超高性能混凝土鋼橋面鋪裝疲勞性能試驗研究

白午龍

（1.上海市市政規劃設計研究院有限公司，上海市 200031；2.上海城市路域生態工程技術研究中心，上海市 200031）

0 引 言

正交異性鋼橋面具有構件質量輕、運輸與架設方便、施工速度快等特點，已經成為大跨徑鋼橋的首選橋面形式[1-5]。正交異性鋼橋面鋪裝大多采用柔性鋪裝，如高溫澆注式瀝青混凝土、改性瀝青混凝土、環氧瀝青混凝土等[6]。

正交異性鋼橋面易出現兩類病害問題，即鋪裝層損壞和鋼橋面結構疲勞開裂[7]。這主要是由于正交異性鋼橋面板剛度小，重載作用下局部變形大，應力集中現象嚴重，在運營過程中，鋼橋面結構處于高應力幅狀態，容易疲勞開裂；瀝青鋪裝層局部應力和變形過大，出現裂縫。

為改善橋面系的受力狀態，解決鋼橋面疲勞裂紋和鋪裝易損壞的問題，有研究者提出在正交異性鋼面板上設置薄層超高性能混凝土（UHPC）層，其上再鋪筑上面層，形成超高性能輕型組合橋面體系（見圖1）。該體系大幅度提高了橋面剛度，有效降低了鋼橋面結構的應力及變形、改善了面層的受力狀況，從而基本消除了鋼橋面疲勞開裂及鋪裝層開裂等風險[8]。

在超高性能輕型組合橋面體系中，為實現UHPC 層與鋼橋面板整體受力，在UHPC 層與鋼橋面板之間采用密布剪力鍵的連接方式。為消除較大的溫度、收縮應力，在UHPC 層中配置了密集排布的鋼筋網。密布剪力鍵和鋼筋網不僅會增加施工和養護維修難度，而且可能造成澆筑不密實的后果，影響薄型超高性能混凝土層成型質量。

為降低超高性能混凝土鋪裝的施工難度，保證成型質量，筆者所在研究團隊提出具有自主知識產權的新型鋼橋面鋪裝解決方案[9]（見圖2），即：鋼橋面板與UHPC 層的層間連接采用局部剪力鍵與環氧粘結的方式，通過設置變形縫等構造措施消除較大的溫度、收縮應力。這種鋪裝結構取消了超高性能混凝土層中的密布鋼筋網，不僅降低了施工難度，而且保證了薄型UHPC 層的成型質量，具有良好的長期使用性能。

圖2 新型超高性能混凝土鋼橋面鋪裝

疲勞破壞是鋼橋面鋪裝主要破壞形式之一[10]，目前對于鋼橋面鋪裝層疲勞特性的試驗方法主要有實橋試驗、直環道試驗和復合梁試驗[11]。復合梁試驗主要用于評價鋼橋面瀝青混合料鋪裝體系的疲勞壽命，國內對帶密布剪力鍵和鋼筋網的超高性能輕型組合橋面體系有較多研究[12-16]，但尚未有針對新型超高性能混凝土鋼橋面鋪裝結構特點的復合梁疲勞試驗研究，也缺乏適用于該種結構復合梁的疲勞SN 曲線。因此，有必要對新型超高性能混凝土鋼橋面鋪裝進行復合梁疲勞性能試驗研究。

1 試驗方法

1.1 常規復合梁試驗方法

目前，國內外常用的鋼橋面鋪裝組合試件疲勞試驗方法主要有2 種：五點加載復合梁疲勞試驗和三點加載復合梁疲勞試驗。

五點加載復合梁疲勞試驗參考德國《土木工程技術交付條件和技術試驗規范》（TL/TP-ING）（2010版）第7 部分第4 章《用于鋼橋鋪裝防水層試驗的技術試驗規范》（TPBEL-ST），試驗加載模式如圖3 所示。該試驗采用的鋼板尺寸為700 mm×200 mm×12 mm，鋪裝層寬度150 mm，試驗溫度為20 ℃，加載頻率為10 Hz。

圖3 五點加載復合梁疲勞試驗加載模式（單位：mm）

三點加載復合梁疲勞試驗主要參考了東南大學的疲勞試驗方法[17]，類似于五點加載復合梁疲勞試驗的簡化模型，其復合梁試件尺寸較小，疲勞試驗荷載也相對較小，試驗加載模式如圖4 所示。

圖4 三點加載復合梁疲勞試驗加載模式（單位：mm）

1.2 修正后的試驗方法

通過大量試驗發現，上述2 種試驗方法的破壞模式有較大區別，五點加載復合梁疲勞試驗多為防水黏結層脫層破壞，而三點加載復合梁疲勞試驗多為瀝青混合料面層開裂破壞。通過對新型超高性能混凝土鋼橋面鋪裝復合梁進行五點加載靜力試驗，發現其薄弱部位為環氧黏結層與UHPC 層結合位置，對應的破壞類型為脫層。因此，本文采用五點加載復合梁疲勞試驗方法，參照常規試驗方法，并結合新型鋪裝特點對試驗條件作一定修正。

1.2.1 試件尺寸

參照目前超高性能混凝土鋼橋面鋪裝常用結構形式，UHPC 層厚度一般為35～60 mm[18]，確定UHPC 層厚為60 mm。試驗鋼板尺寸為700 mm×150 mm×12 mm，鋼板表面除銹，在鋼板上鋪設環氧黏結層，澆筑UHPC 層并常溫養護14 d。試件成型過程見圖5～圖8。

圖5 除銹后的鋼板

圖6 成型環氧黏結層

圖7 澆筑UHP C 層并養護

圖8 成型好的試件

UHPC 的力學性能和環氧黏結層主要技術指標見表1、表2。

表1 UHP C 力學性能（14 d）

表2 環氧黏結層主要技術指標

1.2.2 應力水平

常規試驗中，復合梁試驗的最大荷載F0為采用千分表測得的加固筋撓度為0.5 mm 時的荷載。UHPC 復合梁剛度較瀝青類鋪裝復合梁提高很多，其加載點撓度達到0.5 mm 時試件已接近承載力極限狀態。因此，本文參照文獻[19]的試驗方法，采用最大應力水平Smax控制加載。

此處，最大應力水平Smax是指施加的最大荷載Fmax與試件的靜載極限承載力F0之比，即Smax=Fmax/F0。其中F0為五點復合梁靜載試驗確定的最大荷載，其平均值為200 kN。最小應力水平Smin=0.1 Smax。采用3 種應力水平，即Smax=0.35、0.5、0.7，來研究不同應力水平下復合梁的抗疲勞性能；載荷歷程采用正弦波譜。

1.2.3 破壞準則

德國規范（TPBEL-ST）中以混合料出現開裂，或者混合料與防水黏結層間脫層總長度（a、b、c、d 4處脫層破壞長度相加）達到混合料周長（1 700 mm）的50%作為破壞準則（如圖9 所示）。但在新型鋪裝靜載試驗中，周邊脫層很難用肉眼觀察到，且內部脫層可能先于周邊脫層大面積開展。為提高測試準確性，本試驗通過超聲波探傷確定是否脫層，測點布置如圖10 所示。本次試驗出現以下情況之一時，即認為復合梁破壞，并停止試驗：（1）超聲波探傷出現明顯異常；（2）UHPC 層開裂，并且裂縫寬度達到0.05 mm；（3）載荷循環次數超過200萬次[20]。

圖9 德國規范（TP BEL-S T）疲勞試驗破壞終止條件示意圖

圖10 超聲波探傷測點布置圖

通過上述修正，新型超高性能混凝土鋼橋面鋪裝復合梁疲勞試驗加載裝置如圖11 所示。

2 試驗結果及分析

2.1 疲勞開裂壽命

疲勞試驗結果見表3。由表3 可見：

圖11 復合梁疲勞試驗加載裝置（單位：mm）

表3 疲勞試驗結果

對于試件1，當Smax=0.35 時，加載200 萬次試件仍未有破壞征兆，表明在此應力水平下，試件可以承受無限次循環而永不破壞。

對于試件2，當Smax=0.5，加載90 萬次時，環氧黏結層靠近邊支點處出現脫層，且UHPC 靠近邊支點附近出現細微裂縫。

對于試件3，當Smax=0.7，加載44.59 萬次時，環氧黏結層兩端出現脫層，且UHPC 加載點處出現貫通上下表面的斜裂縫，與加載點接觸的UHPC 上表面被壓碎。

由試件2 和3 的破壞結果可見，復合梁結構的薄弱部位為環氧黏結層，疲勞試驗時首先發生脫層。這是由于環氧黏結劑為脆性材料，結構破壞表現為脆性破壞，破壞之前復合梁沒有明顯的變形、開裂和表觀脫層等征兆。

試驗過程中加載點處復合梁的動位移曲線如圖12 所示，可見在不同的應力水平下，復合梁剛度沒有明顯退化。

圖12 復合梁的動位移曲線

2.2 疲勞S-N 曲線及方程

根據本文疲勞試驗結果，應力水平S 與疲勞壽命N 的對數值lg N 保持較好的線性關系，符合冪函數模型的特征。經回歸分析，得出新型超高性能混凝土鋼橋面鋪裝復合梁S-lg N 曲線如圖13 所示。其疲勞壽命方程為：

圖13 新型鋪裝結構的疲勞S-lg N 曲線

其相關系數r=0.992。由該曲線可以估算不同應力水平對應的疲勞壽命，并通過與設計使用年限內當量設計軸載累計作用次數對比，驗證新型鋪裝結構的疲勞性能是否滿足規范要求。

2.3 疲勞剩余承載力

不同荷載循環次數后的剩余彎拉強度能一定程度地反映UHPC 層的抗彎拉疲勞性能與疲勞累積損傷規律[21]。為探明復合梁在歷經疲勞荷載后的損傷情況，對試件2、試件3 進行五點靜力彎曲破壞試驗，破壞標準為UHPC 出現貫通斜裂縫或環氧黏結層出現大面積脫層。試驗結果見表4。

表4 五點靜力彎曲破壞試驗結果

從表4 可以看出，試件2、試件3 經歷疲勞荷載循環后，疲勞剩余強度分別為210 kN 和158 kN，與靜力試驗平均最大承載力200 kN 相比，疲勞試驗后整體抗彎強度平均下降12.3% 。這表明，試件在經歷疲勞加載后，仍能保持很高的抗彎承載力，該新型鋪裝體系具有優良的抗彎拉疲勞性能。

3 結 論

（1）復合梁結構的薄弱部位為環氧黏結層，疲勞試驗時首先發生脫層。由于環氧黏結劑為脆性材料，結構破壞表現為脆性破壞，破壞之前復合梁沒有明顯的變形、開裂和表觀脫層等征兆。

（2）不同應力水平下，復合梁剛度在疲勞試驗過程中沒有發生明顯退化。

（3）應力水平S 與疲勞壽命N 的對數值lg N 保持較好的線性關系，符合冪函數模型的特征，其疲勞壽命方程直線斜率為-0.534，相關系數r=0.992。

（4）試件在經歷疲勞加載后，仍能保持很高的抗彎承載力，表明該新型鋪裝體系具有優良的抗彎拉疲勞性能。