鋼橋面UHPC 鋪裝層的黏結性能試驗研究

郁龍清

（深圳市南山區建筑工務署，廣東 深圳518052）

0 引 言

城市交通體系中鋼正交異性橋梁因其跨度大、自重輕、施工方便等特點在跨越河流、道路時具有獨特優勢。作為城市交通的一部分，鋼橋面上鋪裝層的服役性能直接關系到道路的通過性和行車的安全性。由于鋼橋面與鋪裝層的材料性質差異，鋪裝層在循環交通荷載作用下的失效多數開始于界面黏結性能的喪失，進而開裂并擴散至磨耗層。鋼橋面鋪裝的開裂、變形不僅影響行車安全，同時也進一步加劇鋼橋面的豎向變形，對鋼板的疲勞損傷增加，造成隱患[1-2]。

目前在深圳市龍珠一路跨大沙河鋼橋面中，為提高鋼橋面鋪裝材料的抗疲勞性能，若采用普通混凝土材料或瀝青材料，則按規范設計所需的鋪裝層厚度過大，造成二期恒載過高，需加大鋼結構橋梁的橫斷面，影響到防洪和道路標高控制。因此需要采用厚度小、自重輕，同時具有高黏結性能的新型鋪裝材料。

超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）作為近年來快速發展的建筑材料，逐漸在道路、橋梁的鋪裝材料及結構構件上推廣使用[3-9]。當前，不少學者[4，10]研究了UHPC- 鋼橋面體系的短剪力釘抗剪性能、靜力承載性能、開裂強度影響參數、疲勞承載性能、抗水滲透性能等，發現組合體系UHPC 層不僅能夠滿足抗裂性能要求，還具備較大的靜力承載能力富余度，經過500 萬次循環荷載加載，未出現明顯裂縫。周尚猛等[11]研究了瀝青鋪裝和UHPC 鋪裝條件下鋼箱梁的應力幅變化，發現采用UHPC 鋪裝后的鋼箱梁中的應力幅大幅降低。趙秋等[12]采用Abaqus 分析了UHPC 層對鋼橋面各細節疲勞性能的影響，得出UHPC 層大幅增加了鋼橋面板的剛度，降低了各疲勞細節的應力幅水平，減少了各細節發生疲勞開裂的概率。彭學理等研究了UHPC- 鋼橋面組合鋪裝體系的抗水滲性，研究表明該體系在無裂縫時抗滲性滿足使用要求，可有效保護鋼板免受雨水侵蝕，而帶裂縫工作的組合橋面，運營過程中裂縫逐漸閉合，具有一定的抗滲儲備。

有部分學者也研究了體系中UHPC 的開裂性能。吳美艷等[13]采用有限元分析和模型試驗研究UHPC組合鋼橋面在靜力加載過程中的裂縫擴展形態和位移、應變的變化規律。結果表明鋼結構先于超高性能混凝土破壞，超高性能混凝土組合鋼橋面的承載能力依賴于鋼結構自身的承載能力。劉益銘[14]指出，UHPC 開裂雖然降低了結構的局部剛度，但得益于UHPC 中纖維的橋連效應與鋼筋網對裂縫寬度的限制作用，高性能混凝土開裂對結構疲勞性能影響有限。

但目前針對UHPC 與鋼橋面之間黏結性能的疲勞試驗鮮見開展，如前所述，黏結性能的喪失是組合體系疲勞破壞的肇始。本文研究開展疲勞試驗，針對實際工程中UHPC 材料與鋼板組合體系的黏結性能開展實驗室研究，為實際工程在鋪裝材料的選擇上提供依據。

1 工程概況

龍珠一路跨大沙河橋位于深圳市南山區，西起沙河西路，東接現狀龍珠一路，緊鄰大沙河文體中心。擬建橋梁斜交跨越大沙河，新建橋梁全長76.08 m，跨徑75.0 m，橋寬35.1 m。主橋采用縱橫梁格體系、正交異性橋面板的鋼箱梁，上設鋼拱輔助受力，全橋整體為簡支結構。鋼橋面鋪裝材料擬采用高性能、薄厚度、低自重的鋪裝材料。

2 試驗方案

2.1 試樣制作

2.1.1 疲勞試驗試樣規格

UHPC 和鋼板之間的黏結性能疲勞測試尚無規范可循。參考規范《公路鋼橋面鋪裝設計與施工技術規范》（JTG/T 3364-02—2019），并做相關改進，進行UHPC 鋪裝材料的抗疲勞特性試驗。由規范可知，五點彎曲抗疲勞特性試驗的破壞多為與鋼板的黏結疲勞破壞，而三點彎曲疲勞試驗多為表層磨耗層破壞?？紤]到磨耗層開裂后重新鋪設較為容易，而與鋼板直接相接的UHPC 層若發生黏結失效，則修復困難，且直接影響到橋面復合體系的受力形式與服役壽命。因此研究重點為鋼板與UHPC 鋪裝層的黏結失效特性，采用五點彎曲試驗。制作700 mm×200 mm 和700 mm×300 mm 兩種試樣，每種規格試樣各2 個，共計4 個五點彎曲試樣，同時研究試樣規格對試驗結果的影響。

2.1.2 試驗材料

為使試樣等效為從實際橋面上切割而來的試樣，采用與鋼橋面設計厚度同為16 mm 的鋼板，按照施工標準進行涂裝富鋅漆，并按設計間距進行剪力釘、鋼筋網和后期加勁肋焊接，如圖1a 所示。其中鋼筋網格尺寸為50 mm×50 mm，直徑為10 mm；剪力釘規格為M13×40 mm，間距為150 mm×150 mm。采用如圖1b 所示的試驗材料，并按表1 的質量份數進行配比，進行UHPC 材料制作。在材料攪拌過程中，將鋼纖維加入，如圖1c 所示。按設計要求，采用5 cm 厚的UHPC 鋪裝層，在鋼板試件周圍固定好模具之后，將攪拌后的UHPC 進行注模，如圖1d 所示。最后將澆筑完畢的試樣進行蒸汽養護3 d，形成所需試樣。

圖1 試驗材料及試樣制作流程

表1 UHP C 各成分配比表（質量份數）

2.1.3 疲勞試驗設置

對試樣進行循環荷載試驗，按規范要求進行夾具設計制作，將夾具四個腳施加于試樣底板的加勁肋上，進行五點彎曲疲勞試驗。試驗設置如圖2 所示，實際加載照片如圖3 所示。

圖2 試驗安裝示意圖（單位：mm）

圖3 試驗實際設置照片

試驗中，對試樣施加10 Hz 的正弦波循環荷載。為確定試驗中循環荷載的最大荷載和最小荷載，按規范建議，對無鋪裝層的鋼板在相同試驗設置條件下進行靜力測試，得到鋼板加筋肋上的變形，如圖3b 所示。得到鋼板變形0.5 mm 時，0.2 m 寬的鋼板上所施加的力（FG）為40 kN，而0.3 m 寬的鋼板上所施加的力（FG）為50 kN。根據規范，以此荷載作為加載時的最大荷載，以0.15FG為最小荷載，分別對兩種不同寬度的試樣進行疲勞試驗（見圖4）。

圖4 不同寬度鋼板的變形

該研究采用兩種加載形式，一種為最大荷載恒定的形式對700 mm×300 mm 規格的試樣進行疲勞試驗，另一種為研究不同荷載條件下試樣的變形及開裂情況，采用最大荷載分級增加的形式對700 mm×200 mm 規格的試樣進行疲勞試驗。加載情況如圖5 所示。

圖5 不同寬度鋼板的變形

2.1.4 剪切試驗設置

鋼橋面的鋪裝層在承受豎向荷載的同時，還承受來自輪載的水平向剪切力。該研究中制備0.1 m×0.1 m 的方塊剪切試樣，如圖6a 所示。試樣制作方式為取0.1 m×0.1 m 的鋼板，中心設置一個剪力釘，在其上鋪設50 mm 厚的UHPC 鋪裝層。按《公路鋼橋面鋪裝設計與施工技術規范》（JTG/T 3364-02—2019）規范加工相應的夾具，設置如下：施加靜力荷載，荷載方向與剪切面呈45°角，加載速率采用10 mm/min。相應的剪切面上的剪應力可根據豎向力F 和式（1）求得：

圖6 剪切試驗設置

2.1.5 數值分析

由于試樣相當于從鋼橋面中切割得到，邊界條件與其在橋面中相比已發生變化，因此需要將疲勞試驗中所施加的荷載等效為橋面上的輪載。疲勞試驗中，單次循環對試樣黏結層造成的損傷主要與層底拉應變有關，即與試樣變形有關。因此選取變形一致原則，將施加在試樣上的荷載轉換為施加在橋面上的輪載。采用數值模擬的方法建立橋面彈性模型，獲得與疲勞試驗中試樣變形一致時所對應的輪載大小。

采用Abaqus 軟件建立6 m×6 m 的鋼橋面鋪裝模型，采用兩個圓形均布荷載來模擬雙輪輪載，施加于梁格之上，水平方向上梁格間距為0.3 m，采用條形簡支支座進行模擬，如圖7 所示。其上鋪裝層結構從上至下依次為40 mm 瀝青磨耗層、50 mm UHPC鋪裝層、16 mm 鋼板，所采用的模型參數見表2。

圖7 數值模型

表2 數值模型材料參數

3 結果與分析

3.1 數值結果

雙圓形荷載為模擬普通標準軸的雙輪輪載，半徑為0.2 m，間距為0.3 m，雙輪的總荷載從50 kN（標準輪載） 逐漸提升，并考慮動力沖擊放大系數1.5，得到相應于輪載圓心處的鋼板變形情況（見圖8），相應的應力云圖如圖9 所示?？梢?，對于該彈性模型，變形與荷載之間呈線性關系。但需要指出的是，雙輪輪載極少有超過400 kN 的水平，由圖8 可知，正常橋面UHPC 層的變形在0.03～0.2 mm。以此變形作為損傷等效的條件，可將疲勞試驗中所施加的荷載等效轉換為鋼橋面上的輪載。

圖8 輪載圓心處的鋼板變形情況

圖9 應力云圖

3.2 試驗結果

3.2.1 疲勞試驗

在疲勞試驗中，對700 mm×200 mm 的試樣施加10 kN 循環荷載100 萬次，20 kN 循環荷載400 萬次，30 kN 循環荷載100 萬次，試樣完好無損，鋼板與UHPC 界面處無裂縫產生。在不同的荷載之下，700 mm×200 mm 的試樣變形情況如圖10a 所示。其中對應于每一級荷載的變形隨著循環次數的累積并無明顯變化，說明試樣中無明顯損傷累積。可見，采用比較小的荷載難以對試樣的黏結層造成損傷，而對比圖10a 和圖8 中的變形范圍，該變形范圍已經涵蓋了正常的交通荷載所能產生的最大變形。

圖10 荷載- 變形曲線

進一步增加荷載至40 kN，該荷載對于700 mm×200 mm 的試樣，達到規范規定的最大荷載。進行10 Hz 條件下的疲勞試驗，在80 萬次循環時，出現一段極為微小的裂縫，隨后隨著循環次數的累積，裂縫逐漸變長。最終在200 萬次循環時，共計出現3條裂縫，裂縫總長度為600 mm。在250 萬次循環時，達到950 mm，所產生的裂縫形貌如圖11 所示。兩個700 mm×200 mm 的試樣發生了相似的開裂情況。按照規范《公路鋼橋面鋪裝設計與施工技術規范》（JTG/T 3364-02—2019）規定，當裂縫長度達到周長的一半時（即900 mm），試樣可認為已被破壞。但從變形來看，試樣的變形并未發生明顯變化，這說明試樣的剛度并未發生大的破壞，可以預測試樣內部并未產生完全脫開的損傷。這說明在有剪力釘和鋼筋網的加筋作用情況下，即使試樣邊緣發生了開裂，但內部并未有實質性損傷。

根據圖4 所示，700 mm×300 mm 寬的無鋪裝鋼板在變形0.5 mm 條件下的荷載為50 kN。在該最大荷載條件下進行疲勞試驗，700 mm×300 mm 試樣隨循環次數的最大變形情況如圖10b 所示。由圖可知，試樣的最大變形基本穩定在0.2～0.24 mm。該變形和700 mm×200 mm 試樣在40 kN 下的變形相當，可見200 mm 寬試樣和300 mm 寬試樣的響應是一致的。兩個700 mm×300 mm 試樣分別在85 萬次左右和80 萬次左右發生開裂，裂縫均在200 萬次左右擴展至周長一半。同樣，盡管邊緣開裂，但循環荷載下試樣的變形并未發生顯著增加，說明試樣內部并未發生損傷破壞，整體上仍然具有協同承載能力。

對比圖4 和圖10 發現，鋪裝UHPC 后的試樣相對于僅有鋼板的情況，變形大幅減小。以40 kN 條件下的變形為例，鋪裝后的變形減小為無鋪裝時的一半。主要原因在于UHPC 鋪裝層和鋼板的協同變形，增大了總體的剛度。對于五點彎曲試樣，即集中荷載下的兩跨連續梁，剛度與變形之間的關系如式（2）所示：

圖11 界面處產生裂縫的形貌

可見，變形與剛度成反比關系，若變形減小至原來的一半，則剛度相對于鋼板增加了1 倍。

另外，兩種寬度的試樣取得了較為一致的結果，說明試樣寬度在200～300 mm 變化對結果造成的影響不大。由于試樣承載力較強，標準輪載所產生的變形不能快速對試樣造成損傷，只有在遠超標準輪載范圍的荷載才能快速造成損傷，并壓縮試驗時間。按照《公路鋼橋面鋪裝設計與施工技術規范》（JTG/T 3364-02—2019）規定，對于中等、輕交通等級條件（本文工程即為此等級），疲勞試驗達到80 萬次即可滿足要求?？梢?，UHPC 鋼橋面鋪裝可完全滿足規范要求。

3.2.2 剪切試驗

UHPC 鋪裝層在服役條件下，不可避免地受到交通荷載的剪切作用。但由于剪力釘的存在，試樣在外部荷載的作用下，不僅對黏結表面進行剪切，同時還對剪力釘產生剪切作用（見圖12）。

圖12 剪切試驗實物圖

結果發現，最終都以剪力釘的剪切破壞為試樣破壞的標志。試樣的荷載-位移如圖13 所示。當剪力釘發生破壞以后，試樣發生脆性破壞。根據式（1）進行計算，剪切面上發生破壞時的剪應力達到12.4 MPa（見表3）。根據數值計算，標準輪載作用下，考慮制動與剎車的動力沖擊作用，鋼板和UHPC 之間的剪切力非常低，該剪切力不足以對橋面鋪裝層產生損害。

圖13 剪切試驗結果

3.2.3 標準輪載作用次數

根據前述分析，采用變形相等的原則，將疲勞試驗的循環次數轉換為鋼橋面上輪載的作用次數。由圖8 和圖10 可知，在變形相等的前提條件下，可將700 mm×200 mm 疲勞試驗荷載和數值模型中鋼橋面上的輪載列入對比，見表4。700 mm×300 mm 試樣在50 kN 條件下的變形和700 mm×200 mm 試樣在40 kN 條件下的變形相當。

表3 界面抗剪強度

表4 相同變形下疲勞試驗荷載和數值模型輪載的轉換

根據荷載等效原則，可將數值模型中的輪載初步轉換為標準軸載（100 kN），根據式（3）：

式中：Ne為標準軸載下的等效循環次數；N 為不同軸載下的循環次數；P 為不同軸載；Pe為標準軸載；n 為指數，與路面剛度有關，如剛性道路一般取4，柔性道路為3.8 左右。參考相關研究報告，保守起見，取n 為2.5。

則總共施加于試樣上的循環次數可等效為標準軸載下的5 億次循環。200 mm 寬試樣和300 mm 寬試樣均得到類似結果。該等效標準軸載可滿足市內低交通量橋面的全壽命周期服役要求。值得說明的是，盡管試樣四周出現了裂縫，但試樣整體的承載能力并未喪失，仍然具有承載交通荷載的能力。同時由于整體變形的減小，在相同荷載作用下，鋼板和磨耗層的變形相應減小，降低了鋼板和磨耗層內的拉應變，因而進一步提高了磨耗層和鋼板的抗疲勞性能。由于UHPC 鋪裝層不產生車轍，因而墻面總車轍可進一步減小。另外，含有鋼纖維的UHPC 層不易發生收縮裂縫，減少了反射裂縫發生的可能性。總體而言，UHPC 是優異的鋼橋面鋪裝材料。

4 結 語

本文研究針對UHPC 鋼橋面鋪裝層與鋼板的黏結性能尚缺乏試驗研究這一現狀，開展了室內疲勞試驗和剪切試驗，揭示了UHPC 鋼橋面鋪裝層的黏結特性和抗疲勞損傷能力，并基于數值計算結果，將疲勞加載次數轉換為標準軸載作用次數。得出以下結論：

（1）無鋪裝鋼板試樣變形0.5 mm 所確定的荷載作用下，鋪裝UHPC 的試樣在100～200 萬次內發生邊緣裂縫，而低于此荷載的疲勞加載難以快速對試樣產生損傷。

（2）即使試樣黏結界面邊緣開裂，穩定不變的變形也暗示裂縫并未擴展至內部，即試樣內部損傷有限，仍然具有良好的承載力，且200～300 mm 寬度的試樣測試結果展示了良好的一致性。

（3）含有栓釘的UHPC- 鋼橋面黏結界面的等效抗剪切強度為12.4 MPa 左右，其破壞形式為栓釘的剪切破壞，可滿足交通荷載引起的層間剪切要求。

（4）結果表明UHPC 與鋼板之間協同作用十分顯著，鋪裝后相對于無鋪裝的鋼板剛度提升1 倍左右。