CN113186816A - Frp－sma钢桥面铺装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种FRP‑SMA钢桥面铺装结构，为由下而上铺设的FRP铺装保护层和SMA铺装磨耗层组成。FRP铺装保护层朝向SMA铺装磨耗层的顶面带有凸棱田字格状剪力键；SMA铺装磨耗层嵌入FRP铺装保护层田字格内的层厚为热固性SMA薄层，其余层厚为热塑性SMA薄层。FRP铺装保护层的凸棱田字格状剪力键，既能约束SMA铺装磨耗层施工时的SMA混合料带动界面粘接树脂滑动而保证其界面连接质量，又能与SMA铺装磨耗层的热固性SMA薄层协同作用而增强SMA磨耗层成型后的横桥向、顺桥向界面剪切连接，使其结构形式更合理，结构受力更安全，设计施工质量更可控，工程造价更经济，从而能解决沥青混凝土钢桥面铺装结构中难解决的两大技术难题，显著提升柔性钢桥面铺装的技术、经济水平。
Description
技术领域
本公开涉及桥梁工程技术领域，具体涉及桥梁工程柔性钢桥面铺装体系的一种以纤维增强复合材料(英文名称：Fiber Reinforced Polymer,英文缩写：FRP)铺装保护层与改性沥青混合料(又称为改性沥青玛蹄脂碎石混合料，英文名称：Stone Matrix Asphalt,英文缩写：SMA)铺装磨耗层组成铺装结构层、并以FRP铺装保护层兼做铺装功能层的新型FRP-SMA钢桥面铺装结构。
背景技术
此部分的陈述仅仅提供与本公开有关的背景技术信息，并且这些陈述可能构成现有技术。在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题。
我国沥青混凝土钢桥面铺装的技术现状，一方面是历经30余年的发展形成了“双层环氧沥青混合料(EA保护层+EA磨耗层)”、“双层改性沥青混合料(SMA保护层+SMA磨耗层)”、“浇筑式沥青混合料+改性沥青混合料(GA保护层+SMA磨耗层)”、“浇筑式沥青混合料+环氧沥青混合料(GA保护层+EA磨耗层)”四种技术较成熟的铺装结构形式及其设计、施工成套技术，工程应用显示出柔性铺装结构减振、降噪、透水、抗滑和行车舒适的独特优势；另一方面是这四种铺装结构为引进国外技术形成，至今未解决其形成之日起就存在的“界面连接较弱”、“结构耐久性较差”两大技术难题，制约了柔性钢桥面铺装的技术、经济水平提升。
四种沥青混凝土钢桥面铺装结构“界面连接较弱”和“结构耐久性较差”的主要原因，是其铺装结构层(从上至下依次为：铺装磨耗层，铺装保护层)之下的铺装功能层层数较多(从上至下依次为：沥青胶砂缓冲层，防水粘接层，钢板防腐层)且各层间界面连接较弱(铺装防水粘接层与钢板防腐层间界面剪切连接最弱)，使其易在这些薄弱功能层界面首先受力破坏[1-3]，造成铺装结构与钢桥面板的结构整体性丧失及铺装结构对钢桥面板的防水、防腐失效，带来铺装结构和钢桥面板的结构耐久性降低。但因这些铺装功能层在四种沥青混凝土钢桥面铺装结构中必不可少(既需要它与保护层共同构成钢桥面板的防水体系，又需要它连接保护层而将铺装结构与钢桥面板连成结构整体)，且须在铺装保护层保护其不破坏的条件下才能发挥其功能，故使铺装功能层和铺装保护层成为沥青混凝土钢桥面铺装结构的结构重点和技术难点。桥梁工程技术人员对此高度重视，期望通过铺装功能层和铺装保护层的技术改进和研发创新进行技术突破，解决其两大技术难题而提升其技术、经济性能。但因这些努力此前主要集中在沥青混凝土钢桥面铺装的传统材料和结构模式优化改进上，铺装结构材料和结构形式的实质性创新改变较少，故至今未能突破制约四种沥青混凝土钢桥面铺装结构技术进步的铺装功能层和铺装保护层两大技术瓶颈。
为突破四种沥青混凝土钢桥面铺装结构的铺装功能层和铺装保护层两大技术瓶颈，本发明人曾设计出一种“FRP-沥青混凝土及FRP-环氧砾石钢桥面铺装新结构”(申请号为201010133421.3)。通过采用FRP铺装下层，使铺装结构形式更合理。但其也存在很多结构缺陷，影响结构安全性。
为了消除缺陷，本发明人曾提出“FRP-沥青混凝土钢桥面铺装新结构”技术构想[4]，[5]，期望以结构、功能双优的新创FRP铺装基层一层代替四种沥青混凝土铺装结构的铺装功能层多层，并以此增强其铺装保护层，从而消除其易在薄弱功能层界面首先受力破坏的结构缺陷而提高其结构安全性。新创的FRP铺装基层设计成带有凸钉状剪力齿的粗糙表面[5-8]，用以增强FRP铺装基层与沥青混凝土铺装面层的界面剪切连接。后续优化设计，FRP铺装基层与SMA铺装面层间增设了进一步增强二者界面连接并保护基层剪力齿施工时不破坏的环氧碎石过渡层(EBM过渡层)[6]，[7]，铺装结构层设计为四种沥青混凝土铺装结构中施工、经济性能最优的双层SMA结构层，由此形成了“FES钢桥面铺装结构”实用新型专利[7]。后因EBM过渡层施工难度和质量离散性较大而不易实施被取消，最终形成了结构形式更简单和工程实施更经济的“FRP-SMA钢桥面铺装结构”推荐结构形式[8]。
但经试验检验和实桥工程检验，发现推荐的FRP-SMA钢桥面铺装结构仍存在如下不足之处：
1)推荐的FRP-SMA钢桥面铺装结构，为异质三层铺装结构形式(从上至下依次为：SMA铺装上面层(现称为SMA铺装磨耗层)，SMA铺装下面层(现称为SMA铺装保护层)，FRP铺装基层)。FRP铺装基层具有铺装功能层和SMA铺装保护层的结构功能，SMA铺装保护层在此结构形式中已成为多余结构层；并且，此结构形式还受到双层SMA铺装结构层的施工工艺制约而使其技术经济性能降低，表明异质三层铺装结构形式不是FRP-SMA钢桥面铺装结构的合理结构形式。
2)推荐的FRP-SMA钢桥面铺装结构，FRP铺装基层表面为凸钉状剪力齿结构形式。实验检验和实桥工程检验发现，此结构形式虽能增加成型后的FRP铺装基层对SMA铺装面层的界面剪切位移约束，但不能阻止SMA铺装面层施工时与FRP铺装基层脱粘的界面连接失效，使其不能成功推向工程应用，表明凸钉状剪力齿表面的结构形式不是FRP铺装基层的合理结构形式。
3)推荐的FRP-SMA钢桥面铺装结构，SMA铺装结构层为传统的全厚度热塑性结构层结构形式。实验检验和实桥工程检验发现，此结构形式在高温时易发生SMA铺装面层与FRP铺装基层界面分层和滑移破坏，表明全厚度热塑性结构层的结构形式不是SMA铺装面层的合理结构形式。
发明内容
为弥补FRP-SMA钢桥面铺装结构的上述不足之处而使其技术、经济性能更优，本发明采用如下技术方案：
FRP-SMA钢桥面铺装结构，包括由下而上铺设的铺装保护层和铺装磨耗层；
所述铺装保护层为FRP铺装保护层，现场湿法成型于钢桥面板顶面；所述FRP铺装保护层朝向所述磨耗层的顶面带有田字格状剪力键；
所述铺装磨耗层为SMA铺装磨耗层，一次性摊铺成型于FRP铺装保护层顶面。
进一步的，所述FRP铺装保护层的田字格状剪力键，为凸棱田字格状剪力键。
进一步的，所述SMA铺装磨耗层包括热固性SMA薄层和热塑性SMA薄层；所述热固性SMA薄层位于所述FRP铺装保护层的田字格的凸棱以下，所述热塑性SMA薄层位于所述FRP铺装保护层的田字格的凸棱以上。
所述FRP铺装保护层与所述钢桥面板间的外部界面为结构增强型粘接连接。
所述FRP铺装保护层与SMA铺装磨耗层间的内部界面，为物理、化学混合连接。
所述FRP铺装保护层与钢桥面板间的外部界面，及FRP铺装保护层与SMA铺装磨耗层间的内部界面，在其界面连接完成后，外部界面连接材料完全融入FRP铺装保护层内，内部界面连接材料完全融入SMA铺装磨耗层内，两界面厚度都蜕变为零。
本发明具有如下有益效果：
1、将FRP-SMA钢桥面铺装结构的异质三层结构形式改进为异质双层结构形式，采用FRP铺装保护层与SMA铺装磨耗层组成铺装结构层并以FRP铺装保护层兼做铺装功能层，使其结构构造更简单和结构形式更合理，从而设计施工质量更可控，工程造价更经济；并使其结构性能更优秀，从而能在保留沥青混凝土钢桥面铺装结构传统优势的基础上，解决沥青混凝土钢桥面铺装结构自身难解决的两大技术难题，显著提升柔性钢桥面铺装的技术、经济水平。
2、将FRP铺装保护层表面的凸钉状剪力齿改进为凸棱田字格状剪力键，使其既能约束SMA铺装磨耗层摊铺施工时的SMA混合料带动界面粘接树脂滑动，避免因界面粘接树脂滑移后脱粘而造成的界面粘接连接失效；又能增强SMA铺装磨耗层成型后的横桥向、顺桥向剪切位移约束而提高其界面连接安全性。
3、将FRP-SMA钢桥面铺装结构的SMA铺装磨耗层的全厚度热塑性结构层改进为一次成型的田字格内层厚为热固性、其余层厚为热塑性结构层，使SMA铺装磨耗层能依靠其热固性SMA薄层的高温时力学性能不降低而保证其与FRP铺装保护层界面连接抗力高温时不降低；同时，SMA铺装磨耗层的热固性SMA薄层与FRP铺装保护层的凸棱田字格状剪力键的协同作用，还能增强SMA铺装磨耗层成型后的横桥向、顺桥向剪切位移约束而提高其界面连接安全性。
4、改进后的FRP-SMA钢桥面铺装结构内外界面厚度都蜕变为零，消除了现有沥青混凝土钢桥面铺装结构存在薄弱界面层的结构缺陷，使铺装结构层间传力更直接，从而提高了其受力安全性。
附图说明
图1为了其本发明成型后的结构示意图。
其中：1、钢桥面板；2、FRP铺装保护层；3、SMA铺装磨耗层；4、外部界面；5、内部界面；2-1、田字格状剪力键；3-1、热固性SMA薄层；3-2、热塑性SMA薄层。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明作进一步说明，本发明的实施例只用于说明本发明而非限制本发明，在不脱离本发明技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，作出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。
本申请涉及桥梁工程柔性钢桥面铺装体系的一种以FRP铺装保护层2与SMA铺装磨耗层3组成铺装结构层、并以FRP铺装保护层2兼做铺装功能层的新型FRP-SMA钢桥面铺装结构。
上述的SMA铺装面层，改进后在本申请中称为SMA铺装磨耗层3；上述的FRP铺装基层，改进后在本申请中称为FRP铺装保护层2。
本发明人针对推荐的FRP-SMA钢桥面铺装结构的问题进行长期实验和实桥工程检验分析发现：
1、之所以异质三层铺装结构形式不是FRP-SMA钢桥面铺装结构的合理结构形式，主要由于，若采用连续施工工艺，后施工的SMA铺装磨耗层3的摊铺碾压振动，将破坏刚完工的SMA铺装保护层与FRP铺装保护层2间界面粘接树脂的固化反应而削弱其界面连接；若采用间断施工工艺，虽能保证此界面连接质量，但SMA铺装磨耗层3施工须在SMA铺装保护层完工7天后才能进行，这将增加其工期和施工成本而不经济。
2、FRP铺装保护层2表面的凸钉状剪力齿易导致SMA铺装面层与FRP铺装保护层2出现脱粘的界面连接失效，主要原因是，FRP铺装保护层2表面的凸钉状剪力齿，虽能增加成型后的FRP铺装保护层2对SMA铺装面层的界面剪切位移约束，但不能约束SMA铺装面层摊铺施工时的SMA混合料带动界面粘接树脂沿界面滑动，从而造成二者界面连接因界面粘接树脂滑移后脱粘的界面连接失效。
3、SMA铺装结构层采用传统的全厚度热塑性结构层，易在高温时发生沿FRP铺装保护层界面的分层和滑移破坏，主要原因是，在高温时热塑性SMA结构层的力学性能急剧降低，故易造成SMA铺装磨耗层3与FRP铺装保护层2界面连接抗力降低，从而发生分层和滑移破坏。
为弥补FRP-SMA钢桥面铺装结构的上述不足之处而使其技术、经济性能更优，本发明采用如下技术方案：
如图1所示，FRP-SMA钢桥面铺装结构，包括由下而上铺设的铺装保护层和铺装磨耗层；
所述铺装保护层为FRP铺装保护层2，现场湿法成型于钢桥面板1顶面；所述FRP铺装保护层2朝向所述磨耗层的顶面带有田字格状剪力键2-1；
所述铺装磨耗层为SMA铺装磨耗层3，一次性摊铺成型于FRP铺装保护层2顶面。
将FRP-SMA钢桥面铺装结构的异质三层结构形式改进为异质双层结构形式，FRP铺装保护层2与SMA铺装磨耗层3组成铺装结构层并以FRP铺装保护层2兼做铺装功能层，使其结构构造更简单和结构形式更合理，从而设计施工质量更可控，工程造价更经济。
而将FRP铺装保护层2表面的凸钉状剪力齿改进为田字格状剪力键2-1，使其既能约束SMA铺装磨耗层3摊铺施工时的界面粘接树脂随SMA混合料滑动，避免了因界面粘接树脂滑移后脱粘的界面连接失效，保证其界面连接质量；同时，又能增强SMA铺装磨耗层3成型后的横桥向、顺桥向剪切位移约束而提高其界面连接安全性。
所述FRP铺装保护层2的田字格状剪力键2-1，为凸棱田字格状剪力键，如图1所示。
如图1所示，所述SMA铺装磨耗层3包括热固性SMA薄层3-1和热塑性SMA薄层3-2；所述热固性SMA薄层3-1位于所述FRP铺装保护层2的田字格的凸棱以下，所述热塑性SMA薄层3-2位于所述FRP铺装保护层2的田字格的凸棱以上。
将FRP-SMA钢桥面铺装结构的SMA铺装磨耗层3的全厚度热塑性结构层改进为嵌入保护层田字格内层厚为热固性SMA薄层3-1、其余层厚为热塑性SMA薄层3-2的SMA结构层，使SMA铺装磨耗层3能依靠其热固性SMA薄层3-1的高温时力学性能不降低而保证其与FRP铺装保护层2界面连接抗力高温时不降低；同时，SMA铺装磨耗层3的热固性SMA薄层3-1与FRP铺装保护层2的凸棱田字格状剪力键的协同作用，还能增强SMA铺装磨耗层成型后的横桥向、顺桥向剪切位移约束而提高其界面连接安全性。
所述FRP铺装保护层2与所述钢桥面板1间的外部界面4为结构增强型粘接连接，为FRP保铺装护层2基体材料改性环氧树脂(ER)与钢桥面板1材料具有分子间吸引力的界面粘接连接、加上FRP铺装保护层2基体材料ER带动其握裹的保护层玻璃纤维材料(GF)增强界面连接抗力而构成的结构增强型粘接连接。
所述FRP铺装保护层2与SMA铺装磨耗层3间的内部界面5，为物理、化学混合连接，为FRP铺装保护层2顶面的凸棱田字格状剪力键形成的约束SMA铺装磨耗层3横桥向、顺桥向剪切位移的物理连接、加上FRP铺装保护层2顶面与其基体材料同质的粘接树脂ER形成的既与SMA铺装磨耗层3糙面粘接、又借助SMA铺装磨耗层3摊铺施工时的高温高压钻入靠近界面的SMA混合料内化合反应使嵌入保护层田字格内的热塑性SMA薄层改性为热固性SMA薄层3-1而对界面连接增强的物理、化学混合连接。
所述FRP铺装保护层2与钢桥面板1间的外部界面4，及FRP铺装保护层2与SMA铺装磨耗层3间的内部界面5，在其界面连接完成后，外部界面4连接材料完全融入FRP铺装保护层2内，内部界面5连接材料完全融入SMA铺装磨耗层3内，两界面厚度都蜕变为零。该结构消除了现有沥青混凝土钢桥面铺装结构存在薄弱界面层的结构缺陷，使铺装结构层间传力更直接，从而提高了其受力安全性。
改进后的FRP-SMA钢桥面铺装结构，为界面连接增强结构形式和承载能力增强结构形式。实验数据显示，与双层SMA铺装结构(即背景技术中推荐的FRP-SMA钢桥面铺装结构)相比，外部界面剪切强度提高89％以上(使用10年后的界面剩余剪切强度比双层SMA铺装结构外部界面的初始剪切强度还高75％)，短期静载弯曲承载力提高90％以上，长期动载弯曲疲劳寿命提高1倍以上，从而提高了铺装结构的正常承载安全性和超载、超期使用可靠性。
由此可见，本申请的FRP-SMA钢桥面铺装结构，具有比四种沥青混凝土钢桥面铺装结构更合理的结构形式和更优秀的结构性能，能使其结构受力更安全，设计施工质量更可控，工程造价更经济，从而能在解决沥青混凝土钢桥面铺装结构两大技术难题的基础上，显著提升柔性钢桥面铺装的技术、经济水平。
本申请涉及的、FRP铺装保护层2和SMA铺装磨耗层3的材料、铺装施工方式，均为本领域的常规手段。
参考文献
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Claims (6)
1.FRP-SMA钢桥面铺装结构，其特征在于：
包括由下而上铺设的铺装保护层和铺装磨耗层；
所述铺装保护层为FRP铺装保护层(2)，现场湿法成型于钢桥面板(1)顶面；所述FRP铺装保护层(2)朝向所述磨耗层的顶面带有田字格状剪力键(2-1)；
所述铺装磨耗层为SMA铺装磨耗层(3)，一次性摊铺成型于FRP铺装保护层(2)顶面。
2.根据权利要求1所述的FRP-SMA钢桥面铺装结构，其特征在于，所述FRP铺装保护层(2)的田字格状剪力键(2-1)，为凸棱田字格状剪力键。
3.根据权利要求1或2所述的FRP-SMA钢桥面铺装结构，其特征在于，所述SMA铺装磨耗层(3)包括热固性SMA薄层(3-1)和热塑性SMA薄层(3-2)；所述热固性SMA薄层(3-1)位于所述FRP铺装保护层(2)的田字格的凸棱以下，所述热塑性SMA薄层(3-2)位于所述FRP铺装保护层(2)的田字格的凸棱以上。
4.根据权利要求3所述的FRP-SMA钢桥面铺装结构，其特征在于，所述FRP铺装保护层(2)与所述钢桥面板(1)间的外部界面(4)为结构增强型粘接连接。
5.根据权利要求4所述的FRP-SMA钢桥面铺装结构，其特征在于：所述FRP铺装保护层(2)与SMA铺装磨耗层(3)间的内部界面(5)，为物理、化学混合连接。
6.根据权利要求5所述的FRP-SMA钢桥面铺装结构，其特征在于，所述FRP铺装保护层(2)与钢桥面板(1)间的外部界面(4)，及FRP铺装保护层(2)与SMA铺装磨耗层(3)间的内部界面(5)，在其界面连接完成后，外部界面(4)连接材料完全融入FRP铺装保护层(2)内，内部界面(5)连接材料完全融入SMA铺装磨耗层(3)内，两界面厚度都蜕变为零。
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