環氧膠粘結剛性鋪裝的正交異性橋面板力學性能

賀欣怡，蘇慶田，姜 旭，曾明輝，俞文生

(1.同濟大學 土木工程學院，上海 200092；2. 江西省高速公路投資集團有限公司，南昌 330025)

正交異性鋼橋面板由于其自重輕、強度大的特點成為大跨度橋梁中的主要橋面形式[1]. 但在長期運營中，存在鋼結構疲勞開裂和橋面板鋪裝破壞兩大病害[2]，前者主要是由面板剛度小、焊接殘余應力、輪載局部產生高應力、結構局部缺陷等原因引起[3-4]，后者也可歸因于鋼橋面板剛度小、局部變形大[5]. 對此，國內外學者提出了混凝土剛性鋪裝，通過連接件使鋼板與剛性鋪裝共同受力，以提高橋面板剛度、減小局部變形、降低板件的應力，從而提升抗疲勞性能，減少鋼橋面板的病害[6]. 通常采用50～80 mm厚的高性能或超高性能混凝土作為剛性鋪裝層[7-9]. 此類混凝土普遍加摻鋼纖維，以期改善早期收縮引起的開裂，提高耐久性，降低維護費用[10]. 剛性鋪裝的補強作用，受鋼-混連接方式的影響，目前有兩類連接方式：一類為機械式，如焊釘[6]；一類為膠接式，如環氧結構膠或環氧砂漿等[11]. 焊釘連接技術成熟，可使鋼板與混凝土牢固連接在一起，但混凝土在焊釘附近受力明顯大于遠離焊釘處，導致界面上傳力不連續，另外由于焊釘焊接在鋼板上也不利于橋面翻新維修. 結構膠相比機械式連接，其耐久性易受環境溫度、濕度的影響[12]，但在鋼板和混凝土之間采用結構膠連接時，粘接層屬于面連接，鋼-混層間傳力更連續均勻，少有應力集中[13]. 此外，在鋼橋面板與混凝土之間采用結構膠，不僅現澆施工方便，還便于預制，且在后期橋面返修時橋面清除要比焊釘連接形式更容易施工.

采用無配筋的超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，以下簡稱UHPC)作為剛性鋪裝層，UHPC抗拉強度可達到10 MPa以上[10]，不再額外配鋼筋情況下已具有較高抵抗開裂的能力，在橋梁中使用不配筋高性能混凝土作為剛性鋪裝具有較好的應用前景. 特別是不配筋高性能混凝土與鋼橋面板之間采用結構膠粘結后將極大方便現場施工，不論對于新建橋梁的橋面板還是舊橋翻新破損的橋面板，都具有較好的應用價值. 鑒于目前對結構膠粘接剛性鋪裝的正交異性橋面板研究還鮮有開展，本文通過試驗測試了剛性鋪裝與鋼橋面板之間結構膠抗剪強度，并通過抗彎試驗測試了環氧結構膠粘接剛性鋪裝的組合橋面板的受力性能，評價了環氧結構膠的粘結效果，為推廣使用環氧膠粘結剛性鋪裝的正交異性橋面板提供了基礎資料.

1 環氧膠接面抗剪強度

本文提出的剛性鋪裝橋面板，采用KONISHI E200環氧樹脂膠作為粘結層. 該結構膠硬化后，膠材自身的抗壓強度大于70 MPa，抗拉強度大于10 MPa，彈性模量大于1 500 MPa. 該膠用于鋼板-鋼纖維混凝土間的粘結層時，鋼板表面進行嚴格噴砂除污跡處理，涂膠層厚1 mm，在20 ℃下進行受剪試驗，得到鋼混連接面的剪切強度為4.43 MPa，并表現為鋼板與環氧膠之間的界面破壞[14]. 而用于普通混凝土(強度等級C50)與鋼板間的連接時，破壞形態為混凝土與環氧膠粘結層附近的混凝土破壞，說明結構膠的強度已經超過了混凝土的強度.

考慮到實橋施工時可能存在不確定性，鋼表面處理未必能達到設計規定的粗糙度要求，所以本文特意選擇鋼板表面進行普通處理(未拋砂處理，僅手工簡略打磨除銹)的情況，進行了類似文獻[14]中的剪切強度試驗. 本文的混凝土采用UHPC，其類似鋼纖維混凝土的高強度可保證混凝土不先于膠接面被剪壞.

試驗方案如下：制作邊長為150 mm立方體混凝土試塊，中間放置20 mm厚的鋼板，涂有環氧結構膠的受剪面為150 mm×100 mm，共6個試件. 加載方式如圖1(a)所示. 鋼板表面處理情況、涂刷環氧膠情況如圖1(b)、1(c). 最終6個試件破壞形式相似，均為鋼板與結構膠層之間的破壞，破壞界面如圖1(d)所示.

(a)加載方式 (b)鋼板表面 (c)涂膠 (d)破壞面

環氧結構膠連接的鋼-混凝土接頭的抗剪強度按照“荷載大小/受剪面積”計算，6個試件的平均抗剪強度為2.1 MPa，最低1.8 MPa，大大低于嚴格進行表面處理后的界面連接強度4.43 MPa[14]，也再次證明鋼板表面處理效果會明顯影響粘結強度. 環氧膠應用于鋼板與其他材料的連接時，一般要求嚴格的噴砂除銹清污，本次試驗的鋼結構表面處理方式考慮的是實際施工質量較差的情況，該試驗結果可視為實際施工時粘結強度的下限參考值.

2 受彎試驗設計

2.1 試件設計制作

本文設計制作了1個采用環氧膠作為粘結層的剛性鋪裝橋面板試件，命名為S-P. 鋼結構采用工程中常用的形式，其中鋼頂板厚度為 16 mm，寬度為1 200 mm；布置兩條間距600 mm的U肋，U肋斷面尺寸為300 mm×260 mm×10 mm，特意選擇厚度比常用的6 mm或8 mm大，以檢驗環氧膠粘結層的強度；剛性鋪裝層采用55 mm厚的不配筋的UHPC板，截面具體尺寸見圖2. 試件設計為簡支支承，測試橋面系第二體系下正彎矩荷載作用下的受力性能，長2 800 mm，支承點間跨徑2 600 mm.

圖2 試件的橫截面尺寸(mm)

加工制作過程主要包括鋼結構加工、涂刷環氧膠和混凝土澆筑. 此處鋼頂板在涂刷環氧膠前，用鋼刷進行手工除銹除雜質，鋼板處理效果接近于第1節的試驗情況；接著涂刷1 mm厚的環氧結構膠，涂刷效果見圖3(a)；UHPC采用平直型鋼纖維，長13 mm，直徑0.2 mm，鋼纖維體積分數為2%，鋼纖維與拌和后的混凝土如圖3(b)、3(c)所示；本文的UHPC采用覆蓋土工布澆水的普通養護方式，見圖3(d). 該制作過程可作為該種環氧膠粘結的剛性鋪裝層實橋施工的參考. 由于不鋪設鋼筋，環氧膠的涂刷操作方便，并且對于舊橋的加固或剛性鋪裝日后的修補都十分有利.

(a)環氧膠 (b)鋼纖維 (c)混凝土 (d)養護

正式加載試驗在混凝土養護完成后約6個月，確保混凝土完成大部分收縮. 試驗前檢查混凝土表觀，未發現任何初始裂紋，排除了混凝土收縮產生裂縫的可能. 同時檢查鋼板與混凝土之間的連接情況，沒有發現二者之間存在任何分離的情況，說明環氧結構膠粘結UHPC剛性鋪裝層與鋼橋面板在表觀上是可行的.

2.2 加載方案和測試內容

采用3 000 kN的油壓千斤頂與分配梁，在跨中施加豎向單調荷載，受荷面積為沿試件縱向寬為200 mm，橫向寬為1 200 mm. 加載直到試件破壞. 加載方式如圖4(a)所示，試驗裝置如圖4(b)所示.

為方便描述，試件的兩端分別命名為“A端”和“B端”，如圖5所示. 主要測試內容包括：1)試件撓曲變形. 在試件的跨中和兩端支承的3個截面處，各布置兩個(合計6個)位移計，測量最大豎向撓曲變形，位移計編號以“DISP-”開頭，如圖5所示. 2)鋼混界面間相對滑移. 在試件兩端鋼混交界處安裝4個水平方向的位移計，測量鋼混界面相對滑移，位移計編號以“SLIP-”開頭，如圖5所示. 3)截面縱向應變. 測點布置在兩個截面處，其中“截面1”為跨中，“截面2”為近“B端”一側的1/4跨長處，如圖5所示；測點分布于鋼肋底、鋼肋腹板中部、鋼頂板、混凝土頂等處，具體布置及測點編號見圖6，編號名中字母i=1時，為“截面1”測點，i=2為“截面2”測點.

圖4 加載方案

圖5 豎向位移計與滑移位移計布置

圖6 截面縱向應變測點布置

2.3 材料性能

試件主要受力的鋼材板件包括10 mm厚的U肋和16 mm厚的鋼頂板，取樣測得板材的屈服強度分別為393、355 MPa，抗拉強度分別為538、480 MPa.

混凝土材料性能采用標準材性試驗[15]，測得齡期28 d的結果，其平均抗壓強度、抗折強度和彈性模量分別為122、14、53 900 MPa.

3 受彎試驗結果

3.1 試驗過程及破壞特征

試件S-P在加載初期處于彈性工作狀態，應變與變形都隨荷載線性增加. 當荷載加至1 100 kN左右，鋼截面下緣逐漸進入屈服，之后鋼截面的塑性區域擴大，變形逐漸明顯. 加載至1 614 kN時，結構發生劇烈聲響，此時在試件的B端鋼混界面間發生很大的滑移錯動，千斤頂荷載暫時回落. 隨后荷載回復過程中，變形急劇增大，并且跨中加載點下方的混凝土出現開裂. 荷載達到1 700 kN后變形過大，停止了加載. 試件S-P最終撓曲變形如圖7(a)所示，混凝土開裂如圖7(b)所示. 試件A端無滑移， B端出現較大滑移，終值在10 mm以上，如圖7(c)所示. 盡管在設計上試件的結構是對稱的，但是加工制作誤差導致結構受力略微不對稱，且粘結層破壞呈脆性，一側出現破壞會導致另一側的板層剪力傳遞出現卸載，從而最終導致試件B端的鋼與混凝土間滑移而A端沒有.

(a)撓曲變形(b)加載點下方混凝土開裂(c)B端鋼混界面滑移

3.2 跨中撓度與荷載關系

試件S-P的跨中撓度與荷載關系如圖8所示. 試件經歷了近似線彈性和明顯彈塑性的兩個階段后， B端在荷載達到1 614 kN發生了鋼混粘結失效，反應在了位移曲線的轉折處，從圖中可以看到滑移發生后，變形陡然增大、荷載回落，隨后恢復加載的過程中，板的抗彎剛度明顯減小，荷載重回1 600 kN時變形已超過70 mm. 試件S-P在鋼板進入屈服前(荷載1 100 kN)的線彈性變形為7 mm，鋼混粘結失效時變形增加1.3倍，約為16 mm，于此同時荷載提高到1.4倍，由此可見此處環氧膠的粘結效果保證了該種剛性鋪裝的橋面板具有較好的延性. 常規的正交異性鋼橋面自身已具備很高的極限承載力，環氧膠良好的粘結效果使得剛性鋪裝在鋼結構進入屈服后都能完好地與鋼板結合，共同承載，可以進一步提高橋面板的剛度，并保證了橋面板在環氧膠粘結失效前具有極高的承載力. 該試驗也說明，即便對鋼板表面處理較差方式下涂刷環氧結構膠，也能夠使得組合橋面板的破壞先發生在鋼結構上而不是粘結膠界面上. 如果實際工程中在鋼板表面處理更加精細的情況下涂刷環氧膠，將進一步保障連接界面的可靠性.

圖8 試件S-P跨中撓曲變形

3.3 鋼混界面滑移

試件S-P的滑移曲線如圖9所示. 從圖9中可以看到，在荷載達到1 614 kN之前，鋼混連接效果極好，無滑移. 隨后B端發生明顯滑移錯動，A端無明顯變化. 雖然環氧膠本身彈性模量較小，但用于鋼混粘結層時，僅厚1 mm，剪切破壞前的自身變形很小，因此粘結層的滑移破壞具有脆性特征. 在荷載卸落再重回1 600 kN過程中，B端滑移變化情況與前述的撓曲變形類似，都出現了急劇增大.

圖9 試件S-P荷載-滑移曲線

3.4 應力應變分析

試件S-P截面1(跨中)的應變-荷載曲線如圖10所示，所取應變為截面同一高度所有測點平均結果，圖例b、m、t、c，分別表示鋼截面底、中、頂和混凝土表面位置.

從圖10中可以看到，試件鋼截面底部在1 100 kN左右進入屈服，鋼肋中部在1 350 kN也進入了屈服. 發生滑移時混凝土壓應變1 750×10-6，小于抗壓強度水平2 260×10-6(按照材性試驗抗壓強度和彈模換算得到)，但已經達到后者的77%，說明該環氧膠的粘結效果足夠強，能較充分地利用高性能混凝土的高強特性. 試件在1 614 kN發生脆性的粘結失效時，其鋼截面的應變已經非常大，大部分已經進入塑性，未顯示在圖10中坐標范圍內.

圖10 跨中截面1不同高度位置的荷載-應變曲線

試件S-P截面2(1/4跨)的應變在各級荷載下沿截面高度分布的情況，如圖11所示，圖中F為荷載大小. 整個加載過程中，截面應變處于彈性范圍. 在加載前期，截面應變沿高度分布符合平截面假定，表現出了鋼與混凝土兩種材料良好的組合作用. 根據材性試驗結果，可計算得到組合截面和鋼截面的中性軸距截面底部的高度分別為236、201 mm. 根據圖11所示，試件的截面應變在1 614 kN前后發生突變，其中性軸從240 mm突降到210 mm，反映了膠結層的脆性破壞特性. 中性軸高度變化也說明了在滑移前的鋼混組合效果非常好，接近完全組合受力狀態，而滑移發生后鋼混層則變為近似疊合的受力狀態.

圖11 1/4跨徑的截面2應變沿高度分布

由試驗結果可知，在鋼板表面處理較差、粘結效果不理想、特意加大加勁肋板件厚度的情況下，環氧結構膠在作為本文所提出的剛性鋪裝鋼橋面板的粘結層時，在正彎矩荷載作用下，能夠保證鋼結構先屈服并有較大范圍的塑性變形發展之后才出現環氧膠的剪切破壞. 而在實際結構中，鋼結構的設計強度都小于鋼材屈服強度的，因此采用環氧膠粘結的鋼與混凝土這種結構用在實際結構中具有足夠的安全儲備，能在較高的承載情況下保持極好的連接作用.

4 粘結面受力計算分析

采用有限元軟件Abaqus建模，分析試件S-P粘結層失效前的受力情況. 根據試驗結果，在粘結層發生滑移錯動前，混凝土的應力約為抗壓強度77%，此狀態的混凝土的應力應變關系可視作線性[16]，故本文有限元模型中的混凝土材性按照線彈性設置，彈性模量取53.9 GPa. 鋼材應力應變關系取雙折線模型，包括線性上升段和屈服后的水平段，強度值采用試驗測試結果. 環氧膠粘結層通過設置Abaqus中接觸對(surface-to-surface contact)的粘結行為(cohesive behavior)進行模擬，根據文獻[14]提供的材料彈性模量為1 500 MPa，設置粘結剛度參數Knn、Kss、Ktt分別設為1 500、536、536 N/mm3. 根據對稱原則建立1/4原試件的有限元模型，鋼混凝土都采用實體單元C3D8R建立，如圖12所示.

圖12 有限元模型

本文有限元只考慮計算到荷載1 614 kN(對應粘結失效荷載)，跨中應變及變形的結果與試驗對比如圖13所示，可以看到有限元(FEM)計算數值與試驗結果吻合較好，說明有限元結果可以反映實際受力情況.

圖13 有限元與試驗計算結果對比

荷載為1 614 kN時的粘結層縱向剪應力分布，如圖14所示. 可以看到剪應力沿橫向分布并不均勻，在U肋與鋼頂板交界處存在明顯的峰值；縱向分布較為穩定，但在試件跨中加載區域有較大峰值. 提取1/4跨徑處縱向剪應力沿橫向位置的分布，如圖15所示，可以看到在肋頂處有接近4.7 MPa的峰值，離開肋頂50 mm以外的各處，應力都在2 MPa以下，通過積分求得平均剪應力為1.35 MPa，小于本文第1節中試驗測得的抗剪強度平均值2.1 MPa. 試件在試驗中的該荷載下粘結層已臨界破壞，由此推知，環氧膠作為正交異性鋼橋面的剛性鋪裝粘結層時，層內的傳力會出現類似“箱梁剪力滯”的效應，加勁肋與頂板交界處應力大于其他部位的，此高峰值應力超過粘結層的抗剪強度，試驗中出現的脆性破壞很有可能就是先從此應力高峰值區域發生，最終使得粘結層在平均剪應力低于抗剪強度的情況下就發生破壞.

圖14 粘結層縱向剪應力(MPa)

圖15 1/4跨截面處的縱向剪應力分布(MPa)

限于本文是初次采用環氧結構膠作為剛性鋪裝的粘結層進行橋面板受力性能的研究，試驗試件少，沒有拓展到其他影響因素，更加詳細的連接性能與破壞機理還有待進一步研究.

5 結 論

1)采用環氧結構膠粘結不配筋的UHPC剛性鋪裝的鋼橋面板，具有施工操作方便的特點，并且無收縮裂紋.

2)鋼板表面處理對粘結強度有較大影響，本文試驗模擬實際施工時鋼板表面處理不佳的膠接層情況，在彎矩荷載作用下，環氧膠依然能夠保證鋼結構先屈服，并有較大范圍的塑性變形發展之后才出現粘結層的剪切破壞，表明其可以較好保證鋼與剛性鋪裝層之間的連接.

3)采用環氧膠粘結的剛性鋪裝橋面板具有較好的延性和較高的承載力，并能較充分地發揮UHPC層對鋼橋面板的抗彎補強，初步論證本文所用的環氧結構膠可以應用于組合橋面板中.

4)用于正交異性鋼橋面與剛性鋪裝之間作為粘結層，受彎時粘結層間剪切應力分布不均勻，橫截面上在與U肋相交處的應力高于其他部位，粘結層更詳盡的連接機理與影響因素有待進一步研究.