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优质知识分享:
在总结当前国内桥面铺装结构分析主要方法的基础上,通过理论分析,提出了用有限元进行结构分析时,需要重点研究的几个问题,指出了今后主要的研究方向关键词:水泥 混凝土 桥面沥青 混凝土桥面 铺装 1概述 桥面铺装层直接承受行车荷载、梁体变形和环境因素的作用,其变形和应力特征与主梁及桥面板结构型式密切相关,一方面可分散荷载并参与桥面板的受力,另一方面起联结各主梁共同受力的作用;既是桥面保护层又是桥面结构的共同受力层,所以具有足够的强度和良好的整体性,并具有足够的抗裂、抗冲击、耐磨性能
近年来我国公路桥梁建设快速发展,桥梁结构不断创新,大跨桥梁已很普遍,但桥面铺装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,对桥面铺装层一般不作专门的计算分析
随着交通量和重型车辆的增加,桥面铺装问题普遍【1-6】.这不仅妨碍了正常交通,影响了桥面的美观,更易造成交通事故,也给维修工作带来了很大困难
近年来,人们对于因桥面铺装问题造成的直接和间接的经济损失给予了足够的重视
桥面铺装的早期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
桥面柔性铺装能大大缓和行车对桥面板的冲击,较易达到运营中平稳舒适的要求,随着沥青材料性能的改进,应用将更加广泛
但现行规范【7】对沥青铺装结构的设计主要从所用材料、做法及厚度等方面作了指导性的说明,关于具体的设计理论与方法还是空白,铺装层的设计无章可循
这就造成了在实际设计中,桥面铺装层只作为桥梁工程的附属结构,设计者对其甚少花费精力,从而为桥面铺装的早期损坏埋下了隐患
因此,应加快对桥面铺装,特别是结构破坏机理和设计理论方面的研究
2破坏形式 沥青混凝土桥面铺装与正常路面和水泥混凝土桥面铺装相比,损坏形式有所不同【8,9】.主要有:①铺装层内部产生较大的剪应力,引起不确定破坏面的剪切变形,或者由于铺装层与桥面板层间结合面粘结力差,抗水平剪切能力较弱,在水平方向上产生相对位移发生剪切破坏,产生推移、拥包等病害;②因温度变化并伴随桥面板或梁结构的大挠度而产生的裂隙,在车辆荷载及渗入的水的作用下产生面层松散和坑槽破坏
欧美自20世纪70年代以来在桥面铺装中广泛使用防水层,随着交通量的增加,出现了一些新问题,如面层的早期破损、开裂、坑槽、防水层与面层和桥面粘结强度不足而产生推移等病害
近年来,在我国的部分地区如北京、天津等地的桥面防水层也出现了相应的病害
设防水层的水泥混凝土桥桥面沥青混凝土铺装在行车荷载作用下的破坏形式一般为剪切破坏,常表现为拥包和推移现象
剪切破坏有两种情况:一是桥面钢筋混凝土模量远大于沥青混凝土和防水层的模量,加之沥青混凝土层厚度较薄,沥青层内产生较大的剪应力而引起的无确定破坏面的剪切变形;二是防水层与沥青混凝土面层和桥面层间粘结力不足而发生剪切破坏
因此,剪切破坏是设防水层的水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装损坏的主要原因,故在实际设计中应基于两种形式的剪切破坏分别加以计算分析
3病害分析 3.1结构理论与设计 (1)桥梁的结构 理论中对桥面铺装层的计算分析论述几近于零,现行规范中只给定了厚度的推荐值【7】,工程界一直在各等级的公路中运用了几十年
随着交通量的增大,现行铺装与重型、超重型汽车的增多和车速的增快已不相适应
桥面铺装层直接承受车轮荷载的冲击,桥面铺装部分或全部参与了主梁结构的变形,因此桥面铺装是一个受力复杂的动力体系,各种形式的主梁及铺装本身的构造均影响其应力的分布
(2)现行桥规第 3.2.2条规定:……如无精确的计算方法,箱形梁也可参照T形梁的规定处理【9】.从众多箱梁的设计来看,大部分设计者对箱梁构件是按T形梁进行处理的
而箱梁的实际受力虽有近于T梁的一面,又有异于T梁的一面,对于连续箱梁差别更大
尤其是近年来箱梁的桥面越来越宽,桥跨与桥宽之比越来越小,箱梁仍按T梁那种长细杆件设计配筋,就越来越不适宜了,导致按??梁设计的箱梁骨架钢筋在实际受力状态下难以像T梁主筋那样发挥应有的作用
所以,设计的假设状态与箱梁的实际受力状态不一致
(3)随着材料工业的发展,桥梁承重结构的改进,使桥梁主梁能以较柔的结构达到受力的要求,高等级公路大跨桥梁的横向越来越宽
特别在设计计算中侧重于主梁纵向的计算分析,对桥梁横向刚度重视不足,横向构造措施不利使桥面铺装分担了过多的次内力
(4)对于连续梁桥、拱桥及悬臂梁桥等桥型结构,由于荷载的作用而产生负弯矩或拉力,使桥面铺装层受到拉力的作用而产生负弯矩区裂缝,从而造成桥面铺装的损坏
(5)在对高速公路进行交通组织管理中,由于车道功能的不同,人为强制地使桥梁结构运营始终处于偏载状态,使主车道的铺装承担了比超车道高得多(量值可达三至四倍)的运营应力水平,因此加快了主车道铺装层的疲劳
特别是随着私营运输业的发展,货运业主为追求短期经济利益,通过改变车厢结构如加长车厢和加高车轴弹簧等使汽车的载重、轴重及轮载成倍增加
这些车辆对铺装层具有严重的毁坏作用,并使桥梁结构局部超载,加快了主车道铺装层的病害发展
因此,在设计中应根据运营中车辆荷载的实际分布情况,在明确了桥梁结构受力的基础上,对桥面铺装层进行受力计算
3.2施工工艺 (1)铺装层厚度偏小
由于桥梁上部结构在施工中支架的沉降及预应力反拱无法十分准确地预测,或由于施工工艺控制欠佳,施工中主梁顶面标高与设计值相符是比较困难的,一般在测量主梁顶面标高后对其进行调整以保证桥面的厚度
如果调整不好,就会造成铺装层厚度不均,使有的地方厚度偏小
(2)梁顶清理不利,造成铺装层与主梁结合欠佳
3.3桥面防水层的影响由于柔性防水层的强度与主板和铺装层的强度有差异,它的存在使上部结构按模量形成刚—柔—刚的板体受力体系,中间柔性夹层会增大桥面板板中部的板底拉应力
处于防水层上的铺装层一经开裂,在车轮的动力荷载作用下,彼此间的缝隙越来越大,直到松散脱落
另外,防水层的使用使铺装层发生剪切破坏的机率大大提高
3.4桥面铺装的约束条件 桥面铺装受桥梁结构的约束,受荷后其边界条件与一般路面相差甚大,加之梁体的挠度、扭曲等形变的耦合作用,给铺装层的工作性能造成不利影响
4桥面铺装设计方法的讨论 目前关于桥面铺装的研究还很不成熟,并且现有研究主要集中在材料设计和铺装技术等方面,而关于理论分析和结构计算的研究很少
罗立峰【5】等人将桥面板简化为正交异性的弹性小挠度薄板,将铺装层简化为各向同性的大挠度薄板,并假定两板之间相对滑动,完全没有摩阻力且没有脱空现象
在此基础上提出了桥面铺装的平衡微分方程,并以竖向变形为主要控制指标
张占军【8,10】等人以弹性层状体系为理论基础,用三维有限元的方法对水泥混凝土桥面柔性铺装的层间剪应力进行了计算和分析
并通过对沥青类桥面铺装层的破坏现象的分析,发现使用摩尔___库仑理论来确定铺装厚度是比较合适的,即以桥面板与沥青铺装层之间的层间剪应力为控制指标,要求其不超过层间抗剪强度
另外,还结合防水层、平整度、施工工艺和车辙指标的要求,提出了桥面沥青铺装层厚度的计算方法
张占军【11】等人用有限元的方法对设防水层的水泥混凝土桥沥青铺装结构的层间剪应力的计算进行了分析,讨论了防水层的厚度、模量、泊松比、沥青混凝土铺装层厚度和模量等参数对结构层层间剪应力的影响
认为层间最大剪应力主要取决于面层厚度和防水层模量;在防水层模量相同的情况下,增加面层厚度是降低层间剪应力的最有效手段
合理的控制指标是进行结构设计的重要依据,也是此课题今后要重点研究的一个方面
从现有的结构分析方法看,主要是用三维等参元模型进行分析,目前较多采用的是三维八结点和二十结点单元
合理的有限元模型是计算分析的前提,从目前的研究状况来看,主要有如下几个方面急需探讨
对于桥面铺装,如何假设及模拟层间接触状况是有限元建模一个很重要的问题
对于不设防水层的情况,可以借鉴复合路面的处理方式
胡长顺【12】等人在进行复合路面结构分析时,利用各向异性线弹性理论和三维有限元的方法,构造了一种正交各向异性接触模型,模拟板与地基之间的接触情况
黄晓明【13】和刘玉荣【14】等人分别在对旧水泥混凝土路面混凝土加铺层和水泥混凝土沥青混凝土复合路面进行力学计算时,接触面采用了Goodman夹层单元模型模拟既非完全连续又非完全光滑的接触状态
Goodman模型是由Goodman等人最先提出的用于模拟岩体节理的一种特殊单元,将它运用于夹层即为夹层单元
夹层单元由两个面组成,两个面之间假想由无数微小弹簧连接,单元厚度假定为0,每片接触面有4个结点,一个单元共有八个结点,是一种二维单元
对于设防水层的情况,实际施工中防水层的厚度在2~5mm之间,一般约为3mm.由于防水层的厚度很薄,有的学者将其简化为一种接触条件来处理,黄晓明【15】和黄卫【16】等人在对设有防水层的钢桥桥面铺装层进行力学分析时,同样采用了无厚度的Goodman夹层单元来模拟防水层的作用,夹层单元与相邻的夹层单元或铺装体单元之间,只有结点处有力的联系
张占军等人在文献【11】里在计算水泥混凝土桥沥青混凝土铺装结构的层间剪应力时考虑了防水层厚度
胡长顺【17】等人在利用有限元法对有裂缝夹层的旧水泥混凝土路面沥青加铺层进行力学计算时,对有一定厚度的夹层直接使用三维等参元划分单元,而对于土工织物这一类的无厚度夹层,则根据薄膜问题的物理方程与几何方程推导4结点矩形单元,建立单元刚度矩阵,进行力学分析
总之,如何模拟层间接触状况,特别是如何考虑防水层的影响,是建立合理有限元模型的一个关键问题,是研究铺装层结构设计理论的一个重点
要采取理论计算与试验分析相结合的方法,将计算结果与试验和实测结果相对比,寻找一种与结构实际受力吻合的模型
桥面铺装层是一种特殊的路面结构,如何合理简化荷载模型,以及如何进行横向和纵向布载,也直接关系到计算结果的精确程度
文献【8,10,11】中在计算剪应力时参照路面设计中的荷载模型,荷载参数为BZZ-100,p=0.7MP,δ=10.65cm,水平荷载与垂直荷载同时考虑
黄晓明在文献【15】中,则对不同的桥跨截面在横向不同位置进行布载,找出最不利的荷位
只有将桥梁结构分析和路面理论结合起来,才能较好的解决这一问题
另外需要研究的一个重要问题是,桥梁在荷载作用下产生挠度及其它形变,这些因素对铺装层的力学特性有何影响,如何考虑这些影响,这也是桥面铺装不同于一般复合路面的一个方面
目前,国内还没有专门针对这方面的讨论
合理解决桥面铺装问题需要从理论分析和结构计算两方面入手,正确的理论基础是根本,合理的力学模型是关键
通过计算分析与实测对比,较好的解决如上述的接触模型、荷载简化等问题,搞清其它因素的影响;还要加强对模型尺寸及收敛条件的研究;在条件允许的情况下,加强对其动力性能的研究
在分析铺装层破坏形式的基础上,确定关键因素,提出控制指标并建立相应的破坏准则,为设计提供依据,要达到这一目标需要做大量的基础性研究工作
5小结 本文对钢筋混凝土桥柔性桥面铺装的早期病害及其原因进行了分析与研究,总结了当前国内桥面铺装结构分析的主要方法,提出了用有限元分析需要注意的一些问题,指出了今后主要的研究方向
当务之急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;同时,加强对各铺装层材料的材料性能指标和测试技术的研究,开发适应桥面破坏机理的新材料;另外,还要改进铺装技术及提高施工质量,保证设计模型的准确性,从根本上解决桥面铺装早期损坏问题
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水泥混凝土沥青混凝土复合式路面的荷载应力分析【J】.东北公路,1996,(1):25-91. 【15】黄晓明,王捷,陈仕周
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有防裂夹层结构的旧水泥混凝土路面沥青加铺层力学分析【J】.中国公路学报,1999,12(增刊):1-8. 如松散、网裂、坑洞、局部严重辙槽、局部泛油、新铺沥青路面的构造深度不均等,都与沥青混合料的离析密切相关
结合某公路工程实际,阐述了沥青路面离析现象的成因及解决措施
关键词:公路;离析现象;成因;措施 沥青路面离析就是路面某一区域内沥青混合料主要性质的不均匀,比如沥青含量、集料组成、添加剂含量以及路面的空隙率等
沥青混合料离析可大致分为两种类型:级配离析和温度离析
级配离析出现时,沥青路面上一些区域粗料集中,另一些区域细料集中,使得混合料变得不均匀,级配及沥青用量与设计不一致,导致路面呈现出较差的结构和纹理特性
一些区域细料集中、孔隙率小,可能会出现泛油、车辙;另一些区域粗料集中、孔隙率太大,可能会导致路面水损坏
温度离析是指沥青混合料在储存、运输及摊铺中受天气、施工机械影响,由于热量损失而出现温度差异的状况
混合料的温度离析,会导致路面压实度不均匀,温度较低的区域,路面的空隙率较大、纹理深度也较大,这些区域的路面易出现早期损坏
温度离析造成的后果与级配离析一样严重,都会导致沥青路面的早期损坏,大大缩短沥青路面的使用寿命
研究表明,严重离析的路面使用寿命可能会减少50%以上
目前高速公路沥青路面的一些早期损坏,如松散、网裂、坑洞、局部严重辙槽、局部泛油、新铺沥青路面的构造深度不均等,都与沥青混合料的离析密切相关
1工程概况 某工程属一级公路,路线全长286km
设计行车速度100km/h
采用沥青混凝土路面,即4cm中粒式沥青混凝土抗滑层+5cm粗粒式沥青混凝土+6cm热拌沥青碎石+1cm砂粒式沥青混凝土,基层采用二灰碎石,底基层采用二灰土
2 研究过程 2.1沥青碎石形成离析带的原因 根据现场离析带形成的状况与特点,我们发现沥青碎石形成离析带主要有以下几个方面的原因:(1)沥青混合料从贮料罐向运输车里输送时,由于高度原因,大骨料滚落在车厢附近,形成粗集料第一次集中
(2)运输车里的混合料卸向摊铺机时,大骨料滚落在摊铺机半厢附近,形成粗集料的第二次集中
(3)摊铺机送料器在送料过程中,先将中间集料送于布料器,剩余粗集料留存在料斗中,摊铺机收斗时,形成粗集料的第三次集中
2.2沥青碎石离析的危害 (1)沥青碎石粗集料一旦形成集中,在碾压过程中,集料非常容易被压碎,骨料表面积增大,改变了原设计的路面配合比,油料偏少,造成集料碾压成型后松散,破坏路面结构,影响路面强度、行车安全和行车效果以及道路使用寿命
(2)粗集料集中,局部密实度差,孔隙率高,容易在路面形成积水,影响路面质量
(3)粗集料集中,影响路面平整度及路面外观美感
2.3解决沥青碎石形成离析带方法 为解决沥青混合料出现 规律 性离析现象,可在从以下几个方面进行控制和解决
2.3.1从运输车辆方面来解决 (1)从拌和机贮料罐向运料车上卸料时,分三层放料,即每卸一斗混合料,汽车挪动一个位置
等一层放完后,再逐次进行第二、三层放料,从而减少粗集料的集中
(2)施工过程中摊铺机前有运料车在等候卸料,即摊铺沥青混合料运输车的运量较摊辅速度有所富裕
2.3.2从摊铺机本身操作方面来解决 (1)在摊铺机螺旋二分之一处,边端装反向螺旋叶片
(2)控制布料器处于中挡或高挡位置
(3)控制适宜的送料仓口开度
(4)均匀操作送料器和布料器
(5)摊铺机摊铺一车料将完时,控制摊铺机速度,关闭送料器,等下车料倒入后再进行均匀送料和布料
(6)在铺筑过程中保持摊铺机布料器不停转动,摊铺机两侧保持有不少于送料器高度三分之二混合料
2.3.3从混合料本身来解决 (1)减少混合料粒径大小悬差
(2)控制沥青用量,使之偏高于设计用量
2.3.4通过中粒式沥青混凝土面层平整度的控制来最大限度减小离析现象对行车效果及行车安全的影响,为了进一步控制中粒式沥青混凝土路面面层的平整度,可在沥青路面面层施工中首先选用如下施工机具:AC-5Ⅰ砂粒式沥青混凝土,摊铺机采用平拖式施工
AC-30Ⅰ,ZM-30面层施工时,使用摊铺机自动找平仪,AC-16Ⅱ,采用摊铺机平拖式施工,然后从整个沥青路面铺筑,各个施工层进行严格控制,确保路面平整度小于3mm设计要求
(1)通过测量控制来控制路面平整度
a.中线测量:除符合线型规范要求外,打钢钎时,中边两排钢钎排成两平顺的线型,不许错落,且远离摊铺机外端30~60cm,以保证使摊铺机传感器杆与机板成45°角,保证传感位置与信息的准确性
b.水平测量:采用设计标高控制法,即以二灰碎石基层与沥青面层各层次的理论(设计)高差乘以松铺系数为钢丝绳的标高位置,而不采用以实测的二灰碎石标高与沥青面层各层次的高差乘以松铺系数为钢丝绳的标高位置
这是因为422型ABC摊铺机的双桁振捣可使沥青面层的压实度达到85%~90%,二灰碎石基层顶标高符合设计要求
c.摊铺机熨平板下垫板厚度测量:摊铺前先将摊铺机熨平板底高程测出,加上垫板后使之与钢丝绳的标高一致
(2)混合料摊铺过程控制其平整度
沥青混合料必须缓慢、均匀,连续不间断地摊铺,摊铺过程中不得随意变换速度或中途停顿
摊铺机摊铺时,操作人员注意前后、左右的变化,根据既定的摊铺速度进行摊铺
使用的两台帕克1000型沥青混凝土拌合楼,其产量为每台70t/h,根据拌和楼产量来确定摊铺速度,运输车数量,每车发车时间间隔及合适的作业段长度,来保证混合料摊铺的连续性,以确保沥青路面平整度
拌和机5个成品料仓贮料380t,5辆太脱拉扩容贮料100t,共480t,混合料总重量达到480t时,前场摊铺机开始摊铺
不论铺筑砂粒、沥青碎石、粗粒式沥青混凝土、中粒沥青混凝土哪一种混合料,均可每隔10分钟发一车料
(3)碾压过程中控制平整度
沥青路面的平整度是衡量高等级公路沥青路面质量的一个重要指标,沥青路面平整度的好坏与压实质量有着密切的关系,而沥青路面的压实质量在很大程度上取决于压实机械的压实方式及具体操作选择
a.压实频率选择
沥青混合料压实中,振动压路机的频率可选用33~60Hz,最佳频率为45~50Hz
b.压实振幅选择
沥青混合料联结层、磨耗层压实时,振动压路机的振幅可选用0.35~0.88mm,最佳振幅为0.4~0.6mm
c.压实速度选择
根据速度/频率的关系及铺筑层厚、材料种类、级配构成因素,振动压路机最佳碾压速度为6~8km/h
3 结论 总之,高速公路路面早期损坏的一个重要原因是路面的不均匀性,而沥青混合料的离析问题是造成路面的不均匀性的主要原因,是降低路面使用性能的顽症
混合料发生离析时,粗集料和细集料分别集中于铺筑层的某些位置,使沥青混凝土不均匀、配合比级配与原设计不符,导致路面产生一些破坏,缩短路面使用寿命
当前国内对沥青混合料的离析问题还没有引起足够重视,在国外,为防止离析问题而采取的技术措施已明确在沥青路面施工技术规范中规定
随着国民 经济 的快速 发展 ,公路上的 交通 量也迅速增大,车辆运输向大型化发展,修建寿命长,更加耐久,承受更大荷载的公路变得更加必要,修建寿命长久的沥青砼路面的关键在于沥青混合料的均匀性,为了提高沥青混合料的均匀性,建议采取以下措施:加强路面材料和温度离析方面的研究,并建议在沥青路面施工技术规范中增加施工是混合料温差控制指标;重视施工生产过程中全程控制,并采用转运机等先进设备,通过对热拌沥青混合料在摊铺之前进行重新拌和,有效控制离析的产生
参考 文献 【1】高立波.沥青路面离析的产生原因及防治措施探讨【J】.辽宁 交通 科技,2005,1. 【2】姚雷生.沥青混合料离析现象原因及预防措施浅谈【J】.科技信息(学术版),2006,10.
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