鋼纖維RPC在正交異性鋼橋面鋪裝上的應用性研究

袁江林

（南昌市城市規劃設計研究總院，江西 南昌 330000）

鋼纖維RPC在正交異性鋼橋面鋪裝上的應用性研究

袁江林

（南昌市城市規劃設計研究總院，江西 南昌 330000）

正交異性橋面板在現代橋梁工程中被廣泛應用，由于其縱橫肋交錯且鋼頂板剛度不足，在局部輪載作用下容易出現應力集中現象，疲勞開裂問題突出。采用組合梁的思路，在正交異性橋面板頂板上鋪設一層各項力學性能優異的RPC鋪裝，通過RPC和鋼頂板的共同作用使得頂板剛度得到增強以減小局部應力集中造成的疲勞開裂現象。以蘇通大橋正交異性橋面板為對比研究對象，針對三種常見疲勞易損部位的應力幅進行了對比研究，研究結果表明：采用新型RPC復合鋪裝的正交異性橋面板RPC-頂板整體剛度顯著增加，局部應力集中現象減小；新型RPC復合鋪裝層能夠顯著降低關注細節的疲勞應力幅。

RPC；正交異性橋面板；鋪裝；環氧瀝青混凝土

0 引言

活性粉末混凝土（縮寫：RPC）是繼高性能混凝土之后，工程界研制出的一種新型水泥基抗壓和抗拉強度超高且耐久性優良的新型超高性能混凝土[1-5]。和普通混凝土相比，它不含粗骨料，且加入了活性摻合料如硅粉、粉煤灰，水泥、石英砂、高效減水劑和水等按照一定的配合比拌合而成。特別是近些年來，國內多家院校和科研機構均對RPC配制養護技術、各項力學性能及耐久性能等方面進行了深入的研究，分別利用不同地區的當地原材料成功地配制出了RPC200。北京交通大學余自若、安明喆和福州大學的周瑞忠、石承恩分別對摻入一定量鋼纖維的RPC的基本力學性能和抗疲勞性能進行了研究，研究表明：（1）鋼纖維的摻入對活性粉末混凝土的極限抗彎能力、斷裂韌性、軸心抗壓極限強度等研究參數均有大幅度高，試件在破壞時表現出了極高的延性；（2）摻入適量的鋼纖維能夠顯著提高RPC的抗彎曲疲勞壽命等[6-8]。

正交異性橋面板及其鋪裝層受力相互影響，鋪裝形式對正交異性橋面板抗疲勞性能影響顯著。鑒于鋼纖維RPC優良的力學性能其在正交異性橋面板復合鋪裝上有較好的應用前景[8,9]。因此有必要針對這一新型正交異性橋面板鋪裝材料對正交異性橋面板的抗疲勞性能的影響進行研究，以期為鋼纖維RPC在正交異性橋面板復合鋪裝上的應用提供理論支持。

1 新型橋面板截面形式

粘結層是傳統橋面鋪裝和鋼橋面共同受力的基礎，隨著鋪裝層剛度的增大，現有的粘結層的抗剪強度已經不能滿足使用要求[10,11]，文章參考日本橫濱海灣大橋鋼纖維高強混凝土復合鋪裝的鋼混連接方式，給出新型鋼纖維RPC復合鋪裝的鋼混連接形式：除在車道的中央和鋼纖維RPC的在橫向邊緣處設置栓釘外，其余部分均采用在鋼頂板上涂刷粘合劑以代替栓釘進行鋼-混連接，這樣做可以避免局部輪壓下栓釘頂部混凝土因剛度突變過早的發生破壞，新型鋼纖維RPC復合鋪裝三維示意見圖1。

2 新型橋面板研究對象

2.1 新型橋面鋪裝截面

蘇通大橋鋼箱梁采用了55 mm厚的環氧瀝青混凝土，粘結層為0.68 L/m2的環氧瀝青以保證鋪裝層與鋼橋面板的整體性。在蘇通大橋鋼正交異性橋面板的基礎上改進成采用新型RPC橋面鋪裝的正交異性橋面板，新型橋面板復合鋪裝截面見圖2。

圖1 鋼纖維RPC復合鋪裝三維示意圖

圖2 鋼纖維RPC復合鋪裝截面示意圖（單位：mm）

2.2 研究對象

為研究新型復合鋪裝對正交異性橋面板疲勞易損細節的影響，選取蘇通大橋鋼橋面板部分節段為研究對象，見圖3和圖4。

圖3 研究對象橫截面示意圖（單位：mm）

圖4 研究對象縱橋向示意圖（單位：mm）

節段尺寸具體參數和材料參數見表1和表2。

表1 構件尺寸參數

表2 材料參數

3 抗疲勞性能對比

3.1 有限元模型

通過有限元軟件Midas FEA建立三維有限元模型進行對比研究，U肋、橫隔板采用板殼元單元模擬，鋼頂板和鋪裝層采用實體單元模擬，有限元模型邊界條件為橫隔板底部固結，研究分析中不考慮鋼頂板與鋪裝層之間的滑移，認為鋪裝層和鋼頂板之間固結。RPC復合鋪裝正交異性橋面板有限元模型見圖5。

圖5 新型RPC復合鋪裝有限元模型和局部細化示意圖

3.2 疲勞易損細節選取

根據正交異性橋面板疲勞易損部位的調查結果，文章選取了疲勞開裂病害突出的三個部位進行分析對比：（1）A為橫隔板處頂板開裂，此處主要考察橫橋向拉應力；（2）B為橫隔板處U肋開裂，此處主要考察豎向拉應力；（3）A為跨中U肋開裂，此處主要考察U肋縱橋向拉應力[12,13]，具體細節見圖6。

圖6 關注疲勞易損細節示意圖

3.3 加載工況

采用我國《公路橋涵通用設計規范》（D60-2015）規定的車輛荷載后兩軸進行單側輪加載，后輪著地面積0.6 m×0.2 m，加載時考慮沖擊系數1.3。

橫橋向采用兩種加載工況，見圖7。在找出每個疲勞細節對應的橫橋向加載工況，進而在其橫橋向加載位置處沿縱橋向每間隔0.2 m加載一次，共計138個工況。

圖7 橫橋向加載位置

各關注細節最不利橫橋向加載位置見表3。

表3 各關注細節最不利橫橋向加載位置

3.4 應力幅對比

采用泄水法換算各疲勞易損細節的疲勞應力幅及相應循環次數，然后利用式（1）（Miner線性疲勞累積損傷理論）計算等效應力幅[14]。

式中：Δσ0表示等效應力幅；ni表示第i級應力幅循環次數；Δσi表示第i級應力幅；m為S-N曲線的斜率這里取m=5。

細節拉應力應力歷程見圖8～圖10。

圖8 A細節拉應力應力歷程（單位:MPa）

圖9 B細節拉應力應力歷程（單位:MPa）

圖10 C細節拉應力應力歷程（單位:MPa）

采用式（1）計算不同鋪裝鋼橋面板各疲勞關注細節的等效應力幅見表4。

表4 不同鋪裝材料各關注細節等效應力幅（單位:MPa）

由表4可知采用新型RPC鋪裝材料，疲勞關注細節A應力幅降低84.0%；疲勞關注細節B應力幅降低33.6%；疲勞關注細節C應力幅降低38.1%。由計算結果可知：RPC鋪裝對于關注疲勞細節A的應力幅降低最為明顯，說明橋面板在輪載作用下受力行為由圖 11（a）變化為圖 11（b），頂板剛度顯著增加。

4 結論

（1）在相同車輛荷載作用下，新型RPC復合鋪裝能夠顯著降低各關注細節的局部應力和疲勞應力幅，相比傳統的環氧瀝青混凝土鋪裝個別疲勞細節應力幅降低幅度達84.0%；

（2）采用新型RPC復合鋪裝的正交異性橋面板鋪裝層-頂板體系，整體性強，協同受力性能較好，大大減少了橋面板在輪載作用下局部應力集中的現象；

（3）RPC力學性能與養護條件息息相關，養護條件不當容易使其達不到預想的力學性能，造成RPC在使用階段過早的受拉開裂，因此，如何讓RPC鋪裝在正交異性鋼橋面施工中得到合理的養護是下一步主要的研究內容。

圖11 不同鋪裝材料輪載下的受力行為

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U443.33

B

1009-7716（2017）10-0071-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.020

2017-06-09

自然科學基金（51578455）；中央高校基本科研業務費專項資金科技創新項目（2682014CX078）

袁江林（1971-），男，江西南昌人，高級工程師，從事橋梁設計研究工作。