钢桥桥面铺装和水泥混凝土桥桥面铺装受力特性对比分析最终稿.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流钢桥桥面铺装和水泥混凝土桥桥面铺装受力特性对比分析最终稿.精品文档.毕业设计（论文）报告题 目 钢桥桥面铺装和水泥混凝土桥桥面铺装受力特性对比分析 交通学院 （系） 道路桥梁与渡河工程 专业学 号 学生姓名 指导教师 起讫时间 设计地点 Comparative Study on Mechanical Stress Properties of Deck Pavement between Steel Bridges and Concrete BridgesA Dissertation Submitted to Southeast Universi

2、tyfor the Request of Bachelor Degree of Engineering东 南 大 学 毕 业 （设 计）论 文 独 创 性 声 明本人声明所呈交的毕业（设计）论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。论文作者签名： 日期： 年 月 日东 南 大 学 毕 业 （设 计）论 文 使 用 授 权 声 明东南大学有权保留本人

3、所送交毕业（设计）论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权东南大学教务处办理。论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年月 日 钢桥桥面铺装和水泥混凝土桥桥面铺装受力特性对比分析摘 要混凝土桥和钢桥沥青混凝土铺装层的质量好坏和使用耐久性直接影响到行车的安全性、舒适性、桥梁的耐久性及投资效益。目前，桥面铺装层结构破坏已成为桥面主要病害之一，严重影响了桥梁的正常通行，造成了巨大的经济损失。本文运用有限

4、元方法研究某钢桥面铺装体系与某混凝土桥面铺装体系的受力变形，分析两种铺装层的应力应变特性的异同。首先，研究总结了国内外关于水泥混凝土桥和钢桥沥青铺装层的研究概况和桥面铺装层的主要病害类型，并提出了铺装层相应的设计控制指标。其次，采用有限元法计算了不同荷载作用位置下，沥青混凝土铺装层在静态车辆荷载作用下的拉应力、层间剪应力和竖向最大位移，确定了桥面铺装层体系纵横向最不利受力位置。然后，通过改变不同的铺装上下层模量以及铺装层与钢板的模量比，分析铺装层的受力状态变化。改变了铺装层的厚度并初步提出钢桥面铺装层的最佳厚度为6cm。最后，对比分析两种不同铺装体系的受力特性，比较它们的异同，发现在车辆荷载下

5、，两种体系均表现出较强的局部效应，而最不利荷载位置以及当铺装体系参数改变时受力特性又表现出较大的差异。并提出进一步研究的建议。关键词：钢桥；混凝土桥；桥面铺装；有限元；力学分析COMPARATIVE STUDY ON MECHANICAL STRESS PROPERTIES OF DECK PAVEMENT BETWEEN STEEL BRIDGES AND CONCRETE BRIDGESAbstract The quality of asphalt pavement on steel and concrete brige deck directly influences the safet

6、y and comfortableness of driving,endurance and investment of the bridge. At present,the structural deterioration of the bridge pavement becomes one of main plant diseases of bridges,seriously has affected the normal traffic,and has created the huge economic loss.Therefore,this paper made a comparati

7、ve study on stress-strain properties of steel and concrete bridge deck pavement. First,the research summarized the domestic and foreign research survey of the steel and cement concrete bridge asphalt paving,and the main plant disease type of the bridge pavement,and proposed the paving corresponding

8、design control target.Secondly,the pull stress and shear stress in deck pavement,which are caused by the static vehicle load on the different surface locations,are computed in order to determine vertical and horizontal disadvantage locations of the maximum stress on deck pavement.Thirdly, the mechan

9、ics situations with different modules of upper and lower layers ,as well as modules of pavement layer and steel deck are compared in order to analyse the strained condition of pavement layer.Change the thickness of layer and put forward a preniminary conclusion that the most suitable layer thickness

10、 is 6 centimeters.Finally, make a comparative analyse on mechanical conditions between different pavement systems and discover that under the static vehicle load,both systems show strong local effect while different mechanical behaviors with different paving parameters. And make suggestions for fart

11、her research.KEY WORDS: Steel Bridge ; Concrete Bridge ; Bridge Deck Pavement ; Finite Element ; Mechanics Analysis目 录摘 要IAbstractII第一章 绪 论11.1 研究的必要性11.2 国内外研究现状11.3 国内外相关研究中存在的主要问题41.4 研究的主要内容51.5技术路线5第二章 桥面铺装有限元分析基本理论72.1 有限元分析的基本原理72.2 有限元法求解的基本步骤72.3 水泥混凝土桥面铺装有限元分析力学模型82.4 钢混凝土桥面铺装有限元分析力学模型82.5

12、 本章小结9第三章 混凝土桥面铺装力学特性分析103.1 概述103.2 水泥混凝土桥局部梁段模型103.3 有限元计算参数及计算荷位布置113.4 桥面铺装体系最不利荷位力学分析123.5 桥面铺装各层模量的变化对铺装层拉应力的影响183.6 桥面铺装各层模量的变化对铺装层剪应力的影响203.7 桥面铺装各层厚度的变化对铺装各层拉应力的影响223.8 桥面铺装各层厚度的变化对铺装各层剪应力的影响243.9 本章小结25第四章 钢桥面铺装力学特性分析264.1 概述264.2 钢箱梁局部梁段模型274.3 纵向最不利荷位分析274.4 横向最不利荷位分析304.5 模量变化对应力的影响314.

13、6 铺装层厚度变化对应力的影响324.7 本章小结32第五章 钢桥面铺装与水泥混凝土桥面铺装特性对比分析335.1 静载作用下应力特性对比分析335.2 模量对铺装层应力的影响对比分析335.3 厚度对铺装层应力的影响对比分析34第六章 结论与展望356.1 研究结论356.2 进一步研究的设想35致 谢36参考文献37第一章 绪 论1.1 研究的必要性随着公路等级的提高及车辆荷载的增加，对桥面铺装提出了更高的技术要求。人们急需制定相应的技术对策和相关的力学分析，从材料和力学角度出发来解决目前桥面铺装存在的种种问题。桥面铺装层一般直接承受行车荷载、梁体变形和环境因素的协同作用，其变形和应力特征

14、与主梁及桥面板结构形式密切相关，铺装层一方面可分散荷载并参与桥面板的受力；另一方面起联结各主梁共同受力的作用，因此，铺装层既是桥面保护层又是桥面结构的共同受力层。当汽车在桥面铺装层上高速行驶时，铺装层直接承受动荷载作用。这种作用与车辆类型、行驶速度、铺装层表面状况、桥梁类型、轮胎与铺装层之间的动态相互状况等众多因素有关。同时，风载、地震作用等其他类型荷载也会对铺装层产生间接的动力作用。由于钢桥和水泥混凝土桥桥面系结构、材料的不同，其上的桥面铺装受力特性也随之变化。应用通用有限元程序对两种桥面铺装体系分别建模，对沥青混凝土铺装层结构体系在轮载作用下的应力响应进行分析。1.2 国内外研究现状1.2

15、.1 水泥混凝土桥面结构特点水泥混凝土桥梁桥面铺装一般包括防水层和面层。而面层又可分为上面层和中面层。其中防水层的材料一般采用地沥青砂胶，面层材料一般采用沥青混凝土或水泥混凝土，磨耗层大多采用沥青混凝土1。水泥混凝土桥面铺装层受桥面板结构和主梁结构形式影响，直接承受车辆轮载作用，在构造上和桥面板粘结在一起，既传递活载于桥面板，又参与桥面板的受力。在设计时，桥面铺装层一般不作专门计算分析，假定桥面铺装层不参与梁体受力或仅将铺装层折算计入桥面板厚度和桥面板共同受力。由于桥梁上部预应力混凝土结构设计是按极限状态理论进行分析的，故主梁上缘混凝土应按预应力钢筋产生的应力叠加上恒载和活载产生的应力进行计算

16、，但对铺装层内应力可不作要求。基于桥梁上部结构工序和形成过程中，各个阶段梁体界面特性和荷载构成情况，铺装层内的应力和桥梁上部结构桥面板上表面的应力存在较大差异，这是导致铺装层和桥面板之间的界面发生破坏的主要原因。当车轮集中荷载作用在桥面上时，桥面铺装起到一定的分布作用，它随着梁（板）等上部结构变形而变形，因而铺装层的受力情形较复杂。铺装层的受力过程主要经过两个阶段2：（1）在铺装层的施工过程中，覆盖在主梁上的铺装层混凝土要产生一定的收缩，而先于铺装层完成的主梁后期收缩很小，两层间收缩量不一致，结合面产生切应力和法向正应力，这两种应力是由于混凝土的内在因素而产生的。（2）当车辆活载作用在铺装层上

17、所作用的位置造成了瞬时的应力集中现象，铺装层通过埋设在混凝土内的钢筋网扩散到周边，铺装层实际上参与了结构受力，并处于最大拉应力或压应力边缘位置。结构在活载的作用下产生了相应的变形，铺装层与主梁之间由于新旧混凝土不同的时效性以及施工因素，两者并不能完全紧密结合在一起，结合面产生较大的切应力，而铺装层也存在较大的拉（压）应力，当某一局部位置的这两种应力超过极限状态时，便产生了破损现象。1.2.2 正交异性钢桥面结构特点正交异性钢桥面铺装不同于一般公路沥青混凝土路面，它直接铺设在正交异性钢桥面板上，由于正交异性钢桥面板柔度大，以及在行车荷载与温度变化、风载、地震等自然因素共同影响下，特别是它还受到桥

18、梁结构变形的影响，其受力和变形远比公路路面或机场道面复杂，尤其在重型车辆荷载作用下，钢桥面板局部变形更大、更复杂，各纵向加劲肋、纵隔板、横肋（或横隔板）与桥面板焊接处出现明显的应力集中，这导致铺装层受力更复杂，更不利3。谭茶生等通过对钢桥面铺装模型结构进行静载试验和有限元分析2，研究了钢桥面板及沥青混凝土铺装层在车轮荷载下的局部变形和应力。研究的应变特性结果表明，在常温或低温状态下，沥青混凝土铺装层对钢桥面板不仅起分散荷载的作用，而且与钢桥面板形成一组合断面，成为钢桥面板结构的一部分，相当于增加了桥面钢板的厚度。对于钢桥面沥青混凝土铺装层表面产生裂缝的问题，不仅与正交异性钢桥面板的结构形式有关

19、，而且与沥青混凝土铺装的结构形式、铺装层的厚度和刚度以及铺装层与桥面钢板的粘结状况有着密切的关系。1.2.3 桥面铺装材料研究水泥混凝土桥一般采用沥青混凝土作为铺装层，由于普通沥青和一般的改性沥青在高温时易软化，低温时易脆化，并且防水粘结层材料防水效果不佳，使得桥面铺装层未达到设计年限就出现损坏，进而影响桥梁的使用寿命。沈家林4等通过研究证明，与普通沥青以及一般的改性沥青相比，国产环氧沥青是一种热固性材料，其固化反应不可逆，因此高温时不会软化，同时又具有良好的低温抗裂性能。目前用于钢桥面铺装的材料主要有高温拌合浇注式沥青混合料、环氧沥青混合料和改性沥青碎石马蹄脂混合料（SMA）等。F.Seib

20、le5和Wolfgang6等通过在桥面板上加铺全厚式混凝土来恢复和提高桥面板的承载力的研究中，详细研究了混凝土铺装层的性能。Roman Wolchuk7通过对对沥青材料和高分子材料这两种铺装层的基本材料的研究，认为铺装层必须被视为整个正交异性桥面板系统中的一个整体部件，解决局部弹性变形不相容的问题。高英等8认为防水粘结层的作用至关重要，相同的结构组合有无防水粘结层，疲劳寿命相差很大。同时沥青混凝土沥青与粘结层材料粘结性能要考虑协调统一设计原则9。1.2.4 桥面铺装方法研究沥青桥面铺装上面层对抗低温缩裂和抗疲劳开裂起着关键的作用，属于主抗低温缩裂区及抗疲劳开裂区。沥青桥面铺装的下面层对抗高温车

21、辙起着关键的作用，属于主抗车辙区10。（1）采用双层铺设方案施工时，铺装总厚度一定，铺装层表面最大拉应力、铺装层间最大剪应力、铺装层与混凝土桥面板间最大剪应力随铺装下层厚度的增加而增加。建议在满足施工条件的情况下，铺装下层厚度应该尽量小，取3040mm。（2）铺装上、下层厚度一定时，铺装上层材料模量对于铺装表面最大拉应力、铺装层间最大剪应力、铺装层与混凝土桥面板间层间最大剪应力的影响均大于铺装下层材料模量，铺装表面最大拉应力与铺装层间最大剪应力随铺装上层材料模量增大而增大，铺装层与混凝土桥面板间最大剪应力随铺装上层模量的增大而减小，应结合材料的力学性能确定合适的材料模量，选取正确的配合比。（3

22、）铺装层与混凝土桥面板间最大剪应力比铺装上、下层间剪应力大很多，铺装层的破坏很大程度上源于铺装层与桥面板粘结层的抗剪强度不足，发生防水层剪切破坏，施工时注意采取相应措施保证施工质量11。钢桥面铺装即正交异性板桥面铺装，在桥面板的底面用纵肋和横肋作为补强，它作为加劲梁、横肋、纵肋的组合体而发挥作用。1.2.5 桥面病害研究目前，在桥面铺装的破坏研究中仍有许多问题需要在研究中解决，在研究与工程实际应用中提出。大量调查资料表明，桥面铺装层破损的形式主要为裂缝、坑槽、塌陷和鼓包，破损机理主要为剪切破坏（在铺装层内部存在着较大的剪切应力，引起界面破坏，在多次重复荷载和车轮水平力作用下，铺装层与桥面板发生

23、互相脱离）、挠曲破坏（外载作用及环境影响，发生开裂）及局部冲压破坏（由于重载及特大交通量的作用，车轮对桥面铺装层的反复冲击，在桥面铺装层薄弱区域，会出现局部的网状裂纹，即疲劳破坏）。水泥混凝土桥面和钢桥面沥青混凝土铺装产生的常见病害主要有:铺装层内部产生较大的剪应力，引起不确定破坏面的剪切变形，或者由于铺装层与桥面板层间粘结力差，抗水平剪切能力较弱，在水平方向上产生相对位移以致剪切破坏，产生推移、拥包等病害;因温度变化桥面板或梁结构产生过大挠曲而产生裂缝，由车辆荷载作用及水的渗人造成面层松散和坑槽破坏;如果桥面铺装未设防水层，则从面层渗人的水或防冻盐溶液会进人桥面板中，在温度和荷载综合作用下，

24、将会造成桥面板的损坏，而且渗人水或防冻盐溶液会腐蚀主梁钢筋，威胁主梁的安全12。1.2.6 桥面应力响应研究（1）车辆荷载作用下桥面铺装层应力、应变的变化规律在车辆荷载作用下桥面铺装层应力、应变随着铺装层厚度的增加均呈现下降趋势。但是，当铺装层厚度达到一定值(13cm)时，应力、应变的下降趋势就会变得非常缓慢。这说明增大铺装层厚度对于减小应力、应变的作用是有限的，李旭13等从静力学角度探讨桥面铺装效应，认为一味地增大铺装层厚度减小应力、应变的做法既不科学也不经济。（2）车辆荷载作用下桥面铺装层的破坏机理分析高雪池等通过有限元计算分析发现14，桥面铺装层早期病害的产生除了因为铺装层厚度偏低导致产

25、生过大的应力、应变以外，车辆超载、低速行驶对铺装层造成的破坏也是很严重的，随着荷载的增大和车速的降低，铺装层各项应力、应变峰值和持续时间急剧增长。另外，由于没有从铺装层实际受力的角度对梁跨的结构设计进行验算，这就使得梁跨的结构设计中可能存在一些不合理的地方，使得梁跨在车辆行驶过程中产生过大的动力放大效应，对铺装层会造成较大的破坏。（3）桥面铺装层结构设计的控制指标为了有效防治桥面铺装层早期病害，进行了系统的静力学和动力学分析，提出桥面铺装层结构设计的四项控制指标如下15：铺装层顶面容许纵向拉应变设计指标z；铺装层底面容许纵向剪应力验算指标Syz；铺装层底面容许竖向拉应力验算指标Sy；铺装层顶面

26、容许纵向剪应变验算指标yz。前两项为铺装层结构设计的控制指标，后两项则是从力学的角度对铺装层材料性能提出的控制指标。对大桥桥面铺装的有限元力学分析，主要是通过横桥向和纵桥向的最不利荷载位置铺装层受力分析，研究桥面系加劲部件对铺装层的受力影响，确定铺装层设计的力学控制指标。横、纵桥向最不利荷位计算分析：铺装上层的最大拉应力（应变）分析；铺装下层的最大拉应力（应变分析）；铺装层体系的最大剪应力分析。高雪池4等结合滨州黄河大桥实例认为，桥面铺装采用双层铺设方案时，应该对上、下层设计分别提出控制性指标即最大允许应力。以最不利荷载处位置的层内横向最大拉应力作为主要设计指标控制铺装层开裂破坏；以层间横向最

27、大剪应力作为铺装粘结层设计的主要指标控制铺装层脱落等破坏形式；以层内最大剪切应力作为铺装层的主要设计指标控制铺装层搓板、拥包等破坏形式。1.3 国内外相关研究中存在的主要问题由于世界各国对桥面铺装研究的历史还不长，在研究中还存在一些需要进一步解决的问题。首先，虽然世界许多国家投入了大量的人力、物力进行桥面铺装的研究，但这些研究大多侧重于材料的性能方面，致力于改善铺装层的路用性能。况且桥梁的设计过程中主要重视桥梁自身的结构受力特性的分析，以保证桥梁的整体安全性，而铺装层只作为均匀二期恒载作用在桥面上，并不对其进行专门的受力分析。这样就没有从桥梁结构整体受力特性的角度入手来分析桥面铺装层受力与桥梁

28、结构的内在联系，不能从根本上解决桥面铺装存在的问题。当环境条件、桥梁结构等变化时，就不能准确反映出桥面结构对铺装层受力变化的影响。因此，所取得的研究成果带有很强的经验性和区域性，适用性不广。如果不顾实际情况生搬硬套，难以保证桥面铺装的成功。例如，由英国设计、施工的青马大桥，由德国设计、施工的泰国曼谷大桥，通车没有超过四个月，桥面就全面整修。其次，由于大跨径桥梁桥梁铺装的工程实践还不多，各国都在积极的探索中。从结构分析和设计的角度来看，还没有获得世界公认的结构设计组合形式、结构厚度、材料种类及设计指标、验算方法及指标等，还没有形成系统的设计理论依据。最后，在分析铺装层和桥梁结构的力学机理的过程中

29、，要么是分析过程处理得比较简单，选取的计算对象范围较小，不能完全模拟桥面铺装层的真实受力状态，要么只是进行静态力学分析，很少考察动态荷载使结构产生的响应，以及由此带来的对铺装层应力应变的影响。 1.4 研究的主要内容1.4.1 力学控制指标的选取钢桥面铺装体系由正交异性钢板、防水层和铺装层组成，混凝土桥面铺装层则由水泥混凝土桥面板，防水粘结层以及桥面铺装层构成。对于钢桥面和混凝土桥面铺装体系而言， 在车辆荷载作用下，均有可能在铺装表面出现横向裂缝、纵向裂缝等形式的开裂破坏因此本文采用某通用有限元分析软件对2种桥面铺装结构体系进行分析，得到铺装层在车载作用下产生的应力和最大变形出现的位置和数值后

30、，对比分析并总结2种铺装结构形式的特点。1.4.2 铺装特性对比分析本次研究的重点是对钢桥桥面铺装和水泥混凝土桥桥面建模并对各自铺装受力特性进行研究。具体研究内容如下： 1.研究静载荷位对铺装层受力的影响；2.分析铺装层各层厚度及模量变化对铺装特性的影响。1.5技术路线本研究的核心是根据给定的钢桥桥面铺装和水泥混凝土桥桥面的数据，利用某大型通用有限元软件建立局部梁段模型，在此基础上进行静载响应分析和铺装层敏感性分析。学习通用有限元软件，掌握建模方法分别建立水泥混凝土箱梁和钢箱梁局部梁段模型选取控制指标，找到最不利荷位，进行静载分析改变材料参数（模量、厚度等）并分析铺装受力特性图1-1 技术路线

31、对比分析两种桥面铺装体系受力特性第二章 桥面铺装有限元分析基本理论2.1 有限元分析的基本原理有限元分析(Finite Element Analysis)，简称FEA，起源于二十世纪50年代航空工程中的结构矩阵分析，这种分析方法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以求解几何形状复杂的求解域。有限单元法作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数，来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或及其导数在单元的各个结点的数值和其

32、插值函数来表达。这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场函数或及其导数在各个结点上的数值就成为新的未知量(也即自由度)，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。2.2 有限元法求解的基本步骤（1）物体离散化将研究对象离散为由各种单元组成的计算模型，离散后的单元和单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等视问题的性质以及描述变形形态的需要和计算精度而定。所以有限元法中分析的结构已经不是原有物体或结构，而是同样材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。（2）单元特性分析 选择位移模式 在有限元方法中，选择节点位移作为基本未知数时称为位移法；选择节点力作为基本

33、未知数时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法，位移法易于实现计算自动化，所以在有限元法中位移法应用范围最广。采用位移法时，物体或结构离散化后，就可以把单元中的一些物理量如位移、应变和应力等用节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常，有限元法中我们将位移表示为坐标量的简单函数。这种函数称为位移函数，如 （2-1）式中，是待定系数；是与坐标有关的函数。 分析单元的力学性质根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步，此时需要用弹性力学中的几何方程和物理

34、方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。 计算等效节点力 物体离散后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力或集中力都需要等效地移到节点上去，也就是用等效的节点力来替代所有作用在单元上的力。（3）叠加总刚矩阵利用结构力的平衡条件和边界条件把每个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程 （2-2）式中，是整体结构的刚度矩阵；是节点位移列阵；是载荷列阵。 （4） 求解未知节点位移 解上述有限元方程得出位移。进而得出每个单元的应变和应力。

35、2.3 水泥混凝土桥面铺装有限元分析力学模型桥面铺装体系比一般路面的受力要复杂，它不仅要承受着荷载应力和温度应力的作用，还将承受着桥梁的弯曲和扭曲对铺装层产生的复杂应力。所以，选择合适的力学分析模型就显得十分重要。为了应用力学模型来对沥青混凝土桥面铺装层进行力学机理分析，对模型的结构特性和材料特性作以下假定：（1）对于沥青混凝土，较低温度时其劲度较高，相对的应变也较小，此时的疲劳性能较好；在较高温度下，虽然其变形较大，但趋于橡胶化，从而增加了沥青混凝土的柔韧性，延长了其疲劳寿命。所以，沥青混凝土在1525温度范围内的疲劳性能最差，也表现为线弹性的特性。本文假设沥青混凝土是均匀的、连续的、各向同

36、性的弹性材料，采用线弹性理论来分析铺装体系的荷载应力、应变；（2）根据圣维南原理，远离荷载作用点的支撑条件对荷载作用点附近的受力影响可以忽略不计。因此，固结约束施加在两端横隔板的底端面上，这种支撑方式相对于其他方式对结构应力分析产生的影响不会很大。（3）混凝土桥面体系是均匀的、连续的、各向同性的弹性材料；（4）铺装层与桥面板的层间是完全连续的（应力、应变连续），计算时并不对其进行单独计算。2.4 钢混凝土桥面铺装有限元分析力学模型钢桥面铺装体系包括正交异性钢桥面板与铺装层，在荷载作用下，铺装层内力十分复杂。对正交异性钢桥面板铺装体系力学体系应基于以下几点考虑：（1）钢桥面板呈构造性正交异性特性

37、结构。它由钢板、纵向加劲肋、横隔板和纵隔板组成，在荷载作用下，表现出极其复杂的应力分布特征。（2）通常铺装层的厚度在3580mm之间，沿桥横向宽度在十几米至几十米，沿桥纵向的长度达几百米或上千米。（3）铺装层与钢桥面板的整体性。铺装层完全依附于钢桥面板之上，与钢桥面板共同承担荷载，必须将铺装层与正交异性钢桥面板视为一体，建立整体模型进行力学分析。（4）铺装层材料的温度敏感性。随着温度变化，铺装层材料的弹性参数，如劲度模量、泊松比、破坏应力或应变都会发生变化。若铺装层材料的温度变形与桥梁结构变形不能完全协调，铺装层内则会产生附加的温度应力。同样根据圣维南原理，有限元计算时作如下假设：（1）正交异

38、性钢桥面板铺装体系为均匀、连续和各向同性弹性材料的完整体系；（2）铺装层与钢桥面板之间是完全连续的，粘结层不单独考虑；（3）不计铺装层与桥面系的自重。2.5 本章小结有限单元法目前已广泛应用于刚性路面与柔性路面的应力分析和设计计算。在结构特性上，桥面铺装有其自身特点，它下面的桥面结构远比一般的路面结构复杂。铺装层由于加劲肋的作用，使其在加劲肋侧肋项部附近产生明显的应力集中现象，难以通过弹性薄板理论进行求解，因此最有效的分析工具是有限元分析方法。根据有限元理论，可以模拟现实中的桥面铺装层在不同条件下的受力状况，计算出模型任意部位的位移和应力应变值，从而找出铺装体系受力后各主要力学指标的变化规律，

39、为铺装层的材料选择、结构设计提供可靠的依据。第三章 混凝土桥面铺装力学特性分析3.1 概述国内外的研究表明，由于桥面铺装体系在行车荷载、梁体变形和环境因素的复合作用下，与一般沥青混凝土路面相比，受力及使用条件要复杂得多，其应力、应变特征与主梁及桥面板结构型式密切相关。一方面，铺装层可分散荷载并参与桥面板的受力，另一方面起联结各主梁共同受力的作用，既是桥面保护层又是桥面结构的共同受力层；另一方面，桥面板的变形，桥梁本身的变形、位移、振动等都将直接影响铺装层的工作状态。目前，研究人员在努力寻求优质、适合桥面铺装的材料的同时，也加强了对铺装层的力学特性的研究，多采用有限元分析方法。在建立力学计算模型

40、时，将桥面板、加劲肋和铺装层作为一个统一的结构体系进行力学分析，来研究桥面体系的几何构造对铺装层应力、应变的影响，以求掌握桥面铺装体系的力学特性和变化规律，为桥面铺装层设计、选材提供理论依据，用来改善铺装层受力，提高铺装层的各项性能，延长铺装层的使用寿命。水泥混凝土桥的沥青混凝土桥面铺装层在外荷载作用下，其受力状态既不同于一般道路路面，也不同于钢桥桥面铺装层的工作状态。这种状态是由混凝土桥铺装层的工作状态，受力模式等因素所决定的。所以，有必要分析桥面系各加劲部件对桥面铺装受力状态的影响，找出本桥铺装层受力最不利的荷位，为铺装层设计提供力学理论支持。水泥混凝土桥面铺装体系由水泥混凝土板、防水层和

41、沥青混凝土铺装上、下层组成。粘结层的厚度相对于铺装层、桥面板厚度较小，可忽视该层的受力变化，又由于水泥混凝土（C55）结构本身强度高，整体性强，在车辆荷载的短时间作用下，符合线弹性理论；另一方面，由于纵向和横向加劲部件对桥面板加劲作用，在荷载作用下，在桥面板上产生明显的应力局部集中现象，用梁板理论较难准确计算分析出铺装层内部的力学特性。鉴于以上原因，为了真实地反映桥面铺装体系的实际工作状态，详细分析铺装层的受力。本章拟以线弹性分析理论为基础，以某大型通用有限元分析软件作为计算分析工具，运用三维有限元法对桥面铺装的铺装层内部拉应力、层间剪应力以及其表面的弯沉进行计算分析。铺装体系的单元类型主要采

42、用三维等参元模型（箱梁体部分三维八结点，铺装层部分二十结点）进行分析。3.2 水泥混凝土桥局部梁段模型在行车荷载作用下，铺装体系内产生的荷载效应具有很强局域性的特点，有限元分析模型选取局部梁段，横截面尺寸如图3-1。图3-1 水泥混凝土箱型梁横断面（单位：cm）分析采用的有限元力学足尺寸实体模型见图3-2。划分网格时把荷载作用处及其附近适当加密，以求比较精确的计算结果。图3-2 水泥混凝土箱梁模型3.3 有限元计算参数及计算荷位布置横隔板间距为7.5m，厚度为30cm，腹板厚度为40cm。桥面体系C55水泥混凝土弹性模量为36GPa。交通量及交通组成中的车辆类型和运行方式是大跨径桥桥面铺装结构

43、设计必须考虑的重要因素，国内外研究主要采用单轮均布荷载和双轮均布荷载两种形式。南京长江二桥钢桥面铺装层受力分析中采用的是双轮均布荷载形式，设计荷载为沥青混凝土路面设计的标准荷载BZZ-l00，即以双轮组单轴载100kN为标准荷载。在进行有限元分析时，将规范规定的轮胎接地形状由圆面积等效转换成正方形面积，保持两轮中心间距不变，即将双轮组换算成两个正方形荷载作用面积，每个正方形的大小为189mm189mm。润扬大桥钢桥面铺装分析中采用的是单轮均布荷载，依据公路工程技术标准(JTJ001-97)中汽-超20级车队中550kN重车的两根重轴(每根轴重140kN)进行加载，考虑30的冲击系数，则单轮总重

44、为9lkN。车轮与铺装层接触面积为55mm15mm。东南大学李昶博士在进行钢桥面沥青铺装层受力分析时采用双轮的矩形均布荷载作用形式。他取标准车的轴重为100kN,轮胎胎压为0.7MPa，单轮接地宽度为20cm，长度按荷载折算后约为23cm，两矩形荷载中心距为30cm。本文为计算方便起见，并考虑到后面的钢桥面计算，计算参数由表3-1确定，几何形状如图3-3所示。表3-1标准轴载计算参数轴载标准BZZ-100标准轴载（kN）100单轮荷载（kN）25轮胎接地压强（MPa）0.7轮胎接地面积（mm2）200*200 图3-3 设计荷载轮胎接地的几何尺寸（单位：mm） 根据桥面系的几何对称特征，横纵向

45、特征荷位布置在中间两个横隔板之间的桥面上，如图3-4所示。荷位6荷位5荷位4荷位3荷位2荷位1图3-4 横纵向加载荷位3.4 桥面铺装体系最不利荷位力学分析针对某常见水泥混凝土箱型梁桥的有限元力学分析，主要是通过横桥向和纵桥向的最不利荷位铺装层受力分析，了解桥面系加劲部件对铺装层的受力影响，为桥面铺装层的设计和选材提供力学理论上的依据。3.4.1 横桥向最不利荷位计算分析沥青混凝土桥面铺装层的破坏主要与桥面铺装层的局部应力集中有关，为较准确分析局部应力集中的分布特性和变化规律，根据桥面板及梁的几何尺寸特点和计算荷载接地面的几何尺寸特点，分别在中间两个横隔板之间的L/2和L/4的行车道上布置计算

46、荷载，每次每车道布置一辆行车荷载（单轴双轮组荷载）。利用通用某通用有限元分析软件来分别计算分析上、下铺装层内的最大主应力1、横向最大拉应力xmax、铺装体系最大剪应力max、铺装层表面竖向最大位移U2。计算分析时，沥青混凝土的模量铺装上层取2000MPa，厚度取40mm，铺装下层取1800Mpa，厚度取70mm，泊松比均为0.3。（1）铺装上层的最大拉应力分析桥面铺装层的开裂破坏是一种常见的破坏类型，已有的强度理论研究表明，铺装层的最大拉应力（应变）作为控制铺装层开裂破坏的一项重要设计指标，分析其变化分布规律，可以更好地掌握铺装层的破坏特点，从而在设计时有针对地采取相应的防范措施。在上述六种荷位条件下，分别计算铺装上层的最大主应力1、横向最大拉应力xmax、纵向最大拉应力zmax。铺装上层的最大拉应力计算结果见表3-2。表3-2 铺装上层最大拉应力计算结果荷 位（MPa）（MPa）（MPa）10.1830.1680.04920.1820.1670.04730.1820.1670.04740.1800.1630.04650.1760.1600.04460.1740.1580.048对计算结果进行分析可得：1）在上述六种荷位条件下，铺装层的最大横向拉应力xmax均远远大于最大纵向拉应力zmax，且xmax出现在沥青混凝土的上表面。铺装层出现的开裂破