鐵路橋梁超高性能混凝土橋面鋪裝力學性能分析

郝聰龍 周尚猛

(1.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室 武漢 430034； 2.中鐵大橋科學研究院有限公司 武漢 430034)

正交異性鋼橋面板具有自重輕、整體受力性能好等特點，近年來被廣泛應用于大跨度橋梁結構中，但是由于其構造復雜、焊縫眾多、應力集中顯著，再加上重載、氣候條件惡劣等各種不利因素的綜合影響，實際工程中經常出現鋼橋面疲勞開裂和鋪裝層破壞的現象[1-2]。

現階段，為了綜合研究解決鋼橋面疲勞開裂和鋪裝層損壞兩大技術性難題，改善結構體系的疲勞性能，有關學者開展了大量的基礎研究工作，并取得了一定成果[3-4]。傳統橋面鋪裝體系出現疲勞開裂和鋪裝層易損壞的原因是鋼橋面采用瀝青鋪裝體系，剛度不夠，不能從根本上解決鋪裝層本身的性能。因此，基于超高性能混凝土新型材料的研究[5]，提出采用超高性能混凝土作為鋪裝層與正交異性鋼橋面結合的方法，兩者共同受力，形成組合橋面體系[6]。超高性能混凝土組合結構體系能有效改善結構狀況，提高橋面板的剛度，使正交異性板各構造細節的應力大幅下降[7]。

本文以某鐵路特大橋為研究對象，提出在橋面設置5 cm超高性能混凝土鋪裝層，通過研究組合體系的力學性能，得到本橋鋪裝層受力最不利的荷載位置和最不利的荷載組合。

1 工程背景

該鐵路特大橋橋跨布置為上承式連續鋼桁梁，跨度為108 m+152 m+249 m+152 m+108 m，主桁中心距為16 m，跨中桁高16.0 m，支點處桁高36.0 m。針對大橋鐵路鋼橋面的實際情況，擬采用的鋪裝體系為：50 mm厚超高性能混凝土+環氧富鋅漆，具體鋪裝體系方案見圖1。

圖1 橋梁組合橋面鋪裝體系方案

鋪裝層混凝土采用中鐵大橋科學研究院有限公司研發的超高性能混凝土(UHPC)，該混凝土是一種具有超高的耐久性和力學性能，同時具有良好的早期抗裂性能和抗疲勞性能超的新型水泥基復合材料。

2 橋面UHPC鋪裝體系靜力計算分析

2.1 有限元模型的建立

采用大型有限元軟件ANSYS建立仿真計算模型，模型從上往下分別建立鐵軌、混凝土軌枕、道砟和UHPC層及鋼結構部分，ANSYS有限元模型見圖2。

圖2 鋼桁梁有限元模型圖

其中鋼板采用板殼單元Shell63模擬，超高性能混凝土層采用實體單元Solid45模擬，其余結構如道砟、軌枕、鐵軌等均采用實體單元Solid45進行模擬。

考慮到模型的規模和計算能力，建立10.8 m長節段，共4個橫梁區間，每個橫梁間距為2.7 m。計算時假設鋪裝層與鋼面板之間無相對滑移，鋪裝層與鋼面板單元共用節點，鋪裝層與上部結構均可視為無相對滑移，相接處部位單元共用節點。劃分網格時，為縮減單元數量，提高模型計算效率，對研究的主橫梁附近區域鋼橋面板、橫隔板、UHPC部位進行單元細化，網格尺寸加密至10 mm，非加密區UHPC層單元尺寸為100 mm。通過對鋪裝層沿厚度方向網格尺寸的敏感性分析可知，當UHPC層沿厚度方向劃分為2層單元，既能保證計算精度，又能保證計算效率，模型共有417 970個單元。

2.2 靜力計算加載工況

根據橋梁設計文件，采用《鐵路橋涵設計基本規范》中的“中-活載”進行加載。為了方便荷載的施加，采用“中-活載”的3個縱向加載在1個循環區間內等距離布置。因此，有限元模型采用3個大小220 kN、間距1.5 m的“中-活載”進行加載，對UHPC鋪裝層在結構體系下的局部受力進行計算，橫向加載位置位于鐵軌處，縱向加載位置見圖3。加載工況共計8個，分別為A1～A8。A1工況為前軸對稱于橫肋布置，A2～A8工況為前軸縱向移動，每次移動距離為0.25 m。

圖3 縱向加載位置示意圖(單位：mm)

2.3 UHPC鋪裝層的應力結果

經ANSYS計算得到的A2工況下橫向應力和縱向應力的計算結果見圖4。

圖4 A2工況下UHPC的最大應力圖(單位：MPa)

由圖4可見，橫向應力最大值為3.93 MPa，縱向應力最大值為5.93 MPa。

設置UHPC鋪裝層時各工況混凝土表面最大縱、橫向應力情況見表1。

表1 UHPC層各工況最大正應力 MPa

由表1可知，各工況下鋪裝層最大橫向拉應力均出現在橫肋斷面上方的U肋腹板與頂板相交處，最大縱向拉應力均出現在橫肋斷面上方的U肋腹板與頂板相交處。其中，最大橫向拉應力為 3.94 MPa，出現在A1工況，UHPC層最大橫向拉應力發生在橫肋斷面上方的U肋腹板與頂板相交處；最大縱向拉應力為5.93 MPa，出現在A2工況，UHPC層最大縱向拉應力發生在橫肋斷面上方的U肋腹板與頂板相交處，其位置示意云圖見圖4。

3 橋面UHPC鋪裝體系疲勞計算分析

采用有限元軟件ANSYS建立仿真計算模型，考慮到模型的規模和計算能力，建立4個橫梁區間，每個橫梁間距為2.7 m。劃分網格時，為縮減單元數量，提高模型計算效率，對研究的主橫梁附近區域鋼橋面板、橫隔板、UHPC部位進行單元細化，網格尺寸加密至10 mm，非加密區UHPC層單元尺寸為100 mm，其它設置可參照靜力模型，模型見圖5。

圖5 鐵路橋梁疲勞計算有限元模型

3.1 疲勞計算加載工況

機車和車輛是構成列車的基本單元，我國機車和車輛種類繁多，疲勞計算選用軸重最大的機車作為節段模型施加荷載，機車模型中選用C0-C0六軸式軸重25 t貨運機車。

荷載包括前、后軸兩部分，前、后軸中心距12 m，凈間距8 m，其中前、后軸又各由軸重25 t的三聯軸構成，軸距2 m。機車荷載前、后軸對鋪裝層的影響范圍相互干擾較小，計算時可僅取前軸進行加載。為了方便荷載的施加，采用機車的縱向加載在一個循環區間內等距離布置。因此，有限元模型采用六軸式軸重25 t機車進行加載，對UHPC在結構體系下的局部受力進行計算。

3.2 疲勞應力計算結果

正交異性鋼橋面板容易疲勞開裂部位有橫隔板的弧形切口、U肋與橫隔板焊趾處、U肋與頂板焊接處，主要針對以上3個部位的疲勞應力進行計算分析。

采用UHPC層鋪裝和瀝青鋪裝時，弧形切口最大應力計算結果匯總見表2。

表2 鐵路橋面計算疲勞應力幅 MPa

通過有限元計算可得橋梁鐵路橋面采用原瀝青混凝土鋪裝體系時，橫隔板弧形切口的最大主拉應力為85.2 MPa，U肋與橫梁交叉處最大應力42.9 MPa，U肋與頂板焊縫最大壓應力14.3 MPa；采用UHPC組合鋪裝體系后，橫隔板弧形切口的最大主拉應力為76.1 MPa，U肋與橫梁交叉處最大主拉應力31.0 MPa，U肋與頂板焊縫最大壓應力12.1 MPa。采用UHPC組合鋪裝體系后，橫隔板弧形切口處、U肋與橫肋交叉處、U肋與頂板焊縫處的應力有了明顯下降。采用UHPC組合鋪裝體系后，理論上可以實現鋼橋面板的無限疲勞壽命。

4 結語

在正交異性鐵路鋼橋面設置5 cm UHPC鋪裝層后，在靜力荷載下，UHPC層的最大縱向應力為5.93 MPa，最大橫向應力為3.94 MPa，均在UHPC強度范圍之內，不會出現鋪裝層開裂問題。

在疲勞荷載作用下，采用UHPC組合鋪裝體系后，正交異性鋼橋面板各關鍵點的疲勞應力幅有了明顯下降，提高橋梁的疲勞使用壽命。采用組合鋪裝體系后，理論上可以實現鋼橋面板的無限疲勞壽命。

針對鐵路橋梁，在設計施工階段可考慮采用UHPC鋪裝結構體系，以提高結構抗力，減少后期維護保養成本。