郭福寬 周尚猛

（1.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點實驗室，武漢 430034；2.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，武漢 430034）

0 引 言

鋼橋中橋面鋪裝問題一直以來是鋼橋領(lǐng)域的重點和難點。常用的鋪裝結(jié)構(gòu)有環(huán)氧瀝青混凝土、澆筑式瀝青混凝土、雙層SMA等，主要為柔性鋪裝結(jié)構(gòu)。由于瀝青混凝土材料彈性模量較小，對提升橋面局部剛度作用有限，在車輛荷載作用下，橋面局部變形較大，橋面系結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，加上交通荷載繁重，極易出現(xiàn)疲勞破壞。而瀝青鋪裝層在這種支撐條件下，也容易出現(xiàn)開裂和脫層等病害［1］。

近年來業(yè)內(nèi)提出一種新型組合鋼橋面鋪裝，該鋪裝引入超高性能混凝土（簡稱UHPC）材料作為結(jié)構(gòu)層，與鋼橋面板之間采用短剪力釘結(jié)合，形成組合鋪裝結(jié)構(gòu)。由于UHPC具有良好的抗拉性能，在荷載作用下不易發(fā)生開裂，同時鋼橋面板與UHPC層組合后，大幅度增加了鋼橋面板的局部剛度，有效地減小了鋼橋面的疲勞應(yīng)力幅［2-6］。目前該橋面鋪裝已經(jīng)較多應(yīng)用于公路和鐵路橋梁工程中［7］，但該橋面鋪裝在城市快速路工程應(yīng)用較少。與公路橋梁相比，城市橋梁具有行車數(shù)量多、車速慢、堵車幾率大、大型車較少等特點，且現(xiàn)行《城橋規(guī)》［8］和《公橋規(guī)》［9］中車輛荷載取值明顯不同。因此開展湘府路城市快速路組合鋼橋面鋪裝方案研究顯得尤為必要。本文通過鋪裝各層理論分析和足尺寸模型靜力與疲勞試驗，考察瀝青面層支撐條件、超高性能混凝土層抗裂性能和鋼橋面板疲勞性能，旨在解決組合橋面鋪裝在湘府路城市快速路上應(yīng)用的適用性問題。

1 工程概況

湘府路城市快速路地處長沙城區(qū)南部，是在現(xiàn)有湘府路主干道上架設(shè)高架橋而形成的城市快速路，呈東西走向，全長約12 km。西接湘府路湘江大橋，東接瀏陽河橋，沿線跨越多條主干路。在滿足快速化施工和跨越能力的前提下，湘府路重點跨線橋采用了大跨度連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，橋面體系為正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)形式。

限于篇幅，本文以湘府路工程中的跨京珠高速橋為例進(jìn)行鋼橋面鋪裝研究，其他跨線橋與其類似。

跨京珠高速橋是一座跨線連續(xù)鋼箱梁橋，跨徑布置為（58+72+48）m。主梁采用雙邊式鋼箱梁，單側(cè)邊箱梁寬2.6 m、高2.5 m。邊箱之間設(shè)置3道倒T型縱梁，高度為1.2～2.5 m。橋面設(shè)置雙向橫坡，坡度為2%。橋面結(jié)構(gòu)采用正交異性橋面板，頂板厚度為12 mm、16 mm，加勁肋為U形和板肋兩種，U肋厚度為6 mm、8 mm。箱梁設(shè)置有橫隔板，縱向間距為3 m，隔板厚度為8 mm、10 mm、12 mm。橋梁外形尺寸如圖1所示。

圖1 跨京珠高速橋示意圖（單位：mm）Fig.1 Schematic diagram of Beijing Zhuhai Expressway Bridge（Unit：mm）

2 鋪裝方案

2.1 應(yīng)用案例調(diào)研

通過工程調(diào)研可知，國內(nèi)有接近二十余座橋梁工程采用了超高性能混凝土組合鋼橋面鋪裝，基本上包括了大多數(shù)橋型。部分典型案例及使用現(xiàn)狀如表1所示。

表1 超高性能混凝土組合鋼橋面鋪裝部分典型案例及使用現(xiàn)狀Table 1 Typical cases and application status of super high performance concrete composite steel deck pavement

從表1可以看出，組合鋼橋面鋪裝于2011年在廣東馬房大橋上應(yīng)用，在重交通、車輛超載嚴(yán)重的情況下，已經(jīng)良好運(yùn)營10年，無病害發(fā)生，超過傳統(tǒng)鋼橋面瀝青鋪裝的通常使用壽命（一般使用壽命為5年）。采用組合鋼橋面鋪裝可大大降低橋面鋪裝病害，節(jié)約后期養(yǎng)護(hù)成本。在鋼橋上大規(guī)模推廣應(yīng)用該橋面鋪裝將是一種趨勢。

2.2 鋪裝方案設(shè)計

根據(jù)應(yīng)用案例調(diào)研，為了減少后期鋪裝病害，降低養(yǎng)護(hù)成本。湘府路鋼橋面擬采用超高性能混凝土組合鋼橋面鋪裝。擬采用的鋪裝結(jié)構(gòu)自下至上依次為50 mmUHPC層+纖維增強(qiáng)橋面粘結(jié)防水層+32 mmSMA10瀝青混凝土，如圖2所示。UHPC性能指標(biāo)：抗壓強(qiáng)度≥100 MPa；抗折強(qiáng)度≥25 MPa；彈性模量≥40 GPa。UHPC層與鋼橋面板之間采用剪力釘連接，剪力釘材質(zhì)為ML15AL，規(guī)格為φ19×35 mm，縱、橫向布置間距為300 mm×300 mm。UHPC內(nèi)部設(shè)有鋼筋網(wǎng)，由φ10 mm的HRB400鋼筋構(gòu)成。鋼筋間距為50 mm（縱向，下層，φ10 mm）×50 mm（橫向，上層，φ10 mm），上表面凈保護(hù)層厚度為15 mm。

圖2 湘府路鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)（單位：mm）Fig.2 Steel deck pavement structure of Xiangfu Road（Unit：mm）

3 鋪裝結(jié)構(gòu)分析

本節(jié)將通過鋪裝各層理論分析和足尺寸模型靜力與疲勞試驗，重點考察瀝青面層支撐條件、超高性能混凝土層抗裂性能和鋼橋面板疲勞性能。

3.1 瀝青面層支撐條件分析

在組合鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)中瀝青混凝土面層主要起到分散輪載，提高行車舒適性和穩(wěn)定性作用。橋面系的局部剛度對瀝青面層的使用壽命有著至關(guān)重要的影響。因此本節(jié)對橋面局部剛度進(jìn)行分析。

為了便于分析，組合鋼橋面鋪裝與同厚度的瀝青混凝土鋪裝對比，依據(jù)文獻(xiàn)［10］提供的方法對兩者的橋面局部剛度進(jìn)行對比分析，計算如圖3所示，兩種局部剛度結(jié)果如表2所示。

圖3 橋面系剛度計算示意圖Fig.3 Rigidity calculation diagram of bridge deck system

表2 橋面局部剛度計算表Table 2 Calculation table of local stiffness of bridge deck

由表2可知，與同厚度的瀝青混凝土相比，組合鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)肋間相對撓度降低74%，曲率半徑提升3.8倍，顯著提高了橋面系局部剛度，進(jìn)而大大改善了瀝青混凝土面層的支撐條件，面層使用壽命大大延長。

3.2 UHPC層受力性能分析

3.2.1 UHPC層受力性能有限元分析

通過整體和局部有限元模型分析，可以得到UHPC層第一體系和第二、三體系應(yīng)力，匯總結(jié)果如表3所示。

表3 UHPC層表面最大拉應(yīng)力Table 3 Maximum tensile stress of UHPC layer surface

根據(jù)應(yīng)力疊加原理，UHPC層表面最大橫向拉應(yīng)力為9.2 MPa，最大縱向拉應(yīng)力為12.2 MPa，均出現(xiàn)在中支點主梁截面，位于邊箱腹板頂面附近。

3.2.2 UHPC層抗裂性能試驗

1）試驗設(shè)計及加載

試驗?zāi)Ｐ瓦x取橫向單U肋、縱向2跨結(jié)構(gòu)。模型長4.1 m，寬0.6 m，支點間距1.85 m。UHPC層及U肋參數(shù)選用橋面設(shè)計參數(shù)。多功能試驗機(jī)通過分載梁傳遞到模型中支點兩側(cè)，距離1.4 m。試驗?zāi)Ｐ图虞d及模型橫截面如圖4所示，試驗?zāi)Ｐ图虞d測試現(xiàn)場如圖5所示。

圖4 模型尺寸布置圖（單位：mm）Fig.4 Model size layout（Unit：mm）

圖5 試驗現(xiàn)場情況Fig.5 Test site conditions

2）試驗結(jié)果分析

模型試驗結(jié)果如表4所示。由表4可知，通過施加荷載，當(dāng)試驗?zāi)Ｐ蚒HPC層分別達(dá)到實橋第一體系縱向應(yīng)力4.6 MPa及實橋縱向總應(yīng)力12.2 MPa時，UHPC層頂面均未觀察到裂紋，模型未見異常；當(dāng)UHPC層名義應(yīng)力達(dá)到18.8 MPa（即1.5倍的實橋縱向總應(yīng)力）時，在中支點位置UHPC表面觀察到可見裂紋，寬度為0.05 mm。繼續(xù)施加荷載，當(dāng)名義應(yīng)力達(dá)到62.4 MPa（即5.1倍的實橋縱向總應(yīng)力）時，裂縫寬度為0.15 mm，此時試驗?zāi)Ｐ椭兄c發(fā)生屈曲變形，模型試驗停止。

表4 模型名義應(yīng)力與UHPC層裂縫對應(yīng)關(guān)系Table 4 Corresponding relationship between model nominal stress and UHPC fracture

因此，組合橋面鋪裝體系中UHPC層運(yùn)營期間不會發(fā)生開裂且具有足夠的結(jié)構(gòu)安全儲備。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能分析

3.3.1 鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能評估

通過鋼箱梁病害調(diào)研可知，一般正交異性橋面板疲勞問題主要發(fā)生在加勁肋與頂板連接區(qū)、加勁肋與橫隔板連接區(qū)及弧形切口區(qū)，因此需要對這些疲勞區(qū)域進(jìn)行疲勞計算分析，應(yīng)力點如圖6所示。

圖6 應(yīng)力計算點（單位：mm）Fig.6 Stress calculation points（Unit：mm）

在3.2.1節(jié)局部有限元模型上進(jìn)行疲勞加載，疲勞加載選用140 kN雙軸荷載，并考慮1.5倍超重系數(shù)。橫向加載工況與靜力加載相同，根據(jù)確定的橫向加載位置，進(jìn)行縱橋向移動加載，即可獲得應(yīng)力時程曲線，進(jìn)而可以求得計算點最大應(yīng)力幅和構(gòu)造細(xì)節(jié)最大應(yīng)力幅。

為了便于分析，將組合鋼橋面鋪裝與等厚度的瀝青混凝土鋪裝對比。通過有限元計算，可得到鋼橋面板上述三類疲勞細(xì)節(jié)的最不利應(yīng)力幅，如表5所示。表中給出了三個限值，限值1對應(yīng)Eurocode 3［11］5×106次疲勞應(yīng)力幅，限值 2 對應(yīng)BS5400［12］1×107次疲勞應(yīng)力幅，限值 3 為常幅截止限。

表5 正交異性鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)最大應(yīng)力幅比較Table 5 Comparison of maximum stress amplitude of structural details of orthotropic steel bridge deck

計算表明：采用組合鋼橋面鋪裝可以顯著降低正交異性板構(gòu)造細(xì)節(jié)應(yīng)力，應(yīng)力幅下降幅度依次為：面板（64.1%～66.4%）＞加勁肋（37.2%～43.6%）＞橫隔板（17.3%～42.5%）。采用瀝青鋪裝正交異性板部分疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力幅超過了限值1，存在疲勞開裂風(fēng)險，而采用組合鋼橋面鋪裝后，全部疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力幅均降至限值2以下，甚至部分已降低至限值3以下，大大降低了鋼結(jié)構(gòu)疲勞開裂的風(fēng)險，理論上可達(dá)到無限疲勞壽命。

3.3.2 單U肋疲勞性能試驗

對第3.2.2節(jié)單U肋模型進(jìn)行疲勞試驗，以中支點UHPC層表面應(yīng)力幅為控制指標(biāo)，采用4.6～18.8 MPa應(yīng)力幅進(jìn)行500萬次循環(huán)加載，其中下限為UHPC層實橋第一體系縱向應(yīng)力值，上限為UHPC層出現(xiàn)0.05 mm寬度裂縫對應(yīng)的試驗名義應(yīng)力值，試驗機(jī)頻率為4 Hz。試驗過程中，每隔50萬次，進(jìn)行1次靜力加載。

疲勞試驗結(jié)果：UHPC層表面出現(xiàn)的裂縫會隨加載次數(shù)增加而有所增長，寬度始終控制在0.05 mm以內(nèi)，鋼結(jié)構(gòu)部分未發(fā)現(xiàn)可見疲勞裂紋，且模型整體剛度未見明顯退化（3%以內(nèi)）。

4 結(jié)論

湘府路城市快速路鋼橋面系采用組合鋼橋面鋪裝方案，得到如下結(jié)論：

（1）與同厚度瀝青混凝土鋪裝相比，組合鋼橋面鋪裝對橋面系局部剛度的提高具有顯著的效應(yīng)，改善瀝青面層的支撐條件，延長了面層的使用壽命；

（2）在運(yùn)營期間，組合橋面鋪裝體系中超高性能混凝土層不會發(fā)生開裂且具有足夠的結(jié)構(gòu)安全儲備；

（3）超高性能混凝土層與鋼橋面板的協(xié)同受力作用有效降低了鋼橋面板的疲勞應(yīng)力幅，可達(dá)到無限疲勞壽命要求。