超高性能混凝土鋼橋面鋪裝組合結構彎拉疲勞性能研究

黃若昀 張 輝 崔 磊

(1.江蘇高速公路工程養護技術有限公司 南京 210049； 2.江蘇中路工程技術研究院有限公司 南京 211806)

隨著大跨徑鋼橋技術廣泛應用，鋼橋面鋪裝成為鋼橋建設關鍵技術之一[1]。由于交通量日益增長，尤其是貨車通行比不斷增大，車輛類型逐漸大型化、重型化，且隨著在役鋼橋面服役時間的不斷延長，正交異性板應力幅值增大、循環次數越多，橋面鋪裝及正交異性板疲勞損傷問題也將日益突出[2]。鋼結構疲勞開裂和鋪裝層頻繁破損將嚴重危及正交異性鋼橋面系的安全性，并造成其使用性和耐久性顯著下降[3]。

從延緩正交異性板與鋪裝層疲勞的角度出發，針對正交異性鋼橋面板偏薄或交通載荷較大的情況，可通過對正交異性鋼橋面板進行適當補強，以有效降低面板連接焊縫附近局部應力和面外變形，解決正交異性鋼橋面板疲勞開裂問題[4-6]。眾多研究表明可通過采用鋼橋面水泥混凝土鋪裝，提高鋼橋面系剛度并改善其受力狀態[7]。超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)以超高的強度、韌性和耐久性為特征，成為實現水泥基材料性能大跨越的新材料，以克服傳統水泥基材料韌性不足及易開裂的缺陷。超高性能混凝土作為鋼橋面鋪裝結構多通過焊接栓釘形成剪力鍵，作為鋼橋面上永久結構層，眾多學者依托正交異性鋼橋面板疲勞評估理論和方法驗證了該鋪裝方案的基本性能[8-9]。

為完善超高性能混凝土鋼橋面鋪裝技術體系，從避免焊接栓釘造成鋼板應力損傷考慮，兼顧耐久性及可維護鋪裝結構特點，綜合正交異性橋面板與鋪裝2種材料作用力傳遞連續一致特點，本文提出樹脂連接超高性能混凝土(resin bonding polymer concrete,RBPC)鋼橋面板鋪裝結構(見圖1)，并在潤揚長江公路大橋懸索橋1/4跨位置首次應用RBPC鋼橋面鋪裝。采用三點加載復合梁疲勞試驗研究RBPC鋼橋面鋪裝界面彎拉疲勞性能，以期為鋼橋面系建養提供技術支撐。

圖1 RBPC鋼橋面鋪裝結構示意圖

1 材料與試驗方法

1.1 試驗材料

1) 超高性能混凝土鋪裝層采用江蘇中路交通科學技術有限公司生產的免蒸養型UHPC干混料，由水泥、硅灰、石英粉、石英砂等組成，將干混料、鋼纖維和水按一定比例混合攪拌均勻即可形成超高性能混凝土，其超高性能混凝土基本力學性能指標見表1，鋼纖維相關技術指標參照GB/T 31387-2015 《活性粉末混凝土》。

表1 超高性能混凝土基本力學性能

2) 防水黏結層為高韌環氧樹脂上定量撒布玄武巖碎石，復合涂布具有濕固化能力的濕黏結劑，其高韌樹脂和濕黏結劑均為江蘇中路交通科學技術有限公司生產提供，參照ASTM D638-2014和ASTM D4541-09分別測得拉伸和拉拔強度結果，結果見表2。

表2 高韌樹脂和濕黏結劑材料基本性能

1.2 試驗方法

1.2.1試件制備及測點布置

參照JTG/T 3364-02-2019 《公路鋼橋面鋪裝設計與施工技術規范》中“三點加載復合梁試驗方法”制備RBPC復合梁試件，其制做過程示意見圖2，通過電阻式應變傳感器記錄復合梁跨中部位，肋板焊縫、層間鋼板、超高性能混凝土鋪裝層側面及表面應變，傳感器布設安裝位置見圖3、表3。

圖2 RBPC復合梁成型制作

圖3 傳感器布置圖示

表3 應變傳感器布設情況

1.2.2試驗參數確定

DTS疲勞試驗設備加載復合梁示意見圖4。以正弦波加載，加載頻率(10±0.1) Hz，試驗溫度(20±2) ℃，采用應力加載控制方式，參照JTG B01-2014 《公路工程技術標準》中標準汽車后軸(軸重140 kN)進行加載，復合梁理論計算模型見圖5。通過ABAQUS建模和理論計算得到超高性能混凝土鋪裝層中最大拉應力2.855 MPa，反算對應于復合梁上疲勞加載力為4.37 kN，即為三點加載復合梁的等效標準荷載值。

圖4 三點加載RBPC復合梁

圖5 復合梁理論計算模型

1.2.3試驗加載制度

復合梁試驗包括短期動態加載和連續疲勞加載2種試驗方案。

1) 在不同等級試驗荷載作用下分別進行短期動態加載，并測試復合梁動態響應情況，同時對比力學理論計算結果，分析不同部位受力特征及其變化規律。

2) 以9 kN試驗荷載(相當于2倍等效標準荷載作用)進行連續疲勞加載，測試疲勞加載過程中的力學、位移變化，分析復合梁結構抗彎拉性能并預估疲勞壽命。

2 結果與討論

2.1 細節部位應力變化

繪制超高性能混凝土與鋼橋面板復合梁結構在不同荷載作用下，各細節部位(肋板焊縫、層間鋼板、UHPC鋪裝)的應力變化規律見圖6。

圖6 復合梁不同細節部位力學響應情況

由圖6可見，在等效標準荷載4.37 kN作用下，復合梁肋板焊縫位置壓應力、肋間鋼板拉應力，及UHPC鋪裝表面拉應力分別為8.3，1.1，3.5 MPa，且基本隨荷載增加而呈冪函數趨勢增長，區別于線彈性數值計算值的變化規律；試驗結果與數值計算值變化規律基本一致，隨著作用荷載增大，理論計算與實測結果之間逐漸出現偏差，且不同細節部位偏差大小存在差異。鑒于復合梁包括彈塑性的鋼板及具有應變強化性能的UHPC，并通過黏彈性環氧樹脂組合而成，其在動荷載作用下的實際受力相對較復雜。

2.2 層間受力變形特征

繪制樹脂連接超高性能混凝土RBPC復合梁結構在三點疲勞荷載作用下層間受力狀態及變形特征見圖7。

圖7 復合梁層間受力狀態及變形特征

由圖7可見，根據三點加載復合梁跨中受壓兩端支撐的特點，層間跨中部分同時受鋼板擠壓和超高性能混凝土反力約束變形，導致鋼板兩端上撓引起張拉力，從而使層間結構呈近啞鈴狀變形特征。

繪制RBPC復合梁的超高性能鋪裝在不同荷載作用及不同層位深度的應變變化情況見圖8。

圖8 復合梁UHPC鋪裝應變變化規律

由圖8可見，不同深度超高性能混凝土拉應變隨荷載增加而增大，且在大荷載作用下的應變變化率較大；相同荷載作用下超高性能混凝土的拉應變基本隨鋪裝深度滿足線性變化規律。

RBPC復合梁在荷載作用下層間界面應變分布情況見圖9。

圖9 復合梁截面力學分布(4.37 kN荷載作用)

由圖9可見，復合梁結構在4.37 kN三點加載作用下鋼板產生彎拉變形，繼而通過層間黏結帶動超高性能混凝土鋪裝受荷變形，以鋼板和鋪裝為對象單獨分析，其跨中層間部位鋼板側和超高性能混凝土側產生應力分別為1.34 MPa和-0.22 MPa(由不同鋪裝深度超高性能混凝土應變推算得到)，因此層間黏結部分發生相對剪切應力約為1.56 MPa，復合樹脂黏結層極限拉伸強度遠大于該值，消耗上下界面發生的位移偏差，產生層間應力吸收消耗的作用。

2.3 疲勞耐久壽命評估

RBPC復合梁在荷載7.9 kN、頻率10 Hz荷載作用下經過1 500萬次加載過程中荷載及其動撓度變化見圖10。

圖10 三點疲勞加載RBPC復合梁荷載和動撓度變化

由圖10可見，其荷載峰值基本穩定7.9 kN持續加載，復合梁動撓度初始約為0.39 mm，經過一定次數加載后動撓度趨于0.38 mm穩態發展，表明RBPC復合梁結構具有良好的抗彎拉疲勞性能。結合疲勞試驗測試結果，并參照英國BS 5400規范中Miner準則[10]，預估RBPC鋼橋面鋪裝結構疲勞壽命，其計算方法如下。

(Δσ1)m·n1=(Δσ2)m·n2

式中：Δσ1和Δσ2為常幅應力；n1和n2為加載次數；m為疲勞強度等級(理論疲勞循環次數超過5×106次，故m取5)。

預估RBPC鋼橋面鋪裝結構的疲勞壽命結果見表4，在標準荷載(4.37 kN)作用下其疲勞壽命大于2.9億次。

表4 RBPC復合梁疲勞壽命預測

3 結語

本文通過超高性能混凝土RBPC鋪裝復合梁三點疲勞加載分析彎拉疲勞性能，得出主要結論如下。

1) 復合梁實際三點加載作用下肋板焊縫、層間鋼板及UHPC鋪裝等細節部位應力基本隨作用荷載增大而呈冪函數增長，且在較小荷載作用下力學計算值與試驗測試值相近。

2) RBPC復合梁層間受力復雜，在鋼板擠壓和UHPC鋪裝約束同時作用下呈近似啞鈴狀變形，在等效標準荷載作用下，其層間黏結結構可消耗吸收約1.6 MPa的應力差。

3) 以7.9 kN荷載三點加載RBPC復合梁，經1 500萬次循環加載后未發現明顯疲勞損傷及剛度衰減現象，結合Miner準則估算RBPC鋪裝在標準荷載作用下的疲勞壽命大于2.9億次。