周尚猛,王 偉

(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)

引言

隨著我國高速鐵路建設(shè)的迅速推進，正交異性鋼橋面板由于結(jié)構(gòu)自重輕、承載力高、適用范圍廣等特點成為已建成的高速鐵路大跨徑橋梁中應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)類型之一。橋面鋪裝作為解決鐵路鋼橋面板耐久性問題，并改善其結(jié)構(gòu)受力的組成部分，是施工和運營管理的重點之一?；诔咝阅芑炷羶?yōu)良的材料性能[1-5]，提出超高性能混凝土鋼橋面鋪裝方案[6-10]，通過密集剪力釘將鋪裝層與鋼橋面進行連接，使其直接參與主梁局部和整體受力，并在公路橋梁中得到了廣泛使用[11-16]，取得了良好的應(yīng)用效果，但對于高速鐵路鋼橋面的研究相對較少[17-21]。

高速鐵路道砟整體鋼橋面須滿足防水、耐磨、抗滑、長效等要求，但在運營過程中主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力會對鋪裝層產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致鋪裝層開裂等問題；道砟對鐵路鋼橋面產(chǎn)生的豎向刺穿作用和水平向磨耗作用會損壞鋪裝的防水層。在發(fā)生鋪裝層病害后，鐵路橋梁一般是不容許因橋面維修而中斷線路運營的，故對防護材料的性能要求更高。

結(jié)合目前高速鐵路橋面鋪裝存在的問題，提出高速鐵路超高性能混凝土鋪裝方案，并進行模型試驗和理論研究，為高速鐵路鋼橋面長效防護提供新的思路。

1 鐵路鋼橋正交異性板鋪裝技術(shù)類型

1.1 剛性防護體系

鐵路鋼橋面剛性防水鋪裝體系最早采用混凝土道砟板結(jié)構(gòu)，即在鋼橋面板上焊接栓釘，現(xiàn)澆混凝土道砟板通過栓釘與鋼橋面板結(jié)合，再做防水鋪裝層。該鋪裝體系剛度大，荷載分散作用強，但結(jié)構(gòu)自重很大，混凝土容易開裂。鐵路鋼橋面常見的防護體系見圖1。

圖1 鐵路鋼橋面常見的防護體系

1.2 柔性防護體系

柔性防水鋪裝層是相對于剛性防水鋪裝層而言，其橋面防水鋪裝層剛度相較剛性防水鋪裝層而言小很多。鐵路鋼橋面柔性防水鋪裝體系目前常采用3種形式：無混凝土防護層防水鋪裝體系；柔性防護層防水鋪裝體系；纖維混凝土防護層防水鋪裝體系。

(1)無防護層防水鋪裝體系(圖1(b))對鋼橋面板作防銹、防水處理后，在其上直接鋪設(shè)道砟。該防水體系由施加了MMA樹脂材料的快速配備的冷液噴霧組成，形成一層無縫膜。該鋪裝體系自重輕，施工周期短，但存在剛度小、鋼橋面應(yīng)力大、磨損性能較弱、有老化失效風(fēng)險等問題。

(2)柔性防護層防水鋪裝體系(圖1(c))是在防水層上設(shè)置柔性材料防護層，防護層材料有環(huán)氧瀝青混凝土、澆筑式瀝青混凝土等，厚度一般為6 cm，防水層一般為溶劑型瀝青黏結(jié)材料、MMA樹脂材料等。該鋪裝體系自重輕，但剛度小，鋼橋面應(yīng)力較大，熱穩(wěn)定性較差，有變形、開裂、破損的風(fēng)險。

(3)纖維混凝土防護層防水鋪裝體系(圖1(d))是在防水層上設(shè)置混凝土材料的防護層，混凝土中不設(shè)置剪力釘，防護層材料有聚丙烯纖維混凝土、聚丙烯纖維網(wǎng)混凝土等，厚度一般為6 cm，防水層一般為溶劑型瀝青黏結(jié)材料、MMA樹脂材料等。該鋪裝結(jié)構(gòu)自重輕，混凝土層具有一定的剛度，但混凝土抗拉強度較低。

1.3 高性能防水鋪裝體系

基于超高性能混凝土的材料特性，提出高速鐵路用的高性能防水鋪裝體系，該鋪裝體系成功應(yīng)用于蘇滬通大橋、洞庭湖大橋中，應(yīng)用效果良好。高性能防水鋪裝體系在蘇滬通大橋鐵路鋼橋面應(yīng)用如圖2所示。該鋪裝體系的超高性能混凝土層厚度一般為4.5～6 cm，設(shè)置φ10 mm的普通鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)縱橫向間距根據(jù)受力情況設(shè)置為50～100 mm，鋪裝層與橋面板之間一般采用φ19 mm、間距300 mm的剪力釘進行緊密連接。

圖2 高性能防水鋪裝體系在蘇滬通大橋鐵路鋼橋面應(yīng)用

2 高性能防水鋪裝體系性能

為研究高速鐵路用高性能防水鋪裝層的力學(xué)性能，制作單U肋梁進行試驗，試驗梁構(gòu)造如圖3所示。正交異性鋼橋面板尺寸為：橋面板厚16 mm；加勁肋采用U形閉口肋，U肋板厚8 mm、高280 mm、上口寬300 mm、下口寬180 mm、間距300 mm；橫隔板厚16 mm，間距1 850 mm。鋪裝層采用厚60 mm的低收縮免蒸養(yǎng)超高性能混凝土，其抗壓強度為120 MPa。橋面板與UHPC鋪裝層之間采用長35 mm、φ19 mm的剪力釘連接；鋼筋間距為100 mm，縱向鋼筋在上，橫向鋼筋在下，超高性能混凝土保護層厚10 mm。設(shè)計制作了2個單U肋試驗梁進行靜力試驗，分級加載至裂縫寬度0.05 mm。靜力試驗結(jié)果表明：UHPC的開裂應(yīng)力為17.9～19.2 MPa(裂縫寬度0.05 mm)。

圖3 試驗梁構(gòu)造(單位：mm)

3 高性能防水鋪裝體系對鋼橋面板疲勞性能改善評估

以國內(nèi)某大跨度公鐵兩用鋼桁梁斜拉橋、某大跨度鐵路鋼箱-鋼桁結(jié)合梁斜拉橋為例，研究和評價鐵路鋼橋面設(shè)置高性能防水鋪裝體系后，超高性能混凝土層對鋼橋面板疲勞性能的改善程度。采用有限元軟件ANSYS建立仿真計算模型，模型從上往下分別建立鋼軌、混凝土軌枕、道砟、UHPC層及鋼結(jié)構(gòu)部分。其中，鋼結(jié)構(gòu)采用板殼單元SHELL63模擬，彈性模量為210 GPa；超高性能混凝土、道砟、軌枕、鋼軌均采用實體單元SOLID45模擬，彈性模量分別為44.1 GPa，200 MPa，34.5 GPa，210 GPa。選用C0-C0六軸式軸重25 t貨運機車進行加載，對鋼橋面疲勞應(yīng)力進行計算。

3.1 大跨度公鐵兩用鋼桁梁斜拉橋

蘇滬通大橋為主跨1092 m的雙塔三索面鋼桁梁斜拉橋結(jié)構(gòu)形式，鐵路橋面采用與弦桿焊接的整體鋼箱橋面結(jié)構(gòu)。正交異性板采用寬300 mm、高280 mm、板厚8 mm的U形肋加勁，U形肋橫向間距為600 mm，面板最小厚度為16 mm，在對應(yīng)每道鋼軌位置設(shè)置T形軌道縱梁，T形縱梁高600 mm，腹板厚20 mm，下翼板寬300 mm，厚16 mm。

蘇滬通大橋主航道橋鐵路鋼橋面采用高性能防水鋪裝體系(圖2)，其由上至下分別為：粒徑9.5～13.2 mm碎石層+2～3 mm厚高黏高彈瀝青層+6 cm厚超高性能混凝土+環(huán)氧富鋅漆。剪力釘直徑為19 mm，高度45 mm，按照間距300 mm×300 mm布置。鋼筋網(wǎng)直徑10 mm，間距100 mm×100 mm，超高性能混凝土澆筑和養(yǎng)護完畢后，進行粗糙處理并清理后，采用瀝青碎石同步灑布車熱撒2～3 kg/m2(厚2～3 mm)高黏高彈瀝青和碎石(粒徑9.5～13.2 mm，材質(zhì)與道砟相同，覆蓋率65%～75%)作為防水層，在防水層上再鋪設(shè)道砟。

蘇滬通大橋鐵路鋼橋面有限元模型如圖4所示，為模擬最不利受力狀態(tài)，頂板厚度取16 mm，UHPC層厚度為6 cm。正交異性鋼橋面板容易疲勞開裂部位有橫隔板的弧形切口、縱肋(板肋)與頂板焊接處，蘇滬通大橋鐵路橋面疲勞應(yīng)力幅見表1。

圖4 蘇滬通大橋鐵路鋼橋面有限元模型

表1 蘇滬通大橋鐵路橋面疲勞應(yīng)力幅 MPa

由表1可知，采用無UHPC鋪裝體系時，橫隔板弧形切口的最大主拉應(yīng)力為86 MPa，縱肋與頂板焊縫最大疊加應(yīng)力為22 MPa；采用UHPC鋪裝體系后，橫隔板弧形切口的最大主拉應(yīng)力為78 MPa，縱肋與頂板焊縫最大疊加應(yīng)力為7 MPa。

3.2 大跨度鋼箱-鋼桁結(jié)合梁斜拉橋

荊岳鐵路洞庭湖特大橋的主橋采用(99.12+140+406+406+140+99.12) m三塔斜拉橋，主梁為鋼箱-鋼桁結(jié)合梁結(jié)構(gòu)。為適應(yīng)鐵路的運行要求，采用整體性好、剛度大的正交異性板結(jié)構(gòu)。橋面板厚16 mm，設(shè)置間距為600 mm的U形縱肋。U形縱肋板厚8 mm，頂寬300 mm，底寬184 mm，高280 mm，在每條線路的軌道之下設(shè)置高600 mm的倒T形縱梁。每隔3.5 m設(shè)一道倒T形橫梁，橫梁的跨中高度為2.5 m。針對洞庭湖大橋鐵路鋼橋面的實際情況，鋪裝體系由上至下分別為：碎石層+5 cm厚超高性能混凝土+環(huán)氧富鋅漆。

洞庭湖大橋鐵路鋼橋面有限元模型如圖5所示，洞庭湖大橋鐵路橋面疲勞應(yīng)力幅見表2。

圖5 洞庭湖大橋鐵路鋼橋面節(jié)段模型

表2 洞庭湖大橋鐵路橋面疲勞應(yīng)力幅 MPa

由表2可知，采用無UHPC鋪裝體系時，橫隔板弧形切口的最大主拉應(yīng)力為80 MPa，縱肋與頂板焊縫最大疊加應(yīng)力為23 MPa；采用UHPC鋪裝體系后，橫隔板弧形切口的最大主拉應(yīng)力為72 MPa，縱肋與頂板焊縫最大疊加應(yīng)力為11 MPa。

3.3 疲勞受力狀態(tài)評估

蘇滬通大橋、洞庭湖大橋鐵路鋼橋面采用UHPC鋪裝結(jié)構(gòu)后，兩橋的弧形切口應(yīng)力均降低了10%左右；兩橋鐵路縱梁與頂板焊縫疊加應(yīng)力分別降低了68%，53%。

橫隔板弧形切口常幅疲勞極限(500萬次)為92 MPa，板肋與頂板焊縫常幅疲勞極限(500萬次)為66 MPa。故采用UHPC鋪裝體系后，關(guān)注的疲勞細(xì)節(jié)理論上常幅疲勞極限可達(dá)500萬次以上，可實現(xiàn)鋼橋面板的無限疲勞壽命。

4 高性能防水鋪裝體系結(jié)構(gòu)參數(shù)化分析

研究不同鋪裝層對高速鐵路鋼橋正交異性板的面板應(yīng)力改善程度(與同等彎矩作用下裸鋼板進行對比)，面板彈性模量取210 GPa，厚度為16 mm，鋪裝層厚50 mm，鋪裝材料彈性模量對面板底面應(yīng)力降低幅度如圖6所示。

圖6 鋪裝材料的彈性模量對面板底面應(yīng)力降低幅度

由圖6可知，隨著鋪裝層彈性模量的增加，在彎矩作用下，鋪裝層對鋼板底面應(yīng)力的降低幅度顯著增加。當(dāng)鋪裝層彈性模量在0～40 GPa，隨著彈性模量增加，鋼板應(yīng)力降低幅度增長較快；當(dāng)鋪裝層彈性模量超過40 GPa時，鋼板底面應(yīng)力降低幅度的增長速度變緩。UHPC的彈性模量一般可達(dá)44 GPa，故鋪裝層厚度為50 mm的情況下，采用UHPC大致可達(dá)到整體最優(yōu)。

研究鋪裝層厚度對正交異性鋼橋面板應(yīng)力改善程度(與同等彎矩作用下裸鋼板進行對比)，面板彈性模量取210 GPa，厚16 mm，鋪裝層彈性模量為44 GPa，厚度為變化值。鋪裝材料厚度對面板底面應(yīng)力降低幅度如圖7所示。

圖7 鋪裝材料的厚度對面板底面應(yīng)力降低幅度

由圖7可知，隨著鋪裝層厚度的增加，在彎矩作用下，鋪裝層對鋼板底面應(yīng)力的降低幅度不斷增加。當(dāng)鋪裝層厚度在0～45 mm，隨著厚度增加，鋼板應(yīng)力降低效果增長較快；當(dāng)鋪裝層厚度超過45 mm時，鋼板底面應(yīng)力降低效果的增長速度變緩。故在面板16 mm厚度下，最優(yōu)UHPC厚度為45 mm。

5 結(jié)論

(1)提出高速鐵路用的高性能防水鋪裝體系，并應(yīng)用于蘇滬通大橋等特大跨度鐵路鋼橋面，形成了標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)造體系。

(2)配筋后(φ10 mm、間距100 mm、單層配筋)的厚度6 cm超高性能混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)抗裂強度超過17.9 MPa。

(3)以蘇滬通大橋、荊岳鐵路洞庭湖大橋為例，計算鐵路鋼橋面鋪設(shè)超高性能混凝土薄層后疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力，弧形切口的最大主拉應(yīng)力均降低了10%左右；軌道下的小縱梁與頂板的焊接細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力降低超過53%。

(4)以改善面板應(yīng)力角度分析，鋪裝層彈性模量為40 GPa、厚度45 mm左右可達(dá)到綜合性能最優(yōu)。