新型钢箱梁桥面铺装技术

新型桥面铺装材料与结构优化设计汇报人：丁庆军教授、博士生导师[e-mail]单位：武汉理工大学2014年6月23日丁庆军，男，工学博士，武汉理工大学产学研首席教授，博士生导师，享受国务院政府特殊津贴。主要从事高强与高性能混凝土、桥梁与隧道工程材料的研究与应用工作。中国硅酸盐学会水泥分会理事，水泥化学及物化测试专业委员会副主任委员，《施工技术》杂志学术委员会理事，湖北省科学技术咨询服务中心建材科技工程咨询部专家组成员。个人简介主要研究领域学术兼职项目名称所属计划项目经费（万元）起止年限本人承担的任务现代混凝土胶凝浆体的微结构形成机理国家973计划课题62309/13负责抗滑、阻燃、降噪多功能隧道路面的结构设计与铺装技术国家863计划34706/08负责高钛重矿渣集料的桥梁高性能混凝土制备与应用技术研究交通部西部交通建设科技项目16010/14负责“节能建材成套应用技术研究与示范”课题“高消纳率污泥再生轻骨料及应用技术研究”国家“十二五”重点科技攻关9411/14负责富含重金属工业渣泥制备防辐射混凝土用集料的焙烧机理及其服役特性国家自然科学基金8013/16负责杂散电流与氯离子共存环境下混凝土的劣化机理及其材料设计国家自然科学基金3107/08负责先后主持国家“863”项目2项，国家“973”课题1项，国家“十一五”、“十二五”科技支撑计划子课题各1项、国家自然科学基金2项、各类省部级科研课题共计20余项。近五年主持的各类国家科技计划项目：承担工程项目100多项，发明的钢管高强混凝土膨胀控制与制备技术，先后应用于世界第一跨度的合江一桥（530m），世界第二跨度的巫山长江大桥（460m）等100余座钢管混凝土桥，参与编写了国家标准《钢管混凝土拱桥技术规程》，推动了钢管拱桥的应用与发展。世界第一跨度的全钢管混凝土桁架桥干海子大桥(最长的连续梁为1044.7m，最高桥墩达107m)世界第一跨度钢管混凝土拱桥合江一桥(净跨度530m)世界第二跨度钢管混凝土拱桥巫山长江大桥(净跨度460m)主要承担的工程项目浙江华光潭湖南湘潭湘江四桥湖南茅草街大桥重庆巫山长江大桥武汉江汉晴川桥(江汉三桥)浙江淳安南浦大桥浙江华光潭桥重庆奉节梅溪河大桥广东东莞水道大桥浙江宁波三门口（中门）桥浙江宁波三门口（北门）桥武汉江汉长丰桥(江汉五桥)广东潮州韩江北桥广西南宁永和大桥长沙黑石铺湘江大桥湖北省秭归青干河大桥贵州水柏北盘江铁路大桥青藏拉萨河铁路特大桥宜昌三峡龙潭河大桥浙江杭州钱塘江四桥（460m，世界跨度第一）四川广元昭化大桥长春伊通河大桥后湖大桥岱山特大桥开发低温升抗裂高性能大体积混凝土，解决了内外温度梯度大造成的开裂问题，取消冷却水管，简化施工工艺，缩短工期，降低工程造价，取得了显著的社会和经济效益。合江一桥嘉绍大桥大榭二桥西藏通麦特大桥合江二桥港珠澳大桥公开发表学术论文100余篇，其中被SCI、EI收录70余篇，著作1部。获得国家发明专利30余项。[1]DingQ.J.,HuC.G.,FengX.X.,HuangX.L.(2012),EffectsofCuringRegimeonPolymerizationofC-S-HinHardenedCementPastes,JournalofWuhanUniversityofTechnology-Mater.Sci.Ed.,28(4):715-720.[2]DingQ.J.,ZhuY.X.,WangY.,HuangX.L,GongZ.C.(2012),EffectofMolecularStructureofPolycarboxylate-typeSuperplasticizerontheHydrationPropertiesofC3S.JournalofWuhanUniversityofTechnology-Mater.Sci.Ed.,27(4):768-771.[3]DingQ.J.,LuL.N.,HuS.G.,HeY.J.(2002),Preparationofhighimpermeableandcrack-resistancchemicaladmixtareanditsmechanism,J.WuhanUnivThech-Mater.17(2)：70-73.[4]DingQ.J.,HuC.G.,FengX.X.,HuangX.L.(2012),EffectofCuringRegimeontheDistributionofAl3+CoordinationinHardenedCementPastes.JournalofWuhanUniversityofTechnology-Mater.Sci.Ed.28(5):927-33.论文及专利情况序号获奖项目名称奖励名称与等级颁奖单位获奖年份排名1管磨开流选粉节能技术及其水泥绿色制成应用国家技术发明奖二等奖中华人民共和国国务院201132钢管高强混凝土膨胀控制与制备技术及其在大跨度结构的应用国家科学技术进步奖二等奖中华人民共和国国务院201023高性能水泥基复合材料的研究及工程应用开发国家科技进步二等奖中华人民共和国国务院200124脱空钢管混凝土计算理论与质量控制成套技术四川省科技进步一等奖四川省人民政府201325高性能结构轻集料混凝土的研究及其工程应用开发湖北省科技进步一等奖湖北省人民政府200726大跨度拱桥结构钢管高强膨胀混凝土制备技术及应用建筑材料科学技术发明一等奖中国建筑材料工业协会、中国硅酸盐学会200627钢管高强膨胀混凝土的研究及其在钢混组合结构中的应用湖北省科技进步一等奖湖北省人民政府200528利用淤污泥生产环保型优质轻集料及其混凝土的应用技术教育部科学技术进步一等奖教育部200829高耐久性钢桥面铺装结构设计、材料制备及施工技术开发建筑材料科学技术一等奖（科技进步奖）中国建筑材料联合会、中国硅酸盐学会2009310水泥绿色制成关键技术研究及其集成与工业化应用广西科技进步一等奖广西壮族自治区人民政府20104获国家科技进步二等奖2项（排名均第2）、国家技术发明奖1项（排名第3），省部级一等奖9项（排名第二4项，排名第三1项，排名第四1项，排名第五1项，排名第七2项），省部级二等奖5项。获得国家和省部级科技奖励共获国家、省部级各类奖励20余项钢桥面铺装汇报内容研究背景钢桥面铺装水泥混凝土桥面铺装获得的知识产权下一步工作展望桥面铺装层是桥梁结构重要组成部分，在荷载和环境侵蚀的偶合作用下易发生磨耗和劣化，桥面铺装质量和性能将直接影响到汽车行驶舒适性和安全性。一、研究背景桥面铺装钢桥面12混凝土桥面钢格子梁钢箱梁钢桁架梁其他简支梁连续刚构梁钢-混叠合梁其他悬臂梁ERS铺装体系剪力件+钢筋网+高韧性混凝土+高粘SMA混凝土浇注式沥青混凝土环氧树脂沥青混凝土铺装材料双层SMA铺装2.1钢桥面铺装层材料种类及存在的问题二、钢桥面铺装技术部分国家的铺装体系桥梁名称主跨/m主梁类型建成年代铺装类型金门大桥（美）1280钢桁架梁193750mm美国环氧沥青混合料维拉扎诺大桥1298钢桁架梁196450mm美国环氧沥青混合料香港青马大桥1377钢桁架梁199740mm浇注式沥青混凝土明石海峡搭桥（日）1991钢桁架梁199835mm浇注式+30mm改性AC大贝尔特桥（丹）1624钢箱梁1998沥青马蹄脂混合料恒文伯大桥（英）1410钢箱梁1981沥青马蹄脂混合料江阴长江大桥1385钢箱梁1999原浇注式后改为日本环氧(2004)镇江润扬大桥1490钢箱梁200550mm美国环氧沥青广东虎门大桥888钢箱梁1997原SMA后改为日本环氧（2008）广州黄埔大桥1108钢箱梁2008日本环氧和美国环氧南京长江二桥628钢箱梁200050mm美国环氧沥青混合料武汉白沙洲大桥618钢箱梁2000SMA美国环氧沥青（2009）武汉阳逻大桥1280钢箱梁200750mm美国环氧沥青铺装材料优点缺点浇注式沥青混凝土(GA)以德国、日本为主1）材料的空隙率几乎为零，防止粘结层免遭水损害；2）低温柔韧性较好，与钢桥面板协调变形性能强；1）对施工设备要求高；2）高温推移、拥包、车辙，冬季低温时出现收缩开裂；国内外钢桥面铺装材料对比改性沥青(SMA)以德国、日本为主1)热稳性优良；2)抗滑耐磨耗；3)抗裂性性优良；1)粘结性能差；2）易出现推移、拥包等问题；3）易造成疲劳破坏；环氧树脂沥青(EA)以美国、日本为主，主要有温拌及热拌两种。1)粘结性能好；2)高温时车辙与推移现象明显减少1）低温劲度大，易开裂；2）施工复杂，温度范围较窄3）国外技术，成本较高；4）构造深度小，抗滑性差，在重载车交通环境下，使用不到两年也出现了破坏。南京长江二桥江阴大桥材料与钢板间的弹性模量差异大,不能协调一致变形.车辆超载、重载普遍高温、多雨等恶劣气候内因外因耐疲劳性差粘结性能差无法改变内因上解决从材料与结构设计出发因此，研究开发一种基于材料梯度设计的新型钢桥面铺装技术！钢桥面铺装层破坏原因与解决思路减轻自重荷载。轻集料混凝土可使铺装层内材料产生弹模梯度变化，显著降低铺装层体系的拉应力和剪应力，提高其使用寿命浇注轻质高韧性混凝土钢板焊接剪力件提高铺装层材料与钢板之间的界面抗剪强度和与钢板的协同一致变形能力焊接剪力件绑扎钢筋网防水防锈层设置防水防锈层提高防水性能,防止钢板生锈设置防水应力吸收层防止反射裂缝高粘高弹SMA13高粘高弹防水粘结应力吸收层铺设高粘SMA13提高面层的行车舒适性、抗滑性、抗车辙、水稳性和耐疲劳性绑扎钢筋网轻质高韧性混凝土2.2新型钢桥面铺装层技术方案（2001年提出）钢箱梁段铺装体系复合作用模型钢箱梁段车载沿横桥向作用示意图以武汉机场第二公路通道主桥钢箱梁段(跨度150m）为例2.3铺装层力学响应分析项目计算参数钢箱梁顶板厚度/mm20横隔板间距/mm3000横隔板厚度/mm10顶板U形加劲肋厚度/mm8U形加劲肋间距/mm600沥青铺装层厚度/mm50+50钢板泊松比0.25钢板弹性模量/MPa210000改性沥青SMA泊松比0.35改性沥青SMA弹性模量/MPa1200最大横向拉应力位于沿桥纵向的加劲肋板上方铺装表面。最大纵向拉应力位于横隔板上方铺装层表面。最大层间剪应力出现在横隔板上方附近加劲肋两侧区域。最大竖向位移出现荷载作用于跨中时。下面层铺装材料的模量400MPa800MPa3000MPa30GPa上面层横/纵向最大拉应力MPa0.42/0.320.35/0.260.28/0.210.11/0.08下面层横/纵向最大拉应力MPa0.37/0.300.49/0.390.77/0.541.02/0.82上下铺装层间最大剪应力MPa0.230.170.120.09铺装层与钢板间最大剪应力MPa0.440.480.610.81随着下面层模量的提高，上面层的横向拉应力减小，下面层的拉应力增大，上下面层间的层间剪应力减小，下面层与钢板的层间剪应力增大。双层铺装结构需要采取措施提高下面层材料的抗拉强度、韧性以及与钢板的粘结强度，并使下面层与钢板协同变形。表1上面层SMA、下面层不同模量铺装材料的力学分析2.4梯度设计下铺装层力学分析将“钢桥面板-铺装结构层-表面功能层”作为一个整体结构单元进行设计，提出“强化界面粘接、协同层间变形、优化表面功能、提升整体性能”的设计思路，采用“创新设计、优化结构、提升性能、材料复合”的技术方法。①基于材料梯度设计原理,提出在钢板（弹性模量210GPa）上焊接剪力件、绑扎钢筋网、浇筑与钢板具有较好追从性的高韧性轻质混凝土为下面层（弹性模量约25~28GPa，I2020，厚度5~8cm），上面层铺设SMA13沥青混凝土（弹性模量1.2~1.6GPa，厚度4~5cm），形成弹性模量梯度复合结构。2.5新型铺装结构铺装层设计原理钢桥面双层沥青铺装层钢桥面“过渡层-沥青组合”铺装层②在下面层铺装结构中，剪力件与钢筋网构成的桥面抗推移骨架，在提高下面层高韧性轻集料混凝土抗滑移能力的同时，