第一章 绪论
1.1 研究背景
我国大跨径钢箱梁桥的修建是始于九十年代，建桥初期，箱梁桥的病害发生频繁且对道路的交通运输功能产生了一系列不利影响，因此国内研究者展开了一系列对钢箱梁桥的铺装材料和技术的研究工作。钢箱梁桥的抗风稳定性能比其他材质的桥梁要好，重量相对来说轻，工厂的统一生产制造能保证其质量，安装方便，制造工期短。因此，大型桥梁中均广泛采用钢箱梁桥。钢桥面铺装层，是桥梁上部主题结构至关重要的组成部分，将车轮的集中荷载分散，起到保护桥面板的作用，同时阻止雨水直接冲刷钢桥面板，保护主梁不锈蚀，常见的是水泥混凝土、沥青混凝土或高分子聚合物等材料铺筑的保护层。钢桥面板铺装质量的好坏，对于桥梁建成后在运营期间行车的安全性、舒适性和美观性都起着至关重要的作用。桥面铺装跟一般的公路沥青混凝土路面不同，混凝土路面铺设在土基上的，而桥面铺装是直接铺设在钢桥面板上，要直接承受车轮荷载的压力、动荷载的冲击和横向剪切作用[1]。此外，桥面铺装材料的防水性能要好，从而防止雨水和车辆产生的有害物质，渗透并侵蚀桥梁的上部结构。由于我国早期修建的大跨度钢箱梁桥，钢箱梁顶板厚度均采用的是 12mm，在通车后不久，钢桥面铺装接二连三出现不同程度损坏。由于钢板太薄，刚桥跨径大，造成铺装层的整体刚度低，钢板由 U 形加劲肋和横隔板共同支撑，分散钢板承受的车辆荷载，但加劲肋顶部以及横隔板上方会产生应力集中现象，造成的负弯矩是引起桥面铺装加速破坏的主要原因。同时钢桥面板的柔度大，应力状态复杂，钢板与铺装材料之间的刚度系数、膨胀系数都存在较大的差异，这些差异将导致铺装层受在外荷载作用下产生过大的应力与变形，严重危害桥梁结构安全，影响了车辆的行驶舒适性和安全性，维修时还会耗费大量的资金并且严重影响日常交通，造成恶劣影响[2]。并且，钢箱梁桥通常铺设在跨江、跨河区域，所处地区的湿度大、昼夜温差大，冬季温度和夏季温度相差甚远，钢箱梁材料的温度传感性能好，容易受到外界环境温度变化的影响。大跨径的钢箱梁桥结构多为封闭式的，冬季的最低温度可能在-10℃一下，而在夏季钢板表面的温度可超过 70℃，铺装层的温度也因此受到显著的影响，在高温或者极低温的情况下，钢板良好的导热性将导致铺装材料的温度随之变化，但由于膨胀系数不一样，热胀冷缩的变形也就不一致，从而导致铺装材料无法适应钢板变形的变化，是粘结层之间产生较大的拉应力，致使铺装材料的破坏[3]。
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1.2 国内外的研究现状
在大跨径钢箱梁桥的建设中，桥面铺装体系是关键技术之一，而国外大跨径钢箱梁桥建设已有较长的历史，较早的发展对钢桥面铺装技术的研究，研究的过程中已经有不少的经验积累，德国是世界上最早研究和实践钢桥面铺装的国家，随后也相继开展了这方面的研究工作的国家有法国、日本、英国、美国等，虽然少数国家还制定了相关的技术规程，比如德国、日本等，但是到目前为止还没有一套成熟的普遍使用的结构模式和设计方法适合世界各国使用。各个国家的钢桥面铺装一般均采用沥青混凝土铺装，在国外应用较多的目前主要由以下几种类型：（1）双层 SMA 铺装体系；（2）高温拌和浇筑式沥青混凝土+SMA 铺装体系；（3）双层环氧沥青混凝土铺装体系[7]。目前，对于浇注式沥青混凝土的使用，日本用做钢桥面铺装层的次数是最多的，尾道大桥（1967 年）的铺装层是日本最早的浇筑式沥青混凝土结构，后面的幌向川桥（1983 年）、横滨湾大桥（1989 年）以及著名的明石海峡大桥（1998 年）和多多罗大桥（1999 年）都使用了 65 mm～80 mm 的浇注式沥青混合料作为铺装结构。美国最早开始使用环氧沥青混凝土铺装结构，1967 年美国的 San Mateo桥首次将环氧沥青混凝土用于钢桥面铺装层，之后在美国得到了广泛的应用[8]。日本、加拿大、荷兰和澳大利亚也先后做了相关研究，并在钢桥面铺装中使用。而改性沥青 SMA 作为桥面铺装结构，是我国自行研发的适合国内综合因素的解决大跨径钢桥面铺装的成套技术，在国内大跨径钢桥面铺装中应用的较为广泛。在 20 世纪 80 年代，我国展开了钢桥面铺装的研究与应用，最初是以氯丁橡胶改性沥青密级配沥青混凝土作为铺砖层材料，粘结层为环氧煤焦油，此后又研究出复核改性沥青，成分是聚乙烯和废胶粉。同时，为解决桥面铺装的推拥、车辙等病害问题，在钢板上焊接钢筋网或在混凝土层间铺设钢筋网。我国国民经济的快速发展带动了桥梁的发展，在 20 世纪 90 年代中期大跨径桥开始大量修建，再次阶段，我国也系统地发展和研究了钢桥面铺装技术，1995 年开始钢桥面铺 装专项工程标志着我国钢桥面铺装技术的开端。初期阶段，我国钢桥面铺装技术体系还不成熟，主要引进先进的国外钢桥面铺装技术，通过主要的性能指标、试验方法、桥面铺装的基本受力分析方法，初步了解桥面铺装的适用条件，再投入到实际工程中，方法在虎门大桥铺装、西陵长江大桥铺装等的研究当中得到了主要体现。
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第二章 典型钢桥面铺装及病害分析
钢桥面铺装与直接铺设在土基上的路面结构铺装层不同，它是直接铺设在正交异性钢桥面板上的。钢桥面板是由钢板及其下面的纵向腹板、横向隔板、纵向加劲肋等组成的行车道板，是正交异性结构[19]。通常情况下，钢桥面铺装结构的破坏都是先于路面结构的破坏，特别是在大型桥梁上尤为明显，通车后的几年时间里陆续发生破坏。并且，由于桥梁基本处于交通要道上，其维修造成的社会影响和经济损失甚为严重。
2.1 钢箱梁桥对铺装层的性能要求
钢箱梁桥面铺装较水泥混凝土铺装结构而言，具有质量轻、施工快、质量好等优点，它的使用也是较为频繁。下面是钢箱梁桥对桥面铺装材料的性能要求[20]。① 桥面铺装是供车辆行驶，因此，要求钢桥面铺装平整度高、粗糙抗滑性能好来保证行车舒适性和安全性。② 钢板在水和空气的作用下容易锈蚀，因此钢桥面铺装需具有良好的防水防腐性能，防止钢板因接触空气、雨水及其他腐蚀性物质而发生锈烛，同时也可以保证钢桥面铺装的耐久性能，因此，钢板上层的铺装材料必须具有良好的密水性能，层间涂刷防水粘结层材料，防止雨水的侵蚀。③ 钢桥面铺装需具备完善的防排水系统，防水系统包含两个方面的内容：桥面铺装层内部的排水系统，铺装材料表面的排水系统，防止雨水堆积，对桥面造成损害以延长钢桥面铺装的使用寿命。④ 由于钢桥面板是正交异性板桥面系，在车辆荷载的作用下会有较为复杂的应力和变形，因此为了缓解钢桥面铺装在车辆荷载的反复作用下产生开裂，要求桥面铺装层具备抗疲劳开裂性。⑤ 由于钢板吸热和传热快，在高温环境下，钢桥面板的温度高，钢板将热量传递给铺装层，使钢桥面铺装层比普通路面和其他桥面铺装的温度要高，要求钢桥面铺装层具有更高的热稳性，提高抗车辙性能，延缓发生车辙、拥包等病害。⑥ 钢箱梁桥的跨径通常比较大，钢板柔性大刚度低，在反复的车辆荷载作用下，会产生较大的竖向位移，在低温环境下，要求桥面铺装层能追随钢桥面的变形，以防止桥面铺装层将开裂破坏。
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2.2 高温拌合浇筑式沥青混合料+SMA 铺装结构
高温拌合浇注式沥青混凝土（Guss asphalt）是指在高温下拌和，拌和温度在220℃~260℃之间，混合料无须碾压，依靠其自流动性摊铺成型，是一种空隙率小于 1%、沥青含量高、矿粉含量高的沥青混合料，浇筑式沥青混凝土结合料的原材料包括普通沥青或改性沥青、沥青 TLA 或是两者的混合(一般 TLA25~30%)，以石灰石作为细集料(<2mm)，玄武岩碎石为粗集料。浇筑式沥青混凝土起源于二十世纪五十年代德国，推广到日本，得到广泛应用[21]。浇筑式沥青混凝土是悬浮密实结构，通常在钢桥面铺装层中作为下面层，在重载下，把浇筑式沥青混凝土作为基层，面层铺改性沥青混凝。摊铺浇筑式沥青混凝土，在其表面上撒布石屑，把石屑用轻型碾压机压入热沥青混凝土表面，嵌入的石屑可以提高铺装层的力学性能和层间稳定性。浇筑式沥青混凝土桥面铺装在建设初期成本较高，但其寿命周期长，有优良的路用性能，比普通铺装材料更具有选择优越性。
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第三章 GFRP 薄板与铺装材料 ........18
3.1 GFRP 的制作工艺和材料性能.............18
3.2 环氧树脂砂浆 .....23
3.2.1 环氧砂浆的性能..... 23
3.2.2 环氧树脂砂浆和 GFRP 薄板的粘结 ............ 23
3.2.3 环氧树脂砂浆与沥青混凝土的粘结........... 24#p#分页标题#e#
3.3 铺装材料和结构 ..............25
第四章 钢桥面铺装有限元建模及力学响应 .........27
4.1 有限元方法 .........27
4.2 模型的建立及基本参数..............30
4.3 铺装结构的力学指标及最不利荷位......31
4.3 桥面铺装的受力 .............33
4.4 车辆在桥面上匀速行驶..............35
4.5 车辆在桥面上紧急制动..............42
第五章 环氧砂浆层参数变化的影响分析...........49
5.1 环氧砂浆层模量对结构层受力影响.......49
5.2 环氧砂浆层厚度对结构层受力影响......59
第五章 环氧砂浆层参数变化的影响分析
在车辆荷载和环境因素的影响下，桥面铺装的的参数不会是一个常数，铺装层的力学性能受到各种参数的综合影响[30]。因此，可以通过桥面铺装层结构参数的变化来观测粘贴 GFRP 薄板的力学状态。
5.1 环氧砂浆层模量对结构层受力影响
根据表 5.1 和表 5.2 可以看出，60Km/h 匀速下，粘贴 GFRP 薄板和未粘贴 GFRP薄板的铺装层，随着环氧砂浆层模量由 8GPa 增加到 10GPa 再增加到 12GPaPa，由表 5.1 和表 5.2 可知，随着模量的增加，各层间的剪应力变大，在环氧砂浆层附近，剪应力达到最大值。环氧砂浆层模量由 8GPa 增加到 12GPa，未粘贴 GFRP 薄板的铺装面层剪应力增加了 28.6%，粘贴 GFRP 薄板的铺装面层剪应力增加了 25.8%。如果铺装层层间粘结强度不符合剪应力的要求，铺装层受力状况将发生显著的变化，会使钢板与铺装层之间不连续，因此，面层的模量不是越大越好。
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结论
本文主要通过有限元分析的方法，建立局部钢桥面铺装模型，模拟车辆匀速行驶和紧急制动状态，分析粘贴 GFRP 的钢桥面铺装受力情况。本论文的主要研究内容及结论如下：车辆制动时比匀速时最大水平剪切应力增大了 4 倍，通过增大环氧砂浆层厚度可以减小最大水平剪切应力。当环氧砂浆层厚度由 15mm 增大到 25mm，道路的最大水平剪切应力减小了 32%，环氧砂浆层模量 8GPa 增加到 12GPa 时，层间剪应力增加 39%。可见增加厚度所减小的最大水平剪切应力数值是不能够满足车辆制动所增大的剪应力值。车辆制动时比匀速时最大竖向位移增大了 19.3%，通过增大环氧砂浆层的模量和厚度都可以减小道路的竖向位移。环氧砂浆层厚度由 15mm 增大到 25mm 时，弯沉减小 21%；环氧砂浆层模量 8GPa 增加到 12GPa 时，弯沉减小 39%。可见道路的最大竖向位移的减小数值是可以满足车辆制动时增大的数值的。增大环氧砂浆层的模量，表面横向拉应力和竖向位移都会减小，层间剪切应力会增加；增大环氧砂浆层的厚度表面拉应力几乎没有变化，竖向位移和层间剪应力均会减小。可见，增大环氧砂浆层的模量虽然可以减小竖向位移，但是会增加铺装层的剪切破坏，因此环氧砂浆层的模量应保持不变，采用 10GPa。
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参考文献（略）
