超高韧性混凝土钢桥面铺装新体系研究

超高韧性混凝土钢桥面铺装新体系研究

0钢桥面板铺装材料研究钢桥地板是钢桥建设的支柱技术之一，长期以来受到各国学术界和工程学术界的高度重视。f'。目前采用的铺装方案有柔性铺装与刚性铺装2种,且以柔性铺装为主。工程实践表明,由于钢桥面板刚度小,重载作用下局部变形大,应力集中现象严重,再加上铺装层工作条件恶劣(如夏季钢板的温度可达70℃),柔性铺装(如浇注式沥青混凝土、改性沥青混凝土、环氧沥青混凝土等)均容易发生铺装层开裂、车辙、脱层、泛油等病害,钢桥面板也容易出现疲劳开裂现象［７－８］。为此,研究者尝试了改进铺装混合料的材料性能、优化铺装层厚度［４］、改进钢桥面构造［９］、提高焊接施工工艺［１０］等方法,但从基本原理来看,柔性铺装层由于模量低(特别是夏季),不能有效提高桥面系刚度和降低各层中的应力,因此难以解决钢桥面板及沥青铺装层的疲劳开裂问题,而采用刚性铺装能够有效提高截面刚度［１０］。常用的刚性铺装材料由于材料自身的抗拉强度不足(如轻质混凝土的抗拉强度约为3.0MPa,钢纤维混凝土的抗拉强度约为4.0MPa,高性能混凝土的抗拉强度约为4.0~5.0MPa),它们无法承受重载大交通反复作用产生的高应力幅要求,在工程实践中仍出现桥面铺装开裂现象［１２］。为解决上述难题,笔者所在的研究团队自2010年起,通过对活性粉末混凝土(ReactivePowderConcrete,RPC)改性,并进行密实配筋,成功研发出抗压强度大于120MPa、抗拉强度大于40MPa、弹性模量为42GPa的钢桥面上永久结构层。计算和试验结果表明,此结构层完全能够满足重载大交通下的应力和变形要求［１３－１４］,由于新结构层材料的抗拉强度远高于RPC抗拉强度(9~11MPa),开裂前的抗拉极限应变超过9×10－４,故将此材料称为超高韧性混凝土(STC)。将薄层STC与钢桥面形成轻型组合结构,使得STC不仅充当主铺装层,还能与钢面板协同受力,从而减小钢桥面板局部变形及应力幅值。在经过一系列的基础性研究之后,2011年10月,STC钢桥面铺装体系首次应用于广东肇庆马房北江大桥(后文简称马房大桥)的钢桥面维修工程中。本文将依据第三方实桥检测结果,结合有限元计算,分析和检验STC钢桥面铺装新体系的受力效果。1钢箱梁的支支马房大桥建成于1984年,是公、铁两用桥,公路桥为14孔64m简支钢箱梁。由于正交异性钢桥面板的刚度过小(面板厚12mm,加劲肋为125mm高的角钢),建成以来所有铺装方案均出现了早期破坏,铺装层经历了数次大小维修,如表1所示。1.1螺柱焊接结构马房大桥第11跨实施的STC钢桥面铺装方案如图1所示。为方便跟踪观测,铺筑了一段10m长的STC裸露段[图1(a)],其余54m长为普通段[图1(b)]。铺装结构中剪力钉直径13mm,高度40mm,横向间距325mm,纵向间距250mm,采用螺柱焊机焊接。STC层中布置32mm×32mm钢筋网,顺桥向和横桥向钢筋直径均为10mm,钢筋抗拉强度标准值fｓｋ=400MPa。1.2桥面板清理及养护stc层表面刻槽耗层2011年12月,在马房大桥上成功铺筑STC试验跨。STC钢桥面铺装施工工艺如下:桥面板的清理及喷砂除锈、焊接剪力钉、涂装防腐剂、绑扎钢筋及架立模板、现浇STC层、蒸汽养护STC层、STC层表面刻槽、摊铺磨耗层。STC钢桥面铺装施工完成至今,铺装表面平整且未见任何收缩裂缝或其他开裂现象,裸露段桥面状况如图2所示。1.3试验加载及测点布置广东虎门大桥有限公司委托铁科院北京铁科工程检测中心,对马房大桥钢桥面铺装效果进行了检测［１５］,检测单位对原铺装、铺装铲除后、STC新铺装3种状态下的试验桥跨进行加载试验,对比了不同状态下构件应力、变形情况,其中原铺装是指40mm厚SAC13(上层)加40mm厚SAC10(下层)的铺装方案,新铺装对应的是图1(a)所示的STC方案。检测区域如图3所示,纵向长6m,横向宽2.6m。试验加载采用东风153型车,其轴距为4.5m,后轴轴重330kN,双轮荷载轮距340mm,单轮接触面积300mm×220mm。加载工况及测点布置如图4所示,其中A1~A6为纵肋纵桥向拉应变测点,B1~B4为顶板横桥向拉应变测点,C1~C7为纵肋及顶板竖向位移测点,各测点均布置于正交异性板下缘。检测加载横桥向分为加载线1~7七种工况;纵桥向分为轮位1~6六种工况。1.4边界条件及假设针对马房大桥钢桥面铺装检测区域,建立横桥向2个箱室间7个L形肋,纵桥向3个横隔板间距的局部桥面板梁段模型,如图5所示。采用的边界条件为:钢桥面板及横隔板顺桥向两侧完全固结,钢桥面顶板及横隔板下翼缘横桥向边缘无横向位移。横隔板下翼缘除了横、纵桥向边缘约束,其余部分处于自由状态。计算时假设铺装层为完全连续的各向同性弹性体,铺装层与钢桥面板间均完全连续接触,分别采用壳体单元和体单元模拟钢板及铺装层。有限元模型相关参数如表2,3所示。2stc钢硬面铺设效果分析2.1新铺装前后顶板拉伸性能根据马房大桥钢桥面铺装检测结果(图6~8中实测值)及有限元计算结果,分析STC钢桥面铺装对桥面板的受力影响。图6~8给出了最不利加载工况下,钢桥面顶板、纵肋测点处拉应变和位移测试峰值及相应的有限元计算值。由图6纵肋受力对比可知:1铲除后、新铺装工况下的计算值与实测值吻合度较高,而原铺装工况下,有限元计算值偏低,这是因为原铺装已经出现多种病害,有限元计算未计入病害影响;2原铺装对纵肋拉应变的降低程度影响较小,相对于铲除后状态,原铺装下的纵肋拉应变实测峰值平均降幅为1.22%,有限元计算值平均降幅仅为15.52%;3新铺装对纵肋拉应变有明显的降低效果,相对于铲除后状态,新铺装工况下的纵肋拉应变实测峰值平均降幅高达80.25%,有限元计算值平均降幅为78.31%。由图7顶板受力对比可知:1铲除后、新铺装2种工况下,有限元计算值与实测值吻合度较高,而原铺装工况有限元计算结果偏小;2基于STC的新铺装更为有效地降低了顶板横向拉应变,实测值及有限元计算值的平均降幅达90%以上,而原铺装的实测值平均降幅仅为24.78%。由图8实测值和有限元计算值可知:1在试验荷载下,原铺装并没有能够降低钢桥面板纵肋、顶板处的竖向位移,说明其对铺装体系的刚度贡献非常小;2STC新铺装能有效减小纵肋、桥面顶板处的竖向位移(图8中C1,C3,C5,C7为桥面顶板竖向位移测点,C2,C4,C6为纵肋竖向位移测点),桥面顶板处位移平均降幅分别为82.6%,78.7%,纵肋处位移平均降幅分别为79.15%,77.22%。2.2方案3:sac十年底层采用本文第1.4节有限元模型计算铺装层应力、应变值,考虑以下3种铺装方案:方案1为马房大桥原铺装形式,即40mm厚SAC13(上层)加40mm厚SAC10(下层);方案2为图1(a)所示铺装设计;方案3为图1(b)所示铺装设计。车辆荷载采用2种工况:1超重荷载,即检测采用的后轴轴重为330kN的双轮荷载,轮距340mm,单轮接触面积300mm×220mm;2《公路桥涵通用设计规范》规定的车辆荷载(简称规范荷载),即后轴轴重为140kN,一侧轮载70kN,着地面积0.2m(顺桥向)×0.6m(横桥向),如图9所示。2.2.1拉应变峰值和竖向位移峰值荷载作用下铺装层应变峰值如图10所示。由图10可知:规范荷载与超重荷载作用下,3种铺装方案铺装层的相关应变峰值变化规律相似,而超重荷载作用下应变幅值更大。相对于方案1,方案2,3铺装层应变及竖向位移值均有较大降幅,如重载作用下,方案2中横向和纵向拉应变峰值、竖向压应变峰值、竖向位移峰值降幅分别为92.43%,85.82%,92.34%,73.99%;方案3铺装上层横向和纵向拉应变峰值、竖向压应变峰值、竖向位移峰值降幅分别为88.92%,56.43%,46.82%,54.62%;方案3铺装下层横向和纵向拉应变峰值、竖向压应变峰值、竖向位移峰值降幅分别为90.89%,72.22%,86.99%,55.21%。由上述分析可知,STC钢桥面铺装大幅度提高了桥面结构的刚度,降低了桥面板的变形及应力水平,从而为铺装层的受力提供了更好的环境,再加上铺装层自身的高强度、高韧性特点,有利于荷载的扩散效应,削弱了荷载的局部作用,从而有效降低了铺装层应变及竖向位移值,大幅减小了开裂、车辙病害风险。2.2.2界面破坏模式STC铺装方案铺装层的应变比原铺装有了很大的降低(图10),但由于STC层弹性模量很大,其应力指标比原铺装要大得多,有必要对STC钢桥面铺装层的强度可靠性做深入分析。铺装层深度范围内应力指标峰值随深度变化规律如图11所示。由图11可知:1沥青磨耗层拉应力峰值分别为0.202MPa(规范荷载)和0.392MPa(超重荷载),均出现在磨耗层顶面;2STC层拉应力峰值分别为6.26MPa(规范荷载)和7.97MPa(超重荷载),均出现在STC层顶面;3STC层与磨耗层界面剪应力峰值分别为0.301MPa(规范荷载)和0.471MPa(超重荷载);4STC层与钢板界面的剪应力峰值分别为0.23MPa(规范荷载)和0.381MPa(超重荷载)。笔者所在项目团队前期对STC钢桥面铺装做了一系列室内外试验研究［１３－１４，１６］:STC层与磨耗层层间斜剪试验表明,室温28℃时界面抗剪强度为2.0MPa,高温60℃时为0.9MPa;STC与钢板推出试验表明,界面破坏模式为剪力钉被整齐剪断,剪力钉四周STC无明显破损,单个剪力钉的抗剪承载力为66.75kN。马房大桥剪力钉横向间距为325mm,纵向间距为250mm,即界面抗剪强度折算为0.83MPa;基于STC的某大桥足尺条带模型静载破坏试验显示,STC层极限抗拉强度达到42MPa;钢-STC悬臂组合梁疲劳试验结果表明,控制STC层应力幅为7.5~14.5MPa(对应于汽车超20级荷载的后轴轴重140kN乘以冲击系数1.3后的应力幅值)时,组合铺装体系在承受200万次疲劳荷载后STC及桥面板均完好无损。此外,细粒式密级配沥青混凝土劈裂强度约为1.2~1.6MPa,高于STC铺装体系中的沥青磨耗层拉应力计算峰值,抗拉强度系数可达3.0。综上可知,STC铺装体系各层材料及界面连接强度在规范荷载和超重荷载作用下均有可靠保证。3stc钢桥面铺装结构及施工效果(1)基于第三方检测数据及有限元计算表明,采用钢-STC组合桥面结构后,钢桥面中的桥面顶板及纵肋拉应变峰值、竖向位移峰值均有大幅度下降,对钢桥面结构受力有很大的改善效果,可消除钢桥面疲劳开裂的风险。(2)STC钢桥面铺装有利于荷载的扩散,削弱了荷载的局部作用,可以有效降低铺装层拉应变、压应变及竖向变形,且