一种长寿命钢筋网柔性纤维混凝土桥面铺装结构的制作方法

文档序号:2293119阅读:179来源:国知局
一种长寿命钢筋网柔性纤维混凝土桥面铺装结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种长寿命钢筋网柔性纤维混凝土桥面铺装结构,桥梁顶板和铺装层之间喷洒界面粘接剂层,界面粘接剂层上铺设柔性纤维混凝土层,沿着铺装层纵横方向布置了钢筋网片。本发明实现了桥面铺装的多向增强效应、双重阻裂效应,达到了多重防水、抗渗和抗冻的性能目标;新型防脱防水界面粘接剂,确保桥面铺装和桥面板的完美粘接、共同协调工作,其强抗滑移能力延长了桥面铺装的使用寿命,达到提高其桥面铺装长寿命的目的,降低了翻修频率,减少了交通中断时间,节省了大量资金,确保车辆安全通行,满足可持续发展要求,适用于北方重车多、温差变化大以及多雨雪的使用环境。
【专利说明】一种长寿命钢筋网柔性纤维混凝土桥面铺装结构
[0001] 结构领域
[0002] 本案例属于桥梁建设领域,尤其涉及一种双重阻裂、随机增强、多重防水的长寿命 钢筋网柔性纤维混凝土桥面铺装结构。
[0003] 背景结构
[0004] 桥面铺装即行车道铺装,亦称桥面保护层,它是桥面系中车轮直接作用的部分,其 作用不仅在于保护桥面,防止车辆轮胎或履带直接磨耗行车道板,保护桥梁免受雨水及其 它有害物质的侵蚀,而且还可以起到均衡分布桥面荷载,参与结构受力,确保结构长寿命的 作用。桥面铺装质量的好坏将直接影响整个桥梁的外观质量以及行车安全性和舒适性。
[0005] 20世纪80年代以来,我国高等级公路发展十分迅速,路桥建设数量剧增。随着公 路等级的提_,桥梁涵洞等公路构造物所占比重越来越大,而_等级公路对路面质量要求 较高,合理的路面结构设计、高性能的施工设备以及完善的施工工艺已使路面质量达到相 应的指标。如近些年来我国所修筑的高速公路,路面质量有大幅度提高,行车舒适性得到大 大改善。
[0006] 然而,随着交通量的增加和荷载等级的提高,桥面铺装层的破坏情况越来越严重, 有为数不少的桥梁在通车后不久,桥面就不同程度地出现开裂、剥离、破碎、凹凸不平、塌 陷、桥面磨光、剪切破坏和桥面连续处破坏等病害。造成了直接和间接的巨大经济损失。
[0007] 在以往的桥梁设计中,桥面铺装一般不作受力计算,只是作为构造层来考虑。《公 路桥梁设计通用规范》(JTG D60-2004)规定:装配式钢筋混凝土、预应力混凝土梁桥采用 水泥混凝土或浙青混凝土铺装,其厚度最小为0. 05-0. 08m,如果在施工中能确保铺装层与 行车道板紧密结合成整体,则铺装层的混凝土(除去作为车轮磨耗部分可取〇. 01-0. 〇2m厚 夕卜)还可以计算在行车道的厚度内和行车道板共同受力。为使铺装层具有足够的强度和良 好的整体性(起到联系各桥梁共同受力的作用),一般宜在混凝土中铺设直径为8_的钢筋 网。然而,随着交通量的增加和荷载等级的提高,当载重车反复作用时,由于主要承重结构 的变形,使得桥面铺装不能满足使用荷载及结构变形的要求,导致铺装层破坏。
[0008] 混凝土梁桥桥面铺装层结构的破坏已经成为高等级公路主要病害之一,严重影响 了行车安全性与舒适性,并由此暴露出一些设计与施工中对铺装层工作状况认识不足的问 题。特别是类似于我国北方地区,经济发展快,矿产资源丰富,公路运输比例大,重车多,温 差变化大、雨雪多等复杂的交通环境,桥面铺装使用年限短,严重影响行车舒适性和运营安 全,迫切需要一种新型的长寿命桥面铺装。
[0009] 为了解决这个问题,本方案发明了长寿命桥面。通过调查北方地区铺装结构的典 型破坏形式,分析其破坏机理,提出适应北方地区重载、温差大、多雨雪等交通环境的铺装 结构思路;在基于破坏力学的铺装结构破坏发展、演变机理研究的基础上,提出适应于北方 地区重载交通使用环境下的铺装结构的长寿命结构指标(材料、典型结构);建立基于断裂 力学的"柔性聚丙烯纤维混凝土 +钢筋网+改性聚合界面粘接剂"的阻裂铺装结构的裂尖 闭合力阻裂机理模型,揭示铺装结构的阻裂、抗疲劳等机理,从理论上为铺装结构的工程应 用奠定基础;结合数值仿真分析和试验研究,优化合理可行的长寿命铺装方案,针对选定的 铺装层材料、界面粘结材料和铺装层结构形式开展系统的试验研究,提出典型的铺装结构 及合理高效的施工工艺。


【发明内容】

[0010] 本发明的目的在于提供一种长寿命桥面,旨在解决传统桥面铺装使用年限短,严 重影响行车舒适性和运营安全的问题。
[0011] 本发明提供了 一种长寿命桥面铺装,所述长寿命桥面包括:界面粘接剂层、柔性纤 维混凝土层、钢筋网层和铺装层;
[0012] 桥梁顶板和铺装层之间铺设界面粘接剂层,界面粘接剂层上铺设柔性纤维混凝土 层,沿着铺装层纵横方向布置了钢筋网层。
[0013] 进一步,所述界面粘接剂层采用改性防脱防水聚合界面粘接剂。
[0014] 进一步,所述柔性纤维混凝土层采用柔性聚丙烯纤维混凝土,柔性聚丙烯纤维在 混凝土中呈三维乱向分布。
[0015] 本发明的另一目的在于提供一种应用上述长寿命桥面铺装的桥梁。
[0016] 本发明针对北方道路的交通和环境情况,采用具有双重阻裂、随机增强的钢筋网 柔性纤维混凝土桥面铺装,辅助以新型防脱防水界面粘接层的新型桥面铺装方案,实现了 桥面铺装的多向增强效应、双重阻裂效应,达到了多重防水、抗渗和抗冻的性能目标;新型 防脱防水界面粘接剂,确保桥面铺装和桥面板的完美粘接、共同协调工作,其强抗滑移能力 延长了桥面铺装的使用寿命,达到提高其桥面铺装长寿命的目的,降低了翻修频率,减少了 交通中断时间,节省了大量资金,确保车辆安全通行,满足可持续发展要求,适用于北方重 车多、温差变化大以及多雨雪的使用环境;试点研究表明"柔性聚丙烯纤维混凝土 +钢筋网 +改性聚合物界面粘接剂"桥面铺装结构可适当减小铺装厚度2?8cm,二期恒载作用降低, 主体结构承受荷载减小,间接提高了桥梁的承载能力,抗超载能力也得到了一定的提升;同 时,铺装结构使得荷载可均匀分布于整个混凝土结构上,局部铺装层不会承受过大的集中 荷载,有效地削减荷载峰值,提升重载交通服务能力,增强了桥面铺装的长寿命,延长了结 构使用寿命。
[0017] 钢筋网柔性聚丙烯纤维混凝土辅助以高强防脱型界面粘接剂的桥面铺装方案在 高速公路工程中的实验性应用,明显地减少了桥面铺装层的开裂、剥落等病害现象,提高 了铺装层使用寿命,确保具有更长时间的行车舒适性,减少桥梁的行车冲击效应,间接地提 高了桥梁的安全性,由此带来显著的社会效益;该结构适用于北方重车多、温差变化大以及 多雨雪的使用环境,提高桥面铺装长寿命,降低了翻修频率,减少了交通中断时间,节省了 大量资金,确保车辆安全通行,必将取得良好的社会经济效益;在项目实施过程中,相关的 结构转化成果全部实现社会共享,提高了基层结构人员的专业技能,对加速科研成果向生 产力的转化以及保证科研成果在工程实际中应用的成功率起到良好的示范作用。

【专利附图】

【附图说明】
[0018] 图1是本发明提供的长寿命桥面发明流程图;
[0019] 图2是本发明提供的长寿命桥面方案结构图。

【具体实施方式】
[0020] 为了使本发明的目的、结构方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施案例, 对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发 明,并不用于限定本发明。
[0021] 本发明是这样实现的,一种长寿命桥面铺装,如图2所示,该结构包括:界面粘接 剂层1、柔性纤维混凝土层2、钢筋网层3和铺装层4。桥梁顶板和铺装层4之间铺设界面粘 接剂层1,界面粘接剂层1上铺设柔性纤维混凝土层2,沿着铺装层4纵横方向布置了钢筋 网层3。
[0022] 图1示出了本案例提供的长寿命桥面的发明过程:
[0023] 1、在步骤SlOl中,通过调查北方地区铺装结构的典型破坏形式,分析其破坏机 理,提出适应北方地区重载、温差大、多雨雪等交通环境的铺装结构思路。
[0024] 2、在步骤S102中,在基于破坏力学的铺装结构破坏发展、演变机理研究的基础 上,提出适应于北方地区重载交通使用环境下的铺装结构的长寿命结构指标(材料、典型 结构)。
[0025] 3、在步骤S103中,建立基于断裂力学的"柔性聚丙烯纤维混凝土 +钢筋网+改性 聚合界面粘接剂"的阻裂铺装结构的裂尖闭合力阻裂机理模型,揭示铺装结构的阻裂、抗疲 劳等机理,从理论上为铺装结构的工程应用奠定基础。
[0026] 4、在步骤S104中,在"裂尖闭合力"阻裂机理模型的基础上,建立桥面铺装层的数 值分析方法,模拟北方地区重载、温度等效应作用,验证铺装结构的有效性。
[0027] 荷载条件:主要考虑以下几种工况:⑴工况一:坚向荷载,依据《公路桥涵设计通 用规范》(JTG D60-2004),采用550kN重车的车辆后轴140kN,荷载作用面积单侧双轮接地 面积0. 6mX0. 2m ;⑵工况二:坚向荷载和水平荷载共同作用,其中坚向力大小与⑴的相同, 作用于铺装层表面的水平荷载仅考虑车轮与铺装层间的摩擦力,取摩擦系数为〇. 3,并考虑 冲击;⑶工况三:温度荷载,由表层向底层以递减的梯度方式施加。
[0028] 模型用结点耦合的方法来模拟桥面铺装层4和桥面板两层之间的结合,将两层间 所有结点的三个方向全部耦合来模拟界面粘结良好,即桥面铺装与桥面板之间没有缺陷, 共同受力;通过放松两层之间一部分结点的耦合来模拟桥面铺装之间存在裂缝、脱空等缺 陷。
[0029] 由于边界条件(支撑条件)不同、荷载条件不同,受力会有很大的不同。在建立模 型时考虑了不同位移边界条件的模型,并计算了不同形式荷载作用下的受力状况,以便更 全面、准确地认识桥面铺装层4与桥面板共同受力、变形的状况。
[0030] 通过计算可知,铺装层4内的最大剪应力随厚度的改变有时出现在铺装层4表面, 有时出现在接触层,有时出现在铺装层4内部。水泥混凝土桥面铺装在行车荷载作用下经 常发生剪切破坏,一般来说破坏有两种情况:一是水泥混凝土铺装层内产生较大的剪应 力而引起无确定破坏面的剪切变形;二是水泥混凝土铺装层与桥面层间发生剪切破坏。
[0031] 当混凝土桥面铺装层4与桥面板之间存在缺陷时,由于缺陷区域的影响,桥面铺 装层4的受力在局部位置有很大影响,当设置微小的一个缺陷区域时,铺装层内的最大剪 应力就可能急剧增加几十倍,甚至更多倍。这就会在缺陷区域周围造成应力集中,主拉应力 很容易超过材料的抗拉极限值,从而严重影响结构的承载受力。因此,只有保证铺装层4与 桥面板的良好结合,选择物理及力学性能更适合铺装层受理要求的材料,才可以使结构承 受更大的荷载,由此提出了铺装材料和铺装结构的结构指标。
[0032] 5、在步骤S105中,提出了铺装材料和铺装结构的结构指标。
[0033] 6、在步骤S106中,结合数值仿真分析和试验研究,优化合理可行的长寿命铺装方 案,针对选定的铺装层材料、界面粘结材料和铺装层结构形式开展系统的试验研究,提出典 型的铺装结构及合理高效的施工工艺。
[0034] 1)柔性纤维混凝土的物理、力学性能系统试验研究
[0035] 对纤维混凝土和普通混凝土的抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度、冲击性能、抗 疲劳、耐磨性能等进行了大量的对比试验,试验表明,纤维混凝土的力学性能优于普通混凝 土。
[0036] 2)柔性纤维混凝土抗渗、抗冻性能研究
[0037] 抗渗、抗冻性是北方地区混凝土长寿命的重要指标,对柔性纤维混凝土层2的抗 冻、抗渗性进行了试验研究。结果表明:由于纤维在混凝土2中呈现三维乱向分布,使得混 凝土材料失水面积有所减小,水分迁移较为困难,从而使毛细管失水收缩形成的毛细管张 力、吸附水和分子间力作用等有所减小,可以起到阻断混凝土内毛细作用的效果,从而抗渗 效果提高;纤维加入到水泥混凝土中后,混凝土中含有大量的乱向的微细纤维,增加了材料 的抗裂性能,使得混凝土的抗渗、抗冻性能得以提高。
[0038] 3)柔性纤维混凝土的变形性能及裂纹扩展规律研究
[0039] 完成了柔性纤维混凝土层2的弹性模量和弯拉模量的试验,试验表明柔性纤维混 凝土层2抗裂能力的提高主要体现在在较高的应力水平,即在应变有一个较大的增长后试 件才断裂破坏,也就是说柔性纤维混凝土层2在裂纹失稳扩展前有一个微裂纹的亚临界扩 展过程,提出基于裂纹控制的配合比研究方法。
[0040] 4) "柔性纤维混凝土 +钢筋网"桥面铺装典型结构研究
[0041] 在柔性纤维混凝土层2材料物理力学性能研究基础上,结合"裂尖闭合力"阻裂机 理模型,采用具有双重阻裂、随机增强的钢筋网柔性纤维混凝土桥面铺装方案。
[0042] 5)桥面铺装柔性纤维混凝土的界面试验
[0043] 在对铺装结构的破坏机理及有限元分析的基础上,提出的改性聚合物界面粘接剂 保证了铺装层4与桥面板的变形协调,减少了铺装界面和材料的初始缺陷,增强铺装结构 的抗病害的能力。项目组在众多界面剂中选择并配制出粘结效果较好的5种界面剂,开展 了新老混凝土界面粘结试验,得到了具有极好的高强、防水、抗脱、抗冻、抗渗性能的界面粘 接材料。
[0044] 6) "柔性纤维混凝土 +钢筋网+改性聚合物界面粘接剂"的典型桥面铺装方案
[0045] 在大量的试验验证和数值分析后,确定如图2所示的钢筋网柔性聚丙烯纤维混凝 土辅助以高强防脱型界面粘接剂层的典型桥面铺装方案。
[0046] 根据铺装层4的受力特点,通过大量的试验提出了新型桥面铺装方案中的铺装材 料与普通混凝土桥面铺装的主要结构参数对比,具体参数对比参见表1。
[0047] 表1主要结构参数对比
[0048]

【权利要求】
1. 一种长寿命钢筋网柔性纤维混凝土桥面铺装结构,其特征在于桥面铺装构成,所述 长寿命桥面铺装包括:界面粘接剂层、柔性纤维混凝土层、钢筋网层和铺装层,桥梁顶板和 铺装层之间铺设界面粘接剂层,界面粘接剂层上铺设柔性纤维混凝土层,沿着铺装层纵横 方向布置了钢筋网层。
2. 如权利要求1所述长寿命钢筋网柔性纤维混凝土桥面铺装结构,其特征在于,所述 界面粘接剂层采用改性防脱防水聚合界面粘接剂。
3. 如权利要求1所述长寿命钢筋网柔性纤维混凝土桥面铺装结构,其特征在于,所述 柔性纤维混凝土层采用柔性聚丙烯纤维混凝土,柔性聚丙烯纤维在混凝土中呈三维乱向分 布。
4. 一种应用权利要求1-3所述长寿命桥面铺装结构的桥。
【文档编号】E01D19/12GK104314003SQ201410383853
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】杜柏松, 何小兵, 罗玲 申请人:重庆交通大学
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