新型超高性能混凝土鐵路鋼橋面鋪裝體系適用性研究

左照坤 鞠曉臣 趙欣欣 劉曉光

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081

大跨度鐵路鋼橋橋面鋪裝主要采用道砟槽板體系或柔性鋪裝體系。道砟槽板體系一般是在縱橫梁上或正交異性鋼橋面上鋪設(shè)15 cm厚的混凝土道砟槽板，道砟槽板與縱橫梁或鋼橋面通過(guò)剪力釘連接。該鋪裝體系雖然施工簡(jiǎn)單、造價(jià)低，但自重大、抗裂性差、抗拉強(qiáng)度低［1-4］。為改善結(jié)構(gòu)受力，近年來(lái)一些輕型的柔性鋪裝體系開始在鐵路橋梁中得到應(yīng)用，如東新贛江特大橋采用了6 cm厚雙層環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層，銅陵公鐵兩用長(zhǎng)江大橋采用了6 cm厚澆筑式瀝青混凝土結(jié)構(gòu)體系。柔性鋪裝體系大大降低了結(jié)構(gòu)自重，具有較好的變形協(xié)調(diào)性，但該體系所用材料溫度敏感性強(qiáng)、抗老化能力弱、使用壽命短［5-9］。

為克服既有鋪裝體系的不足，文獻(xiàn)［9］通過(guò)材料組成方案優(yōu)化、施工工藝控制等措施，提出了一種新型超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）鐵路鋼橋面鋪裝體系。該新型鋪裝體系具有自重小、強(qiáng)度高、抗裂性好、防水效果好等優(yōu)點(diǎn)，并且在施工時(shí)不需要剪力釘連接件，克服了剪力釘焊接工作量大、修復(fù)難度大等技術(shù)難題。但該新型鋪裝體系尚未應(yīng)用于實(shí)際工程中，在鐵路鋼橋面上的適用性有待驗(yàn)證。

基于此，本文以文獻(xiàn)［9］提出的新型UHPC鐵路鋼橋面鋪裝體系為研究對(duì)象，對(duì)其在鐵路鋼橋面結(jié)構(gòu)體系中的受力特點(diǎn)進(jìn)行有限元分析。通過(guò)模型試驗(yàn)，研究該鋪裝體系在鐵路鋼橋面中的適用性，為該新型鋪裝體系的工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 新型UHPC鋪裝體系

采用的鋪裝體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，自下而上依次為環(huán)氧碎石黏結(jié)層、UHPC鋪裝層和高黏高彈瀝青碎石層，總厚度為6 cm。

圖1 新型鋪裝體系結(jié)構(gòu)

鋪裝體系主要材料的性能指標(biāo)要求和檢驗(yàn)方法見表1。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試，環(huán)氧樹脂膠膜拉伸強(qiáng)度大于10.0 MPa，與鋼板的剪切強(qiáng)度大于5.0 MPa，環(huán)氧碎石黏結(jié)層界面剪切強(qiáng)度大于10.0 MPa；UHPC的28 d抗壓強(qiáng)度大于120 MPa，28 d抗折強(qiáng)度大于16 MPa，28 d彈性模量大于45 GPa。

表1 鋪裝體系主要材料的性能指標(biāo)和檢驗(yàn)方法

2 有限元分析

2.1 有限元模型

鐵路鋼橋有砟軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、軌枕、道砟、鋪裝層、鋼橋面板等組成。本研究所采用的鋼橋面板是對(duì)公路正交異性鋼橋面板進(jìn)行優(yōu)化得到的，構(gòu)造尺寸為：面板厚度16 mm；橫隔板厚16 mm，高1 000 mm，間距為3 000 mm；軌枕底部布置兩倒T形大縱梁，縱梁腹板高722 mm，厚16 mm，下翼寬300 mm，厚16 mm；兩T形梁之間U肋尺寸為300 mm×300 mm×12 mm，間距600 mm，兩T形梁外側(cè)U肋尺寸為300 mm×300 mm×8 mm，間距600 mm。

有限元分析時(shí)考慮較不利的情況，忽略鋼軌和軌枕，并將每一車軸荷載單獨(dú)作用于一根軌枕范圍內(nèi)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范［15-16］，荷載采用ZK特種活載4×250 kN，間距1 600 mm，每一車軸荷載與道砟接觸面積為2 600 mm×300 mm，沿順橋向?qū)ΨQ分布。道床采用特級(jí)碎石道砟，頂面寬3 600 m，厚度350 mm，道床邊坡1∶1.75。鋪裝層主要考慮黏結(jié)層和UHPC層兩部分。簡(jiǎn)化后的鐵路鋼橋有砟軌道結(jié)構(gòu)有限元模型及荷載作用形式見圖2，材料參數(shù)見表2。

圖2 鐵路鋼橋有砟軌道結(jié)構(gòu)有限元模型

表2 鐵路鋼橋有砟軌道結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

2.2 計(jì)算結(jié)果

橋面板及鋪裝層豎向位移云圖見圖3?？梢?，豎向位移主要分布在兩倒T形梁及相鄰兩橫隔板之間，最大豎向位移位于面板中心。

圖3 橋面板及鋪裝層豎向位移云圖（單位：mm）

鋪裝層最大主應(yīng)力云圖見圖4?？梢?，在荷載作用下，鋪裝層整體處于受拉狀態(tài)，且在橫隔板和T形梁上方的鋪裝層上表面承受著較大的集中拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為3 MPa。

圖4 鋪裝層最大主應(yīng)力云圖（單位：MPa）

橋面板縱向和橫向中心線的豎向位移見圖5?？梢姡涸诳v橋向，豎向位移曲線在-1.5、1.5 m處各出現(xiàn)一個(gè)尖端，這表明在中間兩橫隔板處面板豎向位移出現(xiàn)了較明顯的突變，試驗(yàn)研究應(yīng)考慮橫隔板上方鋪裝層的受力狀態(tài)；在橫橋向，豎向位移曲線總體上呈V形變化，在-0.75、0.75 m處各出現(xiàn)一段水平臺(tái)階，曲線在-0.75～0.75 m段內(nèi)始終保持著較大斜率，經(jīng)過(guò)水平臺(tái)階后斜率逐漸減小。這表明在兩T形梁之間，沿橫向中心線面板豎向位移梯度較大，經(jīng)過(guò)兩T形梁后，梯度逐漸減小。

圖5 橋面板中心線豎向位移

根據(jù)有限元分析結(jié)果，鋼橋面板最大豎向位移梯度為0.02%，位于縱向中心線上；鋪裝層在橫隔板上方的受力狀態(tài)最為不利，集中拉應(yīng)力最大值為3 MPa。

3 疲勞試驗(yàn)

3.1 試件設(shè)計(jì)

根據(jù)前面的有限元分析，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮橋面結(jié)構(gòu)體系中橫隔板上方鋪裝層的受力，使模型中鋪裝層的受力狀態(tài)與橋面結(jié)構(gòu)體系中鋪裝層受力狀態(tài)相似，保證面板豎向位移梯度、鋪裝層最大拉應(yīng)力分別與橋面結(jié)構(gòu)體系有限元分析值近似，不小于有限元分析值。

設(shè)計(jì)試件并建立有限元模型，見圖6。試件包括鋼構(gòu)件和鋪裝層兩部分，其中鋼構(gòu)件用于模擬原橋面結(jié)構(gòu)體系中正交異性鋼橋面板，鋪裝層與原橋面結(jié)構(gòu)體系中的保持一致。

圖6 試件有限元模型

在鋪裝層表面施加局部壓應(yīng)力，兩面荷載沿中間隔板對(duì)稱分布，中心距800 mm，尺寸200 mm×280 mm，壓應(yīng)力1.0 MPa（總荷載112 kN）。沿模型面板縱向中心線的豎向位移曲線見圖7?？梢?，曲線在中間橫隔板處出現(xiàn)了突變，其形態(tài)與原橋面板橫隔板處豎向位移曲線形態(tài)相似。曲線最大斜率（面板豎向位移梯度最大值）為0.02%，與原橋面板相等。

圖7 沿模型面板縱向中心線的豎向位移曲線（單位：mm）

鋪裝層最大主應(yīng)力分布云圖見圖8。可見，鋪裝層在跨中橫隔板上方區(qū)域的受力狀態(tài)與原橋面板橫隔板上方鋪裝層受力狀態(tài)相似，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袖佈b層所受最大拉應(yīng)力為4.83 MPa，大于原橋面板中鋪裝層最大拉應(yīng)力3.0 MPa。

圖8 鋪裝層最大主應(yīng)力云圖（單位：MPa）

綜上可知，采用該試件對(duì)鋪裝層進(jìn)行試驗(yàn)分析時(shí)，結(jié)果偏于安全。

3.2 試驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)試件設(shè)計(jì)制作試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，試?yàn)裝置見圖9，主要包括鋼構(gòu)件、鋪裝層、承壓塊、分載梁和作動(dòng)器。鋼構(gòu)件下部通過(guò)螺栓與試驗(yàn)臺(tái)連接固定；在鋪裝層上表面縱向中心線上沿中間橫隔板對(duì)稱布置兩承壓塊；在承壓塊上方放置分載梁，作動(dòng)器荷載施加于分載梁中間。

圖9 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)試件相關(guān)部位的應(yīng)力和位移進(jìn)行測(cè)試。位移及應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置見圖10，其中應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位于鋪裝層上表面沿縱向中心線的中間橫隔板正上方。

圖10 測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）

試驗(yàn)主要目的是驗(yàn)證鋪裝層在鐵路橋梁正交異性鋼橋面板上的適用性。試驗(yàn)以疲勞加載為主，疲勞荷載每施加一定次數(shù)對(duì)試件進(jìn)行一次靜力加載。

試驗(yàn)加載步驟如下：

步驟1疲勞加載前靜載測(cè)試。布置好加載工裝后，首先進(jìn)行靜載試驗(yàn)。靜力加載逐級(jí)施加，每級(jí)荷載40 kN，加至200 kN，之后再逐級(jí)卸載，每級(jí)卸載40 kN。加載和卸載過(guò)程中對(duì)試件應(yīng)力、位移進(jìn)行測(cè)量。靜力加載至112 kN時(shí)對(duì)應(yīng)于試件設(shè)計(jì)荷載。

步驟20～400萬(wàn)次疲勞加載。在步驟1工作完成后開始進(jìn)行疲勞加載。疲勞荷載形式為等幅簡(jiǎn)諧荷載，荷載下限10 kN，荷載上限112 kN，頻率在2～4 Hz。疲勞荷載每施加50萬(wàn)次進(jìn)行一次靜力加載，并檢查鋪裝層表面是否有裂紋或破碎、鋪裝層與鋼板黏結(jié)情況，并拍照記錄。直到疲勞荷載施加400萬(wàn)次。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)試件應(yīng)力、位移進(jìn)行測(cè)量。

在試驗(yàn)過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)差異較大，應(yīng)及時(shí)停止試驗(yàn)，檢查鋪裝層質(zhì)量狀態(tài)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 靜載試驗(yàn)結(jié)果

疲勞加載前靜力加載試驗(yàn)結(jié)果見圖11?？梢?，在0～200 kN加載過(guò)程中，模型豎向位移及鋪裝層表面應(yīng)力整體呈線性變化，且具有較好的回復(fù)性，測(cè)點(diǎn)D1#與D4#、D2#與D3#、D5#與D6#具有較好的對(duì)稱性。當(dāng)荷載為112 kN時(shí)點(diǎn)D1#和D2#范圍鋼構(gòu)件面板的豎向位移梯度約為0.021%，與設(shè)計(jì)所要求的面板豎向位移梯度0.020%幾乎相等，鋪裝層表面應(yīng)力5.78 MPa，略大于原橋面板中鋪裝層最大拉應(yīng)力3.0 MPa?？芍?，試驗(yàn)加載裝置和加載方法是有效可靠的，結(jié)構(gòu)受力對(duì)稱性較好。采用該試件對(duì)鋪裝層進(jìn)行疲勞試驗(yàn)分析時(shí)結(jié)果偏于安全。

圖11 靜力加載試驗(yàn)結(jié)果

3.3.2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

疲勞荷載施加200萬(wàn)次、400萬(wàn)次后鋪裝層表面受最大拉應(yīng)力處表觀狀態(tài)見圖12。可見，疲勞荷載施加400萬(wàn)次后鋪裝層表觀狀態(tài)良好，未出現(xiàn)疲勞裂紋或其他局部破損現(xiàn)象。

圖12 鋪裝層表觀狀態(tài)

在疲勞加載200萬(wàn)次、400萬(wàn)次后分別進(jìn)行靜力加載，模型豎向位移與荷載的關(guān)系曲線見圖13?？梢?，疲勞加載400萬(wàn)次后模型豎向位移與荷載依然呈線性關(guān)系，測(cè)試結(jié)果沒有發(fā)生異常變化，且各對(duì)稱點(diǎn)測(cè)得的值對(duì)稱關(guān)系良好。以D1#、D2#測(cè)點(diǎn)值計(jì)算當(dāng)靜力加載至112 kN時(shí)面板的豎向位移梯度，則疲勞加載200萬(wàn)次、400萬(wàn)次后分別為0.026%、0.024%，與最初梯度值0.021%相比變化很小。因此，在0～400萬(wàn)次疲勞循環(huán)荷載施加過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的承載性能良好，幾乎未發(fā)生劣化。

圖13 疲勞加載后荷載-位移曲線

鋪裝層應(yīng)力測(cè)點(diǎn)S1#在疲勞加載后的靜載試驗(yàn)結(jié)果見圖14。可見，在疲勞加載過(guò)程中，鋪裝層表面應(yīng)力未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，應(yīng)力與荷載均呈線性關(guān)系。隨著疲勞加載次數(shù)的增加，測(cè)點(diǎn)S1#的最大應(yīng)力略微增加，但增幅較小，疲勞荷載施加200萬(wàn)次、400萬(wàn)次后，靜力加載至112 kN時(shí)的應(yīng)力分別為6.08、6.24 MPa，與初始應(yīng)力5.78 MPa相比分別增加了5.19%、7.96%。

圖14 疲勞加載后應(yīng)力測(cè)點(diǎn)S1#的靜載試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1）基于有限元分析，在鐵路鋼橋面結(jié)構(gòu)體系中鋪裝層最不利受力狀態(tài)位于橫隔板正上方，橫隔板附近面板的豎向位移梯度最大值為0.020%，鋪裝層最大拉應(yīng)力為3 MPa?；诖嗽O(shè)計(jì)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭忻姘宓呢Q向位移梯度最大值為0.021%，鋪裝層最大拉應(yīng)力為5.78 MPa，試驗(yàn)結(jié)果偏于安全。

2）經(jīng)400萬(wàn)次疲勞加載后，模型各位移、應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的值與荷載依然呈線性關(guān)系。經(jīng)200萬(wàn)次、400萬(wàn)次疲勞加載后，靜力加載至112 kN時(shí)，鋼構(gòu)件面板豎向位移梯度與初始值相比幾乎沒發(fā)生變化，鋪裝層最大拉應(yīng)力與初始值相比有較小的增幅，分別增加了5.19%、7.96%。

3）經(jīng)400萬(wàn)次疲勞加載后，結(jié)構(gòu)的承載性能良好，幾乎未發(fā)生劣化，鋪裝層表觀狀態(tài)良好，未出現(xiàn)疲勞裂紋或局部破碎等劣化現(xiàn)象，說(shuō)明該新型UHPC鋪裝體系對(duì)鐵路鋼橋面具有良好的適用性。