宛坪高速公路桥梁病害机理及防治关键技术研究

摘要

随着我国高速公路建设的飞速发展,大跨径桥梁越来越多,但是由于设计、施工、超载及气候等原因,桥面铺装层普遍出现了严重的早期病害。桥面铺装的早期破损现象日趋普遍,这不仅妨碍了正常交通,影响桥面美观和桥梁的服务品质,更易造成交通事故,造成了巨大经济损失,桥面铺装破坏已成为高速公路桥梁的主要病害之一。
　　虽然国内外在桥梁铺装领域开展了不少研究工作,已有许多处理方法和研究成果,但还有许多关键问题或难点没有得到很好地解决。本论文就是基于这样的背景,在河南省交通厅科技攻关项目(05-02)的资助下,通过理论分析得到桥面铺装结构力学特性的影响因素,后通过有限元数值分析,研究了铺装体系不同铺装组合在轮载作用下的应力响应,进而进行改性沥青混合料配合比设计和性能试验,得出具有良好的抗车辙性能、抗水损害性能和抗疲劳性能的沥青混合料;随后,通过直接剪切试验和拉伸试验比较了四种防水粘结材料的粘结强度特性,并研究了材料的抵抗冻融循环破坏特性。最后通过有限元理论分析,对简支梁“单板受力”病害的机理进行了研究,并提出了相关的防治措施。本文的成果投入宛坪高速公路的生产应用,使工程施工时间大幅度减短,工程质量明显提高,成本降低,取得显著的经济效益和社会效益。
　　本论文在如下几方面进行了理论、数值与试验研究,并取得了一些研究成果:
　　(1)通过理论分析,得到混凝土桥面铺装结构力学特性的影响因素,随后通过数值分析,研究了铺装体系不同铺装组合在轮载作用下的应力响应,得出了铺装层各项应力和铺装上下层厚度与弹性模量的关系,其结果对重阳水库大桥有重要价值,同时也为混凝土桥面铺装结构的设计和施工提供了理论依据。
　　(2)进行了桥面铺装改性沥青混合料配合比设计和性能试验,经过级配的优选,得出了桥面铺装的上面层和下面层的最优级配,经过级配优选后的沥青混合料具有良好的抗车辙性能、抗水损害性能和抗疲劳性能,并且具有较高的动稳定度和冻融劈裂强度。
　　(3)模拟了桥面铺装结构中防水粘结层的实际受力情况,首先通过直接剪切试验研究了不同粘结剂用量、温度、剪切速率和冻融循环对粘结层剪切强度的影响,随后通过拉拔试验研究了不同温度下四种防水粘结材料的粘结强度特性,并研究了材料的抵抗冻融循环破坏特性。
　　(4)在简单介绍了简支梁“单板受力”病害的基本特征的基础上,分析了病害出现的原因。通后过有限元初步分析,得出了简支梁桥的横向荷载分布规律,随后通过实体数值分析,对不同加固方案进行比较,明确了简支梁“单板受力”病害的机理,并得出了最合适的防治“单板受力”病害的技术措施,供有关设计方、施工单位和管理部门参考,希望能有效地防治“单板受力”病害。

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1 绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文的主要研究内容

2 沥青混凝土铺装层力学分析

2.1 工程概况

2.2 铺装体系力学分析模型

2.3 不同铺装结构组合对不同参数的影响

2.4 本章小结

3 沥青混凝土铺装层材料组成与性能试验研究

3.1 原材料

3.2 下面层沥青混合料配合比设计

3.3 上面层沥青混合料配合比设计

3.4 本章小结

4 桥面防水粘结材料粘结强度试验研究

4.1 概述

4.2 试验方案

4.3 层间直接剪切试验

4.4 直接拉拔试验

4.5 本章小结

5 简支梁“单板受力”病害机理研究

5.1 有限元初步理论分析

5.2 简支梁“单板受力”病害的预防措施

5.3 简支梁实体模型分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录I 攻读博士学位期间发表的学术论文

附录II 攻读博士学位期间参加的科研项目