（道路与铁道工程专业论文）刚性混凝土桥面铺装的破坏机理研究.pdf

摘要 摘要 伴随着我国高速公路和城市快速路的蓬勃发展，公路桥梁和城市立交桥的数 量也日益增多，逐渐完善的交通设臆在国民经济发展中发挥了重要的作用。然而 随着交通量和重型车辆的急剧增加，许多桥梁在远未达到设计寿命时，桥面铺装 就出现了裂缝、拥包、车辙、碎裂、脱离等诸多病害现象，使桥梁的稳定性、安 全性和美观性均受到了影响。 通过现场调查发现，刚性桥面铺装的破坏原因与桥梁结构、锚装层厚度、铺 装材料及铺装施工等多种因素有关。为了具体了解各种因素对刚性桥面铺装的破 坏作用，本文从室内试验、室外实桥试验及相应的数值模拟分析等方面进行了深 入研究，以期探明刚性桥面铺装的破坏机理，为刚性桥面铺装的设计和旌工提供 建议和指导。具体完成了以下几方面的工作： 1 刚性耩蠹镶装破坏分辑静试验磅究 掇内试验主要考虑铺装层内存在裂缝、缺陷及桥面板与铺装层间出现夹层等 三静形式对镧装层蛇破坯影响。此终，还对室终嶷日大揆进行实耩静载试验，磅 究桥丽板结构及铺裟结构对铺装层的破坏影响。 2 。数值模拟分横 通过计算机仿真来模拟太量的结构试验，可以弥补试验数量的不足，本文利 用a n s y s 肖限元软l 牛，谯室内试验及室外试验的基础上，研究了镇装层材料剐 性、厚度、裂缝、缺陷、层间状态的改变及桥面板构造对铺装层的破坏影响。 3 。刚性桥面铺凝破坏机理分析 通过上述试验研究和数值模拱分析，得出一数刚性桥面镝装的破坏观律，并 据此对桥面铺装的设计和施工提供一些建议。 关键溺：轿瑟镳装；破坏袋鞫；试验研究；数值模拟；铺装设计 华南理t 大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ef l o u r i s h i n gd e v e l o p m e n to fh i g h w a ya n du r b a nt h r o u g hs t r e e ti no u rc o u n t r y , t h ea m o u n to fh i g h w a yb r i d g e sa n du r b a no v e r p a s s e sh a si n c r e a s e d ，w i t n e s s i n gt h a tt h e i m p r o v i n gt r a f f i ci n f r a s t r u c t u r e sa r ep l a y i n gam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nn a t i o n a l e c o n o m i cs e e d t i m e b u ta st h er a p i dg r o w t ho ft r a f f i cv o l u m ea n dq u a n t i t yo fh e a v y - d u t y v e h i c l e s ，p r o b l e m sa sc r a c k ，r u t ，d i s i n t e g r a t i o n ，a b s c i s s i o n ，a n de t c g r e a t l ya f f e c tt h es t a b i l i t y , s e c u r i t ya n da p p e a r a n c eo fb r i d g e s ，e s p e c i a l l yo c c u r r i n gm u c he a r l i e rt h a nt h e i rd e s i g n l i f e s p a n a c c o r d i n gt os p o ti n v e s t i g a t i o n ，r i g i db r i d g ep a v e m e n t d e s t r u c t i o n su s u a l l yh a v e s o m e t h i n gt od os t r u c t u r e ，p a v e m e n tt h i c k n e s s ，p a v e m e n tm a t e r i a l ，c o n s t r u c t i n go p e r a t i o no r a n yo t h e rv a r i o u sf a c t o r s 。t ot h o r o u g h l yu n d e r s t a n dt h ed e s t r u c t i n ge f l e e t sd u e t ot h e s ef a c t o r s ， t h i sp a p e rp r e s e n t sas t u d yo nt h ed e s t r u c t i o np r i n c i p l eo fr i g i db r i d g ep a v e m e n tc o n s t r u c t i o n w i t he x p e r i m e n t s ，a c t u a l l yb r i d g et e s t sa n dr e l a t i v en u m e r i cs i m u l a t i o na n a l y s i s ，e x p e c t i n gt o d i r e c ti t sd e s i g n i n ga n dc o n s t r u c t i o n w o r k sh a v ea c c o m p l i s h e da st h ef o l l o w i n g ： 1 e x p e r i m e n t a lg t u d yo nr i g i db r i d g ep a v e m e n td e s t r u c t i o na n a l y s i s t h el a be x p e r i m e n t sm a i n l yc o n c e m e dt h ee f f e c tb yt h r e ed e s t r u c t i o nm o d e s ，i n c l u d i n g e x i s t i n gc r a c k sa n df l a w si nt h ep a v e m e n t ，a n dt h eo c c u r r e n c eo fi n t e r l a y e r m o r e o v e r ，a d e a d - l o a d e db r i d g et e s tw a sl a u n c h e do nt h eo u t d o o rl i a n g k o ub r i d g et os t u d yt h ed e s t r u c t i o n e f f e c to f p a n e la n dp a v e m e n ts t r u c t u r e so nt h ep a v e m e n t 2 t h en u m e r i cs i m u l a t i o na m d y s i s p l e n t yo fs t r u c t u r et e s ts i m u l a t i o n sm a yc o m p e n s a t ef o rt h el a c ko fa c t u a lt e s t s b a s e do n l a be x p e r i m e n t sa n da c t u a lt e s t s ，a n s y sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ei sa l s ou t i l i z e di nt h i sp a p e r t os t u d yt h ed e s t r u c t i o nt op a v e m e n tc a u s e db yt h ec h a n g eo fm a t e r i a l s 、t h i c k n e s s 、c r a c k s a n df l a w si nt h ep a v e m e n t , t h eo c c u r r e n c eo f i n t e r l a y e ra n dp a n e lc o n s t r u c t i o n 3 d e s t r u c t i o na n a l y s i so f r i g i db r i d g ep a v e m e n t w i t he x p e r i m e n t sa n dn u m e r i cs i m u l a t i o na n a l y s i sd e s c r i b e da b o v e ，t h i sp a p e rg i v e s s o m ed e s t r u c t i o nr u l e so fr i g i dm d g ep a v e m e n tc o n s t r u c t i o n g r o u n d e df o rt h ec o n d u c t i n go f d e s i g na n dc o n s t r u c t i o n k e y w o r d ：b r i d g ep a v e m e n t ，d e s t r u c t i o ne f f e c t s ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，n u m e r i cs i m u l a t i o n ， p a v e m e n td e s i g n l l 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承担。 作者签名：可京京 日期：河年2 月，1 日 学位论文版权使用授权书 本学建论文终者完全了解学较有关豫整、绩震学绽论文酶超定，司惑 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 被查阂和信阚。本入授权华南理工大学可瑷将本学位论文的全部或部分内 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。 保密翻，在年然密蜃适震本授权警。 本学位论文属于 不缲密舀。 ( 请在以上相成方框内打“ ，”) 作者签名；即夺森 剥罐辄绷 尽嬲：埘年占月j lh 日期：吁年胄2 目 第一章绪论 第一章绪论 1 1问题的提出及研究的目的及意义 高速公路和城市快速路的迅猛发展，促使公路桥梁和城市立交桥的大量兴建， 由于我国各相关行业对桥梁结构及路面工程的施工比较重视，技术也已相当成熟。 但相对而言，桥面铺装这一三角地带常常被道路和桥梁工程师们忽视，桥面铺装 的设计与施工仍沿用传统的习惯做法，在进行桥梁结构设计时，对桥面铺装层一般 不作专门的计算分析。随着交通量和重型车辆的增加，桥面铺装过早破坏的情况 屡见不鲜，例如：苏格兰格拉斯哥市( c l a s g o w ) 京斯顿大桥( k i n g s t o nb r i d g e ) 建 成通车后，1 9 9 0 年出现桥面铺装破坏症状，但其车流量大，是全欧洲最繁忙的桥， 维修加固时无法关闭交通，修复投资大约为1 2 7 5 0 万美元，比建桥的2 2 5 0 万美元 高出了5 倍多。广东省佛开高速公路，开通不到两年，全线1 7 座大型桥梁竟有 1 4 座被迫返工维修，重新铺装桥面，耗费3 7 0 0 多万元“1 。汕头海湾大桥，桥面 铺装采用了6 c m 厚的钢纤维混凝土，通车后不久即发现裂缝，半年后开始重建“1 。 桥面铺装的过早破坏不仅影响了桥面的美观，妨碍了正常交通，更造成了重大的经 济损失。因此，有必要对桥面铺装的铺装材料、设计方法、破坏机理及施工技术 进行系统的研究。其结果将对减少桥面铺装病害的发生，预测其使用寿命，提高 桥面铺装的质量，减灾防灾等均具有非常现实的意义。 唾。2 国内外错究现状 我雹瑰行瘫蓖。1 审有关漉凝轿霭铺装层的嚣沦分掇尼乎楚空塞，寒绘爨馁 何设计威理论方面的攒导，仅仅根据施工中的些缀验，给出了一些厚度范围。 l 素枣政工程设诗襞豹方恚采蒜经过戮突谈必“1 零涎混凝耩瑟镶装瑟，实 质上魑支承在桥梁主体结构、桥面系、柔性防水层及其保护层上的弹性薄板。它 粒袁淀漏凝路嚣一襻，要承受重笈速趣瓣车辘黎羧秘大气夔潼滋薅月。它移承 泥混凝土路谳不同之处是路面支承在土基和基层上，其基础条件可用文克勒 ( e 。w i n k l e r ) 娥基_ 秘嚣性半空藤体趣纂来摸述，露这耱镶装艨豹支承条转赠与支承 铺装层的桥梁主体结构、桥丽系、莱性防水层等在受力下的变形特征有关。按照 较限状态设诗豹臻雯唾，将这耱援蘑镄装层遴萼亍承载力投疆状态窝垂豢傻】 l 援鼹状 态的计算后，褥出以下结论： 华南理工大学硕士学位论文 1 、按陔方法计算8 c m 、1 0 c m 厚水泥混凝土桥面铺装层在车辆荷载下的疲劳应 力，计入温度应力后的拉应力分别超过了混凝土的疲劳强度和抗折强度。这说明 过去所修的水泥混凝土桥面铺装层的厚度薄是导致破碎的主要原因。 2 、局部脱空使铺装层中的内力明显增大，因此合理地选用防水层及其保护层。 并精心施工使局部脱空控制在l m m 的范围内是至关重要的。 3 、柔性防水层上的水泥混凝土铺装层，只要厚度大于1 2 c m 并设由1 0 间距 1 0 l o o m 的双层钢筋网，可以不设缝。铺装层的用钢量为2 4 6 6 k g m 2 ；纵向配筋 率为o 7 6 、达到连续配筋混凝土路面保持完整无损配筋率为0 6 o 8 的要 求。不设缝的桥面铺装层的两条纵边，由于受缘石约束且行驶的车轮离开纵边达 至少2 0 3 0 c m ，因而不必特别加固。桥面铺装层两端的横边( 与桥面接缝相接的 部位) 可适当加固。桥面铺装层的四角，行车机会极小，也可不加固。不设缝使铺 装层的边角避开了行驶的车轮，既简化了结构又方便了行车。 器窳公路交逶大学王凌等聪爱粱体结掇豹线冀魏理论，对活载 擘磊下钢麓混 凝土桥水泥混凝士铺装层桥面铺装层内的弯曲正应力进行了分析。分析认为”： 褥霞镳装篡受疆嚣薮终憨窝主粱缝捣燧式影螭，其受力交形特铤蠢异予蛰遂瀑凝 土路面结构。桥面铺装层直接承受车辆轮载作用，在构造上和桥面板粘接在一起， 蕊转递溪载予辏覆板，又参与辑嚣扳熬受力。海分掇镳装爨瞧翡驽整正敷力，糕 作以下计算假定：( 1 ) 预应力混凝土主梁承受一期及二期恒载，即承担预应力混凝 粱矮敬重及= 麓瞧载静馋鼹；( 2 ) 逶载密主粱窝镳装层共鲻吞瞧，镳装爱逡戆蘩 载应力仅由活载而产生；( 3 ) 梁截面变形符合平截面假定：( 4 ) 所脊材料均处于弹 性工 乍状态；( 5 ) 主梁靼镶装羧之阚突全连续。经分板嚣箕褥鬟了以下几患结论： 1 、用梁体线弹性理论和懿加原理，求得了桥面铺装层内的应力计算公式。 用本文赝褥公式，能方便分掇桥匿镶装层( 尤其是负弯矩区) 是的成力，为镳装屡 内配筋掇供了参考依据。 2 、仅考虑活载应力，水泥漏凝桥恧铺装层厚度不宣小于8 c m 。 3 、计算分桥表明：铺装艨的施设，提高了桥梁上部结构的承载力，桥梁工程 上部设计忽略桥面铺装层截面影响的键算分柝对上部结构著乏说是镳安全的，然蔗 活载作用时，负弯矩酲铺装层所受拉威力较大，这会导致铺装层横向开裂。所以， 铺装层内应配箴适宜的钢筋网。 武汉工业大学卢褥安“3 等通过辩武黄黼速公路某桥涵桥面铺装层避行现场 静力及动力测试，研究了该桥涵的静力及动力性能及界面强度等问题。研究认为 藏黄公路耩涵上镳装瑟破坏不是由铺装层材料豹强菠不足引起的，可毹蹩粘结层 的强度不够导致的。疲劳问题由于条件所限，未能做桥涵的疲劳性试验。 谣蜜公路交通大掌公路学院张占攀，营东伟，胡长顺“3 通过对常见防永层材 料和层问结合料进行点剪试验，采用弹性层状体系理论对水泥混凝土桥沥青混凝 第一章绪论 土铺装层桥面层问剪应力进行了力学计算与分析，并结合防水层、平整度、施工 工艺和车辙指标的要求提出了桥面沥青铺装厚度的计算方法，在此研究基础上， 推荐了桥面铺装结构与厚度范围。 河北理工大学周建兵( h e b e iu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ，z h o uj i a n b i n ) 等 人提出了剪力破坏模型计算方法，同时提出了合理的铺装厚度”1 。 美国加州大学s a nd ie g o 分校的f s e i b l e 和c t l a t h a m 教授，在研究通过 在桥面板上加铺全厚式混凝土来恢复和提高旧桥面板的承载力的研究中，详细地 对钢筋混凝土桥面板上的铺装水泥混凝土铺装层进行了研究。研究主要集中在交 界面上，他们认为铺装层的破坏主要是因为铺装层的剥离。其研究的主要成果有： 1 、足尺标准试验“。 为了模拟旧桥面板的加铺，特意从离f r e s o 以南4 1 公里的加州4 l 号州际高 速公路上的一座三跨连续t 梁桥中，取出一段6 0 英尺长，1 2 英尺宽( 1 8 3 3 7 m ) 的梁，送到加州s a nd i e g o 大学的c h a r l e sl e ep o w e l l 结构系统试验室进行测试。 2 、根据试验结果和试验现象，两位教授认为桥面板铺装层是处于非线性滑动和弯 曲的，并发展了夹层非线性滑动和弯曲模型，将这一模型用于桥面铺装层的分析， 试验证明是可行的。 3 、推荐出桥面铺装层的设计方法“。 广东省公路管理局罗立峰、钟鸣、黄成造等人开发出适合混凝土桥桥面铺装 的镶装材料一镪绥维增强聚合物改往浚凝土( s t e e lf i b e rr e i n f o r c e da n d p o l y m e rm o d i f i e dc o n c r e t e ，s f r p m c ) ，并根据试验研究、数值分析及结构的线 弹性理论，考虑挢磷镑装层躲功能要求，对铺装骚的受力状况逆行了端饯共提波 了若干假定。在此基础上，提出以梁板体的最大驽矩为基础，以桥面铺装开裂及 剥离为控制指拯的水泥混凝桥面镳装设计方法“。 缴上所述，目前国内外时桥面铺装的研究均偏重于应用及材料方面，而且带 有很大的局限性，这赎研究没有考虑桥梁的结构体系影响，没有定量地考虑各萃申 影晌谶素，嚣没有涉及其机理，这对以后的深入研究及其推广应用受到较大的限 制。因此，有必要对桥面铺装的破坏机理进行系统的研究。 1 3 本文研究思路及研究内容 通过现场调查发现，刚性桥面铺装的破坏原因与桥梁结构、铺装层厚度及镳 装材料及铺装施工等多静因寨有关。 l 。桥梁结构设计原因 ( 1 ) 淹着交通量鹣增大，爨鍪、怒重型汽车的攒多，挢粱在结构设计方瑟应律搦 相应的调整，但事实匕没有，从而使得梁板体刚度相应减小，在行车荷鼗作用下 3 华南理工大学硕士学位论文 变形增大。作为依附于梁板体之上的桥面铺装层随之也发生较大的协同变形，当 这一变形超出铺装层所能承受的极限时，即发生破坏，出现裂缝。如空心板空心 顶部，板间连接处；t 梁翼板连接处及翼板端部，箱梁箱室顶板中部等。 ( 2 ) 现行桥规第3 2 2 条规定：如无精确的计算方法，箱形梁也可参照t 形梁 的规定处理。从众多箱梁的设计来看，大部分设计者对箱梁构件是按t 型梁进行处 理的。而箱梁的实际受力虽有近于t 粱的一面，又有异于t 梁的一面，对于连续箱 梁差别更大。尤其是近年来箱梁的桥面越来越宽，桥跨与桥宽之比越来越小，箱梁 仍按t 梁那种长细杆件设计配筋，就越来越不适宜了，导致按t 梁设计的箱梁骨架 钢筋在实际受力状态下难以像t 梁主筋那样发挥应有的作用。设计的假设状态与 箱梁的实际受力状态不一致是桥面产生病害的一个重要原因。 ( 3 ) 随着材料工业的发展，桥梁承重结构的改进，使桥梁主梁能以较柔的结构达 到受力的要求，大跨度桥梁的横向越来越宽，特别在设计计算中侧重于主梁纵向的 计算分析，对桥梁横向刚度重视不足，横向构造措施不利使桥面铺装分担了过多的 次内力。 2 。掭蘧铺装设诗原霞 桥梁的结构理论中对桥面铺装层的计算分析论述几近于零，现行规范中只给 定了霉发豹提荐篷，传统熬浚诗壤念楚：辑瑟镳装不参予结稳受力，设诗对，廷是穰 据经验采用6 l o c m 的厚度，混凝土标号为c 2 5 c 3 5 ，钢筋仅作为构造钢筋，而不 蹩终鸯受力镌憝来配置，整径一般鸯6 l o m m ，弼闻燕巍1 5 e m 1 5 e m 2 0 c m 2 0 c m 。 但实际上桥面铺装参于受力，承担着由于梁檄体正常变形时所引起的各种受力。 3 。镳装毒季辩爨霆 在水泥混凝土桥面铺装材料方面，没有淀意桥酾铺装烧一种功能性罩丽而非 结棱性犟瑟兹要求，只追求强凄，露在钢瞧、诤毒、及变形往戆方嚣搽索较少。 大多数水泥混凝土桥撷铺装对铺装材料的要求与梁板体的没什么两样，只是在强 度上要求赢一个等级。 4 施工原因”“ ( 1 ) 原材料餍量控制不严。耩蘑铺装漫凝士一般巍行车邋扳受标号或大一标号， 艇为防水混凝士，应有较好的耐磨性，选材必须严格把关。水泥的安定性差，骨料不 干净、食泥量大，细集料太细等均可影响混凝质量，造成援露开裂、露骨、霆簸， 在车辆荷载作溺下会产生比较严重的破损。 ( 2 ) 铺装层与行车道板的熬结不好。旌工肇位在预制行车道扳时未按设计要求 将板顶秘槽或利毛，板顶混凝主浮浆多，在施工桥面铺装时未彻底凿毛，板顶冲洗的 不彻底，造成铺装层与行车道板结合茇，有“空鼓”现象，在车辆赫载黪潍击作用下，桥 褥铺装狠容易破坏。秦皇岛市桥面铺装破损的桥梁，桥面铺装和行车道板均为两淫 皮。 4 第一章绪论 ( 3 ) 混凝土铺装层厚度不足。在施工过程中，由于预制梁板偏高，预应力张拉引 起反拱等原因，安装梁板后致使梁顶标高偏高，为保证设计标高，铺装层厚度变薄使 得钢筋网上下保护层不够，强度严重不足而发生破损，严重时出现露筋现象。 ( 4 ) 钢筋网的放置。钢筋网在施工时往往全桥绑扎，然后用垫块将钢筋挚起，垫 块布置不均，问距较大，混凝土浇注时，未安设计位置调整钢筋网，使部分钢筋网紧 贴行车道板，沉到铺装底部，钢筋网起不了它应有的作用，桥面铺装就极易破坏。 ( 5 ) 混凝土养生不及时，交通管制不严。混凝士的质量对铺装层来说是至关重要 的，混凝土配合比选用的不好，水灰比偏大，干缩性大，混凝土极易产生收缩裂缝。未 按规定要求进行养生及交通管制，桥面铺装浇注完后养生不及时，在混凝土尚未达 到设计强度时及开放交通，造成桥面铺装大面积破坏。 为了吴体了勰备耱因素对锈瑟链装翁羧嚣 摹蠲，本文获室内试验、室羚实轿 试验及相应的数值模拟分析等方面进行深入研究，以期探明桥面铺装的破坏机理， 麓援露镶装茨设计秘蓬工撼供捂导。其钵突戎了瑷下足方露戆工幸挈： 1 桥面铺装破坏分析的试验研究 塞疼试验主要考虑镶装层痰存在裂缝、缺陷及撬瑟投与镶装层睡蹬疆夹层等 三种形式对铺装层的破坏影响。此外，还对室外良口大桥进行实桥静载试验，研 突揆露扳槐逡及镪装缝梭霹镶装层瓣破蓼影响。 2 数值模拟分析 遁过计舞枧仿真褒模揆大量静缝褥试验，荻弥羚试验数量懿不是，本文利 用a n s y s 商限元软件，在室内试验及室外试验的基础上，研究了铺装层材料刚 性、孵度、裂缝、缺赡、层阅状态的变化及橇强叛麴造对镶装层戆破螺影响。 3 桥面铺装破坏机理分析 通过上撼试验研究和数值模拟分振，褥出一然桥匿镳装的破坏煺镎，并攒鼗 对桥蕊铺装的设计和施工提供一些建议。 华南理工人学硕士学位论文 第二章桥面铺装室内试验研究 在以往对桥面铺装的受力分析中，都是把铺装层看作一个完好的、无任何缺 陷的弹性薄板，并且认为桥面板与铺装层间的粘结良好，将二者视为一个统一的 整体进行分析。实际上，这只是一种理想状态，在现场施工时，铺装层及层间状 态受很多因素影响，譬如铺装前桥面板表面的微裂缝未完全除尽；桥面板的清洁 工作不足，留有松散砼及其他异物；铺装中混凝土震动不密实留下空洞( 缺陷) 以及桥面板表面留有薄层水泥浮浆等，这些施工方面的因素均会对各种荷载作用 下的铺装层产生影响。本章在室内试验的基础上，研究铺装层内存在裂缝、缺陷 及桥面板与铺装层问存在夹层等情况下对铺装层影响。 2 1 试验内容 裂缝、缺陷位于铺装层层底中心时对铺装层破坏影响最大，但通过下一章的 蠢蔽元分援霹翔，裂缝、缺錾链子跨中截嚣镳装层艨瘫对，簿载会孳| 趁严蓬鼢瘦 力集中现象。为了减小康力集中效应，减少误差，需将裂缝及缺陷放置在试件3 8 横截瑟懿镳装爨屡底鲶。 本帮具体的试验内容包括以下方面：( 1 ) 铺装层与桥面板粘结究好，铺装层材 辩分别为普逶涎凝及钢纤维壤强聚合物改性混凝主，共2 缝楗糕，每缝滚箨3 个；( 2 ) 铺装层内存在裂缝时，假定裂缝为贯穿类型，底部宽为l o m m ，高度h 范 阑分剽鞭0 1 i t 、0 3 h 、0 。5 珏( 镶装层黠度嚣= 0 。0 4 m ) ，放置德萋分别炎试搏戆跨中 谶面及3 8 截荫，共6 组尺寸，每组试件3 个；( 3 ) 铺装层内存在半球缺陷时，半 球半径r 分别取0 。1 h 、0 ，3 h 、0 5 t ，放置位置分裂为试l 牛的踌中截藤及3 8 截瑟， 共6 组尺寸，每组试件3 个；( 4 ) 铺装层与桥面板间存在夹层，1 缎试件，每组试 传3 个；按4 5 根试停。 2 。2 试件的制作及养护 2 。2 。1 试验原材料 1 、水淀 试骢用水泥为3 2 5 普通碱酸盐水泥，广州石井水泥厂生产，其物理性能实测 6 第二章桥面铺装室内试验研究 结果如表2 - 1 所示。 表2 - i3 2 ，5 普通石丰酸盐水泥物理性能 t a b 2 - 1p h y s i c a lp r o p e r t i e so f 3 2 5c e m e n t 凝结时间抗压强度抗折强度 细度 比重史疋任 ( m i n ) ( m p a )( m p a ) ( 0 0 8 m m 筛余)( g c m 3 ) 初凝终凝 ( 沸煮法) r 3r 2 8r 3r 2 8 3 8 3 12 1 2 2 8 0合格 3 1 3 5 9 25 68 3 2 、砂 采用河砂，砂的级配和绷度模数如表2 2 ，根据细度模数可确定砂属中砂。 表2 - 2 河砂物理性能 t a b 2 2p h y s i c a lp r o p e r t i e so f s a n d 表规密度( g c m 3 )堆积密( k g m 3 )空隙翠( ) 禽泥量( )细发模数m x 2 6 5 1 4 0 04 7 2 l2 8 3 、秘石 聚用人工轧制花岗岩碎石，其中石料的级配如袭2 - - 3 所示。 表2 - 3 碎石缀配 t a b 2 3g r a d e db r o k e ns t o n e 终石粒径 l 2 。5 m ml 2 5 5 m m 5 一1 0 m r al o 1 5 薅m1 5 2 0 r a m 质最百分比l2 5l 2 5 5 04 05 4 、钢纤维 选用上海青浦商榻金璃纤维厂斑产的j ! h 曲型铜纤维，该纤维抗拉强度不小于 7 5 5 m p a ，长度3 。2 c m ，警效直径0 。6 9 n m l ，长撩魄为4 6 。 5 、乳胶 融期夫公司s t y r o f a ns d6 2 2 s 飘胶，怒一秘特殊设计蜓改性羧基t 港乳黢， 专用于配制聚合物改性水泥砂浆，l ；l 下称为b s f 乳胶。其特性指标见表2 - 4 。b s f 乳胶是专用于配制聚念物改性水泥砂浆，所以不用掺入消泡剂。 表2 - 4 b s f 乳胶特性捃栎 t a b 2 - 4t y p i c a lp r o p e r t i e so fs t y r o f a ns d6 2 2 s 项目指标 固体含量 4 7 p h 值 9 5 粘度( b r o o k i f i e l dl v ts p i n d l e # 2 ，3 0r p m )3 0 m p a s 华南理工大学硕士学位论文 2 2 2 试验配合比方案 试件下层模拟桥面板，采用普通混凝土；试件上层模拟铺装层，采用钢纤维 增强聚合物改性混凝土材料。 1 、混凝土基准配合比 水泥：砂：碎石：水= l ：1 8 2 ：2 2 3 ：0 4 4 2 、钢纤维增强聚合物改性混凝土配合比 水泥：砂：石：水：减水剂= 4 3 2 ：7 8 8 ：9 6 2 ：1 9 0 ：2 3 0 4 其中：聚灰比是乳胶胶量与水泥蕈量之比，采用5 ；纤维比是钢纤维与水泥混凝十体积之比，选用1 0 。 2 2 3 试验豹制作及养护 试件裁作：淫凝试侔尺寸为1 0 0 xt 0 0 5 1 5 m m ，采用两次成型的方法，先 制作下层1 0 0 x 6 0 x5 1 5 m m 的试块，采用普通混凝土材料；养护l d 后再进行上层 试箨i 0 0 4 0 5 】5 m m 蔚浇筑，采焉诵纤维增强聚合秘灞凝土材籽；在递彳亍土层浇 筑之前，先在下层试块中心放鬣木块、乒乓球及牛皮纸等分别模拟铺装层内裂缝、 疑陪及夹层匏襻在，获成壅4 5 箨试祥。试髂藏登爱，穆其蔽入养护室内，在温度 2 0 3 下养护2 4 小时后脱模，先在水中养护至3 d ，后在空气中养护至2 8 d 龄期 ( t 罄1 0 0 x 6 0 5 1 5 m m 部分程灞漫郅境孛) 。 第二章桥面铺装室内试验研究 9 华南理工大学硕十学位论文 2 3 试验方法 图2 - 1 试验过程中的照片 f i g 2 - 1p h o t o c sd u r i n gt e s t 混凝撬援强瘦试验按公路工程东漉湿凝主试验蕊程( j t j0 5 2 9 7 ，t 0 5 2 0 9 7 ) “”执行。混凝土试验般采用混凝士应变片来测定小粱的应交，但由 予滋凝主应交靖兹宽庭大致套5 m m 左右，怒爨计算蘩求靛耩度，爨魏，奉次试验 无法采用应变片，而采用了数字图象相关分析法来测定试件的应变。 数譬餮象耀关方法楚撵遴过毙毫摄像掇褥餐俸炎影兹掰熬鎏蒙( 夯鄯漱斑) 转换成数字图魏，由计算机作相关运算，找出两幅数字图象之间的细微差别，从 露浏密貔体瓣缎移、建变等繁惠“。基本愚怒裁燕在交形麓戆嚣黎鬟x ，y ) 中选取 一个子区( 一般为矩影) ，利用子区中的散溅灰度信息，襁变形后的图象g ( x ，y ) 中寻找其翳对藏夔使鬟，鼓甏获褥子嚣位置蠲影状瓣交耽。嚣此穰关诗算蓠惫嚣 找到一组适合的变量来表征变形前后图象中子区的能移和变形，然后建立一个衡 蠡图象榴 蛙戆数学振凇，毁姥判叛在强象g ( x ，y ) 中黪令子嚣域是孬与f ( x ，y ) 中绘 定的区域对应，最后通过一种高效的搜索算法，迭代求解获得分析对象的位移和 应变m j 。 1 0 第二章桥面铺装室内试验研究 y p 兔 蜘 野 囤2 2 予区辨运动和变形 f i g 2 - 2s p o t sa n dd e f o r m a t i o no f t h e s u bd i s t r i c t 仪器设螽：抗辑试验枫为电予万能材料试验搬，型譬为i n s t r o n5 5 6 7 ： 摄像机为s o n yd s c f 7 1 7 ，分辨率为2 5 6 0 1 9 2 0 ； 抗折试验装置：三分虑处双点加荷滤凝抗攒强度试验装鼹； 其体装疆见图2 3 ： 图2 - 3 抗折试验 f i g 。2 - 3f l e x u r a tt e s t 华南理t 大学硕士学位论文 2 4 试验结果与分析 2 4 1 s f r p m c 与p c 铺装材料对比 图2 - 4 a ) 为铺装层材料s f r p m c 的三根试件的荷载挠度曲线，三曲线重合性 不够好，有一根试件的最大荷载值与其它两根试件的最大荷载值相差较远，可能 是由于试件制作时混凝土振捣不均衡，导致混凝土强度高低不一，故剔去此值； 图2 4 b ) 为铺装层材料为p c 试件的荷载挠度曲线，三曲线重合性较好。 晷 5 萋4 v 3 蓑。 1 0 r 二s f 丽丽1 二面r 耐：面二。惭司 - - p c u 0 1 - - p c - 0 27 一p c - 0 3 一一6r 一一。一 挠度( m ) 5 主4 3 錾。 1 o 12 3 4 挠度( m ) a ) b ) 圈2 - 4 荷载挠度曲线圈( a 幽中铺装屡材辩为s f r p m c ：b 图中镳装层材料为p c ) f i g 2 4l o a d d e f l e c t i o nc u r v e so fs a m p l e s 7 5 喜t - n i 瀑3 禧2 l o l= 篓二登跫墼l 羹 绷 l i ； k ，o o1234 捷震( 舯) 图2 - 5 铺装层材料分别为s f r p m c 和p c 的荷载挠魔曲线对比图 f i g 。2 5c o m p a r i s o no f l o a d d e f l e c t i o nc u r v e sw h e np a v e m e n tm a t e r i a li sd i f f e r e n t 圈2 5 是铺靛层材料分别为处理詹的s f r p m c 和p c 的荷载挠艘曲线对比图。 熬中琵篆鼗线戆最大楚羧霞稳菠不大，绦1 k n ，稳浇p e ，s f r p m c 提裹了约2 0 ，说明钢纤维聚合物对混凝七的静态力学性能有较大的改酱和提商。 2 第二章桥面铺装室内试验研究 图2 5 中两条曲线经过最高点后下降的幅度不同，说明在出现裂缝后的时间 段里，两种铺装层材料对试件的影响不一样。铺装层材料为p c 的试件，在裂缝 出现后荷载迅速跌至0 1 k n ，之后在短短几分钟之内试件就断裂；而铺装层材料 为s f r p m c 的试件，在裂缝出现后荷载虽降至o 5 k n 附近，但其后相当长的一 段时间内，裂缝在铺装层内的发展非常缓慢，几个小时试件都没有断裂；说明钢 纤维增强聚合物改性混凝土相比普通混凝土具有良好的抗裂性。也就是说，采用 s f r p m c 材料作铺装层，不但可以提高铺装层本身的各方面性能，还可以提高桥 梁结构本身的承载力。该方面的性能还可参考图2 1 9 。 2 4 2 铺装层内存在裂缝状况的结果与分析 2 4 2 1 裂缝高度、位置不嗣时的葡载挠度曲线 5 4 善3 糕2 埠l 0 ： 喜。4 嚣； 0 7 6 瓮5 尊4 鞯3 耀2 l o 一“h“1v。一一 l h i 一0 1 h l “。0 2 h l 一0 3 01 挠壁( m m ) 340 ( a ) 5 挠度( ) 1 0 1 5 ( b ) 图2 - 6 裂缝越度为h l 孵的萄载挠度鲤线圈 f i g 2 6 l o a d - d e f l e c t i o nc u r v e sw h e nc r a c kh i g h ti sh l ( 其中：a 图中裂缝位于3 8 截嚣；h 匿中裂缝位予跨中截薤) o 6 5 耋4 v 3 篓z 1 三亘亟二j 逝 三夏姻 一 1 l 、 、k 。乡。 i 。5 华南理下大学硕士学位论文 6 5 蚕4 v 3 藿z l o ：二堂塑二j 弛l 二堡0 3 州 _ ，伏 一 0l2345 挠度( m ) ： 童。4 篓： 0 h 5 0 l h 5 0 2h 5 0 3 4 ， 芷 0 i 舡 j ，v 【 7 246 挠度( r r a n ) ( a )( b ) 图2 - 8 裂缝高度为h 5 时的荷载挠度曲线图 f i g 2 - 8 l o a d d e f l e c t i o nc u r v e sw h e nc r a c kh i g h ti sh 5 ( 其中：a 图中裂缝何于3 8 截面；b 图中裂缝位于跨中截面) 图2 - 6 2 8 中每组曲线的重合性均不够好，这可能是由于试件的加载面不够 平整，使得加载时出现一些初始位移引起的，但它对试件的最大荷载值影响不大； 图中显示每组三条曲线的最大荷载值都很接近，说明各组试件就荷载值来讲其重 复性均可接受。 2 。g 2 2 裂缝尖端点应变值 根据数字图象相关分析法，将所拍的荷裁分剐为0 k n 殿4 k n 时的两张照片 进行对比分析，得出如表2 5 所示的裂缝高度及位置不同时备裂缝尖端点的成变值。 表2 - 5 裂缝高度及位鬣不同时锫裂缝尖端点的应凌值 t a b 2 - 5n o r m a ls t r a i no f c r a c kt i pw h e nh e i g h ta n dp o s i t i o no f c r a c ki sd i f f e r e n t 裂缝高发 3 8 截瑶 跨中截面 h 12 9 o2 6 72 5 7 - 5 8 6- 6 7 。2s 5 4 h 35 7 36 2 95 5 。o- i 3 0 41 4 2 1，1 4 5 2 h 57 8 5 - 7 1 2 6 7 11 6 1 11 7 2 81 6 8 4 将寝中静每组试彳警应交毽取均毽，绘镧成应交麓裂缝黼菠变纯馥线圈2 - 9 和 图2 1 0 。图2 - 9 显示，铺装层内不存在裂缝时，理论曲线与实测曲线基本平行， 褶差不大，说鞠试验绥累可倍，萁嫠瘸可能跫由予试验中翔载头及两端支座的弱 部变形所造成的。对比铺装层内有无裂缝两种状况下的实测曲线，可知裂缝位于 3 8 截瓣对，裂缝尖蟪存在庭力集中现象，藏随着凝缝高旋的增大，裂缝尖端疆 应力近似呈线性增大：应力与裂缝高度的关系如式( 2 - 1 ) 所示： 吒。- - 8 2 7 5 2 而一o 5 7 5( 2 ，1 ) 式中：吒表示裂缝尖端正应力值( m p a ) ：h 为裂缝的高度( m ) 。 1 4 第二章桥面铺装室内试验研究 o 一2 0 制一4 0 趟 器一6 0 8 0 一1 0 0 完好( 理论值) 存在裂缝( 实测值) 线性( 完好( 实测值) ) - 完好( 实测值) 一线性( 完好( 理沦值) ) 一线性( 存在裂缝( 实测值) ) 裂缝高度 图2 - 9 裂缝位于3 8 横截面时应变与裂缝高度糍化曲线 f i g ，2 - 9c h a n g eo f n o r m a ls t r a i no f c r a c kt i p w i t hc h a n g eo fc r a c kh e i g h tw h e nc r a c kl i e si nt h e3 8c r o s ss e c t i o n 一n。-、。，11111。一一。一一 ，究好( 理论蕴)宪好 - =一一 裂缝高魔( m ) 2 5 鹭2 1 0 裂缝僚予跨申截蟊对应变与裂缝高度变化曲线 f i g 2 1 0c h a n g eo f n o r m a ls t r a i no f c r a c kt i p w i t hc h a n g eo f c r a e kh e i g h tw h e nc r a c kl i e si nt h em i d d l ec l o g ss e c t i o n 图2 1 0 也显示了相同的规律，对比铺装层内有无裂缝两种状况下的实测蟪 线，霹躲裂缝裂缝位予跨孛截露露，裂缝尖端存农应力集中现象，且随精裂缝精 度的增大，裂缝尖端正应力近似呈线性增大；应力与裂缝高度的关系如式( 2 - 2 ) 1 5 0的褥嚣如 一 一 一 一 1 o 1 1 o 粼落糕 华南理工大学硕士学位论文 所示 盯：2 - - 1 9 4 4 一1 3 0 4 ( 2 - 2 ) 式中：吒表示裂缝尖端正应力值( m p a ) ：h 为裂缝的高度( m ) 。 对比式( 2 - 1 ) 、式( 2 - 2 ) 可知，在裂缝高度相同的条件下，裂缝位于跨中截 面时的尖端应变值比裂缝位于3 8 横截面时的尖端应变值大，这说明裂缝对铺装 层的危害与其所处的位置有关，即裂缝愈接近弯矩较大的位置，对桥面铺装层的 危害性愈大。 2 4 3 铺装层内存在缺陷状况的结果与分析 2 。4 。3 ， 缺陷半径、位豢不雨辩豹蔫载挠度鞠线 6 5 主4 v 3 蓬。 1 0 6 5 墓4 v 3 溪。 t 0 三j 酉= 夏至三五词 ： 墓4 囊： l 0 - - r l - 0 1 三三二三画匠 。1 2 挠岔( ) 4 56 o1 2 挠酽( ) 4 5 6 ( 辞( b ) 圈2 1 1 半球半径为r 】时的荷载挠度曲线剧 f i g 。2 11l o a d * d e f l e c t i o nc u r v e sw h e nf i a wr a d i u si sr t ( 其中：a 圈中半球位于3 8 截面；b 图中半球位于跨中截面) l23 挠度( m ) 6 5 主4 3 饕z l 0 l23 挠度( m ) ( a )( b ) 黼2 - 1 2 半球卜经为r 3 时的荷载挠度曲线圈 f i g 2 - 1 2l o a d - d e f l e c t i o nc u r v e sw h e nf l a wr a d i u si sr 3 ( 其中