鋼橋面UTAC-UHPC新型鋪裝結構力學性能分析

薛志強 萬昀聰 王宏暢

摘 要：為提高鋼橋面鋪裝層性能，提出一種新的鋪裝體系——UTAC（超薄瀝青混凝土）-UHPC（超高性能混凝土）新型復合鋪裝體系。利用Abaqus建立三維有限元模型，將UTAC-UHPC新型復合鋪裝體系與傳統柔性鋪裝體系在最大豎向變形和鋪裝層拉應力上進行比較分析。結果顯示：UTAC-UHPC新型復合鋪裝體系鋪裝層最大豎向變形較傳統柔性鋪裝能夠減少28%，有效地提高鋼橋面的剛度和強度，減少鋪裝層的豎向變形;上面層橫、縱方向最大拉應力較傳統柔性鋪裝體系有明顯的減少，分別減少了59%和51%，極大地延長橋面鋪裝的使用壽命。

關鍵詞：鋼橋面鋪裝;超薄瀝青混凝土;超高性能混凝土;有限元分析

Abstract：In order to improve the performance of pavement， the new steel bridge deck pavement system——the composite pavement system with UTAC （Ultra-High Performance Concrete） - UHPC （Ultra-Thin Asphalt Concrete） was put forward， and the three-dimensional finite element model using Abaqus was built to make a comparison with the traditional flexible pavement system on the maximum deflection and tensile stress of the pavement. The result showed that the maximum vertical flection of UTAC-UHPC new composite pavement system can be reduced by 28% compared with the traditional flexible pavement， effectively improving the rigidity and strength of the steel bridge surface and reducing the vertical flection of the pavement; the maximum tensile stress of the upper layer in the horizontal and vertical directions was significantly reduced compared with the traditional flexible pavement system， respectively by 59% and 51%， greatly extending the service life of the bridge deck pavement.

Keywords：Steel bridge deck pavement; ultra-thin asphalt concrete; ultra-high performance concrete; finite element analysis

0 引言

隨著經濟和科技的進步，我國道路橋梁也迅猛的發展，自20世紀90年代以來，相繼建成了大批大跨徑斜拉橋、懸索橋，如南京長江四橋、虎門大橋等。這些鋼橋的加勁梁多采用正交異性橋面板結構[1]。正交異性鋼橋面板因具有自重輕、承載能力強、跨越能力大和施工速度快[2-4]等優點，而在大跨徑橋梁建設中得到廣泛的應用。但同時，由于大跨徑鋼箱梁橋特殊的使用環境、施工工藝和性能要求，正交異性板還有造價高、局部變形大和熱容性差[5]等缺點。為了彌補這些缺點，國內外的相關學者在橋面鋪裝體系的設計上進行了大量的研究[6-7]。

目前，國內外已建成的大跨徑鋼箱梁橋面鋪裝都或多或少存在不同程度的病害問題。不同于一般的道路鋪裝，鋼橋鋪裝鋪設于剛度較小的鋼面板上，與鋼橋面結構共同承重，鋼橋面和鋪裝層的變形相互作用，如果難以協調會導致層間滑移、開裂等種種問題[8-10]。這些問題大大影響了橋梁的安全性、舒適性和使用壽命，因此，鋪裝層的設計和施工尤為重要。目前鋼橋面鋪裝多采用柔性材料，如環氧瀝青混凝土、改性瀝青SMA和澆筑式瀝青混凝土等。柔性鋪裝具有舒適性好、整體性好、修復快和維修量小等優點[11]，但難以滿足日益增加的車輛荷載。為此學者們開始探索剛性鋪裝材料，剛性鋪裝材料能很好地滿足剛度和強度要求，力學性能也相對穩定[12]，但是剛性鋪裝材料抗拉強度較低，要想很好地適用于大跨徑橋梁，需要擁有較大的厚度，而厚度增大勢必會增加橋梁自重，加大成本，因此不能廣泛應用。

國內外道路工作者經過不斷地研究[13-16]，認為鋪裝材料應在以下幾方面滿足要求[17]：適應變形能力，層間黏結性能，抗裂性能，熱穩定性，防水性能，鋪裝層厚度，耐久性。這些條件無論是柔性瀝青鋪裝還是混凝土剛性鋪裝，都不能很好地滿足。因此，對大跨徑鋼橋的鋪裝體系進行深入研究十分必要。本文采用超薄瀝青混凝土（UTAC）與超高性能混凝土（UHPC）作為鋪裝材料并開展研究，提出UTAC-UHPC新型鋪裝結構，并用有限元分析的方法，對該結構力學性能進行系統的分析。

1 UTAC-UHPC鋼橋面鋪裝體系

1.1 鋪裝材料

UTAC-UHPC新型鋪裝體系主要由上層的超薄瀝青混凝土層（UTAC）、下層的超高性能混凝土層（UHPC）和鋼橋面板組成。

UTAC，全稱超薄瀝青混凝土，具有抗滑性能好、低噪音和表面平坦等優點，其配制常選用有較好黏結力、耐久性、抗老化能力和抗剝離性的瀝青膠材料（常采用改性瀝青、橡膠瀝青），搭配有較強耐磨性、抗腐蝕性且粒徑偏小的集料（公稱最大粒徑正常為9.5 mm或13.2 mm）和親水系數較小的石灰石礦粉[18]。

UHPC，全稱超高性能混凝土，也稱活性粉末混凝土（Reactive Powerder Concrete， RPC），是一種創新型水泥混凝土材料， 具有自固結性好、機械強度高、耐久性強和滲透率低等特點[19]。其組成包括水泥、硅灰、級配石英細砂、石英粉、高效減水劑及鋼纖維等。其組成材料的不同粒徑顆粒以最佳比例形成最緊密的堆積，使內部空隙減少到最低，從而取得較高的強度和良好的耐久性。

1.2 鋪裝結構特點

本文研究的UTAC-UHPC新型鋪裝結構由上層20 mm厚超薄瀝青混凝土、下層55 mm超高性能混凝土和14 mm鋼板組成。與傳統大跨徑鋼橋鋪裝對比有如下特點。

（1）UHPC具有比傳統柔性鋪裝較強的剛度熱穩定性等優點，同時克服了傳統剛性鋪裝抗拉任性差的缺點。使用UHPC作為鋼橋面的主要鋪裝材料能夠很好地避免一系列鋼橋鋪裝早期病害問題，延長大跨徑鋼橋的使用壽命，增強舒適性[20]。

（2）對混凝土橋面加裝UTAC磨耗層，可以提高行車舒適性，延長鋼橋使用年限，此外，加鋪瀝青薄型罩面，可以減少對原有橋面的損害，并且提高橋面的平整性，降低行車噪音，同時不會過分增大二期恒載[21]。

（3）相較傳統鋪裝，UTAC-UHPC新型鋪裝結構厚度更薄，性能更高。因此，使用UTAC-UHPC作為鋪裝層材料的鋼橋，自重小，結構更加輕便，并且可以在交通量較大時，進行改性瀝青磨耗層的加鋪。

2 UTAC-UHPC新型鋪裝橋面力學性能分析

研究表明[22]，雙層橋面鋪裝可以在鋪裝層功能上分工明確，上下層職責不同，相比單層鋪裝性能更好，已經成為工程應用的首選。本文以某長江大橋為背景，利用Abaqus軟件，建立柔性鋪裝和UTAC-UHPC新型復合鋪裝的三維有限元模型并進行力學性能比較分析。該橋鋼橋面板厚14 mm，下設U形加勁肋，U肋上口寬300 mm、下口寬170 mm、高280 mm、間距300 mm、板厚8 mm;橫隔板厚14 mm，間距3 120 mm，高750 mm。柔性鋪裝選用上面層改性瀝青厚35 mm和下面層澆筑式瀝青厚40 mm，UTAC-UHPC符合鋪裝選用20 mm厚UTAC上面層和55 mm厚UHPC下面層。

2.1 有限元模型

為了模擬在車輛荷載的作用下鋼橋面鋪裝層的受力，選取該橋鋼箱梁節段建立有限元模型。有限元模型橫向取8個加勁肋，縱向取三跨，并在模型中建立鋪裝層，鋪裝層上、下兩層均采用實體單元C3D8R（八結點線性六面體單元，減縮積分，沙漏控制）來進行模擬。鋼橋面板和U形加勁肋及橫隔板均采用殼單元S4R（四結點曲面薄殼或厚殼，減縮積分，沙漏控制，有限膜應變）。

分析用到的材料參數[23]為：改性瀝青混凝土，楊氏模量2 020 MPa，泊松比0.3;澆注式瀝青混凝土，楊氏模量9 046 MPa，泊松比0.3;鋼，楊氏模量210 000 MPa，泊松比0.3;UTAC，楊氏模量1 215 MPa，泊松比0.25;UHPC，楊氏模量42 600 MPa，泊松比0.3。

建立的鋼橋面模型如圖1所示。

2.2 邊界條件及荷載

邊界條件：鋼橋面板及鋪裝層不允許有橫向位移，橫隔板頂部完全約束。

車輛荷載：采用《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40—2011）中規定的車輛荷載，輪胎接地面積近似為0.2 m×0.6 m的矩形，荷載大小為0.7 MPa[24]。

加載位置：為了確定鋼橋面受力的最不利加載位置，本文將荷位分為橫向3種情況，縱向從跨中至橫隔板1 600 mm范圍內9種情況，如圖2和圖3所示。移動方向如圖4所示。

2.3 分析結果

2.3.1 豎向變形

鋼橋面板鋪裝層最大豎向變形，即橋面的最大彎沉，是反映鋼橋面鋪裝體系質量的一個重要指標。不同于道路鋪裝，鋼橋面鋪裝層較薄，鋼橋鋪裝層產生的豎向變形會直接作用在正交異性鋼板上，因此，較大的豎向變形會直接影響鋼橋的使用壽?命和行車舒適度，鋪裝層豎向變形也是反映鋼橋面鋪裝體系剛度、強度的重要力學指標。表1表2分別是柔性鋪裝體系和新型復合鋪裝體系的鋪裝層在各個荷位的最大豎向變形。

從表1和表2中結果顯示，無論是柔性鋪裝體系還是新型復合鋪裝體系，鋪裝層最大豎向變形基本都發生在橫向荷位3處，且隨著豎向荷位逐漸接近跨中位置（距離橫隔板1 600 mm處）而呈上升趨勢。兩種鋪裝體系的最大豎向變形均發生在橫向荷位3的跨中位置，如圖5和圖6所示。比較可得，新型復合鋪裝體系的最大豎向變形較傳統柔性鋪裝體系減少了28%。新型復合鋪裝體系顯著提升了橋面系強度和剛度，延長了橋梁使用壽命。

2.3.2 鋪裝層最大拉應力

鋪裝層開裂破壞是橋面鋪裝常見的一種破壞類型[25]，其發生的主要因素是鋪裝層表面的最大拉應力。因此分析橋面鋪裝在汽車荷載下的最大拉應力，是設計橋面鋪裝的重要步驟。

本節把橋面鋪裝層分為上下兩層，對比分析了傳統柔性鋪裝和新型復合鋪裝在橫、縱方向上的最大拉應力。結果顯示，鋪裝層上、下層的橫向最大拉應力均出現在橫向荷位3的跨中位置（距離橫隔板1 600 mm處）;上層縱向最大拉應力出現在橫向荷位1，距離橫隔板400 mm處;下層縱向最大拉應力出現在橫向荷位1，距離橫隔板800 mm處。表3和表4給出了橫、縱方向最大拉應力在這些位置處的數據。

根據表3和表4結果顯示，對于上層鋪裝，新型復合鋪裝的橫向最大拉應力較傳統柔性鋪裝減少了59%，縱向最大拉應力較傳統柔性鋪裝減少了51%（圖7），較大程度上改變了橋面系的受力。對于下層鋪裝，新型復合鋪裝的橫、縱方向拉應力較傳統柔性鋪裝體系都有所提升，這是因為UHPC剛度大而導致了下面層的表面拉應力增大。雖然其拉應力較大，縱向最大拉應力達到了1.018 MPa，但仍遠小于UHPC的抗拉強度7.28～10.32 MPa[26]，并且新型復合鋪裝提高了橋面系的整體剛度，因此較傳統柔性鋪裝抗疲勞性能更好。

3 鋪裝層厚度對拉應力影響

鋪裝層厚度作為鋼橋面設計的一個重要控制指標，一般由經驗確定，增大鋪裝層厚度，可以更好地分散橋面荷載，但會增加自重，使承載能力下降，同時提高成本，所以應該選擇合適的鋪裝層厚度。

3.1 UTAC上面層厚度的影響

保持UHPC下面層55 mm不變，分別計算UTAC上面層取15、20、25 mm時對鋪裝層拉應力的影響。計算結果如圖8—圖11所示。

從圖8—圖11中可以看出，對于上面層拉應力，通過改變不同的UTAC厚度，橫向和縱向最大拉應力值在橫隔板到距離橫隔板400 mm的范圍內均隨著UTAC厚度的增大而減小，在距離橫隔板400 mm到跨中位置的范圍內均隨著UTAC厚度的增大而增大，厚度由15 mm增大到25 mm時，橫向最大拉應力增大了4.4%，縱向最大拉應力增大了3.1%。對于下面層拉應力，不同的UTAC厚度對橫向最大拉應力的影響較大，而對縱向最大拉應力影響較小。最大橫向拉應力隨著UTAC厚度的增大而減小，厚度由15 mm增大到25 mm時，橫向最大拉應力減小了5.7%。

通過改變UATC厚度，對UTAC層和UHPC層的拉應力分析，綜合考慮，本文選擇20 mm厚UTAC層。

3.2 UHPC下面層厚度的影響

保持UTAC上面層厚20 mm不變，分別計算UHPC層厚取45、50、55、60 mm時，對鋪裝層拉應力的影響，計算結果如圖12—圖15所示。

圖12—圖15中的結果顯示，對于上面層拉應力，橫向和縱向最大拉應力均隨著UHPC層厚度的增加而增大，UHPC厚度由45 mm增至60 mm時，最不利荷位的橫向最大拉應力增大了43%，縱向最大拉應力增大了16.8%。對于下面層拉應力，橫向和縱向最大拉應力均隨著UHPC層厚度的增加而減小，UHPC厚度由45 mm增至60 mm時，最不利荷位的橫向最大拉應力減小了14.2%，縱向最大拉應力減小了19.2%。

通過對比分析不同UHPC層厚度時的鋪裝層拉應力，得出結論。雖然增大UHPC下面層的厚度有利于減小鋪裝層下面層拉應力值，但對上面層的拉應力值有較大的不利影響，同時會增大成本。因此綜合考慮鋪裝層的受力和經濟效益，UHPC下面層建議取55 mm。

4 結論

本文通過建立傳統柔性鋪裝體系鋼橋段模型和UTAC-UHPC新型復合鋪裝體系鋼橋段模型的三維有限元模型，并進行對比分析，得出主要結論如下：

（1）在車輪荷載下，鋼橋面鋪裝層最大豎向變形出現在跨中區域的兩U肋間中心線的正上方，UTAC-UHPC新型復合鋪裝體系鋪裝層最大豎向變形較傳統柔性鋪裝減少了28%。新型復合鋪裝體系能夠有效地提高鋼橋面的剛度和強度，減少鋪裝層的豎向變形，從而降低對鋼橋面產生的不利影響，延長鋼橋的使用壽命。

（2）分析鋼橋面鋪裝層表面最大拉應力時，對于上面層，橫向最大拉應力的最不利荷載位置出現在跨中區域的兩U肋間中心線正上方，縱向最大拉應力的最不利荷載位置出現在距離橫隔板400 mm區域的U肋中心線正上方;對于下面層，橫向最大拉應力的最不利荷載位置出現在跨中區域的兩U肋間中心線正上方，縱向最大拉應力的最不利荷載位置出現在距離橫隔板800 mm區域的U肋中心線正上方。

（3）UTAC-UHPC新型復合鋪裝體系的鋪裝層上面層橫、縱方向最大拉應力較傳統柔性鋪裝體系均有較明顯地減少，分別減少了59%、51%。新型復合鋪裝體系的UHPC下面層剛度較大，雖然會提升橋面系的整體剛度，但較傳統柔性鋪裝下面層，最大橫、縱方向拉應力也有所提升。

（4）增大UTAC上面層厚度，上面層橫、縱方向上最大拉應力在橫隔板到距離橫隔板400 mm的范圍內減小，在距離橫隔板400 mm到跨中位置的范圍內增大，橫向最大拉應力增大了4.4%，縱向增大3.1%;下面層橫向最大拉應力減小，減小了5.7%。增大UHPC下面層的厚度，上面層橫、縱方向最大拉應力均增大，下面層橫、縱方向最大拉應力均減小;UHPC厚度由45 mm增大到60 mm，上面層橫向最大拉應力增大了43%，縱向最大拉應力增大了16.8%，下面層橫向最大拉應力減小了14.2%，縱向最大拉應力減小了19.2%。

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