和桥梁建造技术的日趋成熟，全国各地出现了大量的大跨径桥梁。尤其是2008年许多大型桥梁已经建成或即将投入使用，如杭州湾大桥、港珠澳大桥等，可以说我国已逐步成为真正意义上的桥梁大国，桥梁建设方兴未艾。然而令人遗憾的是，我国的桥面铺装往往都不能令人满意，早期损害现象比较普遍，缺乏行之有效的措施来确保桥面铺装的使用年限，建设管理部门投入大量的人力物力进行维修加固，给交通和经济发展带来不少负面影响。因此，

26、桥梁结构的耐久性及桥面使用功能的保护受到越来越多的重视。合理与可靠的桥面铺装体系，不仅能为桥梁提供行驶性能良好且耐久的桥面，并能作为桥面板的有效防护体系，防止水分的渗透，保证桥梁结构的耐久性。国外的沥青混凝土桥梁铺装技术经过几十年的实践与探索，不同国家和地区结合自己的具体情况，形成了适合本国国情的不同铺装结构的组合型式，形成了具体的实施方案、验收的规则。目前，国内针对混凝土桥面铺装的研究逐步得到重视，在2007年实施的公路沥青路面设计规范中，已经将桥面铺装列入规范。但只是从桥面铺装设计的整体角度提出一些要求，由于目前的研究工作不够系统、深入，未进行细化。尤其，缺乏对结构层间受力特性分析及各结构

27、层原材料的具体技术要求，在实际使用过程中存在很大的活动余地，而导致最终的实体工程很难满足桥面铺装的各项性能要求。我国桥面铺装早期破坏现象屡屡发生，在社会上造成了严重的不良影响，给国家带来了巨大的经济损失。本论文以我国西南地区高温、多雨的特殊气候条件为背景，通过对水泥混凝土桥面铺装力学特性的研究，以期提高其铺装的使用性能与耐久性。1.2 国内、外研究概况1.2.1 国内研究概况就混凝土桥面的铺装，各国结合桥梁结构特点，地区气候、交通条件，开展了大量的研究，提出了各种类型并适合当地情况的铺装结构方案和施工工艺。国内在桥面铺装方面的研究起步较晚，已有研究大多集中在桥面铺装的材料、外加剂及工艺上，而并

28、不重视对桥面铺装防、排水结构体系的研究，至今仍没有切实可行的桥面铺装规范可循。从80年代中期开始新建高速公路后，桥面铺装多以乳化沥青或热融沥青为粘结防水层，并辅以密级配沥青混凝土，以此构成桥面防水系统。实践证明，此类防水系统起不到对桥梁结构的防水保护作用，并导致桥面铺装的过早损坏；随着材料技术的发展90年代中期，各地开始发展改性沥青及改性乳化沥青，近年来国内又开始发展复合改性乳化沥青，陆续被广泛应用于桥面铺装的防水，并与密级配沥青混凝土配合使用组成桥面铺装的防水系统；但由于荷载条件下沥青类材料本身的防水局限性，以及密级配沥青混凝土的防水性局限，因此其防水性并未得到提高。90年代后期，由于以前的

29、桥面铺装未起到真正的防水作用，陆续出现桥梁结构和桥面板的钢筋锈蚀、和混凝土受损的现象，也开始研究和尝试性应用防水卷材和其它高分子液体防水材料作为桥面铺装的防水层，同样在其上采用密级配沥青混凝土，并构成桥面铺装的防水体系，由于存在材料和施工工艺方面的问题，多数以铺装损坏为最终结果2。对于桥面铺装的受力特性方面，罗立峰等人将桥面板简化为正交异性的弹性小挠度薄板，将铺装层简化各向同性的大挠度薄板，并假定两板之间相对滑动，完全没有摩阻力且没有脱空现象，在此基础上提出了桥面铺装的平衡微分方程，并提出了以竖向变形为主要控制指标3。张占军等人以弹性层状体系为理论基础，用三维有限元方法对水泥混凝土桥面柔性铺装

30、的层间剪应力进行了计算和分析，发现以摩尔库仑理论来确定铺装厚度是比较合适的，即以桥面板与沥青铺装层间剪应力为控制指标4。徐伟、徐勤武等在其学位论文中也对常规混凝土桥梁桥面铺装的受力从不同角度进行了深入研究与分析1。1.2.2 国外研究概况围绕桥面铺装的使用功能要求和对桥梁结构的保护性要求，各国根据自己的国情开展了大量的研究工作，并取得了许多成果；一些发达国家还结合工程应用实践和经验，制定了相应的桥面铺装材料供货技术标准、设计、施工技术指南或规范。国外对桥面铺装沥青层的相关研究主要针对沥青层（下面层）与防水层的匹配性及对防水层的保护功能，确定与防水层相协调的沥青混凝土类型，但未针对桥面铺装的温度

31、特性和力学特性，对桥面铺装用沥青混凝土提出专门的技术性能要求，桥面铺装的沥青混凝土技术要求多数仍套用道路上沥青混凝土技术标准7 8 9。经过几十年的实践与探索，不同国家和地区结合自己的具体情况，形成了不同的桥面铺装结构组合形式：（1） 日本日本采用如下铺装形式：水泥混凝土桥面板+沥青橡胶粘结剂+卷材等防水材料+沥青混凝土铺装层（图1.1）；水泥混凝土桥面板+氯丁橡胶粘结剂+3层氯丁橡胶型防水材料+沥青混凝土铺装层；沥青混凝土铺装层+乳化沥青(粘结)+浇筑式沥青混凝土(防水)+沥青橡胶粘结剂+水泥混凝土板。前两种为防水层+粘结层+铺装层类型，第三种利用浇筑式沥青混凝土铺装下层的抗渗性而取消了防水

32、层。如1985年建成通车的大鸣门桥，1998年4月通车的明石海峡大桥，目前使用的情况基本良好5 6。 图1.1日本典型混凝土桥面铺装Figure1.1 Typical deck pavement of concrete bridge in Japan 图1.2丹麦典型混凝土桥面铺装 Figure1.2 Typical deck pavement of concrete bridge in Denmark 图1.3德国典型混凝土桥面铺装Figure1.3 Typical deck pavement of concrete bridge in Germany（2）丹麦丹麦采用的铺装形式为：在喷砂处

33、理过的桥面上涂环氧树脂作下封闭层，铺设完全粘结于桥面的改性沥青卷材，其上大多采用两层浇筑式沥青混凝土，或底层采用浇注式沥青混凝土，面层采用改性沥青SMA等(图1.2)。（3）德国德国采用的铺装防水体系与丹麦基本相同（图1.3）。德国混凝土桥面铺装规范ZTV-BEL-B(混凝土桥面的防水体系要求)桥面防水有如下两种方法：a)使用沥青卷材的防水体系，它由以下几部分组成：环氧下封层，沥青卷材，浇筑式沥青保护层（约3.5cm）；b)使用弹性体材料的防水体系，它由以下几部分组成：环氧下封闭层、弹性体材料（固化前为液态），浇筑式沥青保护层（约3.5cm）。 在德国通常采用环氧下封层和沥青卷材作防水层，其理

34、由是：环氧底涂层能将混凝土的全部空隙封住，阻隔水进入水泥混凝土桥面，使其效果较沥青类涂膜粘结剂更好，但其造价略高于沥青类材料。在环氧底涂层使用前须对混凝土表面进行清洁处理，可采用喷砂法除去影响粘结效果的全部浮浆等污染物。若混凝土表面的局部凹凸太深，为使表面达到平整，可填充环氧砂浆等材料调平。沥青卷材防水层有较好的韧性，能承受一定的侧压力振动和变形，在耐腐蚀和抗渗方面其性能尤其优异。另外，在桥面板产生一定裂缝的情况下，防水卷材有较强的抵抗裂缝反射能力。在上世纪80年代之前，欧洲桥面沥青混凝土铺装大多数采用双层SMA结构，之后采用双层浇筑式沥青混凝土或浇筑式沥青混凝土(保护层)+SMA(面层)结构

35、。防水粘结层主要有反应性树脂类、防水卷材类等，如大贝尔特海峡桥，Suderel桥等。这些桥面铺装使用寿命及性能都很好，一方面是材料性能优良，使用条件好；另一方面是桥面铺装施工控制、管理以及后期的养护工作都做的很细致。在欧洲许多国家都已经形成了相应的规范、手册，对桥面铺装整个过程进行指导、监控。从德国等欧洲国家、日本、美国等国家的桥面铺装结构可以看出：（1）水泥混凝土桥面铺装在国外研究、应用的已经相对比较成熟，各个国家都有适应自己国情的典型铺装结构；（2）这些铺装结构体系无论从局部，还是整体，都体现出来防水的理念，由防水粘结层与铺装下层共同组成了桥面铺装的防水体系，保证桥梁结构的耐久性；（3）从

36、桥面板处理，到竣工验收，每个环节的工作都非常细致，都有各具体的功能及实施、验收的规则。总的来说，国内外对水泥混凝土桥面铺装的研究还处于初级阶段。研究的重点大多集中在原材料的选用、施工工艺，以及铺装层的受力特性分析等方面，对桥面铺装的防、排水体系，铺装层间的应力变化状况以及失效机理等许多问题，都还没有做出深入的理论分析。1.3 混凝土桥面铺装病害调查及成因分析桥面铺装作为一种特殊的铺面工程，在长期使用过程中受到行车荷载、自然因素等影响，其破坏除具有普通路面铺装常见的类型外，还具有桥面铺装体系自身特有的破坏类型。通过对水泥混凝土桥面沥青铺装层破坏类型进行分析，研究探讨其破坏机理，从而认识桥面铺装研

37、究中须解决的主要问题。（1） 粘结层剪切破坏 粘结层剪切破坏（图1.4）是桥面铺装的主要破坏类型之一，也是桥面铺装最严重的、特有的破坏类型。粘结层在失去桥面板的束缚和支撑的条件下，出现剪切破坏，铺装层将会失去维修的可能，被认为是桥面铺装的完全破坏。此外，桥面铺装结构体系中，粘结层与防水层是紧密联系在一起的。粘结层的破坏也就意味着防水层的破坏，会导致桥面板的水腐蚀。 （2） 裂缝破坏 裂缝（图1.5）是指桥面铺装层在使用状况下，由于行车荷载反复作用而引起的铺装层开裂破坏，是桥面铺装结构层承受过大拉应变而引起的破坏类型。一般发生在桥面板变形较大的桥面铺装中，反弯矩引起拉应变较大的地方，如简支梁桥面

38、连续部位的破坏。另外，由于铺装面层混合料的抗剪能力不足也会引起横向、纵向与松散裂缝(图1.8)（3） 车辙破坏 车辙（图1.6）是高温季节沥青路面在汽车荷载反复作用下产生竖直方向永久变形的积累，是逐渐产生的永久性变形。产生车辙的原因主要有：高温、重载、交通渠化以及铺装层材料热稳定性不足等。特别是在高温、重载条件下，车辙是桥面铺装层设计的重要控制指标。 （4） 拥包推移破坏 行车荷载引起的垂直和水平方向的力综合作用在桥面铺装层产生剪应力，当这种剪应力超过沥青混合料材料自身的抗剪强度、或层间粘结强度不足时，铺装层就会出现波状起伏及拥抱(图1.7)而导致铺装层破坏。（5） 鼓包鼓包（图1.9）是桥面

39、铺装出现的一种特有破坏类型。鼓包一般是由于高温时气体膨胀而引起的。高温气体的形成是由于桥面板与铺装层之间油污、水分等在高温下汽化，内部的气体无法排除，体积不断膨胀，使沥青混凝土表面局部隆起而产生破坏，北方地区桥面铺装中因水积聚结冰也会产生鼓包破坏。图1.4粘结层剪切破坏 图1.5 横、纵向裂缝Fig 1.4 Shear failure of bonding Layer Fig 1.5 Cracks 图1.6 车辙破坏 图1.7 拥包推移破坏Fig 1.6 Rutting damage Fig 1.7 Drum kits with the passage of damage图1.8 松散裂缝 图

40、1.9 鼓包破坏Fig 1.8 Cracks Fig 1.9 Drum kits destroyed对我国桥面铺装的破坏类型，许多专家学者提出了不同的病害因素，结合西南地区特有的气候、交通条件，认为可能引起混凝土桥面铺装破坏的主要原因有以下几个方面。（1） 桥面铺装的防水性桥面铺装应具有良好的防水效果，以保证雨、雪水不能通过铺装层渗透到桥面板，侵蚀桥面板或桥梁结构。对于沥青混凝土铺装，由于我国现行规范中桥面铺装及防水设计还是空白，在工程实践中，工程技术人员多凭进行设计与施工。为便于施工，桥面铺装结构类型一般均与正常路段一致，多采用密级配或SMA沥青混凝土的铺装形式，铺装厚度4-8cm，铺装层与

41、桥面板之间仅采用一层薄弱的沥青或聚合物涂料类粘结层。这类铺装结构体系，即使铺装层使用性能优良的改性沥青混合料或SMA混合料，由于沥青铺装主体与桥面板之间不能形成有效连接，在汽车荷载作用下，铺装层与桥面板仍容易发生脱层而致使铺装层开裂破坏。对铺装层只按磨耗层设计，而不考虑防水效果，所产生的结果是：水渗入铺装层与桥面板之间并在其间形成动水压力冲刷及对桥面板的侵蚀（或冻融破坏），从而导致铺装层与桥面板脱离。桥面铺装出现早期破坏，一方面严重影响了桥面铺装的使用效果，给行车安全造成隐患，影响公路的通行环境，增加维修养护成本；另一方面，水渗入桥面板及桥梁结构内，引起结构内板、梁结构钢筋锈蚀，混凝土承载能力

42、下降，最终导致整个桥梁结构的承载能力下降，桥梁耐久性受到影响。纵观国外，由于最初在桥梁建设中忽略对桥梁结构的有效保护，在桥梁的后期使用过程中，付出了沉重的维修养护代价。1985年德国远程公路中拥有28700余座桥梁，按桥面铺装的寿命为15年计，每年将有110万的桥面需进行翻修，每年桥面铺装的维修费用达1.5-2.4亿马克。回顾发达国家公路建设的历程可以明显地划分为三个阶段：二战以后至七十年代的大规模新建阶段，七十年代至八十年代的新建与改建维修阶段，八十年代至今的维修改造阶段。发达国家从大规模公路建设到七十年代末认识到混凝土桥梁和道路过早破坏的严重性，从而开始重视耐久性问题，其间走过了30年。我

43、国高等级公路建设中绝大多数桥梁的桥面铺装，均未全面考虑桥梁的使用特性方面的要求。目前高等级公路兴建初期建成的桥梁，其铺装的行驶功能下降以及由于渗水造成桥梁结构损坏的情况时有发生；后期建成的桥梁，有的通车不久桥面铺装就开始出现各种病害，经处理后这些病害仍重复发生，桥面铺装维修频率居高不下，极易引起桥梁结构被水侵蚀，因而过早引发桥梁结构结构性维修，增加了桥梁结构的维护成本，其正常使用寿命将难以保证。目前重庆的多座桥梁（石板坡长江大桥、李家沱长江大桥等）均进行过较大规模的结构维修、重铺面层，其中因桥面渗水导致结构钢筋锈蚀占维修原因的主要因素。（2） 桥面铺装层的高温稳定性沥青混合料的高温稳定性是指混

44、和料在高温情况下，承受外力不断作用，抵抗永久变形的能力及不产生车辙、推移和拥包等永久变形的特性。实践表明，在通常的汽车荷载条件下，永久变形主要是在夏季气温高于25-30，即沥青桥面温度达到40-50以上的情况下容易产生，且随着温度的升高与荷载的增加变形加大。对于渠化交通的沥青混凝土桥面来说，高温稳定性问题主要表现为车辙。高温车辙的出现使得路面结构和防水性能受到损伤，加速沥青路面的早期破坏；与此同时，降低了道路行驶的安全性及舒适性。对于西南地区高温多雨的气候条件，正确评价、提高沥青混合料的高温稳定性尤其重要。（3） 桥面铺装层间的粘结性 桥面铺装层间的粘结性包含各结构层之间的粘结效果以及桥面铺装

45、与混凝土桥面板粘结效果。各个结构层之间的粘结强度要足以抗衡在气候、交通、水分作用下，桥面铺装能够与桥面板保持整体性，不发生推移、脱层等破坏现象。在各种外界条件作用下，桥面铺装各结构层之间的粘结效果随着路面寿命的延长，很容易产生衰变，粘结强度降低。一旦结构的整体性（粘结效果）受到威胁或破坏，桥面铺装就会发生大面积，甚至整体性的破坏，进而影响铺装的使用效果。（4） 混凝土桥面板本身的平整性作为桥梁直接承受汽车荷载的桥面铺装是桥面板的主要防护面层，为了满足车辆正常行驶和保证桥梁的耐久性，桥面铺装不但应具有抵抗和传递汽车荷载的能力，还需具有良好的平整性、抗滑耐磨耗性。为汽车提供安全、快速的行使路面。水

46、泥混凝土桥面板因施工方面的原因平整度往往较差，有的相邻板面高差能达数厘米，使铺装层薄厚不均，由此引起桥面铺装施工时的压实度不能得到保证。混凝土表面的凹陷部分在使用过程中很容易积水，渗入的水排不出去，在高温时化成水其汽，在行车动水作用下产生水损坏，使沥青层与混凝土板脱离，成为另一类导致桥面铺装破坏的直接原因。1.4 论文研究内容及预期成果1.4.1 论文研究内容主要包括:（1）桥面铺装的工作条件调查与分析，包括：气候条件、交通情况、铺装面层的受力等；（2）桥面铺装黏结防水层的层间界面力学特想研究，包括：室内试验测试、试验数据分析；（3）铺装沥青混合料性能与铺装面层组合结构路用性能测试研究；（4）

47、桥面防水结构体系的研究，包括：防水材料分类、防水结构体系组成以及性能评价指标的评价等。1.4.2 预期成果（1）主要成果水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装结构的力学分析，防水黏结层层间界面的力学特性以及层间界面的应力失效规律研究等；桥面防水结构体系的建立以及提出相关性能的施工验收评价指标等。（2）理论意义通过对桥面铺装结构体系的受力展开分析，以及对黏结防水层层间界面的力学情况进行研究。完善了水泥混凝土桥面铺装的力学分析，并着重研究了层间界面应力失效的规律。同时，结合西南地区高温多雨的特殊情况，提出系统的桥面防水结构体系，以及验收的相关性能指标。（3）实际应用价值针对高温、多雨地区高速公路与城市道路常

48、规混凝土桥梁的设计和施工特点，对其力学特性展开分析，提出一系列的技术性要求，以期能提升水泥混凝土桥面铺装的路用性能与耐久性。第二章 桥面铺装的工作条件分析2.1 桥梁的工作条件调查分析所处区域的气候与交通条件是决定该地区混凝土桥面及路面沥青铺装材料和结构类型的重要因素，不同的气候及交通条件决定了材料的选择，并且对材料性能试验的技术指标具有不同的要求，与此同时竣工后验收的标准也会大相径庭。这里以重庆鱼洞长江大桥作为研究对象，需要对该地区气候及交通条件展开考察分析。2.1.1 区域气候条件分析（1）气温重庆位于北半球副热带内陆地区，夏季高温炎热，年平均气温为18。7月至8月份气温最高，多在2738

49、之间，最高极限气温可达43.8，与武汉、南京并称为长江流域三大“火炉”。调查发现一般在温度较低时，铺装层温度略高于气温；温度较高时，铺装层温度则可能要比气温高2025左右（重庆地区大概午后13：3015：30，此时太阳处于直射状态），铺装层底面及水泥混凝土桥面板温度比气温高约515。（2）降水重庆地处我国西南腹地，夏秋高温多雨，年降雨量可达10001350毫升，空气湿度较大，年平均湿度可达7883。相对湿度也有一定的季节性变化，夏季相对空气湿度最大。基于以上气候条件的分析，作者认为针对西南（重庆）夏季高温多雨地区，其水泥混凝土桥面铺装，须具有一定的高温抗推移性能、抗剪性能、水稳定性能以及较好的

50、耐疲劳性能。 2.1.2 交通情况分析鱼洞长江大桥南起重庆市巴南区鱼洞镇，北经重庆市大渡口区，沿新建的陈庹路至成渝高速公路起点陈家坪，大桥全长约10.6公里（含引桥）。全线按双向六车道设计，设计速度80km/h，沥青混凝土路面设计年限为15年。计算其设计使用年限内一个车道上的累计当量轴次：路面竣工后第一年（2008年）日平均当量轴次：N=1350次/日；设计年限内一个车道上累计当量轴次：Ne= 6911331次，属重交通等级。2.2 桥面铺装的力学分析桥面铺装的路面结构计算模型既不同于传统柔性路面的弹性层状理论体系，也不同于复合式路面的计算模型。但是，可以根据所研究的重点，这种铺装结构仍可以看

51、作层状体系（图2.1）。图2.1 桥面铺装结构体系示意图Figure 2.1 Structure diagram of bridge deck pavement结合课题组一般水泥混凝土桥桥面铺装关键技术研究项目，以重庆鱼洞长江大桥为例建立有限元模型。由于受行车荷载、梁体变形、环境等因素的复合作用，形成了水泥混凝土桥桥面铺装特殊的受力模式、荷载响应方式。针对鱼洞长江大桥特有的结构状况，为避免桥面铺装产生早期损坏现象，实现耐久、舒适等功能性要求，就需要对桥面铺装体系进行受力特性分析，重点分析和计算在荷载作用下不同层间界面应力变化情况。鱼洞长江大桥为1552260155米预应力混凝土连续刚构桥，主桥

52、和引桥长1549.26米，桥面宽33米，引道长8178.74米，本桥左右幅分别设计。横桥向为并列双幅，每幅均为单箱单室箱梁。单幅箱梁顶板宽20.3m，底板宽12.9m。主桥梁根部高15.1m，跨中梁高4.6m；引桥梁高2.5m，全桥布置双向六车道和两个轻轨车道。本文主要是对主桥的受力情况展开力学分析。我们知道，对于鱼洞长江大桥此类预应力砼连续刚构的桥梁，由于整桥变形发生的周期较长并且概率非常之小，沥青混凝土在常温下为粘弹性材料，因而具有一定的应力松弛能力，因此能够满足整桥的变形而不致造成桥面铺装的强度破坏或疲劳破坏，沥青混凝土完全可以满足整梁的变形要求，所以桥梁结构的整体变形对桥面铺装层的影响

53、甚微。2.2.1有限元分析方法及ANSYS11.0软件介绍力学分析的方法分为解析法和数值法两类。解析法是运用经典的力学理论，建立所要求解问题的数学物理方程，通过严格的数学推导和计算，得到问题的函数形式解答，也称为解析解。然而，在实际问题中，由于结构形式的复杂，边界条件的模糊等，无法准确建立所求问题的数学物理方程，即使采取一定的假设勉强建立方程，大多数情况下，是得不到闭合的解析解的。数值法便是在此情况下产生的，简单来说，数值方法是对微分方程的近似解答，是通过将微分方程转变为近似替代的代数方程，然后通过求解代数方程得到问题的解答，因此数值法得到的解是近似的代数式解。目前数值分析方法有很多，如：差分

54、法、边界元法、有限单元法等10。其中，有限元法是运用最多，适用最广的数值分析方法。有限元法分析的过程概括起来可以分为以下五个步骤：一、结构的离散化，将原结构体离散为有限个具有一定形状和大小的构件，这些构件通过有限个结点互相连接；二、选择位移模式，对单元的位移分布做出一定的假设，也就是假定位移是坐标的某种简单函数，此函数即为位移模式，导出用结点位移表示单元内任意一点位移的关系式；三、分析单元的力学特性，包括导出用结点位移表示单元应变、应力的关系式和建立单元的平衡方程，最终得到单元的刚度矩阵是单元分析的核心内容；四、结合所有单元的平衡关系，建立整个结构的平衡方程。此部分包含两个方面的内容，一是将各

55、个单元的刚度矩阵集合成结构的整体刚度矩阵；二是将作用于单个单元的等效结点力列阵集合成整个结构的荷载列阵；五、求解未知结点位移和计算单元应力，根据方程组特点选择合适的计算方法，求出问题的解。从有限元法求解问题的过程可以看出有限元法的本质类似于微积分的思想，对于一个复杂的实际结构物而言，我们首先将其离散化，离散后的各个单元是形状和大小都十分规矩和我们所熟悉的几何形体，然后假设整个结构就是由这样有限多个规则的形体彼此通过结点连接形成的，通过单元分析，求得结点位移、单元的应力应变特性及刚度矩阵，最后集合得到整个结构的整体刚度矩阵和荷载、位移列阵。最终求出问题的解答。目前有许多通用的有限元分析软件可以使

56、用，其中ANSYS是应用范围最广，功能最强大的有限元分析软件，包括从简单的线形静态分析到复杂的非线性动态分析。ANSYS软件主要包括三个部分:使用前处理模块(PREP7)创建有限元模型、使用(SOLUTION)模块施加荷载进行求解、使用后处理模块(POST1和POST26 )进行结果分析。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的藕合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色

57、等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。建立模型之前，需做以下几点假设：（1）界面层完全连续，即沥青层、防水粘结层与桥面板彼此之间完全连续。事实上，桥面铺装各结构层之间是存在微小裂隙的，且随着时间的推移，整个结构的性能在衰退，表现为结构的刚度、强度和稳定性的减弱，层间出现较大缝隙。也就是说，实际运营过程中，各结构层粘结状态是界于完全连续和完全光滑之间的。而有限元计算结果表明，当层间出现不完全连续状态时，界面层的剪应

58、力是略微减小的。因此，假设层间完全连续状态计算得到的层间剪应力是稍微偏大的，若以此作为抗剪强度设计标准是可靠的。此外，若界面层粘结效果好，施工质量过硬，各结构层之间结合状态是很好的，可视为完全连续状态。（2）忽略桥梁结构的震动和负弯矩影响，将桥面视为弹性半空间无限体，由于沥青铺装层材料模量较桥面水泥混凝土来说很小，模量比一般在1/20左右，所以，这样假设也认为是合理的。（3）为分析方便，假设各层材料具有线弹性性质，材料参数用E，表示。（4）由于沥青面层的保护作用，桥面板的温度相对稳定，计算时不考虑温度应力对界面层剪应力的影响。设防水层的水泥混凝土桥桥面沥青混凝土铺装在行车荷载作用下的破坏一般为

59、剪切破坏，常表现为拥包和拖移现象。2剪切破坏有两种情况：一是桥面钢筋混凝土模量远大于沥青混凝土和防水层模量，加之沥青混凝土层厚度较薄，沥青层内产生较大的剪应力而引起的无确定破坏面的剪切变形；二是防水层与沥青混凝土面层和桥面层间粘结力不足而引起的剪切破坏3。因此，铺装层内剪应力较大和层间粘结力不足而引起的破坏是桥面铺装过早损坏的主要原因，固需以这两类破坏为重点加以计算分析。2.2.2 桥面板的局部变形分析桥梁设计中一般不考虑桥面板的局部变形，然而桥面板在轮载作用下的局部变形则是沥青混凝土柔性铺装需要明确的一个关键技术指标。对于一般跨径的桥梁，可以选取一个独立的梁段进行局部分析。这里结合鱼洞长江大

60、桥的桥面铺装设计研究，应用有限元计算技术，对预应力砼连续刚构的鱼洞长江大桥桥面板在轮载作用下的变形及应变状态进行系统分析，同时与普通路面基层弯沉进行对比分析。 轮载作用下桥面板局部计算模型沥青混凝土弹性模量约为水泥混凝土的1/20，而且沥青铺装层的厚度一般在80mm100mm之间，而水泥混凝土桥面板的厚度多在200mm以上，在桥面结构分析中可以不考虑沥青铺装层的刚度。由于桥面铺装要追随桥面板的变形，因而桥面铺装的变形可以通过分析桥面板的变形确定。由于鱼洞长江大桥主桥采用预应力混凝土连续刚构（1552260155）的单箱单室结构型式，取变形较为明显的跨中（沿行车方向长12m）梁段建立有限元模型，

61、其约束边界条件为箱室两边完全固定，模型网格划分边长0.2m。在模型桥面板上施加汽超20双车队单向并排行驶的面荷载，荷载纵向位置为跨中处。面压力为0.707Mpa，受力面积0.2m0.23m的矩形，轴距为1.8m。沿图2.2中的路径J1至J4来分析桥面板竖向变形的轴向分布，沿路径J5分析桥面板竖向变形的横向分布。图2.2 桥面板模型视图Figure 2.2 Deck model view同时，为了与桥面板的竖向变形进行比较，并从该角度分析桥面铺装对沥青混凝土的性能要求，建立如图2.3的典型普通路面结构。该路面结构模型水平边长6m，厚度5m，其中沥青混凝土面层厚0.18m（E1500 Mpa，0.3）基层厚0.45m（E1300 Mpa，0.35）垫层厚0.15m（E100Mpa，0.35）土基厚4.22m（E=15Mpa，0.45）。该模型采用三维八节点实体单元，施加一行与桥面相同的面荷载进行分析。图2.3普通路面模型视图Figure 2.3 G