常溫養(yǎng)護(hù)下正交異性鋼板-RPC組合橋面力學(xué)研究

高 展,張 慧,靳春玲

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070)

引言

目前，由于鋼箱梁結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)和良好的跨越能力，此類結(jié)構(gòu)在我國(guó)大跨度橋梁建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。鋼箱梁結(jié)構(gòu)的橋面板一般采用的是正交異性鋼橋面板[1]，但是在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，局部容易出現(xiàn)兩種類型的破壞問(wèn)題：鋪裝層損壞和鋼橋面板疲勞開(kāi)裂[2-4]。

造成以上兩個(gè)破壞問(wèn)題的原因如下：(1)正交異性橋面板鋪裝多采用瀝青混凝土，而鋪裝層局部應(yīng)力和變形較大，瀝青混凝土抗拉強(qiáng)度較小，因此容易出現(xiàn)裂縫；(2)瀝青混凝土鋪裝層厚度較薄且模量遠(yuǎn)低于鋼材，瀝青混凝土層對(duì)于正交異性鋼橋面結(jié)構(gòu)剛度的提高有限，長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)營(yíng)會(huì)造成鋼橋面的開(kāi)裂[5]。

針對(duì)上述兩個(gè)危害，許多學(xué)者做出了研究，但大部分都是對(duì)兩種病害單獨(dú)研究的。文獻(xiàn)[6]提出了采用環(huán)氧瀝青混凝土，雖然鋪裝層得到改善，但由于環(huán)氧瀝青混凝土的模量太低，鋼橋面疲勞開(kāi)裂的問(wèn)題仍然沒(méi)有得到解決。文獻(xiàn)[7，8]提出了剛性鋪裝層，例如用鋼纖維混凝土和輕質(zhì)混凝土等替代瀝青混凝土，雖然比瀝青混合料彈性模量大一些，提高了正交異性橋面板的剛度，但是由于抗拉強(qiáng)度不足，仍然難以抵抗橋面板的拉應(yīng)力，導(dǎo)致橋面鋪裝形成裂縫。

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，簡(jiǎn)稱RPC)于20世紀(jì)90年代，由法國(guó)人研發(fā)的，具有高彈模、超高強(qiáng)度、超高耐久性、高韌性等性能[9]，彌補(bǔ)了瀝青混合料的低彈模和混凝土的底抗拉強(qiáng)度的不足，為解決鋪裝層損壞和鋼橋面結(jié)構(gòu)疲勞開(kāi)裂提供新的方法。近幾年邵旭東等人提出了正交異性鋼橋面-RPC薄層組合鋪裝體系，研究表明了正交異性橋面上鋪筑RPC層降低了鋼橋面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和提高了剛度，基本能消除鋼橋面疲勞開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，并且RPC具有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，能夠抵抗鋪裝層局部應(yīng)力和變形較大[10-13]。但這些研究都是建立在RPC是高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)下進(jìn)行的。常溫下硅灰仍有較強(qiáng)的活性，而石英粉的活性較低[14-15]，所以在常溫養(yǎng)護(hù)下，RPC作為鋪裝層是否仍能解決上述兩個(gè)問(wèn)題有待研究。

因此，本文基于廈門(mén)某橋，在正交異性橋面上澆筑常溫養(yǎng)護(hù)下的RPC層形成組合結(jié)構(gòu)，將鋼橋面轉(zhuǎn)化為正交異性鋼橋面-RPC組合橋面(下文簡(jiǎn)稱常溫RPC組合橋面)結(jié)構(gòu)，通過(guò)ANSYS計(jì)算和試驗(yàn)，與普通混凝土組合橋面結(jié)構(gòu)和高溫養(yǎng)護(hù)下正交異性鋼橋面-RPC組合橋面結(jié)構(gòu)(下文簡(jiǎn)稱高溫RPC組合橋面)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 常溫養(yǎng)護(hù)下的RPC基本力學(xué)性能

為了更好地研究常溫養(yǎng)護(hù)RPC的性能，首先本文做了如下試驗(yàn)。

RPC各材料采用表1所示配合比進(jìn)行拌和，然后將RPC澆筑到相應(yīng)的模具，做3塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)150 mm×150 mm×150 mm的試塊、3塊彈性模量試驗(yàn)100 mm×100 mm×400 mm的試塊和6塊抗折強(qiáng)度試驗(yàn)150 mm×150 mm×300 mm的試塊。然后常溫養(yǎng)護(hù)達(dá)到規(guī)定齡期，進(jìn)行抗壓、抗折和彈性模量試驗(yàn)，見(jiàn)圖1。最終得到RPC的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和彈性模量如表2所示。

圖1 動(dòng)彈性模量試驗(yàn)

原材料水泥石英砂硅灰粉煤灰石英粉減水劑/%鋼纖維體積摻量/%水膠比質(zhì)量比11.10.20.10.22.53.70.21

表2 常溫養(yǎng)護(hù)的RPC的基本力學(xué)性能

通過(guò)表2可以看出，常溫養(yǎng)護(hù)下的RPC抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和彈性模量與文獻(xiàn)[16]的普通混凝土相比都有明顯的提高。

2 RPC組合橋面板應(yīng)力計(jì)算

本文基于某大橋?yàn)楸尘?，將建立純鋼箱和三種組合箱梁的局部有限元模型，然后進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)文獻(xiàn)[17]局部模型具體尺寸如下：縱橋向長(zhǎng)0.8 m，橫橋向取6個(gè)縱向加勁肋的范圍，橫橋向1.84 m，高取0.214 m，其中頂板厚14 mm，橫隔板厚12 mm，縱肋間距300 mm，縱肋厚10 mm，縱肋高158 mm，縱肋底板寬90 mm，橫隔板高200 mm。

2.1 組合橋面結(jié)構(gòu)方案

3種組合結(jié)構(gòu)如下所述。

(1)常溫RPC組合橋面結(jié)構(gòu)：在純鋼箱梁橋面板上鋪筑50 mm常溫養(yǎng)護(hù)下的RPC層，采用M20剪力釘與鋼橋面連接。RPC泊松比取0.2，彈性模量為41 300 MPa。

(2)高溫RPC組合橋面結(jié)構(gòu)：原鋼箱梁橋面板上鋪筑50 mm高溫養(yǎng)護(hù)下的RPC層，采用M20剪力釘與鋼橋面連接。RPC彈性模量為42 600 MPa，泊松比為0.2[18]。

(3)普通混凝土組合橋面結(jié)構(gòu)：在原鋼箱梁橋面板上鋪筑50 mm厚的普通混凝土，采用M20剪力釘與鋼橋面連接，容重采用25 kN·m-3?；炷翉椥阅Ａ繛?2 500 MPa，泊松比為0.24[19]。

2.2 單跨局部模型橋面板計(jì)算

2.2.1 局部模型輪載計(jì)算

計(jì)算模型鋼箱梁采用SHELL63殼單元，RPC層采用SOLID65實(shí)體單元?；炷潦桥c鋼橋面采用節(jié)點(diǎn)耦合連接作為結(jié)構(gòu)的一部分共同受力，計(jì)算時(shí)假設(shè)RPC與鋼橋面板完全連續(xù)接觸。

正交異形板由于縱向存在加勁肋，在荷載的作用下在加勁肋頂面會(huì)出現(xiàn)負(fù)彎矩，RPC層會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，所以橫橋向加載方式如圖2所示，縱橋向加載跨中位置。參考《城市橋梁規(guī)范》規(guī)定，車輛荷載采用城A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)車輛，中輪重100 kN，加載荷載為130 kN(輪重100+30%超載)，局部輪載區(qū)尺寸為250 mm(順橋向)×600 mm(橫橋向)。

圖2 加載模型(單位：mm)

2.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

局部模型計(jì)算位置：橋面板，縱向加勁肋，RPC層。鋼橋面及縱向加勁肋應(yīng)力峰值計(jì)算結(jié)果如表3所示；RPC層應(yīng)力峰值結(jié)果如表4所示。

表3 正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值計(jì)算結(jié)果

表4 常溫養(yǎng)護(hù)下RPC層應(yīng)力峰值結(jié)果

從表3可以計(jì)算出，與純鋼箱梁比，采用常溫RPC組合橋面結(jié)構(gòu)之后，橫橋向應(yīng)力最大降幅91.03%，縱橋向應(yīng)力最大降幅87.74%；采用高溫RPC組合橋面結(jié)構(gòu)之后，橫橋向應(yīng)力最大降幅91.43%，縱橋向應(yīng)力最大降幅88.22%。采用普通混凝土組合橋面結(jié)構(gòu)之后，橫橋向應(yīng)力最大降87.63%，縱橋向應(yīng)力最大降幅84.34%。采用這3種結(jié)構(gòu)之后應(yīng)力幅明顯減小，文獻(xiàn)[20]提到疲勞壽命與應(yīng)力幅的立方成反比，所以正交異性鋼橋面板疲勞壽命能得到改善。

但從表4得出，橫橋向拉應(yīng)力要大于縱橋向拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為1.720 MPa，普通混凝土足以承受。為了能體現(xiàn)出RPC抗拉強(qiáng)度優(yōu)于普通混凝土性能，因此本文建立一個(gè)兩跨局部模型，對(duì)組合橋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。

2.3 兩跨局部模型橋面板計(jì)算

2.3.1 局部模型輪載計(jì)算

縱向取1.64 m，按照等效應(yīng)力原則設(shè)計(jì)為2×0.82 m的兩跨連續(xù)梁，其他尺寸及3種橋面組合結(jié)構(gòu)和單跨局部模型相同。車輛荷載采用城A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)車輛，見(jiàn)圖3，加載分為縱橋向3個(gè)工況，橫橋向?yàn)閮蓚€(gè)荷位，見(jiàn)圖4，其中荷位3為3號(hào)軸的輪載，荷位1和荷位2為1號(hào)軸和2號(hào)軸的輪載組合。荷載考慮超載30%。通過(guò)計(jì)算，最不利荷載組合為縱橋向荷位3和橫橋向荷位2，下文計(jì)算均在最不利工況下進(jìn)行。

圖3 車輛荷載分布(單位：m)

圖4 計(jì)算荷位(單位：mm)

2.3.2 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算位置均與單跨局部模型計(jì)算一致。兩跨局部模型應(yīng)力峰值計(jì)算結(jié)果(荷載沖擊系數(shù)取1.3)，如表5；RPC層應(yīng)力峰值結(jié)果如表6所示。

由表5可以得出，與純鋼箱梁相比，常溫RPC組合橋面結(jié)構(gòu)橫橋向應(yīng)力最大降幅為93.27%，縱橋向應(yīng)力最大降幅為82.17%；高溫RPC組合橋面結(jié)構(gòu)橫橋向應(yīng)力最大降幅為93.77%，縱橋向應(yīng)力最大降幅為82.17%普通混凝土組合橋面結(jié)構(gòu)橫橋向應(yīng)力最大降幅為91.20%，縱橋向應(yīng)力最大降幅為82.22%。常溫RPC組合橋面結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大降幅是高溫RPC組合橋面結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大降幅的0.99倍，是普通混凝土組合橋面結(jié)構(gòu)的1.02倍。從分析數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看，兩跨與單跨局部模型分析結(jié)論一致；而且常溫RPC組合橋面與高溫RPC組合橋面應(yīng)力降幅相差較小。

表6顯示，常溫RPC組合橋結(jié)構(gòu)的RPC層最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在縱橋向，其值達(dá)到4.706 MPa，普通混凝土難以承受此應(yīng)力，而RPC達(dá)到這個(gè)應(yīng)力值是否開(kāi)裂，本文將通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

表5 正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值計(jì)算結(jié)果

表6 常溫養(yǎng)護(hù)下RPC層應(yīng)力峰值結(jié)果

3 常溫養(yǎng)護(hù)RPC組合橋面板局部模型試驗(yàn)

3.1 局部模型試驗(yàn)概況

試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缗c上文有限元計(jì)算的單跨局部模型尺寸相同。鋼橋面上焊接剪力釘，再澆筑50 mm厚的RPC層。

上文單跨模型計(jì)算結(jié)果中橫橋向應(yīng)力較大，因此試驗(yàn)以橫向應(yīng)力作為主要控制指標(biāo)。模型制作時(shí)，在RPC表面布置跨中截面布置8個(gè)橫橋向應(yīng)力片，位置如圖5(a)所示。

加載噸位采用以下方式：加載分為3級(jí)荷載工況，分別為130 kN工況、250 kN工況和350 kN工況。加載位置和上文單跨局部模型計(jì)算加載位置相同，如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?單位：mm)

主要試驗(yàn)過(guò)程：鋼箱梁局部模型制作—施工剪力釘，貼應(yīng)變片，布置鋼筋—澆筑RPC層—常溫養(yǎng)護(hù)模型—貼應(yīng)變片—模型進(jìn)行加載。其中RPC在常溫條件下養(yǎng)護(hù)28 d，養(yǎng)護(hù)結(jié)束未出現(xiàn)裂縫，如圖6所示。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

圖6 養(yǎng)護(hù)結(jié)束后的RPC表面

圖7 模型加載試驗(yàn)

3.2 主要試驗(yàn)結(jié)果

靜力荷載試驗(yàn)分級(jí)加載，工況130 kN跨中截面測(cè)點(diǎn)的橫橋向應(yīng)力數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 130 kN工況下的RPC橫橋向應(yīng)力值

注：“-”表示測(cè)點(diǎn)無(wú)數(shù)據(jù)

從表7可以得出，靠近加載區(qū)邊緣的測(cè)點(diǎn)4誤差較大，因?yàn)閼?yīng)力集中和測(cè)點(diǎn)位置與ANSYS計(jì)算點(diǎn)有一點(diǎn)偏差(避免試驗(yàn)中應(yīng)力片被加載壓壞)。其他測(cè)點(diǎn)的RPC橫向應(yīng)力試驗(yàn)值與ANSYS值誤差在20%以內(nèi)，基本吻合。綜上所述，驗(yàn)證了ANSYS計(jì)算合理性和精確性。

試驗(yàn)中靜力荷載加載到350 kN，測(cè)點(diǎn)4應(yīng)力值達(dá)到了上文常溫RPC組合箱梁RPC層計(jì)算的最大拉應(yīng)力(4.706 MPa)的1.37倍，RPC層未出現(xiàn)明顯的裂紋，驗(yàn)證了RPC抗拉強(qiáng)度優(yōu)于普通混凝土。

4 結(jié)論

本文利用ANSYS有限元軟件與試驗(yàn)結(jié)合，針對(duì)常溫養(yǎng)護(hù)RPC組合箱梁的性能，進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論。

(1)常溫養(yǎng)護(hù)下RPC的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和彈性模量與普通混凝土相比有明顯的提高。

(2)正交異性橋面板應(yīng)力計(jì)算表明，采用常溫養(yǎng)護(hù)RPC之后應(yīng)力幅度下降，與采用高溫養(yǎng)護(hù)RPC應(yīng)力降幅差別微小。因此，與高溫養(yǎng)護(hù)RPC相比，常溫RPC仍能大大提高正交異性鋼橋面疲勞壽命，改善橋面板的疲勞開(kāi)裂性能。

(3)常溫養(yǎng)護(hù)的RPC抗拉強(qiáng)度要優(yōu)于普通混凝土，能夠抵抗由于拉應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫破壞，從而能解決橋面鋪裝受拉開(kāi)裂破壞的問(wèn)題。

綜上所述，常溫養(yǎng)護(hù)下正交異性鋼板-RPC組合橋面能夠解決橋面鋪裝破壞和鋼橋面板開(kāi)裂問(wèn)題，同時(shí)又彌補(bǔ)了高溫養(yǎng)護(hù)RPC施工現(xiàn)場(chǎng)難以制作的不足。