一種新型FRP- 瀝青混凝土鋼橋面鋪裝疲勞性能試驗研究

桂濤鋒

摘要：文章研究一種新型FRP-瀝青混凝土鋼橋面鋪裝的疲勞力學性能，探究這種鋪裝的工程適用性，并利用UTM-100靜動態電液伺服試驗機對這種新型FRP-瀝青混凝土鋼橋面鋪裝復合梁的疲勞性能進行研究。研究表明：該新型FRP-瀝青混凝土鋪裝有較好的抗疲勞破壞能力，還有與鋼橋面板極好的咬合性和變形協調性能，與傳統鋼橋面鋪裝相比，有更好的技術和經濟性能，對鋼橋面鋪裝結構的技術創新和工程應用具有一定的參考價值。

關鍵詞：FRP;鋼橋面鋪裝;疲勞性能

0 引言

纖維增強復合材料（fiber-reinforcedpolymer，簡稱FRP）是由纖維材料與基體材料等兩種以上的組分材料按一定比例混合并經過一定工藝復合形成的各種形狀、規格及性能的高性能新型復合材料[1-2]。與傳統結構材料（鋼材、混凝土等）相比，FRP材料具有輕質高強、可設計性強和抗疲勞性能好等顯著優點。近年來FRP材料在國內外土木工程領域中的橋梁工程、房建工程、工業廠房、港口碼頭等新建工程及維修加固工程中均得到廣泛的應用[3-8]，表現出了良好的材料性能和廣闊的應用前景。

這種新型FRP-瀝青混凝土鋼橋面鋪裝是指以FRP材料為鋪裝下層，瀝青混凝土為鋪裝上層，在FRP材料和瀝青混凝土之間，添加一層環氧礫石作為粘結層而形成的新型鋼橋面鋪裝結構。FRP-瀝青混凝土鋼橋面鋪裝與傳統的鋼橋面鋪裝結構相比性能優勢明顯，具體表現為：（1）FRP板兼鋼橋面板防水層、環氧礫石層兼瀝青混凝土粘結層，不用專設防水層和粘結層;（2）FRP材料自重輕而剛度大，在橋面鋪裝引入FRP材料可以大大減輕鋪裝重量，大大減小橋梁的二期恒載，對橋梁結構受力更加有利[9];（3）FRP鋪裝結構與鋼板界面剪切強度大，粘結界面不至于剪切破壞;（4）后期養護費用較少。因此，FRP-瀝青混凝土鋼橋面鋪裝可以廣泛應用于大跨徑鋼橋面鋪裝，而且對于鋪裝層損壞的橋梁性能優勢更加明顯。但是，目前國內外對于FRP-瀝青混凝土鋼橋面鋪裝疲勞性能的研究甚少，相關研究亟待開展。因此，本文采用室內試驗方法對FRP-瀝青混凝土鋼橋面鋪裝疲勞性能試驗進行研究，以探索FRP-瀝青混凝土鋼橋面鋪裝的疲勞彎曲性能。

1 試驗方案

目前，研究鋼橋面鋪裝的疲勞試驗方法分為四種：（1）試驗橋模型;（2）直道試驗模型;（3）環道試驗模型;（4）復合梁試驗模型。其中復合梁試驗模型具有試驗條件易滿足、試驗進度易控制、試驗模型簡單、便于室內開展等優點，在鋼橋面鋪裝的疲勞試驗研究中得到廣泛的應用。為使室內復合梁模型試驗結果能盡可能準確地模擬實際用橋面鋪裝，由實際橋面所用鋼板、FRP層以及瀝青混合料鋪裝層制作成復合梁模型進行疲勞試驗。復合梁模型可高度模擬實際用橋面鋪裝，準確地反映FRP-瀝青混凝土鋼橋面鋪裝的抗疲勞性能。本文基于復合梁模型試驗來研究這種新型鋼橋面鋪裝的疲勞性能。

本次試驗所用試件參照德國鋼橋面鋪裝規范規定的方法對疲勞性能試件的結構形式、使用材料及結構尺寸的相關要求，依托某座長江大橋鋪裝結構的實際厚度尺寸，制作了Ⅰ類～Ⅴ類鋪裝結構的復合梁試件，如圖1～5所示。其中試驗鋼板尺寸為（700×200×12）mm的Q235鋼，在（700×150）mm的范圍內，依次鋪設FRP層、環氧礫石層和瀝青層。

各類試件具體結構形式如下：

Ⅰ類試件：12mm厚Q235鋼板+55mmFRP空心板+15mm環氧礫石;

Ⅱ類試件：12mm厚Q235鋼板+3mmFRP層合板+7mm環氧礫石+30mmSMA底層+40mmSMA面層;

Ⅲ類試件：12mm厚Q235鋼板+3mmFRP層合板+7mm環氧礫石+30mmGA底層+40mmSMA面層;

Ⅳ類試件：12mm厚Q235鋼板+雙層環氧防水粘結層+30mmSMA底層+40mmSMA面層;

Ⅴ類試件：12mm厚Q235鋼板+雙層環氧防水粘結層+30mmSMA面層+40mmGA底層。

2 試驗方法

參照德國鋼橋面鋪裝規范的方法，對鋪裝結構進行彎曲疲勞試驗。疲勞試驗加載方式見圖6。

按照德國鋼橋面鋪裝規范，將試件放在直徑為50mm、間距為300mm的三個鋼制輥軸支座上，通過施力架將加載力加給鋼板上焊接的加勁板上，并使鋼板上四個受力點受力大致相同[10]。試驗在室溫（20±3）℃下進行。在沒有鋪設鋪裝層的鋼板上施加靜荷載，使該處位移達到0.5mm時所對應荷載即為本次疲勞試驗的最大荷載F0，取0.15F0為疲勞試驗的最小荷載FG，疲勞試驗的加載幅值即為FG～F0，加載頻率為2Hz。

2.1 疲勞荷載幅的確定

選用沒有鋪設鋪裝層的3塊鋼板，通過大型液壓試驗機進行彎曲試驗，分18級荷載對鋼板進行加載，并測讀加勁板上四個百分表的讀數。加載測試結果見表1。

分析表1的試驗檢測結果可知，在扣除試驗最初幾級增量荷載作用后，3塊鋼板加勁肋截面的撓度增量均為0.03mm/kN。由此確定，試件扣除非彈性影響后產生L/600撓度對應的荷載F0=0.5mm/（0.03mm/kN）=16.7kN即為疲勞試驗最大荷載。

2.2 彎曲疲勞試驗

在UTM-100靜動態電液伺服試驗機上進行這幾種不同鋪裝結構的彎曲疲勞試驗。德國鋼橋面鋪裝規范對復合梁的疲勞試驗的加載頻率有相關規定：試驗荷載應采用半正弦波加載函數進行加載，加載幅值為FG～F0，試驗溫度為（20±3）℃。加載頻率的選取應該按照標準軸載以設計車速通過時在鋪裝層中產生的應力（應變）響應時間來決定。應力（應變）響應的時間的大小主要取決于車輪的速度、軸重、交通車輛的類型等，響應時間可根據Vanderpoel公式來確定：t=l/（2πf），計算加載頻率為10Hz對應的響應時間為0.016s，對于瀝青混合料路面，0.016s響應時間大致相當于60～65km/h的行車速度，因此，本次疲勞荷載試驗選用頻率為10Hz的半正弦波加載函數加載是較為合理的。為了便于對比研究，Ⅰ類～Ⅴ類鋪裝結構的加載環境、加載方式應保持相同。

（1）試驗方案一：在上述試驗環境下，采用UTM-100靜動態電液伺服試驗機對Ⅰ類～Ⅴ類鋪裝結構（每類3個試件）分別進行了標準試驗荷載（FG～F0）加載循環100萬次和200萬次的彎曲疲勞振動試驗。

（2）試驗方案二：在與方案一試驗環境相同條件下，考慮到長江大橋實際行駛的重載及超載車輛較多，將疲勞荷載幅提高50%，即采用重載交通條件下對應的荷載幅值1.5FG～1.5F0對這五類鋪裝（Ⅰ類～Ⅴ類）加載循環100萬次的彎曲疲勞振動。

（3）試驗方案三：在Ⅲ類鋪裝結構進行疲勞試驗后，將3塊Ⅲ類試件放入烘箱中烘烤，待瀝青層軟化后刨去，保留下層FRP及環氧礫石層。以這種鋼板+FRP+環氧礫石試件（稱為Ⅲ0類試件）的方式，在與方案一試驗環境相同條件下，再按重載交通條件下對應的荷載幅值1.5FG～1.5F0對該組試件加載循環200萬次的彎曲疲勞振動，考察FRP層和環氧礫石層與鋼板粘結的抗疲勞破壞能力。

3 試驗結果

按照德國鋼橋面鋪裝規范，試驗溫度為（20±3）℃，標準試驗荷載（FG～F0）下，方案一的試驗結果如表2所示。

試驗中以開裂或初次出現脫層等破壞現象時的加載次數為疲勞次數。疲勞次數超過100萬次即停止試驗，如試件未出現開裂或脫層現象，則可認定此種鋪裝結構疲勞性能滿足德國鋼橋面鋪裝規范要求。由表2可知，Ⅰ類～Ⅴ類鋪裝結構在經過100萬次加載循環后，鋪裝結構外觀無裂紋，結構未破壞，可認定這五類鋪裝結構疲勞性能為合格。

考慮到標準試驗荷載下，Ⅰ類～Ⅴ類鋪裝結構的疲勞次數都超過了100萬次，無法對這五類鋪裝結構的疲勞性能進行有效的比較，由此，方案二采用重載交通條件下對應的荷載幅值1.5FG～1.5F0對這五類鋪裝（Ⅰ類～Ⅴ類）進行疲勞試驗。方案二的試驗結果如表3所示。

由表3試驗結果可知：Ⅰ類鋪裝結構在1.5FG～1.5F0試驗荷載（重載交通荷載）作用下，經過200萬次疲勞彎曲試驗，鋪裝結構無開裂破壞現象;Ⅱ類、Ⅲ類鋪裝結構均是100～200萬次時下層瀝青混凝土與上層混凝土脫層破壞，FRP層與環氧礫石層均未破壞，可見FRP層和環氧礫石層均有較好的疲勞性能，Ⅱ類、Ⅲ類兩種鋪裝結構的抗疲勞性能明顯優于傳統鋪裝結構（Ⅳ類、Ⅴ類鋪裝結構）。

由表4試驗結果可知：對Ⅲ類鋪裝結構刨除瀝青混凝土層，形成的僅剩FRP層和環氧礫石層的Ⅲ0類鋪裝結構，在1.5FG～1.5F0試驗荷載（重載交通荷載）作用下，經過200萬次疲勞彎曲試驗，鋪裝結構仍未出現界面剝離和脫層破壞等現象。這表明FRP層及與其嵌入粘結的環氧礫石層有明顯優秀的抗疲勞性能，故可保證其在重載交通條件下較好的抗疲勞性能，在保證起到防水層的作用的同時，也不會先于瀝青混凝土層破壞。

4 結語

本文完成了五類鋼橋面鋪裝的疲勞性能研究，其中包括三種新型FRP-瀝青混凝土鋼橋面鋪裝（Ⅰ類鋪裝～Ⅲ類鋪裝），初步得到了以下結論：

（1）本文中FRP-瀝青混凝土鋼橋面鋪裝在疲勞荷載上、下限值分別為2.505～16.700kN（標準荷載）作用下，經歷100萬次疲勞循環加卸載停止后，鋪裝結構、界面均未出現裂紋、脫層等現象，滿足德國鋼橋面鋪裝規范要求。

（2）在疲勞荷載上、下限值分別為3.758～25.050kN（重載交通荷載）作用下，經過200萬次疲勞彎曲試驗，Ⅰ類鋪裝結構無開裂破壞現象，表明這種FRP-瀝青混凝土鋼橋面鋪裝具有較好的抗疲勞性能。由疲勞試驗循環次數可知：Ⅱ類、Ⅲ類鋪裝結構的抗疲勞性能明顯優于傳統瀝青混凝土鋼橋面鋪裝（Ⅳ類和Ⅴ類鋪裝結構）。

（3）對于刨除瀝青混凝土層，由FRP層和環氧礫石層形成的Ⅲ0類鋪裝結構在疲勞荷載上、下限值分別為3.758～25.050kN（重載交通荷載）作用下，經過200萬次疲勞彎曲試驗，鋪裝結構仍未出現界面剝離和脫層破壞等現象，表明FRP層及與其嵌入粘結的環氧礫石層有明顯優秀的抗疲勞性能。

參考文獻：

[1]薛元德，胡 培.纖維復合材料應用于基礎設施工程——面向21世紀的機遇和挑戰[J].高科技纖維與應用，2000，25（2）：10-13.

[2]葉列平，馮 鵬.FRP在工程結構中的應用與發展[J].土木工程學報，2006，39（3）：24-36.

[3]BakisCE，BankLC，BrownVL，etal.Fiberreinforcedpolymercompositesforconstructionstateoftheartreview[J].JournalofCompositesforConstruction，2002（5）：73-87.

[4]BurgoyneChrisJ.Advancedcompositesincivilengineeringineurope[J].StructuralEngineeringInternational，1999（4）：1-7.

[5]LelliVanDenEinde，LeiZhao，FriederSeible.UseofFRPcompositesincivilstructuralapplications[J].ConstructionandBuildingMaterials，2003（17）：389-403.

[6]HollawayLC.Theevolutionofandthewayforwardforadvancedpolymercompositesinthecivilinfrastructure[J].ConstructionandBuildingMaterials，2003（17）：365-378.

[7]MertzDR，ChajesMJ，GillespieJW.Applicationoffiberreinforcedpolymercompositestothehighwayinfrastructure[R].NchrpReport503，2003.

[8]蔡國宏.先進復合材料在橋梁中的應用現狀和發展前景[R].北京：交通部科學研究院，2006.

[9]楊 勇，劉玉擎，范海豐.FRP-混凝土組合橋面板疲勞性能試驗研究[J].工程力學，2011（6）：66-73.

[10]周 艷，李佩林.雙層SMA鋼橋面鋪裝復合梁疲勞試驗研究[J].公路與汽運，2013，5（3）：181-185.