超高性能混凝土組合橋面結(jié)構(gòu)疲勞性能分析

朱勇戰(zhàn)

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

隨著橋梁服役年限的增加，世界各國(guó)的鋼橋面板結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)了大量的疲勞裂紋和鋪裝層破壞案例，較為典型的如Severn橋、Van Brienenoord橋、Haseltal橋、日本部分高速公路和東京市內(nèi)高架橋等，我國(guó)1990年代開(kāi)始建造的虎門(mén)大橋、海滄大橋等在運(yùn)營(yíng)數(shù)年后即出現(xiàn)了鋼橋面病害現(xiàn)象[1]。國(guó)內(nèi)外的研究表明，鋼橋面疲勞開(kāi)裂的原因可分為三類(lèi)[2]：①鋼橋面在車(chē)輪作用下，關(guān)鍵部位產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，從而萌生大量裂紋；②約束環(huán)境下，焊接區(qū)域產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力大小很難預(yù)測(cè)，可能會(huì)比荷載產(chǎn)生的應(yīng)力更大；③制造加工開(kāi)孔形式和焊縫的不適當(dāng)，形成較為明顯的應(yīng)力集中引發(fā)點(diǎn)。日本鋼結(jié)構(gòu)委員會(huì)厚板焊接接頭調(diào)查研究分委員會(huì)曾于2007年對(duì)日本阪神高速公路和首都高速公路中約7 000個(gè)閉口縱肋正交異性鋼橋面板疲勞裂紋進(jìn)行過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，典型疲勞易損部位示意如圖1所示，主要疲勞裂紋類(lèi)型及其構(gòu)成如表1所示[1]。我國(guó)的正交異性鋼橋面板迄今發(fā)現(xiàn)的主要的疲勞裂紋類(lèi)型及其比例與上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致。

表1 正交異性鋼橋面板典型疲勞易損部位及病害占比

圖1 典型疲勞易損部位

傳統(tǒng)的鋼橋面鋪裝體系主要分為雙層SMA體系、環(huán)氧瀝青混凝土體系和澆注式瀝青混凝土體系。鋼橋面鋪裝層的破壞問(wèn)題主要是開(kāi)裂、與鋼橋面的分離、車(chē)轍和抗滑能力不足；另外，在我國(guó)鋼橋面鋪裝層必須面對(duì)一些更為現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題，比如嚴(yán)重的貨車(chē)超載，當(dāng)車(chē)輪壓力比設(shè)計(jì)活載大很多時(shí)，設(shè)計(jì)荷載模式從而不再合理，因此超載產(chǎn)生的破壞力也是設(shè)計(jì)必須考慮的實(shí)際問(wèn)題[3]。

為解決正交異性鋼橋面存在的普遍共性問(wèn)題，近年來(lái)提出了超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC)-正交異性板組合橋面結(jié)構(gòu)體系，可顯著提高橋面的局部剛度從而減小輪壓作用下的局部應(yīng)力[4-7]?；诔咝阅芑炷脸瑥?qiáng)的力學(xué)性能和耐久性，能夠有效抵抗常規(guī)橋面鋪裝抗拉、抗裂強(qiáng)度不足，同時(shí)解決鋼橋面疲勞開(kāi)裂和鋪裝層破壞兩大技術(shù)難題，故廊坊市光明橋采用超高性能混凝土組合橋面結(jié)構(gòu)體系，本文以此為例通過(guò)有限元計(jì)算分析和模型試驗(yàn)研究其力學(xué)性能。

1 工程概況

廊坊市光明橋上跨京滬高鐵、京滬鐵路，孔跨布置為(118+268+118)m，雙向6車(chē)道，考慮人行和非機(jī)動(dòng)車(chē)上橋。主梁為上加勁體系變高連續(xù)鋼桁梁[8]，主桁橫向間距24.2 m，橋面全寬34.2 m，橋面采用超高性能混凝土組合橋面結(jié)構(gòu)體系，鋪裝層為50 mm厚UHPC+30 mmSMA。鋼橋面為14 mm正交異性鋼橋面，U肋高280 mm，頂寬300 mm，底寬180 mm，板厚8 mm，橫向間距600 mm；主梁間橫梁采用魚(yú)腹式倒T形截面，板厚14 mm，間距2.80～3.05 m。主梁縱肋為連續(xù)結(jié)構(gòu)，橫梁處設(shè)U通過(guò)孔，所有縱梁、橫梁與鋼橋面板焊接成整體。

2 UHPC組合橋面抗疲勞性能研究

2.1 建立有限元計(jì)算模型

選取鋼桁梁一個(gè)節(jié)間長(zhǎng)度范圍內(nèi)橋面結(jié)構(gòu)，建立三維實(shí)體計(jì)算分析模型，節(jié)段模型縱向上包含4個(gè)節(jié)間，長(zhǎng)12.2 m，橫向取半幅橋面。UHPC層與瀝青混凝土磨耗層均采用實(shí)體單元，鋼板均采用板殼單元模擬，計(jì)算時(shí)假設(shè)鋪裝層與鋼橋面板間無(wú)相對(duì)滑移，提高模型計(jì)算效率，對(duì)輪載作用局部區(qū)域中的U肋、橫梁區(qū)域及跨中進(jìn)行了網(wǎng)格加密，網(wǎng)格尺寸為10 mm，非加密區(qū)域網(wǎng)格尺寸為100 mm，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 橋面板有限元計(jì)算模型

2.2 疲勞荷載

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)橋梁，交通荷載是導(dǎo)致疲勞破壞的主要因素。根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64-2015)，橋面系構(gòu)件應(yīng)采用疲勞荷載模型Ⅲ(疲勞模型已考慮動(dòng)力效應(yīng))，模型車(chē)軸載及分布見(jiàn)圖3所示。該模型為單車(chē)模式，不與其它車(chē)輛同時(shí)出現(xiàn)，車(chē)輛最重，輪數(shù)較少，適用于局部受力構(gòu)件的疲勞驗(yàn)算。根據(jù)城市橋梁荷載調(diào)研資料[9]，單軸軸重大于140 kN的超限車(chē)軸數(shù)量比例不足2%，其中90%以上的軸重均小于210 kN，因此考慮超載影響后，疲勞驗(yàn)算模型軸重采用210 kN，相當(dāng)于超載系數(shù)(210 kN/120 kN=1.75)。車(chē)輪橫橋向間距為2.0 m，順橋向間距為1.2 m，輪載作用面積為0.6 m×0.2 m。

圖3 疲勞荷載分布(單位：m)

荷載的縱向布置工況包含3個(gè)，分別為：A，兩車(chē)輪對(duì)稱(chēng)分布在橫梁兩側(cè)；B，一車(chē)輪作用在兩橫梁之間；C，兩車(chē)輪對(duì)稱(chēng)分布于兩橫梁之間，如圖4所示。結(jié)合英國(guó)規(guī)范BS5400的規(guī)定，針對(duì)重車(chē)道及相鄰行車(chē)道進(jìn)行加載計(jì)算，車(chē)輛中心線(xiàn)平行于車(chē)道中心線(xiàn)并在其臨近不超過(guò)0.3 m范圍內(nèi)，將雙軸荷載在車(chē)道上進(jìn)行橫向移動(dòng)加載，移動(dòng)步長(zhǎng)取0.15 m，以確定最不利加載位置，兩條車(chē)道共計(jì)10個(gè)加載工況，計(jì)算工況共包含30個(gè)，分別為A1～A10、B1～B10、C1～C10。

圖4 車(chē)輪加載示意(單位：mm)

2.3 疲勞計(jì)算結(jié)果

正交異性鋼橋面板典型的疲勞構(gòu)造細(xì)節(jié)有加勁肋與頂板連接構(gòu)造、加勁肋與橫梁、連接構(gòu)造及弧形切口處，研究選取的疲勞應(yīng)力計(jì)算位置即針對(duì)以上構(gòu)造，如圖5所示。

圖5 U肋應(yīng)力計(jì)算位置

分別對(duì)80 mm厚傳統(tǒng)柔性瀝青鋪裝和三種超高性能混凝土組合結(jié)構(gòu)體系鋼橋面方案進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6所示。

圖6 U肋與頂板及橫隔板連接的各應(yīng)力計(jì)算位置最大應(yīng)力幅

圖6給出了兩種常幅疲勞極限，其中500萬(wàn)次常幅疲勞極限為歐洲規(guī)范EC3采用值，1 000萬(wàn)次常幅疲勞極限為英國(guó)規(guī)范BS5400采用值。疲勞計(jì)算結(jié)果顯示：①光明道立交橋采用傳統(tǒng)80 mm厚瀝青混凝土鋪裝方案，U肋與頂板連接構(gòu)造中U肋側(cè)的應(yīng)力幅值超過(guò)了500萬(wàn)次常幅疲勞極限，具有較大的疲勞開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。②采用組合橋面體系后，三種方案的加勁肋與面板連接構(gòu)造、加勁肋與橫梁連接構(gòu)造及弧形切口的應(yīng)力幅值基本低于1 000萬(wàn)次常幅疲勞極限，滿(mǎn)足無(wú)限疲勞壽命的要求；14 mm鋼板+50 mmUHPC+30 mmSMA方案具有較好的經(jīng)濟(jì)性和抗疲勞性能。

3 組合橋面體系UHPC層抗裂性分析

3.1 有限元計(jì)算分析

橋梁整體計(jì)算采用Midas有限元分析軟件，橋面板采用板單元建立，整體模型板單元結(jié)果涵蓋了一、二體系的受力，以主桁下弦桿軸力引起的軸向應(yīng)力作為面板結(jié)構(gòu)的第一體系應(yīng)力。主桁下弦桿在汽車(chē)活載、人群活載、支座沉降、溫度、風(fēng)組合作用下，最大拉應(yīng)力為39.7 MPa，如圖7所示，發(fā)生在主跨跨中范圍內(nèi)。由于UHPC層與面板通過(guò)密集短剪力釘連接形成組合結(jié)構(gòu)，且面板結(jié)構(gòu)相對(duì)于主桁而言，高度較小，為計(jì)算簡(jiǎn)便，面板與UHPC層的應(yīng)變可視為相等，UHPC的應(yīng)力由兩者的彈模比(UHPC彈模取44.1 GPa，鋼材彈模取220 GPa)換算得到，UHPC層的最大拉應(yīng)力為7.9 MPa，發(fā)生在主跨跨中范圍內(nèi)。

圖7 主桁下弦桿軸力引起的軸向應(yīng)力(單位：MPa)

UHPC層第二、三體系計(jì)算模型與鋼橋面板疲勞計(jì)算模型相同，所用的軸載和邊界條件均一致。組合橋面體系UHPC層順/橫橋向拉應(yīng)力如圖8所示，各計(jì)算工況的順/橫橋向最大拉應(yīng)力見(jiàn)表2。

圖8 組合橋面UHPC層拉應(yīng)力(單位：MPa)

表2 組合橋面體系方案UHPC層最大拉應(yīng)力匯總 MPa

光明道鋼橋面設(shè)計(jì)選用14 mm鋼板+50 mmUHPC+30 mmSMA10的組合橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，根據(jù)疲勞和抗裂計(jì)算分析結(jié)果，考慮體系疊加效應(yīng)后，橋面鋪裝順橋向最大拉應(yīng)力16.9 MPa，橫橋向最大拉應(yīng)力16.5 MPa。

3.2 模型試驗(yàn)研究

為研究鋼-UHPC組合橋面板在局部車(chē)輪壓力作用下UHPC板靜力開(kāi)裂強(qiáng)度，進(jìn)行了鋼-UHPC組合橋面板順橋向彎曲試件以及6塊橫橋向彎曲試件的兩點(diǎn)對(duì)稱(chēng)負(fù)彎矩加載試驗(yàn)。兩類(lèi)試驗(yàn)均采用兩點(diǎn)對(duì)稱(chēng)加載方式，UHPC面朝下放置，順橋向彎曲試件純彎段長(zhǎng)度為700 mm，橫彎試件純彎段長(zhǎng)度為400 mm。順橋向彎曲試件如圖9所示，橫橋向彎曲試件如圖10所示。鋼-UHPC組合橋面板試驗(yàn)試件根據(jù)結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行等效設(shè)計(jì)，順橋向間距600 mm、高280 mm、板厚8 mm的U肋等效為高度和板厚相同的T型肋，橫橋向直接為14 mm厚橋面鋼板與5 cm厚的UHPC組合結(jié)構(gòu)試件。

圖9 順橋向彎曲試件構(gòu)造(單位：mm)

圖10 橫橋向彎曲試件構(gòu)造(單位：mm)

試驗(yàn)分析了不同順、橫橋向鋼筋的擺放形式與多種鋼筋布置間距對(duì)鋼-UHPC組合橋面板開(kāi)裂強(qiáng)度的影響(試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3)。試驗(yàn)加載過(guò)程如圖11所示，順橋向彎曲試驗(yàn)豎向加載從0逐漸加載至230 kN，每次加載的荷載步為5 kN；橫橋向彎曲試驗(yàn)豎向加載從0逐漸加載至10 kN，每次加載的荷載步為0.2 kN。試驗(yàn)過(guò)程記錄試件加載與對(duì)應(yīng)的混凝土表面裂紋，根據(jù)所加荷載按組合截面毛截面計(jì)算試件UHPC層表面名義拉應(yīng)力，得到各試件UHPC層表面出現(xiàn)0.05 mm寬度裂縫時(shí)的名義拉應(yīng)力。

表3 不同構(gòu)造參數(shù)開(kāi)裂強(qiáng)度

圖11 彎曲試件加載

由模型試驗(yàn)結(jié)果可知，采取50 mm間距鋼筋網(wǎng)、橫橋向鋼筋在上的構(gòu)造時(shí)，組合橋面體系UHPC層橫向開(kāi)裂強(qiáng)度為19.4～20.8 MPa，順橋向開(kāi)裂強(qiáng)度為21.2～30.0 MPa。光明道立交橋組合橋面體系中順、橫橋向拉應(yīng)力均未達(dá)到開(kāi)裂應(yīng)力，在設(shè)計(jì)荷載作用下，組合橋面體系中UHPC層能夠滿(mǎn)足抗裂性能要求，且具備較大的靜力承載能力富余度。

4 結(jié)論

(1)UHPC具有超高的力學(xué)能力和耐久性，能夠滿(mǎn)足組合橋面結(jié)構(gòu)體系的使用需求。

(2)采用超高性能混凝土組合橋面結(jié)構(gòu)體系，能夠較大程度降低正交異性鋼橋面各構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞應(yīng)力幅值，理論上實(shí)現(xiàn)無(wú)限疲勞壽命。

(3)組合橋面體系UHPC層具有較好的抗裂性能，設(shè)計(jì)荷載作用下，光明道立交橋組合橋面體系UHPC層順橋向、橫橋向均未出現(xiàn)裂紋，名義應(yīng)力達(dá)到19.4 MPa時(shí)出現(xiàn)0.05 mm寬裂紋。