中興大橋橋面板UHPC-超薄磨耗層（SMA）層間性能分析

謝 波 ，史賢豪，陸曉宏

（1.寧波通途投資開發(fā)有限公司，浙江 寧波 315000；2.寧波市城建設計研究院有限公司，浙江 寧波 315000；3.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

與其他橋面板體系相比，正交異性鋼橋面板體系自重相對較小、承載能力大，適用性好但在疲勞裂紋和鋪裝層早期破損方面，仍存在較大缺陷，是限制其大規(guī)模應用的主要問題所在。鋼橋面板上鋪設的瀝青鋪裝，基本僅用于行車舒適度的提升，無法對鋼橋面板的應力進行有效分擔，其缺陷仍無法避免[1-3]。

經(jīng)過學者的研究及大量工程實踐，目前較為常用的方法是通過UPHC 與新材料面層的共同作用，形成一種組合材料橋面板，提升橋面剛度，降低鋼橋面應力幅，從而增強鋪裝層的受力性能。

超高性能混凝土簡稱UHPC，主要通過對水泥、粉煤灰等原材料進行深加工后，形成的一種在抗拉、抗壓、耐久性等各方面性能均有所提升的復合材料[4-10]。

UPHC 上鋪設的新材料面層，其主要功能是緩解行車荷載及外界環(huán)境對UPHC 的損壞，同時滿足車輛行駛性能要求，其種類較多。湖南大學李嘉教授團隊對新材料面層有較深入的研究，其中，瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA） 和薄層聚合物混凝土面層（TPO）在工程應用中表現(xiàn)較好[11-13]。

本文通過建立有限元模型，研究分析了UHPC-超薄磨耗層層間黏結性能與車輪荷載增大的影響，為今后設計與應用提供有效的理論依據(jù)[14-17]。

1 有限元模型

1.1 有限元模型尺寸與材料本構

本文以寧波中興大橋為工程背景，主橋結構形式為矮塔斜拉橋。橋面板結構為50 mmUHPC 結構層+粘結層+ 20 mm 超薄磨耗層，UHPC 層中設置橫縱向直徑為14 mm 的HRB400 鋼筋，見圖1。

圖1 橋面板構造示意圖

主橋采用的超薄磨耗層厚度為20 mm，混合料使用玄武巖作為粗集料，0～3 mm 的石英石砂為細集料，改性環(huán)氧粘層。這樣的橋面板結構形式，協(xié)同受力，各展所長，極大地提高了橋面板剛度，改善了橋面板的應力狀態(tài)，減小了鋼橋面板與加勁肋之間在行車荷載下的應力，降低了疲勞開裂的幾率，從而在一定程度上緩解了鋼橋面板疲勞裂紋和鋪裝層早期破損的問題，使用壽命得到了大大的提升。

本文采用Midas/FEA 進行建模計算。模型取半幅橋，寬12 m，縱向寬13 m，包括頂板、底板、腹板、加勁肋與5 塊橫隔板。具體節(jié)段模型見圖2～圖4，模型具體參數(shù)見表1。

圖2 中興大橋橫斷面構造圖（單位：mm）

圖3 節(jié)段模型

圖4 隔板模型

表1 幾何模型尺寸參數(shù)表

其中鋼板采用賦予材料厚度與特性的2D 單元，UHPC 與超薄磨耗層采用賦予材料厚度與特性的3D單元。Midas FEA 中提供特雷斯卡、范梅賽斯等多種本構模型以供選擇，同時還可以用戶自定義材料。

其中鋼板彈模為 206 GPa，鋼板密度為7 850 kg·m-3，鋼板泊松比為0.3，其他的材料特性見表2。UHPC 模型材料性能見表2，實測性能見表3。模型兩側采用節(jié)點約束，模擬簡支支座效果。

表2 材料性能參數(shù)表

表3 UHP C 材料實測性能指標

2 不同加載位層間應力

考慮到鋼箱梁橋在鋼板焊接處會產(chǎn)生應力集中的現(xiàn)象，且層間應力值會隨著車輛加載位置不同而變化，由此設定多種車輛加載工況，使得模擬結果更加具有普適性。

2.1 加載工況

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范《城市橋梁設計規(guī)范（2019 版）》（CJJ 11—2011）對有限元模型進行移動荷載加載。移動荷載考慮汽車豎向力、水平制動力和沖擊力等。

根據(jù)中興大橋設計標準，結合現(xiàn)行規(guī)范進行加載，具體加載方式見圖5。其中，單個車輪面積采用規(guī)范值（250 mm×600 mm）。汽車沖擊力取0.3，水平力系數(shù)取0.5，模擬溫度20℃。

圖5 車輛軸承荷載示意圖（單位：mm）

結合模型受力體系，車輛荷載工況，對縱橫向進行最不利荷載布設。其中，橫橋向布置3 種荷載工況，縱橋向布置2 種荷載工況，具體見圖6、表4。

圖6 車輪加載位置示意圖（單位：mm）

表4 加載位置工況匯總表

2.2 層間應力結果

Midas/FEA 中擁有較為完善的后處理程序，有等值面、剖斷面、剖分面等不同的觀察角度，可以直觀地看到應力云圖的變化，同時云圖還可以有帶狀和漸變的顯示模式。

計算結果中可分別查看2D 單元、3D 單元的應力應變，也可以直接得到反力和位移，還能直接查詢計算結果，得到層間應力的最大值和最小值。

圖7 為6 個不同荷載位置顯示的應力云圖，結合各圖可以發(fā)現(xiàn)，有限元模型在移動荷載作用下，體現(xiàn)出很強的局部特征，在車輪荷載受力面周邊會出現(xiàn)較大的拉應力與剪應力。

圖7 層間應力圖

對應于6 種不同的加載位置，其剪應力峰值和法向拉應力峰值仿真計算結果匯總于表5 中。由計算結果可知在車輪荷載作用下，其層間最大法向拉應力為0.335 6 MPa，最大層間剪應力0.391 1 MPa。遠遠小于實測強度值（見表6）。

表5 層間剪應力及法向拉應力峰值匯總

表6 中興大橋UHP C-超薄磨耗層（S MA）層間性能實測值

由計算結果可知，當車輪荷載均勻的分布在橫隔板和腹板上方的時候（S-B-2），受力均勻，層間剪應力較小，而法向拉應力較大。當車輪荷載作用于鋼板中間的時候（S-A-3），層間剪應力較大而法向拉應力較小。

熱熔型改性環(huán)氧樹脂粘層性能指標見表7。

表7 熱熔型改性環(huán)氧樹脂粘層性能指標

3 車輪荷載影響

UHPC-超薄磨耗層的層間應力受眾多因素的影響，其中車輪荷載的影響更為敏感，由此進行建模分析。

本次固定加載位置是S-B-2，車輪荷載分為超載10%、30%和60%之后，得到其層間應力結果，匯總于表8 中。

表8 不同車輪荷載下層間應力值匯總

當荷載增加10%的時候，層間剪應力增加了7.8%，法向拉應力增加了6.3%；當荷載增加了30%的時候，層間剪應力增加了26%，法向拉應力增加了20.5%；當荷載增加60%的時候，層間剪應力增加了52.6%，法向拉應力增加了43.8%。

可見車輪荷載不斷地增加，其層間剪應力與法向應力不斷增加，但增加的增長率與車輪荷載超載的百分比不成正比，均小于荷載增長率。按中興大橋實際測驗結果得知，當荷載增長率小于10%時，構件相對安全。當荷載增長大于30%時，超薄磨耗層和UHPC 之間會產(chǎn)生較大的滑移剝落現(xiàn)象，造成車輛行駛困難。

4 結論

本文通過有限元數(shù)值模擬，得到UHPC-超薄磨耗層層間性能結果，通過分析計算得到如下主要結論：

（1）UHPC-超薄磨耗層層間剪應力和法向拉應力值會隨著車輪加載位置不同而有不同的結果。橫隔板、腹板等鋼板焊接處會有應力集中的現(xiàn)象，均呈現(xiàn)較強的局部性特征。

（2）UHPC-超薄磨耗層層間性能主要通過層間剪應力和法向拉應力值來判定。寧波中興大橋在各種加載位置下層間剪應力和法向拉應力值均小于實測強度且具有一定的強度儲備。

（3）隨著車輪荷載不斷地增加，其層間剪應力與法向應力不斷增加，但增長率與車輪荷載超載百分比不成正比，均小于荷載增長率。