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混凝土桥桥面防水系统性能及设计方法研究

张占军

  研究和设置合理的桥面防水系统能有效减少或防止早期破坏,是保证和提高桥梁的耐久性最有效的措施之一,也是桥梁设计思想从强度设计向耐久性设计转变的重要内容。本文研究了桥面防水材料与防水层的分类方法。规范了防水材料的命名;根据实验结果及影响因素分析,结合工程应用,提出了桥面防水材料和防水层高低温性能、拉伸性能、不透水性能、老化性能等检测指标与试验方法,并对粘结性能和疲劳性能进行了探讨。从抗施工机械损伤性能、抗热集料刺破性能及不透水性能等三个方面对常见防水材料的抗施工损伤性能进行对比和评价,提出了相应的试验方法和评价指标,并根据抗施工损伤性能确定了防水层的最小厚度。利用LLM测试系统和拉拔仪进行桥面铺装层间直剪试验和拔拉试验,研究铺装结构层间结合稳定性,获得了层间抗剪强度和粘结强度的变化规律和关系,得出了相应于实际行车作用时的不同防水层材料的层间抗剪强度,确定了层间剪切指标和不同条件下常见防水层的层间粘结强度。结合实体工程的修筑与检测,研发了用于桥面防水材料和防水层质量检测并能对实验数据进行实时采集处理的系列仪器,包括防水层电动剪切仪、手动式剪切仪、层间拉拔仪、90°剥离仪和不透水仪,分析了仪器自身和使用过程中出现的误差,研究并提出防水层施工质量检测的剥离强度指标和铺装结构层间稳定性的检测指标。采用有限元法对直接加铺沥青层铺装结构,计算分析了沥青铺装层剪应力及铺装层与桥面层间剪应力,对设有防水层的铺装结构,研究了不同结构层内及其层间的剪应力变化规律;在对简支梁桥和连续粱桥法向拉应力分析的基础上,深入研究了面层开裂处防水层在行车荷载作用下的层间法向拉应力变化规律;对水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装结构在负弯矩区弯拉应力进行分析,并采用梁体结构的线弹性理论与叠加原理,推导出车辆荷载弯矩在沥青混凝土铺装层及防水层产生的弯曲应力的计算公式,根据编制的程序进行计算,得到铺装结构在负弯矩区弯拉应力的变化规律。建立了桥面裂缝之上防水层张力的计算模型,有效地计算出桥面混凝土一定宽度裂缝上防水层须具备的最小延伸率和拉伸强度。在室内外试验研究和铺装结构力学计算分析的基础上,综合考虑防水层气候分区与桥面防水分级、防水材料的抗施工损伤性能及铺装结构层间结合稳定性等因素,提出以层间抗剪强度和粘结强度为主要指标、对负弯矩区防水层进行抗变形能力验算的防水系统设计方法,并推荐了设防水层的混凝土桥面典型沥青混凝土铺装结构。……   
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