超高性能混凝土鋼橋面鋪裝組合結(jié)構(gòu)彎拉疲勞性能研究

黃若昀 張 輝 崔 磊

(1.江蘇高速公路工程養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司 南京 210049； 2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司 南京 211806)

隨著大跨徑鋼橋技術(shù)廣泛應(yīng)用，鋼橋面鋪裝成為鋼橋建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。由于交通量日益增長，尤其是貨車通行比不斷增大，車輛類型逐漸大型化、重型化，且隨著在役鋼橋面服役時間的不斷延長，正交異性板應(yīng)力幅值增大、循環(huán)次數(shù)越多，橋面鋪裝及正交異性板疲勞損傷問題也將日益突出[2]。鋼結(jié)構(gòu)疲勞開裂和鋪裝層頻繁破損將嚴(yán)重危及正交異性鋼橋面系的安全性，并造成其使用性和耐久性顯著下降[3]。

從延緩正交異性板與鋪裝層疲勞的角度出發(fā)，針對正交異性鋼橋面板偏薄或交通載荷較大的情況，可通過對正交異性鋼橋面板進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)，以有效降低面板連接焊縫附近局部應(yīng)力和面外變形，解決正交異性鋼橋面板疲勞開裂問題[4-6]。眾多研究表明可通過采用鋼橋面水泥混凝土鋪裝，提高鋼橋面系剛度并改善其受力狀態(tài)[7]。超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)以超高的強(qiáng)度、韌性和耐久性為特征，成為實現(xiàn)水泥基材料性能大跨越的新材料，以克服傳統(tǒng)水泥基材料韌性不足及易開裂的缺陷。超高性能混凝土作為鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)多通過焊接栓釘形成剪力鍵，作為鋼橋面上永久結(jié)構(gòu)層，眾多學(xué)者依托正交異性鋼橋面板疲勞評估理論和方法驗證了該鋪裝方案的基本性能[8-9]。

為完善超高性能混凝土鋼橋面鋪裝技術(shù)體系，從避免焊接栓釘造成鋼板應(yīng)力損傷考慮，兼顧耐久性及可維護(hù)鋪裝結(jié)構(gòu)特點，綜合正交異性橋面板與鋪裝2種材料作用力傳遞連續(xù)一致特點，本文提出樹脂連接超高性能混凝土(resin bonding polymer concrete,RBPC)鋼橋面板鋪裝結(jié)構(gòu)(見圖1)，并在潤揚(yáng)長江公路大橋懸索橋1/4跨位置首次應(yīng)用RBPC鋼橋面鋪裝。采用三點加載復(fù)合梁疲勞試驗研究RBPC鋼橋面鋪裝界面彎拉疲勞性能，以期為鋼橋面系建養(yǎng)提供技術(shù)支撐。

圖1 RBPC鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)示意圖

1 材料與試驗方法

1.1 試驗材料

1) 超高性能混凝土鋪裝層采用江蘇中路交通科學(xué)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的免蒸養(yǎng)型UHPC干混料，由水泥、硅灰、石英粉、石英砂等組成，將干混料、鋼纖維和水按一定比例混合攪拌均勻即可形成超高性能混凝土，其超高性能混凝土基本力學(xué)性能指標(biāo)見表1，鋼纖維相關(guān)技術(shù)指標(biāo)參照GB/T 31387-2015 《活性粉末混凝土》。

表1 超高性能混凝土基本力學(xué)性能

2) 防水黏結(jié)層為高韌環(huán)氧樹脂上定量撒布玄武巖碎石，復(fù)合涂布具有濕固化能力的濕黏結(jié)劑，其高韌樹脂和濕黏結(jié)劑均為江蘇中路交通科學(xué)技術(shù)有限公司生產(chǎn)提供，參照ASTM D638-2014和ASTM D4541-09分別測得拉伸和拉拔強(qiáng)度結(jié)果，結(jié)果見表2。

表2 高韌樹脂和濕黏結(jié)劑材料基本性能

1.2 試驗方法

1.2.1試件制備及測點布置

參照J(rèn)TG/T 3364-02-2019 《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》中“三點加載復(fù)合梁試驗方法”制備RBPC復(fù)合梁試件，其制做過程示意見圖2，通過電阻式應(yīng)變傳感器記錄復(fù)合梁跨中部位，肋板焊縫、層間鋼板、超高性能混凝土鋪裝層側(cè)面及表面應(yīng)變，傳感器布設(shè)安裝位置見圖3、表3。

圖2 RBPC復(fù)合梁成型制作

圖3 傳感器布置圖示

表3 應(yīng)變傳感器布設(shè)情況

1.2.2試驗參數(shù)確定

DTS疲勞試驗設(shè)備加載復(fù)合梁示意見圖4。以正弦波加載，加載頻率(10±0.1) Hz，試驗溫度(20±2) ℃，采用應(yīng)力加載控制方式，參照J(rèn)TG B01-2014 《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中標(biāo)準(zhǔn)汽車后軸(軸重140 kN)進(jìn)行加載，復(fù)合梁理論計算模型見圖5。通過ABAQUS建模和理論計算得到超高性能混凝土鋪裝層中最大拉應(yīng)力2.855 MPa，反算對應(yīng)于復(fù)合梁上疲勞加載力為4.37 kN，即為三點加載復(fù)合梁的等效標(biāo)準(zhǔn)荷載值。

圖4 三點加載RBPC復(fù)合梁

圖5 復(fù)合梁理論計算模型

1.2.3試驗加載制度

復(fù)合梁試驗包括短期動態(tài)加載和連續(xù)疲勞加載2種試驗方案。

1) 在不同等級試驗荷載作用下分別進(jìn)行短期動態(tài)加載，并測試復(fù)合梁動態(tài)響應(yīng)情況，同時對比力學(xué)理論計算結(jié)果，分析不同部位受力特征及其變化規(guī)律。

2) 以9 kN試驗荷載(相當(dāng)于2倍等效標(biāo)準(zhǔn)荷載作用)進(jìn)行連續(xù)疲勞加載，測試疲勞加載過程中的力學(xué)、位移變化，分析復(fù)合梁結(jié)構(gòu)抗彎拉性能并預(yù)估疲勞壽命。

2 結(jié)果與討論

2.1 細(xì)節(jié)部位應(yīng)力變化

繪制超高性能混凝土與鋼橋面板復(fù)合梁結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下，各細(xì)節(jié)部位(肋板焊縫、層間鋼板、UHPC鋪裝)的應(yīng)力變化規(guī)律見圖6。

圖6 復(fù)合梁不同細(xì)節(jié)部位力學(xué)響應(yīng)情況

由圖6可見，在等效標(biāo)準(zhǔn)荷載4.37 kN作用下，復(fù)合梁肋板焊縫位置壓應(yīng)力、肋間鋼板拉應(yīng)力，及UHPC鋪裝表面拉應(yīng)力分別為8.3，1.1，3.5 MPa，且基本隨荷載增加而呈冪函數(shù)趨勢增長，區(qū)別于線彈性數(shù)值計算值的變化規(guī)律；試驗結(jié)果與數(shù)值計算值變化規(guī)律基本一致，隨著作用荷載增大，理論計算與實測結(jié)果之間逐漸出現(xiàn)偏差，且不同細(xì)節(jié)部位偏差大小存在差異。鑒于復(fù)合梁包括彈塑性的鋼板及具有應(yīng)變強(qiáng)化性能的UHPC，并通過黏彈性環(huán)氧樹脂組合而成，其在動荷載作用下的實際受力相對較復(fù)雜。

2.2 層間受力變形特征

繪制樹脂連接超高性能混凝土RBPC復(fù)合梁結(jié)構(gòu)在三點疲勞荷載作用下層間受力狀態(tài)及變形特征見圖7。

圖7 復(fù)合梁層間受力狀態(tài)及變形特征

由圖7可見，根據(jù)三點加載復(fù)合梁跨中受壓兩端支撐的特點，層間跨中部分同時受鋼板擠壓和超高性能混凝土反力約束變形，導(dǎo)致鋼板兩端上撓引起張拉力，從而使層間結(jié)構(gòu)呈近啞鈴狀變形特征。

繪制RBPC復(fù)合梁的超高性能鋪裝在不同荷載作用及不同層位深度的應(yīng)變變化情況見圖8。

圖8 復(fù)合梁UHPC鋪裝應(yīng)變變化規(guī)律

由圖8可見，不同深度超高性能混凝土拉應(yīng)變隨荷載增加而增大，且在大荷載作用下的應(yīng)變變化率較大；相同荷載作用下超高性能混凝土的拉應(yīng)變基本隨鋪裝深度滿足線性變化規(guī)律。

RBPC復(fù)合梁在荷載作用下層間界面應(yīng)變分布情況見圖9。

圖9 復(fù)合梁截面力學(xué)分布(4.37 kN荷載作用)

由圖9可見，復(fù)合梁結(jié)構(gòu)在4.37 kN三點加載作用下鋼板產(chǎn)生彎拉變形，繼而通過層間黏結(jié)帶動超高性能混凝土鋪裝受荷變形，以鋼板和鋪裝為對象單獨分析，其跨中層間部位鋼板側(cè)和超高性能混凝土側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力分別為1.34 MPa和-0.22 MPa(由不同鋪裝深度超高性能混凝土應(yīng)變推算得到)，因此層間黏結(jié)部分發(fā)生相對剪切應(yīng)力約為1.56 MPa，復(fù)合樹脂黏結(jié)層極限拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)大于該值，消耗上下界面發(fā)生的位移偏差，產(chǎn)生層間應(yīng)力吸收消耗的作用。

2.3 疲勞耐久壽命評估

RBPC復(fù)合梁在荷載7.9 kN、頻率10 Hz荷載作用下經(jīng)過1 500萬次加載過程中荷載及其動撓度變化見圖10。

圖10 三點疲勞加載RBPC復(fù)合梁荷載和動撓度變化

由圖10可見，其荷載峰值基本穩(wěn)定7.9 kN持續(xù)加載，復(fù)合梁動撓度初始約為0.39 mm，經(jīng)過一定次數(shù)加載后動撓度趨于0.38 mm穩(wěn)態(tài)發(fā)展，表明RBPC復(fù)合梁結(jié)構(gòu)具有良好的抗彎拉疲勞性能。結(jié)合疲勞試驗測試結(jié)果，并參照英國BS 5400規(guī)范中Miner準(zhǔn)則[10]，預(yù)估RBPC鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)疲勞壽命，其計算方法如下。

(Δσ1)m·n1=(Δσ2)m·n2

式中：Δσ1和Δσ2為常幅應(yīng)力；n1和n2為加載次數(shù)；m為疲勞強(qiáng)度等級(理論疲勞循環(huán)次數(shù)超過5×106次，故m取5)。

預(yù)估RBPC鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的疲勞壽命結(jié)果見表4，在標(biāo)準(zhǔn)荷載(4.37 kN)作用下其疲勞壽命大于2.9億次。

表4 RBPC復(fù)合梁疲勞壽命預(yù)測

3 結(jié)語

本文通過超高性能混凝土RBPC鋪裝復(fù)合梁三點疲勞加載分析彎拉疲勞性能，得出主要結(jié)論如下。

1) 復(fù)合梁實際三點加載作用下肋板焊縫、層間鋼板及UHPC鋪裝等細(xì)節(jié)部位應(yīng)力基本隨作用荷載增大而呈冪函數(shù)增長，且在較小荷載作用下力學(xué)計算值與試驗測試值相近。

2) RBPC復(fù)合梁層間受力復(fù)雜，在鋼板擠壓和UHPC鋪裝約束同時作用下呈近似啞鈴狀變形，在等效標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，其層間黏結(jié)結(jié)構(gòu)可消耗吸收約1.6 MPa的應(yīng)力差。

3) 以7.9 kN荷載三點加載RBPC復(fù)合梁，經(jīng)1 500萬次循環(huán)加載后未發(fā)現(xiàn)明顯疲勞損傷及剛度衰減現(xiàn)象，結(jié)合Miner準(zhǔn)則估算RBPC鋪裝在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下的疲勞壽命大于2.9億次。