复合浇筑式沥青钢桥面铺装层力学计算

钢桥面铺装的病害在大跨径桥梁上仍然很常见,钢桥面铺装已经成为制约大跨径桥梁发展的一个难题。本文采用有限元法对复合浇筑式沥青铺装层进行受力分析,将正交异性钢桥面板、铺装层作为整体,建立有限元模型,研究铺装层在行车荷载作用下的应力、应变规律。     

多车载荷作用下沥青桥面铺装动力学响应

为更准确地分析沥青桥面铺装的动力学响应特性,提出基于实际车辆建模的车-路-桥动力学分析方法,研究多车载荷作用下沥青桥面铺装动力学行为。以一座钢-混凝土工字组合梁桥为例,考虑桥梁振动对桥面铺装的影响,通过数值模拟建立单车-桥面铺装动力学耦合模型,并与不考虑耦合、移动荷载作用下的传统模型进行比较,验证了耦合模型的正确性及考虑耦合的必要性;基于单车-桥面铺装耦合模型,研究多车荷载作用下沥青桥面铺装层的响应行为;分析了双车并行和双车偏载工况下,桥面铺装各层的应力和挠度响应,并与单车工况进行比较,可见多车对桥面铺装的动力学响应的影响不容忽视。研究结果表明:偏载改变了桥面铺装层横向应力的方向,在沥青层顶面和沥青-混凝土接触面,出现拉应力,故沥青铺装顶面容易出现纵向裂缝,横向最大拉应力发生在沥青层和混凝土层接触面;桥面铺装层最大纵向应力发生在沥青层和混凝土层接触面上,双车并行时,沥青层与混凝土层间所产生的纵向应力较单车行驶时增加了52.7%;偏载时剪应力最大,且最大剪应力发生在混凝土层和钢梁的接触面上,该接触面容易脱离,应采取抗剪措施;不同桥面铺装层最大挠度均发生在双车并行工况下,相比单车工况,挠度值可增大约64%。与单车作用相比,考虑多车-桥面铺装耦合对桥面铺装层设计及损伤控制提出更高要求。     

粘贴GFRP的钢桥面铺装层的剪切性能

大跨径钢桥由于桥面板厚度薄,容易出现推移、开裂等诸多病害。在桥面钢板上粘贴一定厚度的玻璃钢（GFRP）薄板,形成复合铺装结构,以提高铺装层刚度,延长铺装层使用寿命。采用ANSYS有限元软件,计算分析复合铺装结构的层间剪切应力分布状况,研究GFRP薄板的模量等对铺装结构受力的影响。结果表明,粘贴不同模量GFRP后,铺装层的应力、应变均出现了不同程度的变化。铺装层与钢板粘结处剪应力为未粘贴GFRP的1．44倍;剪应变减小为0．11％。但粘贴GFRP后铺装层层间最大剪应力和剪应变均大于未粘贴GFRP的铺装层,实际工程中应注重提高沥青铺装层的高温抗变形性能。     

钢桥面铺装在行车荷载与环境温度共同作用下疲劳损伤分析

用损伤力学原理及方法,从力学近似法角度分析了环境温度和循环车辆荷载共同作用下钢桥面沥青混合料铺装的疲劳损伤特性,推导出疲劳试验复合梁的损伤场、应力和应变场。以长江一大桥钢桥面环氧沥青混凝土铺装体系复合梁疲劳试验为例,进一步推导出复合梁的疲劳寿命预测公式。实例分析表明,考虑环境温度和车辆荷载共同作用下钢桥面铺装体系的疲劳寿命要小于单一考虑行车荷载的计算结果,二者相差最大可达44%。研究认为温度变化会导致铺装层的劲度不断发生变化,从而直接影响钢桥面沥青混合料铺装的力学行为和疲劳寿命,因此仅考虑交通荷载的作用进行钢桥面沥青混合料铺装体系疲劳损伤的分析是过于简化的,应予以重视。此外,指出了环氧沥青混凝土铺装具有很好的抗疲劳性能。     

浅析沥青混凝土桥面铺装病害形式及成因

近年来,沥青混凝土被广泛应用于公路与公路桥梁施工中,使用沥青混凝土铺装具有施工及养护时间短、行车安全性和舒适性强、养护维修简便等优点。但随着公路桥梁建设的快速发展,桥梁跨径的加大,桥梁结构不断创新,在桥面铺装层的设计与施工上却仍沿用传统方法,加之超重车辆的违规上路等多方面原因,致使许多公路桥梁刚刚建成不久桥面铺装层就出现了诸如脱落、推移、拥包、坑槽、开裂等病害,严重影响了行车的安全性和舒适性。本文就沥青混凝土桥面铺装的几种常见的病害形式进行了浅显的分析。     

沥青混凝土桥面铺装层破坏原因及预防措施研究

解决沥青混凝土桥面铺装病害的关键是加快对沥青混凝土桥面铺装的进一步研究,以明确桥面铺装层各结构层计算模型、力学特性及相关参数,为桥面铺装的设计提供指导。部分桥梁在通车不久桥面铺装就出现局部坑槽、角隅破坏、纵向裂缝等,给车辆的通行和桥梁的维修带来诸多不便,而且也大大降低了桥梁的使用寿命。针对公路桥面早期破坏的现象,本文分析了桥面破坏的原因,并提出了保证桥面质贡的具体措施。     

循环荷载作用下钢桥面铺装疲劳损伤失效行为研究

针对钢桥面铺装工程中普遍采用的改性沥青(Stone Matrix Asphalt,SMA)、浇筑式沥青(Guss asphalt,GA)、环氧沥青(Epoxy asphalt,EP)混合料双层铺装结构,进行了循环车载作用下钢桥面与沥青混凝土铺装疲劳损伤特性理论分析与试验研究。基于疲劳损伤度,研究了钢桥面铺装疲劳损伤失效行为和疲劳开裂过程中损伤场、应力和应变场动态演变机制,推导出疲劳失效时的损伤场、应力和应变场计算表达式,并给出钢桥面铺装疲劳寿命理论公式。以三座钢箱梁桥桥面铺装(润扬长江大桥2005,南京长江三桥2005,苏通大桥2008)为例,对不同铺装结构组合方案下的复合梁进行疲劳试验分析和使用寿命理论预测。实例研究结果表明,钢桥面铺装疲劳损伤失效行为预估模型合理可行;相较于改性沥青、浇筑式沥青,环氧沥青混合料具有较强高的强度低变形能力,更适合于大跨径钢桥面铺装抗疲劳的设计要求;由环氧沥青混合料组合而成的“双层环氧沥青混凝土”和“浇注式沥青混凝土(下层)+环氧沥青混凝土(上层)”的抗疲劳性能优于其它沥青混合料铺装结构组合方案,同等厚度组合情况下疲劳使用寿命可延长1倍~2倍以上;“双层环氧沥青混凝土”已应用于润扬长江大桥、南京长江三桥和苏通长江大桥钢桥面工程,并已成功运行10年以上,其跟踪观测结果良好。     

沥青混凝土桥面铺装层损坏原因和防治措施

近年来我国公路桥梁建设迅猛发展,桥梁结构不断创新,大跨桥梁已很普遍,但桥面铺装层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,对桥面铺装层一般很少有专门的设计。随着交通量和重型车辆的增加,桥面铺装层破损问题也愈加普遍。这不仅影响了桥面的美观,妨碍了正常交通,更易造成交通事故,桥面铺装层的损坏已成为影响高速公路使用功能的发挥和诱发交通事故的一大病害。本文分析了沥青混凝土桥面铺装层的破坏形式和原因,提出对桥面铺装层破损的防治措施,供大家参考。     

大跨径钢桥面铺装技术施工要点分析

近些年来,随着我国经济的发展,经济交流及商业活动尤为频繁,尤其是在南方经济发达区域,需要建设一些大跨径的桥梁来提高经济交流的速度,在桥梁的建设过程中大跨径钢桥面铺装技术是一项全世界的技术难题。本文主要对树脂沥青组合体系钢桥面铺装技术在施工过程中需要注意的要点进行介绍。     

大跨径钢箱梁桥面锌系防腐蚀涂层研究

钢桥面防腐蚀涂层介于钢箱梁桥面板与桥面沥青铺装层2种完全不同的材料之间,既是钢桥面的防腐蚀涂层、防水涂层,又是二者的连接层.因此,对该防腐蚀涂层的腐蚀失效问题及其对钢桥面沥青混凝土铺装层弱化的影响规律进行研究具有实际意义.通过电化学腐蚀试验、涂层结合力试验、XRD分析等方法,研究了在环氧沥青和改性沥青混凝土2种钢桥面铺装层下的无机富锌、环氧富锌和电弧喷锌涂层的腐蚀性能以及涂层与钢桥面板间结合性能,考察了涂层腐蚀对桥面铺装层抗剪切性能的影响.结果表明:喷锌防腐蚀涂层与桥面板之间的结合力受制于钢板除锈预处理方式,喷砂处理的涂层结合力优于抛丸处理;铺装层的抗剪切能力受防腐蚀涂层腐蚀产物影响,锌系涂层的可溶性腐蚀产物破坏了钢桥面铺装体系界面的连续性,锌系涂层腐蚀使铺装层抗剪切强度下降1倍左右,喷锌涂层腐蚀对铺装层结合性能的影响大于富锌涂料涂层.     

铁路钢桥环氧沥青柔性保护层在特种活载作用下的力学响应

随着铁路钢桥跨径的增大,铁路采用柔性保护层的研究受到重视。从铁路钢桥桥面系的结构组成及荷载传递特点出发,建立高速列车-轨道-环氧沥青柔性保护层-桥梁耦合体系有限元模型。通过典型铁路钢桥面系算例分析可见,保护层竖向位移、横向拉应力、纵向拉应力及钢板与保护层间剪应力峰值均出现在ZK特种活载中心作用于距横隔板1/4跨处(定义两横隔板之间距离为一跨);最大竖向位移发生在荷载作用的中心区域;最大横向拉应力出现在轨枕两侧以及纵肋上方对应的区域;钢板和保护层间最大纵向剪应力分布在荷载下方轨枕对应的保护层区域。此外,通过室内试验,验证环氧沥青柔性防水保护体系的抗拉和抗剪切强度满足理论分析结果和规范的要求。列车荷载作用下环氧沥青柔性防水保护层的力学响应及其分布规律,可为同类铁路钢桥桥面系保护层设计提供理论依据。     

Dynamic response of top-down cracked asphalt concrete pavement under a half-sinusoidal impact load

A 3D finite element analysis model of cracked asphalt pavement is established by the FEM software ABAQUS. Based on dynamics mechanics, fracture mechanics and finite element theory, this paper studies the influence of various vehicle speeds, crack location, crack depth, damping ratio etc. on the dynamic response. The results show that the surface deflection, the maximum tensile strain at the bottom of the asphalt layer, and the maximum shear stress of the asphalt layer decreased with the increase in vehicle velocity when there is no crack in the pavement. No matter where the transverse position of the crack is the stress intensity factors increase with the increase in crack depth and decrease exponentially with the increase in longitudinal distance between the vehicle center and the crack. In the case of the crack locating in the center of wheel clearance, the surface deflection increases with the crack depth increasing. But if the crack is at the edge of the wheel track, there will be a critical vehicle velocity where the surface deflection is smaller than the asphalt pavement without crack if the vehicle velocity is above it. The maximum tensile strain at the bottom of the asphalt layer and the maximum shear stress of the asphalt layer are also smaller than the asphalt pavement without crack. The maximum tensile strain and the maximum shear stress decrease with the damping ratio increasing. So the increase in damping ratio can help to alleviate the propagation of cracks.     

Effect of pavement design parameters on the behaviour of orthotropic steel bridge deck pavements under traffic loading

This study evaluated the effect of the pavement design parameters on the behaviour of orthotropic steel bridge deck pavements under traffic loading using a three-dimensional finite element model. Four types of paving materials were considered in this analysis: polymer concrete, epoxy asphalt concrete, polymer-modified stone mastic asphalt concrete and mastic asphalt concrete. The maximum transverse tensile strain was developed at the bottom of the pavement under a tyre of dual tyres or on top of the pavement between two tyres. From the sensitivity analysis, better interface bonding between the deck plate and pavement led to a significant enhancement of bottom-up fatigue cracking resistance, especially for 40-mm-thick pavements. As pavement temperature increased from ? 20 to 60°C, critical tensile strain increased significantly, and corresponding locations moved from the bottom to the top of the deck pavement.     

车、路的相互作用下沥青路面动力学特性分析

文中采用二自由度四分之一汽车悬架模型模拟汽车系统,依据弹性层状体系理论,建立路面结构的三维有限元分析模型,考虑车路相互作用,采用ANSYS有限元分析软件对移动车辆荷载作用下路面各结构层中的位移、应力、应变进行了模拟。计算分析了行车速度、悬架刚度、悬架阻尼、轮胎刚度和轮胎阻尼五个参数对路面动力响应的影响。结果表明：沥青面层处于三向受压状态,层内切应力是引起其破坏的主要原因;最大水平拉应力和最大横向拉应力均发生在路面结构的基层和底基层结合处;车速对路面动态响应的影响规律很复杂,应考虑车辆模型和路面不平整度,并划分速度区间加以探讨;路面动态响应随轮胎刚度、悬架刚度和悬架阻尼的增大而减小。上述结论对于深入分析路面结构动力响应与疲劳损坏以及研究车辆与路面相互作用的机理有重要价值。     

聚氨酯-钢板夹层正交异性桥面板试验研究

通过2个不同纵向加劲肋间距的聚氨酯-钢板夹层结构正交异性三跨连续桥面板的钢箱梁模型试验,结合有限元计算分析方法建立多种加劲肋间距桥面板的钢箱梁计算模型进行计算对比,研究该种桥面板的受力性能,试验模型按实桥同种材料的箱梁缩小1/4制作,按汽车荷载在跨中及支点截面产生最大弯矩时测试截面各关键点的纵向、横向应变和挠度。结果表明:桥面板各点应变试验值与计算值基本吻合;采用聚氨酯-钢板夹层结构正交异性桥面板可大幅削减局部应力集中峰值,从而可大幅减少加劲肋数量,减少程度主要取决于夹层板厚度;板面有些部位要同时承受两个正交方向的反号应力;相应截面中间加劲肋底部纵向应力最大;夹层桥面板的应力和挠度随着芯层厚度减小,增幅加大。     

考虑车桥耦合效应的大跨悬索桥钢-混组合梁疲劳损伤评估

为了研究不同疲劳车辆荷载作用下大跨度悬索桥钢-混组合梁的疲劳寿命,以及在考虑车桥耦合效应变化时运营期内钢-混组合梁疲劳损伤累积变化规律,以某主跨720 m的悬索桥为例进行了分析。基于局部梁段有限元模型静力分析确定了疲劳细节关注点,得出相应的应力集中系数;利用P-M及CDM两种评估模型对疲劳荷载模型Ⅲ、AASHTO规范标准疲劳车及河北省疲劳荷载谱三类疲劳车辆荷载作用下的疲劳损伤度及疲劳寿命进行了评估;考虑车桥耦合动力效应分析了车辆载重量、行车速度、桥面铺装恶化及未来交通量增长对结构运营期内的疲劳损伤累积的影响。结果表明,该类钢-混组合梁悬索桥疲劳状态评估最不利梁段为1/8跨处,易发生疲劳破坏的节点为靠近吊点位置的主梁顶板与腹板连接处。疲劳荷载模型Ⅲ与当地疲劳荷载谱作用下的疲劳损伤量比较接近,AASHTO疲劳车作用下的损伤累积量明显低于另外两类。不同部位疲劳细节关注点的累积损伤量变化趋势与速度的关系不太明确,行车载重量、交通量增长以及桥面铺装恶化均加速疲劳损伤累积的增长。     

A mechanistic approach to evaluate the potential of the debonding distress in asphalt pavements

The debonding distress in asphalt pavement structures is a critical problem that affects the performance of asphalt concrete pavements. It occurs at the layer interface due to the poor bond quality between adjacent asphalt concrete layers and/or when stresses at the layer interface exceed the strengths of the material at the interface. The debonding of the adjacent layers, especially the top surface layer of an asphalt pavement, is a contributing factor to the premature cracking of pavements. Hence, the debonding distress can lead to a reduction in the life of the pavement. This paper presents an analytical and experimental framework to evaluate the potential for debonding at the layer interface of asphalt concrete pavements. Computational analysis was performed to determine the critical stress and strain states in layered asphalt pavements under moving vehicle loads using the Layered ViscoElastic pavement analysis for Critical Distresses (LVECD) computer program developed at North Carolina State University. This computational analysis enables a greater understanding of the critical stress that is involved in debonding and the ways that such stress is affected by pavement design parameters and environmental conditions. In addition, a prediction model was developed that can determine the shear bond strength at the interface of asphalt concrete layers with different tack coat materials at various temperatures, loading rates and normal confining stresses. The systematic and mechanistic framework developed in this study employs the maximum shear ratio concept as a shear failure criterion and provides a tool to evaluate the effects of various loading, environmental and pavement factors on the debonding potential of asphalt pavements. The overall advantages of the mechanistic framework and approach using the LVECD analysis tool will help lead to better understanding of the debonding mechanism, proper selection of the tack coats, and economic benefit in highway pavement maintenance and rehabilitation costs.     

Impact factors for a composite steel bridge using non-linear dynamic simulation

Traditionally, bridges are designed using static loads that are increased by the dynamic load allowance (DLA) factor (or dynamic amplification factor). The DLA factor is a function of span or first flexural natural frequency of the bridge, and indirectly incorporates the dynamic effects of moving vehicles in the design. This article firstly reviews the literature on impact loading of bridge decks. Analytical methods published previously are evaluated and the bridge–vehicle interaction is found to be the most reliable method among them. The article then presents a 3D finite element model to study the bridge–vehicle interaction. Finite elements are developed to simulate the trucks, the road surface and the composite girder bridge itself. Truck parameters include the body, suspension and tires, with variables being the total weight and the speed. The bridge superstructure is treated as a 3D composite steel girder bridge incorporating special end springs that simulate the elastomeric bearings. A parametric study is performed to identify the effect of various parameters on DLA, such as vehicle speed, aspect ratio of steel girders, stiffness of neoprene, type of vehicle, vehicle lane eccentricity and initial bounce of the vehicle due to road surface roughness. The results indicate that the DLA is correlated well with the velocity of the truck, especially at high speed. DLA is vehicle dependent and the dynamic and static live loads can be considered uncorrelated, except when the truck weight is less than 10 percent of the total deck weight, for which a low degree of correlation is observed. The DLA is decreased as the vehicle lane eccentricity (with respect to the deck centerline) is increased, and the same relationship exists with the bridge span length. No distinctive correlation is observed between the DLA and the initial bounce of vehicle at the time of entrance to span.     

大跨径钢桥桥道系协同作用试验模型研究

建立了考虑整桥变形的局部梁段模型,对钢桥面铺装在整桥及车载作用下的应力进行了计算,得到整桥变形的影响系数为1.17。建立初拟的两种协同作用试验方案的有限元模型,以局部梁段模型中铺装的最大应力应变值为参考值,对两种协同作用试验方案中相关结构参数进行了修正;在此基础上,为保证设计的协同作用试验模型与原型的一致性,将修正后的试验模型与局部梁段模型在控制点位应力值进行了对比;最终得到大跨径钢桥桥道系协同作用试验模型。研究成果可为钢桥面铺装室内试验模型的设计提供理论依据。     

移动随机荷载下沥青路面的动力学特性和参数影响分析

为研究车辆与路面的相互作用机理,采用四自由度二分之一悬架模型模拟车辆系统,以Kelvin地基上无限大双层Kirchhoff薄板模拟沥青路面,建立了车辆-路面-路基相互作用系统。通过Fourier积分变换得到路面动力响应的解析解,考虑路面随机不平度和车辆与路面的相互作用,研究了移动随机荷载作用下沥青路面动力响应的分布规律,进一步讨论了路面不平度、车辆载重、车辆悬架刚度、悬架阻尼、轮胎刚度和轮胎阻尼等参数对沥青路面动力响应的影响,形成了一套车辆对道路破坏性研究的系统化方法。结果表明:提高路面不平度等级、严禁车辆超载、限制轮胎超压、优化悬架刚度和悬架阻尼可有效降低路面的动力响应,延长路面的使用寿命,防止路面早期破坏。研究结果可为避免路面的早期破坏,延长路面的使用寿命提供理论参考。