CN101781875A - Frp-沥青混凝土及frp-环氧砾石钢桥面铺装新结构 - Google Patents

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Abstract

一种新创的FRP铺装下层与常规的沥青混凝土铺装上层及新创的环氧砾石铺装上层复合构成的FRP-沥青混凝土钢桥面铺装及FRP-环氧砾石钢桥面铺装新结构，是继水泥混凝土钢桥面铺装、沥青混凝土钢桥面铺装之后的第三代更优秀的钢桥面铺装结构。其特征在于：FRP铺装下层，既是铺装结构的下承力层和刚度过渡层，又是钢桥面板的结构增强层和防水粘接层，还是沥青混凝土铺装上层及环氧砾石铺装上层的应力缓冲层和高强连接层。通过FRP铺装下层的“一层多用”和“一层多能”，使铺装结构的结构组成更合理，结构受力更安全，结构耐久性更优越，从而保证FRP铺装下层的使用寿命不小于30年，沥青混凝土铺装上层和环氧砾石铺装上层的使用寿命不小于15年，铺装的后期维修养护成本节省50％以上，并通过两种新铺装结构新增的“全寿命设计”、“工业化施工”优势及FRP-环氧砾石钢桥面铺装结构的“节能减排”环保优势，使钢桥面铺装的设计和施工更科学、更先进，从而大幅提升钢桥面铺装的使用价值和桥梁经济对社会经济的贡献比重。

Description

FRP-沥青混凝土及FRP-环氧砾石钢桥面铺装新结构
(一)技术领域
本发明创造属于桥梁工程的桥面铺装结构技术领域。本发明创造以常规的沥青混凝土铺装上层和新创的环氧砾石铺装上层与新创的纤维增强复合材料(英文名称：Fiber ReinforcedPolymer，英文缩写：FRP)铺装下层复合构成FRP-沥青混凝土钢桥面铺装及FRP-环氧砾石钢桥面铺装新结构，是继水泥混凝土钢桥面铺装、沥青混凝土钢桥面铺装之后的第三代更优秀的钢桥面铺装结构。
(二)背景技术
钢桥面铺装，从最初的水泥混凝土铺装结构发展到现今桥梁设计规范推荐的沥青混凝土铺装结构，带来了桥面铺装技术经济性能的提升和工程应用的增长，但因沥青混凝土与钢桥面板材料性能悬殊导致的二者界面剪应力较大、防水层和粘接层容易破坏，结构耐久性较差的世界性技术难题难以解决，使得沥青混凝土钢桥面铺装的进一步发展和应用受到制约。桥梁工程师和研究人员为此进行了大量的材料改性和结构优化研究，都因沥青混凝土材料自身的先天缺陷而收效甚微，促使桥梁工作者寻求采用新材料、新结构对传统的沥青混凝土钢桥面铺装进行改造和创新以提高其技术、经济性能。本发明创造应用复合材料结构的“复合”思想，推出FRP铺装下层与沥青混凝土或环氧砾石铺装上层复合构成的FRP-沥青混凝土及FRP-环氧砾石复合铺装结构，借助FRP铺装下层独特的结构、功能优势及其对总体铺装结构的卓越贡献，可使沥青混凝土钢桥面铺装的世界性技术难题得到解决，并使钢桥面铺装从此增加一种结构形式全新和技术经济性能更优的铺装结构。
(三)发明内容
本发明创造的目的，是在已申请的“钢桥面铺装层的FRP粘接、防水、应力缓冲一体化结构层”发明创造专利(专利申请号：200910004183.3)的基础上，将这种FRP一体化结构层改进、扩展成为钢桥面铺装的FRP铺装下层，与沥青混凝土铺装上层或环氧砾石铺装上层复合构成FRP-沥青混凝土钢桥面铺装及FRP-环氧砾石钢桥面铺装新结构，利用FRP材料的优异性能，实现铺装下层不仅能承载，而且兼有粘接、防水、刚度过渡、应力缓冲、保温、排水等多种沥青混凝土铺装无法具备的优异功能，从而大幅提升钢桥面铺装的承载能力、抗变形和破坏能力及结构耐久性。
本发明创造的技术方案，是先在钢桥面板上工厂或现场湿法成型或湿法、干法混合成型碳纤维(英文缩写：CF)或玻璃纤维(英文缩写：GF)或芳纶纤维(英文缩写：AF)等高性能纤维增强环氧树脂或乙烯基酯树脂等高分子聚合物材料的实心板或空心板结构形式的铺装下层，再在其上现场或工厂摊铺成型浇筑式沥青混凝土(英文缩写：GA)或改性沥青玛蹄脂混凝土(英文缩写：SMA)或环氧沥青混凝土(英文缩写：EA)等沥青混凝土或环氧砾石混合料实心板结构形式的铺装上层，构成FRP-沥青混凝土钢桥面铺装及FRP-环氧砾石钢桥面铺装结构。钢桥面板与FRP铺装下层间不再另作防水层和粘接层；FRP铺装下层与沥青混凝土铺装上层间增加由预先嵌入FRP铺装下层顶面内的集料构成的“剪力键”式抗剪连接构造。嵌入FRP铺装下层内的集料的粒径与密度，不小于铺装上层的集料粒径和密度；集料嵌入FRP铺装下层顶面的深度，为集料粒径的1/8～1/4；集料相邻间的面内净距，为集料粒径的1/4～3/2。FRP铺装下层与环氧砾石铺装上层间采用湿法或干法胶粘连接，可在常温条件下不加热摊铺施工成型。
FRP-沥青混凝土钢桥面铺装及FRP-环氧砾石钢桥面铺装新结构，可为钢桥面铺装和桥梁结构带来如下有益效果：
1.钢桥面铺装的结构组成更合理
FRP-沥青混凝土钢桥面铺装及FRP-环氧砾石钢桥面铺装新结构，是名符其实的异质双层结构，不再另设防水层和粘接层，可使钢桥面铺装的结构形式更加简单。FRP铺装下层，既是铺装结构的下承力层和刚度过渡层，又是钢桥面板的结构增强层和防水粘接层，还是沥青混凝土及环氧砾石铺装上层的应力缓冲层和高强连接层。通过FRP铺装下层的“一层多用”和“一层多能”，使新铺装结构的结构组成更合理，结构功能更完美。
2.钢桥面铺装的结构受力更安全
FRP-沥青混凝土及FRP-环氧砾石钢桥面铺装新结构，一可利用FRP铺装下层的轻质材料优点和特殊结构形式，减轻钢桥面铺装的结构自重(例如60mm厚的沥青混凝土铺装，将其30mm厚的铺装下层更换为FRP空心板式铺装下层，可使铺装结构减重约1/4，FRP-环氧砾石钢桥面铺装减重更高达50％以上)；二可依靠FRP铺装下层与钢桥面板间高强、长效的抗剪连接构成的整体结构，增大钢桥面板的抗弯刚度(例如30mm厚的FRP空心板式铺装下层可增大12mm厚钢桥面板的横桥向抗弯刚度约50％，相当于间接增大钢桥面板厚度约3mm)；三可借助FRP铺装下层的自身高强特性和对整体铺装结构的刚度贡献，在自身不先破坏的前提下使铺装截面的中性轴和沥青混凝土铺装层的界面上移，从而减小钢桥面板和沥青混凝土层的应力和变形(例如30mmGA铺装上层+30mmFRP空心板式铺装下层+12mm钢桥面板铺装结构相对于60mmGA铺装层+12mm钢桥面板铺装结构，钢桥面板的最大正应力减小约15％，GA界面的最大剪应力减小约30％)，这不仅使钢桥面铺装各组成部分的受力更趋于合理，避免较弱的沥青混凝土层先行失效破坏，而且增大了钢桥面板的安全储备，使钢桥面铺装的结构受力更安全。
3.钢桥面铺装的结构耐久性更优越
FRP材料抗断裂、疲劳和耐酸、碱、盐介质腐蚀的性能优于钢材和沥青混凝土，能在-30℃～70℃范围内正常工作，老化寿命≥40年，并且粘接、防水效果优于现有的钢桥面铺装的粘接、防水材料。因此，FRP铺装下层的加入，将使钢桥面铺装的结构耐久性更优越，可保证FRP铺装下层的使用寿命不小于30年，沥青混凝土铺装上层和环氧砾石铺装上层的使用寿命不小于15年，并使其后期维修养护节省50％以上，这将大幅提升钢桥面铺装的使用价值和桥梁经济对社会经济的贡献比重。
4.钢桥面铺装的设计、施工更科学
利用FRP材料和结构“可设计性强”、“可加工性强”的技术优势，通过对FRP铺装下层结构形式、组成材料、铺装厚度及纤维铺层取向的结构设计和工艺设计，可实现钢桥面铺装各组成部分及整体结构都能满足的强度、刚度、热膨胀系数的“按需分配”设计，并实现FRP铺装下层的工厂化加工制作。并且，环氧砾石铺装上层施工不需大型机械和加热摊铺施工，比沥青混凝土铺装上层施工更简单和更环保。这不仅符合桥梁结构“全寿命设计”、“工业化施工”和“节能减排”的发展方向，还将使钢桥面铺装的设计、施工更科学和更先进，由此带来钢桥面铺装的质的飞跃和技术进步，推动我国的钢桥面铺装从“世界大国”迈向“世界强国”。

Claims (9)

1.一种全新的钢桥面铺装结构。其特征在于：该铺装结构是由FRP铺装下层与沥青混凝土铺装上层或环氧砾石铺装上层复合构成。
2.如权利要求1所述的钢桥面铺装结构，其特征在于：FRP铺装下层，为碳纤维(英文缩写：CF)或玻璃纤维(英文缩写：GF)或芳纶纤维(英文缩写：AF)等高性能纤维增强环氧树脂或乙烯基酯树脂等高分子聚合物材料经工厂或现场湿法或湿法、干法混合成型工艺制成的FRP实心板或空心板结构形式的铺装层。
3.如权利要求1所述的钢桥面铺装结构，其特征在于：沥青混凝土铺装上层，为沥青玛蹄脂碎石混合料(英文缩写：SMA)或浇筑式沥青混凝土(英文缩写：GA)或环氧沥青混凝土(英文缩写：EA)等沥青混凝土现场热摊铺在FRP铺装下层顶面上施工成型的实心板结构形式铺装层。
4.如权利要求1所述的钢桥面铺装结构，其特征在于：环氧砾石铺装上层，为改性环氧树脂等聚合物材料拌合本色或彩色玄武岩砾石或粗粒径石英砂等砾石集料配制的混合料现场摊铺在FRP铺装下层顶面上施工成型的实心板结构形式铺装层。
5.如权利要求1所述的钢桥面铺装结构，其特征在于：FRP铺装下层位于钢桥面板与沥青混凝土或环氧砾石铺装上层之间，它既是钢桥面板的防水层，又是钢桥面板与沥青混凝土或环氧砾石铺装上层之间的粘接层，铺装不再另作其它形式的防水层和粘接层。
6.如权利要求1所述的钢桥面铺装结构，其特征在于：FRP铺装下层位于钢桥面板与沥青混凝土或环氧砾石之间，可起到调整钢桥面板与沥青混凝土或环氧砾石间材料性能悬殊的刚度过渡作用和改善其受力方式与效果的应力缓冲作用，从而使铺装结构的结构组成更合理，结构受力更安全，结构耐久性更优越。
7.如权利要求1所述的钢桥面铺装结构，其特征在于：FRP铺装下层与钢桥面板间的结构连接，通过直接在钢桥面板上分层湿法铺敷成型FRP铺装下层的实心板或空心板底板与钢桥面板连成整体结构。
8.如权利要求1所述的钢桥面铺装结构，其特征在于：FRP铺装下层与沥青混凝土铺装上层的结构连接，通过由预先嵌入FRP铺装下层顶面内的集料构成的“剪力键”式连接构造，实现与后摊铺于其上的沥青混凝土铺装上层的咬合式抗剪连接。嵌入FRP铺装下层的集料粒径与密度，不小于铺装上层的集料粒径和密度；集料嵌入FRP铺装下层顶面的深度，为集料粒径的1/8～1/4；集料相邻间的面内净距，为集料粒径的1/4～3/2。
9.如权利要求1所述的钢桥面铺装结构，其特征在于：FRP铺装下层与环氧砾石铺装上层的结构连接，通过FRP铺装下层顶面成型时自带的粗糙物理表面及二者基体树脂材料相同的化学聚合作用，实现环氧砾石混合料直接摊铺压实在FRP铺装下层顶面的物理、化学高强连接。
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