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1、植入式桥面连续（植入式桥面连续（ECSECS）构造）构造 在公路桥梁中的应用研究在公路桥梁中的应用研究 浙江金丽温高速公路有限公司浙江金丽温高速公路有限公司 浙江省交通规划设计研究院浙江省交通规划设计研究院 宁波市普力星交通科技有限公司宁波市普力星交通科技有限公司 浙江省嘉维交通科技发展有限公司浙江省嘉维交通科技发展有限公司 研究背景研究背景 o2008年底，我国已建桥梁59.46万座，年 增1.5万座664公里桥梁。 o2008年底，浙江省国省道共有桥梁8396座 ，计91.96万米。 o已建成的桥梁中70%70%以上是简支梁桥。 o桥面连续是简支梁桥的重要构造措施，对桥 梁受力性能和使用性
2、能改善、减低桥梁维护 费用、确保道路交通的畅通具有重要意义。 桥面连续的作用桥面连续的作用 oo构造构造：多孔简支梁用桥面铺装层将接头连接成 为一体，省去相邻跨桥梁之间的伸缩缝。 oo作用作用：在不改变简支桥梁受力条件下为车辆提 供连续、平稳的行车道。 oo应用应用：我国自20世纪70年代问世以来，受到工 程界广泛欢迎，应用普遍。 桥面连续破损状况桥面连续破损状况 o根据浙江省8条高速公路2750座桥梁初步调查， 有170座桥梁存在明显桥面连续破损病害； o根据金丽温高速公路金丽段和温州西过境段的 详细调查，在被调查的298座桥梁中有134座桥 梁在桥面连续部位开裂，占被调查桥梁数的 45.0
3、%，开裂的桥面连续数量共417条，占病害 桥梁桥面连续1858条的22.4%，为全部4132条桥 面连续的10.1%。 o浙江省70%以上桥梁都存在盖梁、台帽水侵害。 桥面连续破损带来的影响桥面连续破损带来的影响 o影响行车舒适性和增大车轮冲击作用， 桥面连续破损带来的影响桥面连续破损带来的影响 o导致桥墩水侵蚀，影响下部结构的耐久性， 此处增加照片 桥面连续破损带来的影响桥面连续破损带来的影响 o提高养护成本、对交通正常通行影响大。 研究目的研究目的 o在总结传统桥面连续结构存在的问题基础上， 提出新型桥面连续结构，避免桥面连续部位开 裂，确保行车安全性和舒适性，解决因桥面连 续部位开裂引起
4、的桥墩、盖梁水侵害问题，提 高公路桥梁的使用寿命。 研究内容研究内容 oo提出提出新的桥面连续新的桥面连续植入式桥面连续植入式桥面连续(ECS)(ECS)结构结构 oo通过有限元理论计算分析、足尺模型试验、实际应用通过有限元理论计算分析、足尺模型试验、实际应用 三个方面的研究，三个方面的研究，验证验证新型桥面连续构造的优越性新型桥面连续构造的优越性 oo经济性经济性分析分析 oo结构优化结构优化设计设计 oo提出提出设计、施工规定设计、施工规定和和施工工艺施工工艺，为推广研究成果的，为推广研究成果的 应用创造条件应用创造条件 传统桥面连续装置及存在的缺点问题传统桥面连续装置及存在的缺点问题 o
5、o8-10cm8-10cm厚度内共有厚度内共有5 5层钢筋，层钢筋，钢筋过于密集、混凝土浇筑质量难钢筋过于密集、混凝土浇筑质量难 以保证。以保证。 oo钢筋没有形成钢筋骨架，施工时容易移位、变形钢筋没有形成钢筋骨架，施工时容易移位、变形. . oo底部橡胶隔离层很薄，在混凝土浇筑时损坏、混凝土落底底部橡胶隔离层很薄，在混凝土浇筑时损坏、混凝土落底 。 设计施工方面设计施工方面： 传统桥面连续装置及存在的缺点问题传统桥面连续装置及存在的缺点问题 oo桥面连续结构的上、下缘长期处于弯拉、弯剪或弯压的复杂应力桥面连续结构的上、下缘长期处于弯拉、弯剪或弯压的复杂应力 状态之中。状态之中。 oo截面薄弱
6、，在车辆荷载和温度梯度荷载作用下混凝土容易开裂。截面薄弱，在车辆荷载和温度梯度荷载作用下混凝土容易开裂。 受力方面受力方面： 两端切缝型桥面连续受力变形 温差效应车辆荷载 国内外研究现状国内外研究现状 英国：ECC桥面连续构造 日本：CFRP的桥面连续构造 ECSECS构造设计构造设计 新型桥面连续构造新型桥面连续构造设计要点设计要点： oo使应变被分散、分布均匀，减小应力水平使应变被分散、分布均匀，减小应力水平 oo避免上层沥青混凝土出现反射裂缝避免上层沥青混凝土出现反射裂缝 oo增强了排水功能，杜绝桥墩水侵害增强了排水功能，杜绝桥墩水侵害 oo保证施工质量，防止保证施工质量，防止混凝土混凝
7、土浆液下渗浆液下渗 透水透水 埋入钢筋埋入钢筋 橡胶层橡胶层 排水管排水管 ECSECS构造设计构造设计 ECSECS构造设计构造设计 考虑以下5种工况: 1）简支梁在整体温度变化下引起的收缩或伸长。所产生的应力计为w 。 2）汽车制动力引起的桥面连续部位拉、压应力。所产生的应力计为z。 3）车道荷载满布相邻两跨时引起的下挠转角效应，转角变形将使连续部 位产生上缘受拉下缘受压的弯曲应力。所产生的应力计为q。 4）梯度温度作用中的正温差将引起梁端上挠转角效应，导致上缘受压、 下缘受拉；反温差效应正好与之相反。所产生的应力计为t。 5）车轮荷载作用在桥面连续处引起的局部受力效应。所产生的应力计为
8、j。 ECSECS构造设计构造设计 下列三种工况下应力较小下列三种工况下应力较小 简支梁在整体温度变化下引起的收缩或伸长（工况简支梁在整体温度变化下引起的收缩或伸长（工况1 1） w=83.48kN/（0.062*1）=1346.5kPa=1.35Mpa 汽车制动力引起的桥面连续部位拉、压应力（工况汽车制动力引起的桥面连续部位拉、压应力（工况2 2） z =282.910-3/13/0.08=0.27MPa 车轮荷载作用在桥面连续处引起的局部受力效应（效应车轮荷载作用在桥面连续处引起的局部受力效应（效应5 5） j：上缘应力为0.6MPa，下缘应力为-1.2MPa ECSECS构造设计构造设计
9、 下列下列2 2种工况下起控制作用种工况下起控制作用 车道荷载满布相邻两跨时引起的下挠转角效应（工况车道荷载满布相邻两跨时引起的下挠转角效应（工况3 3） 梯度温度作用引起上挠转角效应、下挠转角效应（工况梯度温度作用引起上挠转角效应、下挠转角效应（工况4 4） ECSECS构造设计构造设计 2 2种工况下应力种工况下应力 通过分析找到转角效应最大的跨径：通过分析找到转角效应最大的跨径：10m10m跨空心板跨空心板 常用型式简支梁在公路I级车道荷载作用下的最大梁端转角 序 号 类别 跨径（m ） 桥宽 （m ） 梁高（ cm） 梁宽（ cm） 横向分配系数 转角（弧 度） 1 空心板 10134
10、51250.32241.9310-3 21313601250.30261.4810-3 31613801250.28581.0710-3 42013901250.22901.2810-3 5小箱梁2513140024000.61401.1210-3 6T梁5013260023850.64801.7410-3 ECSECS构造设计构造设计 2 2种工况下应力种工况下应力 汽车荷载作用下桥面连续 构造应力（ 单位：MPa） 部 位 一跨作用qk +Pk ，邻跨作用qk 一跨作用qk，邻 跨作用qk 刚接板 式 ECS刚接板 式 ECS 上 缘-11.4 -6.2-5.2-1.4 下 缘21.0 7
11、.19.6 1.5 部 位 正温差作用反温差作用 刚接 板式 ECS刚接 板式 ECS 上 缘 15.94.4-8.0-2.2 下 缘 -29.2-4.714.82.4 梯度温度作用下桥面连续 构造应力（ 单位：MPa） 采用采用Midas6.11Midas6.11计算：计算： 车道荷载下最大的梁端转角：车道荷载下最大的梁端转角：1.40410-3rad1.40410-3rad和和0.41810-3rad 0.41810-3rad ； 正温差效应的转角是正温差效应的转角是1.2710-3rad1.2710-3rad，反温差效应的转角是，反温差效应的转角是-6.3710-4rad-6.3710-
12、4rad； ECSECS构造设计构造设计 希望大幅减小应力水平，避免上层沥青混凝土反射裂缝形成希望大幅减小应力水平，避免上层沥青混凝土反射裂缝形成 保证上部混凝土层的厚度保证上部混凝土层的厚度 满足设计规范对各种构造尺寸的要求满足设计规范对各种构造尺寸的要求 施工方便施工方便 节约成本节约成本 ECSECS装置构造尺寸的优化选择装置构造尺寸的优化选择 结论：钢筋直径为8mm；橡胶厚度1316mm、宽度430mm 有限元计算分析有限元计算分析 oo计算对象计算对象：三种方案 ，A、C为ECS式，两 者之间的构造细节不 同，D为传统形式 oo计算模型计算模型：完全模拟 实际构造，并考虑板 梁的支座
13、变形影响 oo材料特性材料特性：根据实际 使用材料设定参数 o两跨20m跨度单片板梁为计算对象 o计算模型的细部 桥面连续部 计算模型计算模型 采用采用大型有限元程序大型有限元程序ABAQUS 6.5ABAQUS 6.5 oo荷载工况荷载工况：考虑可能的荷载、按规范取值：考虑可能的荷载、按规范取值 工况考虑的荷载备 注 1车道荷载按公路-I级取值 2温度正梯度按公路规范铺装8cm厚沥青混凝土 3温度负梯度按公路规范铺装8cm厚沥青混凝土 4整体升降温30 5局部车轮荷载施加重车的轮荷载 6制动力工况按公路规范设定 7组合工况组合工况I I上缘最大拉应力上缘最大拉应力 8组合工况组合工况IIII
14、下缘最大拉应力下缘最大拉应力 oo工况组合工况组合计算结果计算结果 1）最大主拉应力减小 2）应力分布均匀 方案一方案一A A 最大主拉应力11.52MPa 方案一方案一C C 最大主拉应力12.93MPa方案二方案二D D 最大主拉应力16.23MPa oo工况组合工况组合计算结果计算结果 1）最大主压应力减小 2）应力分布均匀 方案一方案一A A 最大主压应力6.649MPa 方案一方案一C C 最大主压应力6.568MPa方案二方案二D D 最大主压应力26.91MPa oo工况组合工况组合计算结果计算结果 1）最大主拉应力减小 2）应力分布均匀 方案一方案一A A 最大主拉应力8.01
15、9MPa 方案一方案一C C 最大主拉应力7.853MPa 方案二方案二D D 最大主拉应力25.800MPa oo工况组合工况组合计算结果计算结果 1）最大主压应力减小 2）应力分布均匀 方案一方案一A A 最大主压应力5.443MPa 方案一方案一C C 最大主压应力8.352 MPa 方案二方案二D D 主压应力最大为11.98MPa 混凝土主拉应力计算结果汇总表混凝土主拉应力计算结果汇总表( (MPaMPa) ) 序号序号工况工况方案一方案一A A方案一方案一C C方案二方案二D D结果比较结果比较 1车道荷载6.1286.6219.138方案一A主拉应力最小 2温度正梯度5.3044
16、.90321.920 方案一C主拉应力最小 3温度负梯度3.6794.7846.331 方案一A主拉应力最小 4整体降温2.8163.9123.146方案一A主拉应力最小 5局部车轮荷载5.0855.5595.669方案一A主拉应力最小 6制动力0.2240.1740.218方案一C主拉应力最小 7工况组合11.5212.9316.23方案一A主拉应力最小 8工况组合8.0197.85325.800方案一C主拉应力最小 足尺试验研究足尺试验研究 oo试验时间试验时间：2009年6月8日。 oo试验对象试验对象：A、C、D三种类型连续构造，跨度16m。 oo加载工况加载工况：温度梯度和车道荷载，根据梁端转角相等条件模 拟。如温度梯度按规范计算T
