滬蘇通長江大橋鐵路UHPC組合橋面鋪裝層厚研究

郭福寬,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)

引言

目前，鐵路鋼橋面鋪裝可分為柔性和剛性兩種鋪裝體系[1-4]。柔性鋪裝材料主要有聚合物水泥混凝土、環(huán)氧瀝青混凝土、澆筑式瀝青混合料等[5-8]，主要參考公路鋼橋面鋪裝進行設計。由于瀝青類鋪裝設計年限一般為15年，遠低于橋梁主體結構設計年限100年，因此，存在后期養(yǎng)護和維修問題。對于鐵路橋梁而言，中斷鐵路運營進行養(yǎng)護維修十分困難。而剛性鋪裝體系，即在鋼橋面上布設長栓釘澆筑普通混凝土形成一體式混凝土道砟槽[9-10]，避免了柔性鋪裝老化問題，但其存在二期質量大，在大跨徑橋梁上應用困難等問題。

近年來，業(yè)內提出了一種超高性能混凝土組合鋼橋面鋪裝體系。超高性能混凝土(簡稱UHPC)具有超高力學性能和良好耐久性能[11-15]，將其引入鋼橋面結構，通過短栓釘與鋼橋面板相結合，形成組合鋪裝體系。在荷載作用下，該鋪裝體系可顯著改善鋼結構細節(jié)的疲勞性能，同時，UHPC層不會發(fā)生開裂破損[16-18]。目前，該鋪裝體系已應用于數(shù)十座公路橋梁工程中，取得了較好效果[19]。而鐵路鋼橋面應用較少，尚需深入研究。

UHPC層厚度直接影響鐵路組合橋面鋪裝的工作性能。為研究合理的UHPC層厚度，依托滬蘇通長江大橋工程，采用有限元法建立典型UHPC層厚度模型(根據(jù)構造要求和工程經(jīng)濟性，選取UHPC層厚分別為50，60，70 mm)，對比UHPC層應力情況及鋼橋面板構造細節(jié)的疲勞應力幅變化情況，進而探討合理UHPC層厚度，并對UHPC層厚為50 mm的組合橋面結構進行模型試驗，以考察其抗?jié)B性能。

1 工程概況

滬蘇通長江大橋主橋采用雙塔5跨鋼桁梁斜拉橋結構，橋跨布置為(142+462+1092+462+142) m。主梁為三主桁結構，桁間距17.25 m。主桁采用“N”形桁架，跨中桁高16 m，節(jié)點間距14 m。橋塔為鉆石形塔。該橋為公鐵兩用橋，上層為公路橋面，下層為鐵路橋面。鐵路橋面采用整體鋼箱橋面結構。其中，鋼箱頂、底板分3種厚度，分別為16，20，24 mm。頂板采用U形肋加勁，U肋上口寬300 mm、高280 mm、厚8 mm，橫向間距600 mm。同時，在每道鋼軌底部設置倒T形小縱梁加勁。鋼箱設有橫隔板，縱向間距為2 800 mm。主橋整體布置如圖1所示。

圖1 主橋總體布置(單位：m)

針對現(xiàn)有鐵路鋼橋面鋪裝的不足，提出超高性能混凝土組合鋼橋面鋪裝方案，以增強橋面防水效果，延長使用壽命。擬定UHPC組合鋪裝方案為：在鋼橋面板上鋪筑一層厚度為50～70 mm UHPC層，其中，UHPC層與鋼橋面板采用栓釘連接(規(guī)格為φ19 mm×35 mm，縱橫間距為300 mm×300 mm)。為提高UHPC層抗裂性能，UHPC層內部布設縱橫鋼筋網(wǎng)(規(guī)格為φ10 mm、HRB400，縱橫間距為100 mm×100 mm)，并在UHPC層上表面灑布一層厚度為2～3 mm高黏高彈瀝青。方案如圖2所示。

圖2 鐵路橋面鋪裝結構(單位：mm)

2 鋪裝結構分析

2.1 有限元模擬

采用有限元軟件分別建立整體和局部模型(UHPC層厚分別為50，60，70 mm)，如圖3所示。在局部模型建模過程中，為減小計算規(guī)模，模型縱向取中跨跨中14 m長段(含5道橫隔板)，橫橋向取半幅橋面梁結構。其中，鋼橋面板頂板、底板、U肋、小縱梁與橫隔板均采用SHELL63板殼單元模擬，UHPC、道砟、軌枕、鐵軌采用SOLID45實體單元模擬，UHPC與橋面板交界面采用耦合方式處理，以符合真實受力。荷載采用TB/T 3466—2016《鐵路列車荷載圖示》中ZK特種荷載。

圖3 有限元模型

計算過程主要考慮第一、二、三體系荷載作用的影響，重點分析UHPC層頂面拉應力和鋼橋面板細節(jié)疲勞應力幅。

2.2 結果分析

2.2.1 UHPC層頂面拉應力

UHPC抗壓強度通常不低于100 MPa，發(fā)生受壓破壞的可能性較低。因此，需重點關注UHPC層拉應力水平。將第一、二、三體系應力計算結果相加，即可得到UHPC層頂面在縱橫兩個方向拉應力。

計算表明：在最不利工況下，50 mm厚UHPC層頂面最大拉應力橫向為4.32 MPa，縱向為9.73 MPa；60 mm厚UHPC層頂面最大拉應力橫向為3.31 MPa，縱向為9.31 MPa；70 mm厚UHPC層頂面最大拉應力橫向為2.74 MPa，縱向為9.07 MPa。均低于同等鋼筋網(wǎng)間距下表面出現(xiàn)0.05 mm裂紋對應的試驗名義彎拉應力值12.7～13.3 MPa[20]；同時，也低于GDJTG/T A01-2015《超高性能輕型組合橋面結構技術規(guī)程》中同等鋼筋網(wǎng)間距下的名義彎拉應力值12.1 MPa，可確保裂紋寬度小于0.05 mm，滿足使用要求。

2.2.2 鋼橋面板疲勞細節(jié)應力

正交異性鋼橋面板容易疲勞開裂部位主要集中在加勁肋與頂板連接處、加勁肋與橫隔板連接處以及橫隔板弧形切口處，將重點針對以上3個部位疲勞應力進行計算分析，通過計算將結果匯總于表1，并與歐洲規(guī)范EC3[17]中500萬次循環(huán)對應的疲勞極限值對比。

由表1可知，采用UHPC組合橋面后鋼結構各疲勞細節(jié)最大應力幅為6.1～83.7 MPa，與無鋪裝鋼橋面各疲勞細節(jié)受力相比均有明顯下降，最大應力幅降幅為2.7%～72.2%。UHPC層厚度對小縱梁與頂板連接處應力影響較大，采用70 mm厚UHPC層時，最大應力幅降幅為72.2%；采用60 mm厚UHPC層時，最大應力幅降幅為68.2%；采用50 mm厚UHPC層時，最大應力幅降幅為61.0%；由于UHPC組合橋面鋼結構疲勞應力水平較低，低于常幅疲勞極限，因此，可基本消除后期鋼橋面板的疲勞開裂風險。

2.2.3 合理的UHPC層厚度

結合UHPC層頂面拉應力和鋼結構細節(jié)疲勞應力幅結果可知，3種不同厚度UHPC層均能滿足使用要求。由于鋼結構應力改善程度與局部剛度相關，根據(jù)JTG/T 3364—02—2019《公路鋼橋面鋪裝設計與施工技術規(guī)范》提供的鋼橋面鋪裝結構局部剛度公式，可得UHPC層厚度與局部剛度指標肋間撓度的關系曲線，如圖4所示。

圖4 UHPC層厚與肋間撓度關系曲線

由圖4可知，肋間撓度隨著UHPC層厚度增加而逐漸降低，曲線趨勢趨于平緩。當UHPC層厚分別為50，60，70 mm時，降幅分別為86.5%，91.7%，94.6%。即層厚為50～60 mm時，降幅已接近90.0%，繼續(xù)增加厚度，降幅效果不明顯。因此，理論上UHPC層的合理厚度區(qū)間為50～60 mm。

3 組合橋面抗?jié)B性能試驗

根據(jù)理論分析結果可知，組合鋪裝體系中UHPC層運營階段會產(chǎn)生一定量的裂紋，但裂紋寬度小于0.05 mm。由于鐵路橋面鋪裝的耐久性能是設計的關鍵內容，因此，需明確UHPC層在帶裂紋狀態(tài)下抵抗高水壓力滲透的能力。

3.1 試驗設計

試驗模型選取橫向單U肋、縱向2跨結構。模型長4 100 mm，寬600 mm，支點間距1850 mm。鋼結構部分鋼橋面板厚12 mm；U肋上口寬300 mm、下口寬180 mm、高260 mm、板厚6 mm；橫隔板厚8 mm。按最不利情況考慮，鋪裝層采用厚50 mmUHPC層，鋼橋面板與UHPC鋪裝層間采用φ19 mm×35 mm剪力釘連接，間距300 mm。模型尺寸如圖5所示。

圖5 模型結構尺寸布置(單位：mm)

為模擬水壓效應，本試驗制作了專用水壓試驗裝置，試驗裝置主要由反力橫梁、千斤頂、鋼制器體、橡膠墊圈、進出水調節(jié)及測試器件等部分組成。試驗時，將水壓裝置置于UHPC層表面，通過進出水口調節(jié)水壓力，以達到試驗需要的水壓力。水壓試驗裝置如圖6所示。

圖6 水壓試驗裝置

為模擬組合鋪裝體系不同的帶裂紋狀態(tài)，水壓試驗前，需先對3片試驗梁(U-1、U-2和U-3)分別施加不同的靜力荷載，然后依據(jù)TB/T 2965—2011《鐵路混凝土橋面防水層技術條件》和TB 10424—2018《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》，進行靜水壓力0.9 MPa(基于輪壓考慮)、2.0 MPa(即P20級)，鐵路橋面混凝土抗?jié)B性能要求下的抗水滲性能試驗。測點為中隔板頂面。

試驗梁U-1主要試驗步驟為：①無需靜力加載，直接進行水壓試驗；②在測點位置安裝水壓裝置，水壓裝置與UHPC層上表面間通過橡膠墊圈密貼并用千斤頂壓緊；③將含有酚酞試劑的加壓用水，通過進水口注入鋼制器體；④通過水壓力裝置上的進出水口調節(jié)水壓力(以0.1 MPa為一級，逐級加壓)，分別達到0.9，2.0 MPa壓力值；⑤加壓穩(wěn)定后，保持水壓8 h，每隔10 min觀察一次測點附近的滲水情況。

試驗梁U-2主要試驗步驟為：①對試驗梁進行靜力承載能力試驗，當中橫隔板混凝土表面裂紋寬度達到0.05 mm時，保持荷載進行水壓試驗；水壓試驗步驟與試驗梁U-1中②～⑤相同。

試驗梁U-3主要試驗步驟為：①對試驗梁進行靜力承載能力試驗，當中橫隔板混凝土表面裂紋寬度達到0.15 mm時，中橫板屈曲，保持荷載進行水壓試驗；水壓試驗步驟與試驗梁U-1中②～⑤相同。

3.2 試驗結果

通過對表面產(chǎn)生不同程度開裂情況的組合橋面試件進行水壓試驗，得到各測點的滲水情況。

(1)試驗梁U-1測點

在0.9 MPa水壓下，測點附近UHPC層上表面和側面均無滲水現(xiàn)象，水壓維持1 h后鋼板底部觀察孔內UHPC有輕微滲水現(xiàn)象；約2 h后，鋼板底部觀察孔內滲水現(xiàn)象消失，孔內干燥。在2.0 MPa水壓下，測點附近UHPC層上表面、側面及底部觀察孔均無滲水情況。

(2)試驗梁U-2測點

水壓≤0.5 MPa時，測點附近UHPC表面和側面無滲水現(xiàn)象，底部觀察孔有輕微滲水情況。當水壓介于0.5～2.0 MPa時，測點附近UHPC層上表面、側面及底部觀察孔均無滲水情況。

(3)試驗梁U-3測點

在0.9 MPa水壓下，測點附近UHPC層上表面、側面，鋼板底部觀察孔均有滲水現(xiàn)象。在2.0 MPa水壓下，測點處UHPC層上表面依然滲水，側面水從裂紋處噴出，鋼板底部觀察孔內UHPC濕潤。側面及底部滲水情況如圖7所示。

圖7 U-3測點試驗現(xiàn)象

試驗表明：50 mm厚UHPC層組合橋面體系在表面無裂紋時抗?jié)B性能滿足要求，可有效防止橋面水分滲透至鋼橋面板；組合鋪裝體系在裂紋寬度≤0.05 mm時，微裂紋隨著水壓增加而逐漸閉合，裂紋閉合后仍能滿足抗?jié)B要求；當組合鋪裝體系在極限荷載作用下，裂紋較多且較寬時，抗?jié)B能力不足，無法滿足抗?jié)B要求。

4 結論

UHPC層厚度直接影響鐵路組合橋面鋪裝的工作性能。為研究合理的UHPC層厚度，采用有限元法對UHPC層和鋼橋面板受力性能分析，進而探討UHPC層合理厚度區(qū)間，并通過模型試驗驗證其抗?jié)B性能，得到如下結論。

(1)3種厚度UHPC層均能有效抵抗荷載作用產(chǎn)生的拉應力，表面裂紋寬度控制在0.05 mm以內，滿足使用要求；同時，可顯著降低鋼橋面板細節(jié)疲勞應力幅，降幅達72.2%，基本上消除后期疲勞開裂風險。

(2)隨著UHPC層厚度增加，肋間撓度減小，局部剛度增大，鋼橋面板應力得到改善。當厚度介于50～60 mm時，肋間撓度降幅接近90.0%，鋼橋面板應力改善效果明顯。

(3)模型試驗表明，UHPC層表面裂紋寬度達到0.05 mm時，裂紋隨水壓增加而閉合，在2.0 MPa水壓下無滲水現(xiàn)象。因此，UHPC層能夠滿足P20級抗?jié)B要求，且具有一定的裂紋自修復能力。