鋼-UHPC組合橋面板性能分析及應用

張孝俊

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

目前大跨度橋梁的橋面系主要采用正交異性鋼橋面以及薄層瀝青混合料鋪裝。然而，傳統的鋼結構橋梁及組合橋中普遍存在正交異性鋼橋面的疲勞與橋面鋪裝易損壞等問題，導致以上問題的根本原因可以歸結為材料或連接易出現靜力或疲勞受拉開裂、結構自重偏大等，傳統的技術手段和方法很難解決這些難題。

近年來，超高性能混凝土已經有了較為充分的研究和應用。UHPC 是一種剛度與強度較大，韌性、黏結性、耐久性較好的材料，作為剛性鋪裝參與橋面板受力，可以解決鋼橋面板疲勞破壞以及橋面鋪裝易損壞等問題。由于UHPC 輕質高強的特點，使用時對主梁自重影響很小。因此，作為輕質高強混凝土代表的UHPC 在橋梁中具有非常廣闊的前景。

同時，國內外有關學者也開始研究鋼-UHPC組合梁。鋼-UHPC 組合橋面板結構由薄UHPC 橋面板以及鋼梁組成，有著耐久性強、徐變收縮小、不易開裂、比強度大等優勢，在大跨結構應用時，可以解決傳統的鋼橋面板鋪裝易損和橋面疲勞開裂等問題。

1 正交異性鋼橋面板

1.1 正交異性鋼橋面板簡介

鋼橋橋面大多由橋面鋪裝和橋面板組成，該結構直接承擔車輛荷載并將荷載傳遞至主梁受力構件。

鋼橋橋面板通常采用：a）Orthotropic Steel Deck（正交異性鋼橋面板或稱鋼橋面板）；b）RC 橋面板（鋼筋混凝土橋面板）；c）PC 橋面板（預應力混凝土橋面板）。

鋼橋面板主要由縱橫加勁肋以及鋼橋面頂板構成，既作為主梁上翼緣的一部分共同參與整體受力，也直接承受車輛載荷。鋼橋面板自重相對較輕，又可減小截面高度、加強整體剛度，是截面高度受限和大跨結構常用的形式[1]。

鋼橋面板應用在公路橋梁時，橫肋一般分布間距較大而縱肋間距較小，因此剛度在橋面板的縱向及橫向分布不均勻，也就是橋面系在縱橫方向的受力各向異性。因此，有學者將這種鋼橋面板命名為正交異性鋼橋面板。該種結構的示意如圖1 所示。

圖1 不同加勁肋的鋼橋面板示意圖

正交異性鋼橋面板的傳統分析關注于車輛輪載到橋梁支承的傳力途徑，將橋面板作為3 個系統進行計算分析。根據不同的極限狀態，整體的受力情況可以根據每個子系統的應力狀態進行線性疊加。

其中第一體系主要用于確定鋼橋面板的有效寬度，將鋼橋面板與主梁作為一個整體進行整體受力分析；第二體系是橋面板頂板、縱肋及橫肋構成的橋面體系，其作用為將橋面上車輛等荷載傳遞至主梁，該體系側重鋼橋面板雙向分配荷載的問題分析；第三體系為蓋板體系，該體系中頂板進入薄膜應力狀態，板件直接承受肋間的車輛荷載；在鋼橋面板設計時可以忽略第三體系的應力。

1.2 正交異性鋼橋面疲勞開裂問題

正交異性橋面板的疲勞問題在其使用期間也經常出現。因為車輛荷載直接作用于橋面板上且應力循環次數較多，應力幅偏大且局部剛度較小，還有施工時產生的疲勞裂紋等因素，使疲勞問題在鋼橋面板的使用過程中亟待解決[2]。

1.3 正交異性鋼橋面鋪裝病害

橋面鋪裝直接承受車輛荷載，其在預防行車道板磨損、避免雨水侵蝕、為行車提供摩擦力、分布車輛輪重的集中荷載起到了很大的作用。

目前大多鋼橋面鋪裝使用混合瀝青料鋪裝，有Masticasphalt（瑪蹄脂瀝青混凝土）、Stone Mastic Asphalt（改性瀝青混凝土）、Gussasphalt（瀝青澆注式混凝土）以及Epoxy Asphalt（瀝青環氧混凝土）等等，厚度在35～80 mm 之間。然而許多鋼橋在正常使用5 年以內就出現了嚴重的車轍、開裂、坑槽等病害，有許多橋面板的使用年限不超過其設計服役期的一半。

這些損壞主要有以下原因：

a）正交異性鋼橋面板的剛度分布不均且剛度偏小，在輪載的作用下，鋪裝層局部處于高應力區的部位較易首先產生疲勞開裂。

b）瀝青鋼橋面的瀝青混凝土工作環境惡劣，夏季鋼橋面板的溫度甚至可達到70℃，在重車荷載和溫度等共同作用下，由于瀝青混凝土材料的熱塑性，正交異性橋面板的鋪裝層經常發生脫層及車黏接層失效的問題。

以上問題的部分原因是設計不合理、施工質量不過關以及養護維修不當等人為主觀因素，而部分原因則是由于材料及結構自身特點及缺陷、環境惡劣及超載等客觀因素所造成。

2 超高性能混凝土（UHPC）

超高性能混凝土（UHPC），也稱為纖維增強混凝 土（Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete，簡稱UHPFRC），以超高的耐久性、剛度以及強度為特征，成為了目前混凝土領域科研的主要對象。

在20 世紀七十年代初，建筑混凝土材料的極限強度出現了較大的進步。丹麥學者Bache 教授發展的DSP 理論（超細顆粒致密化體系理論）給超高性能混凝土的發展提供了理論基礎。

20 世紀八十年代初，Portland 公司把超高性能混凝土的產品注冊為商標并針對UHPC 的耐久性、力學性能、組成優化展開了較為完整的研究。

20 世紀末，有法國學者Sedran 發表論文，這種高強混凝土材料首次被稱為 Ultra-High Performance Concrete；同一時期，法國教授Richard提出了活性粉末混凝土 RPC（Reactive Powder Concrete）并取得了一系列研究成果。這是最具代表性的超高性能混凝土，目前國際上報道的UHPC 通常是指RPC，抗壓強度在150 MPa 以上，使用壽命超過200 年。

RPC（活性粉末混凝土）的構成材料主要有鋼纖維、細骨料、硅灰及水泥等，它的最緊密堆積由不同粒徑顆粒以最佳比例形成，即細骨料的堆積空隙由水泥、粉煤灰、礦粉等微米級材料填充，水泥、粉煤灰、礦粉等微米級材料的空隙由硅灰等亞微米級顆粒填充，使整體結構的內部缺陷減至最少，也控制了微裂縫與孔隙的數量及發展，因而獲得了耐久性以及更高的強度。活性粉末混凝土內的鋼纖維減緩了混凝土內裂縫的發展，使RPC 材料的塑性也得到了極大的提升。

在抗壓強度、抗折強度以及彈性模量等力學性能方面，UHPC 的各項數據相比普通混凝土有極大優勢。具體對比參數如表1 所示。

表1 UHPC與普通混凝土材料性能對比

超高性能混凝土材料在橋梁結構方面擁有廣闊的應用前景，能夠顯著增加橋梁的跨度，增強橋梁的耐久性、服務周期以及結構的安全穩定性。

3 正交異性鋼板-薄層RPC組合橋面簡介

傳統的正交異性鋼橋面一般存在兩大問題，即橋面鋪裝層損壞以及鋼橋面的疲勞開裂?，F在一般的對策是采取加大板厚、優化焊接施工以及減少較高疲勞細節的使用來緩解橋面板的疲勞開裂問題；另外可以通過改善瀝青混合料的材料性能以及改變鋪裝層設計等方法提高橋面鋪裝的壽命。

然而，在諸多引起這兩類病害的原因中，橋面系剛度低的因素卻極少有學者做出研究。由于橋面板較薄且鋪裝的彈性模量只有0.2～10 GPa，遠低于鋼材的210 GPa，因此其對正交異性鋼橋面結構的剛度提高非常有限。這種問題體現在實際使用中即瀝青鋪裝層變形過大、局部應力集中、出現裂縫，而正交異性橋面板因承受應力幅較大而產生較多疲勞裂紋。這兩種橋面系的損傷使橋面剛度進一步降低并不斷惡性循環。

對于這種損傷方式，湖南大學邵旭東[3-5]團隊考慮在橋面板上設置薄RPC（活性粉末混凝土）層并對該種結構的計算方法、力學性能進行了初步研究，研究結果表明：

a）活性粉末混凝土層有效改善了表面瀝青混凝土層的工作條件，大幅度降低了鋪裝層推移、開裂等破壞。

b）設置薄RPC（活性粉末混凝土）層能夠顯著提高橋面剛度，有效提高正交異性橋面板的疲勞壽命。

c）活性粉末混凝土層能夠提高結構的韌性及抗拉強度，能夠滿足形變與強度要求。

4 鋼-UHPC組合橋面系應用

4.1 楓溪大橋UHPC層鋪設前后應力影響分析

株洲市楓溪大橋跨徑布置45 m×3+300 m+45 m×3，是中國首座采用輕型組合橋的大跨徑新建自錨式懸索橋。其主跨為鋼加勁梁，邊跨和錨跨為混凝土箱梁，主塔兩邊設有鋼混結合段。楓溪大橋橋面寬32 m，主纜垂跨比為1/5，有吊桿32 對，車道布置為雙向六車道。楓溪大橋的橋面采用了鋼-UHPC組合橋面系，橋面板鋪設了厚50 mm 的UHPC 層永久性結構，UHPC 高強混凝土層的上方鋪設了50 mm 厚的SMA13 瀝青混凝土磨耗層。

鋼橋面板的病害主要為車輛荷載造成的鋼板疲勞裂紋，而組合橋面系鋼結構部分的主要疲勞細節類別主要包括以下9 種。a）橋面系- 縱肋焊縫；b）橋面系間對接焊縫；c）頂板縱肋底部對接焊縫；d）弧形切口；e）橫隔板及縱肋端部焊縫；f）弧形切口起點（橫隔板處）；g）頂板縱肋、橋面系、橫隔板交叉焊縫處橋面系；h）頂板縱肋、橋面系、橫隔板交叉焊縫處頂板縱肋；i）頂板縱肋、橋面系、橫隔板交叉焊縫處橫隔板。由于車輛荷載作用下的縱橋向最不利位置出現在主跨約2/3 的地方，位于18 號標準鋼箱梁節段內，因此確定18 號標準鋼箱梁作為研究節段。

學者裴必達選用三軸卡車作為加載車輛，在測試節段頂板U 肋、橫隔板正反兩面共布置66 個應變片以對比鋪設UHPC 混凝土橋面板前后各疲勞細節處的最大拉、壓應力，按照較為保守的方式取細節處的應力幅為Δσ=σmax-σmin。測試結果如圖2 所示，鋪設UHPC 層后所有細節的應力幅都有明顯降低[6]。

圖2 各細節應力幅及降幅百分比

分析9 種疲勞細節的測試結果可以發現由于鋪設UHPC 層后鋼面板與高強混凝土形成了整體，橋面系剛度大幅提高，因而在鋪設UHPC 層后9 種疲勞細節應力幅均有所降低，其中橋面系處疲勞細節應力幅降幅比例最大，高達75%～90%；而頂板縱肋上的細節疲勞應力降幅約為65%～80%；橫隔板上的疲勞細節應力降幅約為20%～50%。同時應力降幅與橋面系離疲勞細節的距離有關，距離越小UHPC 層對疲勞細節的應力降幅越明顯。

4.2 武漢軍山長江大橋UHPC組合橋面改造工程

武漢軍山長江大橋是國家干線公路網中“一縱一橫”的兩條主干道——滬渝高速公路（G50）和京港澳高速公路（G4）共用的特大型高速公路橋梁。2017 年7 月30 日，軍山大橋因超載超限車輛多而造成了各項病害，開始進行加固維修。

軍山長江大橋的病害主要為疲勞裂縫。2001 年軍山大橋通車時受諸多因素限制，其鋼箱梁頂板的設計厚度僅為12～16 mm，設計最大車流量日通行1.5 萬輛，而5 年內軍山長江大橋實際日通行車流量已超過3 萬輛且60%為大貨車，貨車的嚴重超載造成了橋梁疲勞裂縫的提前產生。

對于車輛荷載造成的疲勞裂紋，鋼-UHPC 組合橋面結構由于高強混凝土層具有較高的彈性模量，可以有效地降低鋼結構在局部輪載作用下的應力水平并大大提高鋼橋面板剛度，同時能夠降低瀝青磨耗層的破壞風險并改善上部瀝青磨耗層的工作條件。因此在軍山長江大橋珠海至北京方向半幅橋側 K1186+781—k1186+873 處設置了鋼 -UHPC 組合橋面結構試驗段。該試驗段寬15.2 m，全長92 m，鋪裝平均厚度5.5 cm，總澆筑時間歷時約14 h。試驗段澆筑施工采用地泵泵送、罐車運輸等方式將高強混凝土在試驗段均勻撒布并使用機械式振平設備進行振平，利用收光平臺的操作便利性進行了混凝土土工布、養生膜的鋪設以及收光抹面，及時完成混凝土澆筑施工與養護，每間隔2 h 對試驗段表面進行灑水養護，48 h 后進入高溫蒸汽養生環節。2018年12 月15 日起，武漢軍山長江大橋正式修繕完成并對貨車開放通行。

圖3 武漢軍山長江大橋鋼-UHPC組合橋面結構試驗段

4.3 鋼-UHPC組合橋面系與普通鋼橋面板對比

鋼-UHPC 組合橋面系由薄高強混凝土層以及鋼橋面板構成，可以有效地減小大跨度橋梁結構中鋪裝層易損壞以及鋼橋面板疲勞開裂等問題。

但是，鋼-UHPC 組合橋面系相比普通鋼橋面板也仍然存在一些問題。首先，UHPC 作為剛性鋪裝層，一旦發生局部破壞，很難進行維修更換；其次，養護環境對UHPC 的性能有很大影響，工地現澆UHPC 的質量難以保證；最后，UHPC 與鋼橋面的黏接性能有待研究，其黏接性能直接影響結構的耐久性。

鋼-UHPC 組合橋面系的計算方式也應該根據組合結構的受力方式進行調整。依據材料力學的相關理論，受荷載作用的變形固體內任意一點至少存在3 個主應力，對應3 個主方向。復雜應力狀態即3個方向上的主應力中有一個或者兩個主應力不為零的情況。

對于橋面系結構，構件以板殼為主（包括UHPC層），其在荷載作用下的應力狀態多為兩向甚至三向應力狀態，所以應當以復雜應力狀態下的強度理論探討破壞原因并建立其強度條件。

對于混凝土這種典型的脆性材料而言，應該認為拉應力是脆性破壞的原因并采用第一強度理論，當最大拉應力達到材料能承受的極限值時結構破壞。

但是UHPC 的極限抗拉應變很大且可以達到1 700 με甚至3 000 με，接近甚至大于普通鋼筋的屈服應變（1 820 με），UHPC 混凝土的應力 - 應變曲線如圖4 所示。這是因為UHPC 構件裂縫出現后，由于鋼纖維的橋聯作用，受拉區混凝土并不退出工作，而是可以協助縱筋承擔部分拉力，隨著裂縫的擴展和部分鋼纖維的拔出，其所承擔的拉力逐漸減小[7]。

圖4 UHPC應力-應變曲線

此外有研究結果表明，UHPC 結構中小于0.05 mm 的裂縫寬度基本不影響結構的耐久性。這樣，在可視初裂前UHPC 材料能夠與鋼筋變形同步并對結構的抗拉性能有顯著提高。由于UHPC 大應變的特性，配筋后鋼筋的強度在UHPC 開裂前得以充分發揮。因此，盡管UHPC 的抗拉極限強度一般為10～15 MPa，但是配筋后其名義抗拉極限強度可以達到30 MPa 以上。

在計算鋼結構時應當使用第四強度理論，綜合強度指標使用鋼材從彈性狀態轉化為塑性狀態時的強度，要用變形時單位體積中由于邊長比例變化的能量來衡量。從第四強度理論的推導可以看出在三向應力作用下，鋼材的屈服條件可用等效應力Von Mises（即σeqv）和鋼材在受到單向力的屈服點fy相比較判斷。如果σeqv＜fy，則鋼材未到達屈服點；若σeqv＞fy，鋼材處于塑性階段。

5 展望

鋼-UHPC 組合橋面板具有強度高、疲勞性能好等優點，其各項優勢在不久的將來可能解決鋼橋面板的橋面鋪裝易損壞與疲勞破壞等問題，但新型結構還有其他一系列問題有待進一步研究和解決：

a）連接構造問題。本文僅對組合橋面板的構造選型和整體性能進行了初步研究，但是對于其在實際工程運用中的連接措施沒有展開研究，對于連接處的力學性能還有待進一步研究。

b）預制拼裝式結構形式問題。工廠化、標準化是當今施工技術的趨勢，如何構建合理的預制化單元，使其構造簡單、施工方便，同時又能滿足強度、剛度或穩定性的要求，是一個值得研究的課題。