鋼橋面聚氨酯改性環(huán)氧樹脂黏結(jié)層的受力特性

摘要：為分析鋼箱梁鋪裝層與鋼橋面黏結(jié)層間的受力特性，采用有限元軟件ANASYS建立鋼箱梁整橋模型，采用聚氨酯改性環(huán)氧樹脂作為鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的黏結(jié)層，模擬計算分析車輛荷載工況、鋼橋跨徑、鋪裝層厚度、黏結(jié)層厚度、溫度變化、水平荷載等不同因素對黏結(jié)層界面受力的影響。結(jié)果表明：正常行駛條件下，黏結(jié)層界面橫向剪應(yīng)力顯著大于縱向剪應(yīng)力，車輛荷載作用于鋼箱梁間且距橫隔梁縱向距離越大時黏結(jié)層界面剪應(yīng)力越不利，荷載作用于鋼箱梁邊緣且靠近橫隔梁時界面法向拉應(yīng)力最不利；鋼橋跨徑對黏結(jié)層受力影響較小；隨黏結(jié)層厚度增大，黏結(jié)層界面剪應(yīng)力減小，法向拉應(yīng)力增大；隨鋪裝層厚度增大，黏結(jié)層界面剪應(yīng)力和界面法向拉應(yīng)力減??；隨溫度升高，黏結(jié)層界面應(yīng)力顯著減??；隨摩擦因數(shù)增大，黏結(jié)層界面剪應(yīng)力增大，法向拉應(yīng)力變化不大。

關(guān)鍵詞：鋼箱梁；橋面鋪裝；聚氨酯改性環(huán)氧樹脂；黏結(jié)層界面受力；應(yīng)力

中圖分類號：U448.36文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1672-0032（2024）03-0077-07

引用格式：張朋，劉本立，單景松，等.鋼橋面聚氨酯改性環(huán)氧樹脂黏結(jié)層的受力特性［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報，2024，32（3）：77-83.

ZHANG Peng， LIU Benli， SHAN Jingsong， et al. Stress characteristics of the polyurethane-modified epoxy resin bonding layer on the steel bridge deck［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（3）：77-83.

0 引言

鋪裝層與鋼橋面板間通過黏結(jié)層牢固粘結(jié)成一體，共同承擔(dān)交通荷載引起的變形與應(yīng)力，黏結(jié)層的力學(xué)性能對鋪裝層的使用性能有較大影響^[1-3]。分析鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的受力特性，可得到鋼橋面鋪裝體系的受力規(guī)律及其在不同因素下的最不利受力位置^[4-6]。王剛等^[7]研究發(fā)現(xiàn)，橋面鋪裝最不利荷載位置是縱向兩橫隔板中心處，橫向單輪荷載中心為加勁肋開口中心的鋪裝層表面處。馮蕾等^[8]模擬得到極限溫度應(yīng)力出現(xiàn)在鋪裝層表面處，降溫幅度對鋪裝層內(nèi)溫度應(yīng)力的影響十分明顯。苗祿偉等^[9]研究發(fā)現(xiàn)，面層最大拉應(yīng)力隨鋪裝上層厚度的增大而不斷增大。

以黏結(jié)層為主要研究對象，

諸多學(xué)者發(fā)現(xiàn)界面應(yīng)力的變化規(guī)律：楊中才等^[10]進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明在超載剎車狀態(tài)和超載時，雙層鋪裝瑪蹄脂碎石混合料（stone mastic asphalt，SMA）結(jié)構(gòu)層間剪應(yīng)力均不大于0.4 MPa；劉云等^[11]發(fā)現(xiàn)，立轉(zhuǎn)式開啟橋開啟狀態(tài)下，鋪裝層與鋼板間的層間剪應(yīng)力增幅明顯大于通車運營條件下的層間應(yīng)力；錢振東等^[12]分析發(fā)現(xiàn)，在整橋-溫度-重載多場耦合作用下，車輛荷載作用對黏結(jié)層的層間橫向剪應(yīng)力的貢獻(xiàn)率為80.1%，對黏結(jié)層層間縱向剪應(yīng)力的貢獻(xiàn)率為89.3%；Wang等^[13]發(fā)現(xiàn)，層間不完全黏結(jié)區(qū)的位置和面積對SMA層頂部和澆筑式瀝青混合料層底部的拉伸應(yīng)變有顯著影響，拉伸應(yīng)變隨脫開面積的增大而增大。

以新材料優(yōu)化鋪裝結(jié)構(gòu)為研究對象，Ma等^[14]采用某種高延展性工程水泥基復(fù)合材料作為橋面鋪裝材料，橋面結(jié)構(gòu)的界面黏結(jié)程度可滿足鋼橋面在準(zhǔn)靜荷載作用下的要求；Niu等^[15]模擬計算聚酯型聚氨酯混凝土在單層鋼橋鋪裝結(jié)構(gòu)中的最大抗拉強度為0.51 MPa，最大抗壓強度為3.52 MPa，遠(yuǎn)小于試驗極限強度；Liu等^[16]發(fā)現(xiàn)環(huán)氧黏結(jié)片層與鋼間的剪切強度較大，適合做鋼橋防水黏結(jié)層材料；Liu等^[17]以高含量聚氨酯黏結(jié)劑聚合物作為鋼橋路面的防護層，通過試驗測試發(fā)現(xiàn)高性能聚合物混合物（high-performance polymer mixture，HPPM）抗壓強度較高，抗裂性較強，變形適應(yīng)性優(yōu)異。國內(nèi)外對鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的受力特性已有較多研究，但考慮鋼橋特點針對黏結(jié)層受力特性的研究較少。

本文研究鋼橋面聚氨酯改性環(huán)氧樹脂黏結(jié)層的受力特性，探究在不同荷載工況、黏結(jié)層厚度、鋪裝層厚度、大氣溫度及水平荷載下的鋼橋結(jié)構(gòu)黏結(jié)層層間受力特性，以期為同類工程提供理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐。

1 鋼橋有限元模型

1.1 鋼橋參數(shù)及單元類型

鋼梁-混凝土梁組合箱梁橋跨徑為30～70 m，寬34 m，橫隔梁間距為5 m，主梁橫向中心間距為5.74 m，頂板厚38 mm，腹板、底板、橫隔板分別長16、24、12 mm，U型箱梁上開口3.2 m，底板寬2.4 m。采用有限元軟件ANASYS建模，鋼橋結(jié)構(gòu)采用殼體單元Shell181，彈性模量為210.0 GPa。瀝青鋪裝層及防水黏結(jié)層采用實體單元Solid185，瀝青鋪裝層靜態(tài)彈性模量為1.2 GPa，主梁兩端為簡支約束，鋼橋面及鋪裝層有限元模型如圖1所示。

1.2 車輛荷載及工況

采用簡化的雙輪標(biāo)準(zhǔn)荷載，取單側(cè)輪胎接地區(qū)域為長0.6 m、寬0.2 m的矩形，雙輪間距為1.2 m。為確定黏結(jié)層受力最不利位置，沿橫向設(shè)置3個車輛加載位置，縱向設(shè)置4個車輛加載位置，組成12種工況，如圖2所示，縱向作用位置分別為中間橫隔梁及距中間橫隔梁0.5、1.5、2.5 m處。以×-×表示荷載位置，橫向位置編號在前，縱向位置編號在后，例如1-2表示橫向位置為1，縱向位置為2。

1.3 聚氨酯改性環(huán)氧樹脂黏結(jié)層

采用層鋪法形成邊長為5 cm的聚氨酯改性環(huán)氧樹脂混凝土立方體試件，交替撒布樹脂與撒布碎石。主要步驟為：取邊長為5 cm的立方體模具，在模具中撒布第1層聚氨酯改性環(huán)氧樹脂，面密度為2.1 kg/m²，待樹脂流平后，撒布第1層玄武巖碎石，厚3～5 mm，面密度為6.0 kg/m²；固化完成后撒布第2層聚氨酯改性環(huán)氧樹脂，面密度為2.7 kg/m²，樹脂流平后，撒布第2層玄武巖碎石，面密度為6.0 kg/m²。重復(fù)以上步驟，直至達(dá)到預(yù)設(shè)鋪設(shè)厚度。

采用疲勞試驗機MTS壓縮聚氨酯改性環(huán)氧樹脂混凝土立方體試件，得到試件的應(yīng)力-應(yīng)變擬合曲線，如圖3所示，擬合曲線各參數(shù)如表1所示。線性擬合應(yīng)力-應(yīng)變曲線線性彈性階段，聚氨酯改性環(huán)氧樹脂彈性模量約為7 GPa。設(shè)置聚氨酯改性環(huán)氧樹脂黏結(jié)層的彈性模量為7 GPa進(jìn)行有限元分析。

2 黏結(jié)層受力特性分析

2.1 荷載工況

在12種荷載工況下，對界面層進(jìn)行受力模擬分析，得到黏結(jié)層-鋪裝層、黏結(jié)層-鋼板界面間的橫向剪應(yīng)力、縱向剪應(yīng)力和法向拉應(yīng)力的變化趨勢，如圖4所示。

由圖4a）～d）可知：黏結(jié)層-鋪裝層、黏結(jié)層-鋼板界面的橫向剪應(yīng)力與縱向剪應(yīng)力在橫向工況1隨縱向位置的變化而顯著增大，距橫隔梁的距離越遠(yuǎn)，界面橫向、縱向剪應(yīng)力越大，且橫向剪應(yīng)力明顯大于縱向剪應(yīng)力，因此，不重點分析縱向剪應(yīng)力。如車輪荷載位于工況1-4時，黏結(jié)層-鋪裝層界面橫向剪應(yīng)力為0.265 MPa，黏結(jié)層-鋼板界面橫向剪應(yīng)力為0.271 MPa，此工況為界面橫向剪應(yīng)力最不利工況。由圖4e）、f）可知：界面最大法向拉應(yīng)力出現(xiàn)在工況3-1處，后續(xù)計算分析以1-4作為橫向剪應(yīng)力的最不利位置，3-1作為法向拉應(yīng)力的最不利位置。

2.2 鋼橋跨徑

鋼梁-混凝土梁組合梁跨徑分別為30、40、50、60、70 m，分析跨徑對黏結(jié)層受力的影響，結(jié)果如表2所示。

由表2可知：黏結(jié)層-鋪裝層、黏結(jié)層-鋼板界面的應(yīng)力隨跨徑增大而變化的幅度較小，說明跨徑對鋪裝黏結(jié)層的受力影響較小，可忽略不計。原因是車輛荷載作用下鋼箱梁和橫隔梁分別起到橫向支點和縱向支點作用，鋼橋的力學(xué)響應(yīng)主要發(fā)生在軸載相近的鋼箱梁和橫隔梁間隔內(nèi)，距車輛荷載作用位置越遠(yuǎn)，力學(xué)響應(yīng)越小。鋼橋跨徑為30～70 m時最大橫向剪應(yīng)力、法向拉應(yīng)力的變化范圍未超過20 kPa，影響較小。同一工況下，鋼橋的受力特性與跨徑關(guān)系較小。下文均選用跨徑為50 m的鋼橋計算分析各參數(shù)對黏結(jié)層應(yīng)力的影響。

2.3 鋪裝結(jié)構(gòu)

2.3.1 黏結(jié)層厚度

研究不同黏結(jié)層厚度對黏結(jié)層受力特性的影響，設(shè)瀝青鋪裝層厚40 mm，黏結(jié)層厚度分別為10、15、20、25 mm時模擬分析界面應(yīng)力，結(jié)果如表3所示。

由表3可知：界面最大橫向剪應(yīng)力隨黏結(jié)層厚度的增大而減小，如黏結(jié)層厚度為20 mm時，黏結(jié)層-鋪裝層界面最大橫向剪應(yīng)力比黏結(jié)層厚度為10 mm時減小30.7%；界面法向拉應(yīng)力隨黏結(jié)層厚度的增大而明顯增大。增大黏結(jié)層厚度可有效減小界面橫向剪應(yīng)力，但界面法向拉應(yīng)力增大。原因是聚氨酯改性環(huán)氧黏結(jié)層的彈性模量較大，黏結(jié)層厚度增大時其整體剛度增大，荷載作用下鋪裝結(jié)構(gòu)與鋼橋面間水平相對位移減小，剪應(yīng)力減小，由翹曲作用形成界面拉應(yīng)力，最大界面拉應(yīng)力位于箱梁梁肋附近，黏結(jié)層越厚，翹曲作用越明顯，界面拉應(yīng)力隨黏結(jié)層厚度的增大而增大^[18-19]。

2.3.2 鋪裝層厚度

設(shè)黏結(jié)層厚度為10 mm，分析瀝青鋪裝層厚度分別為40、60、80、100 mm時，鋪裝層厚度對黏結(jié)層受力特性的影響，結(jié)果如表4所示。

由表4可知：黏結(jié)層-鋪裝層和黏結(jié)層-鋼板界面的最大橫向剪應(yīng)力、法向拉應(yīng)力均隨鋪裝層厚度的增大而減小，說明適當(dāng)增大鋪裝層厚度可有效減小黏結(jié)層界面的應(yīng)力。瀝青鋪裝層厚度變化對界面拉應(yīng)力的影響規(guī)律與黏結(jié)層厚度對界面拉應(yīng)力的影響規(guī)律相反，以黏結(jié)層-鋪裝層界面應(yīng)力為例，鋪裝層厚度由40 mm增至100 mm時，界面最大法向拉應(yīng)力由252.10 kPa降至110.48 kPa，減小56.18%，原因是鋪裝層彈性模量比黏結(jié)層和鋼橋小，剛度較小，鋪裝層增厚限制黏結(jié)薄層的翹曲作用^[20-21]。

2.4 溫度變化

為模擬攝氏溫度變化對黏結(jié)層受力特性的影響，將聚氨酯改性環(huán)氧樹脂黏結(jié)層彈性模量E_s與瀝青層彈性模量進(jìn)行組合，取攝氏溫度t分別為0、20、40、80 ℃，瀝青混凝土靜態(tài)彈性模量隨溫度變化的擬合公式為：

{E_s}=3 194.5exp（－0.039{t}），（1）

式中：{E_s}為以MPa為單位的E_s的數(shù)值，{t}為以℃為單位的t的數(shù)值。

聚氨酯改性環(huán)氧樹脂薄層的靜態(tài)彈性模量E_j隨攝氏溫度變化的擬合公式為：

{E_j}=－0.000 5{t}²－0.032{t}+7.54，（2）

式中{E_j}為以MPa為單位的E_j的數(shù)值。

根據(jù)式（1）（2）得到不同溫度下鋪裝層與黏結(jié)層的彈性模量，模擬中設(shè)置材料不同彈性模量對應(yīng)代替實現(xiàn)不同溫度下的受力情況，彈性模量隨攝氏溫度的升高而減小。模量組合對黏結(jié)層界面應(yīng)力的影響如表5所示。

由表5可知：隨攝氏溫度升高，黏結(jié)層-鋪裝層、黏結(jié)層-鋼板界面最大橫向剪應(yīng)力、界面最大法向拉應(yīng)力均顯著減小。原因是攝氏溫度升高時黏結(jié)層與鋪裝層的彈性模量均明顯減小，鋪裝結(jié)構(gòu)層模量變化對整個鋼橋的受力變形影響較小，黏結(jié)層和鋪裝層的界面橫向剪應(yīng)力、法向拉應(yīng)力與鋪裝結(jié)構(gòu)層彈性模量成正比^[22-23]。

2.5 水平荷載

為研究車輛制動對黏結(jié)層受力的影響，考慮路表水平力的作用，以摩擦因數(shù)表示水平力的大小。設(shè)置摩擦因數(shù)為0（正常行駛）、0.20（一般情況剎車）、0.50（緊急剎車）及0.75（特殊路段緊急剎車）4種情況，分析水平荷載對黏結(jié)層界面應(yīng)力的影響，如表6所示。

由表6可知：隨摩擦因數(shù)的增大，黏結(jié)層-鋼板界面、黏結(jié)層-鋪裝層界面最大縱向剪應(yīng)力均線性增大。摩擦因數(shù)為0.75時，黏結(jié)層-鋼板界面最大縱向剪應(yīng)力比摩擦因數(shù)為0時增大141%，黏結(jié)層-鋪裝層界面最大縱向剪應(yīng)力比摩擦因數(shù)為0時增大141%；黏結(jié)層-鋪裝層、黏結(jié)層-鋼板界面法向拉應(yīng)力在摩擦因數(shù)變化時基本無變化。

3 結(jié)論

1）對聚氨酯環(huán)氧樹脂碎石材料作為鋼橋面黏結(jié)層的受力特性進(jìn)行仿真分析，考慮車輛荷載位置、鋼橋跨徑、鋪裝結(jié)構(gòu)厚度等因素，正常行駛條件下，車輛荷載橫橋向作用于鋼箱梁間位置且縱向位于橫隔梁中間位置時黏結(jié)層-鋪裝層、黏結(jié)層-鋼橋界面剪應(yīng)力最不利，橫向剪應(yīng)力明顯大于縱向剪應(yīng)力。荷載作用于鋼箱梁上方且靠近橫隔梁時，為黏結(jié)層-鋪裝層與黏結(jié)層-鋼橋面的界面法向拉應(yīng)力最不利位置。

2）鋼箱梁跨徑大于30 m時，跨徑變化對黏結(jié)層界面應(yīng)力的影響較小。黏結(jié)層厚度增大時界面最大剪應(yīng)力減小，法向拉應(yīng)力明顯增大。隨瀝青鋪裝層厚度增大，黏結(jié)層界面剪應(yīng)力和法向拉應(yīng)力均顯著減小。

3）隨大氣溫度升高，聚氨酯改性環(huán)氧樹脂黏結(jié)層和瀝青鋪裝層的彈性模量均大幅減小，黏結(jié)層-鋪裝層、黏結(jié)層-鋼板界面應(yīng)力也顯著減小。車輛水平荷載對黏結(jié)層層間縱向剪應(yīng)力的影響較大，對層間法向拉應(yīng)力的影響較小，隨水平荷載增大，黏結(jié)層的層間縱向剪應(yīng)力線性增大。

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Stress characteristics of the polyurethane-modified epoxy resin

bonding layer on the steel bridge deck

ZHANG Peng¹， LIU Benli¹， SHAN Jingsong²， ZHAO Haijian¹，

SONG Chengfa²， CHEN Zixuan¹

1.Shandong Road and Bridge Construction Group Co.， Ltd.， Jinan 250013， China；

2.College of Civil Engineering and Architecture， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China

Abstract：To analyze the force characteristics between the steel box girder pavement layer and the steel bridge deck bonding layer， a steel box girder bridge model is established using the finite element software ANASYS. Polyurethane-modified epoxy resin is used as the bonding layer for the steel bridge deck pavement structure. Various vehicle load conditions， steel bridge spans， pavement layer thicknesses， bonding layer thicknesses， temperature variations， and horizontal loads are simulated and analyzed to study the force effects on the bonding layer. The results indicate that under normal driving conditions， the transverse shear stress at the bonding layer interface is significantly greater than the longitudinal shear stress. The most unfavorable condition for the shear stress at the bonding layer interface is when the vehicle load acts between steel box girders and longitudinally away from the transverse diaphragm. When the load acts on the edge of the steel box girder and near the transverse diaphragm， the normal tensile stress between layers is most unfavorable. The span has little influence on the force of the bonding layer. As the thickness of the bonding layer increases， the shear stress at the" interface"decreases while the normal tensile stress increases. With the increase of pavement layer thickness， the transverse shear stress at the bonding layer interface and the normal tensile stress between layers decreases. With the rise in ambient temperature， the stress at the bonding layer interface significantly decreases. As the friction coefficient increases， the shear stress at the interface increases， while the normal tensile stress remains relatively unchanged.

Keywords：steel box girder; bridge deck pavement; polyurethane-modified epoxy resin; interface force of bonding layer；stress

（責(zé)任編輯：王惠）