郭福寬,周尚猛

(1.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430034； 2.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司,武漢 430034)

引言

目前，鐵路鋼橋面鋪裝可分為柔性和剛性兩種鋪裝體系[1-4]。柔性鋪裝材料主要有聚合物水泥混凝土、環(huán)氧瀝青混凝土、澆筑式瀝青混合料等[5-8]，主要參考公路鋼橋面鋪裝進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于瀝青類鋪裝設(shè)計(jì)年限一般為15年，遠(yuǎn)低于橋梁主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限100年，因此，存在后期養(yǎng)護(hù)和維修問題。對(duì)于鐵路橋梁而言，中斷鐵路運(yùn)營(yíng)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修十分困難。而剛性鋪裝體系，即在鋼橋面上布設(shè)長(zhǎng)栓釘澆筑普通混凝土形成一體式混凝土道砟槽[9-10]，避免了柔性鋪裝老化問題，但其存在二期質(zhì)量大，在大跨徑橋梁上應(yīng)用困難等問題。

近年來(lái)，業(yè)內(nèi)提出了一種超高性能混凝土組合鋼橋面鋪裝體系。超高性能混凝土(簡(jiǎn)稱UHPC)具有超高力學(xué)性能和良好耐久性能[11-15]，將其引入鋼橋面結(jié)構(gòu)，通過短栓釘與鋼橋面板相結(jié)合，形成組合鋪裝體系。在荷載作用下，該鋪裝體系可顯著改善鋼結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的疲勞性能，同時(shí)，UHPC層不會(huì)發(fā)生開裂破損[16-18]。目前，該鋪裝體系已應(yīng)用于數(shù)十座公路橋梁工程中，取得了較好效果[19]。而鐵路鋼橋面應(yīng)用較少，尚需深入研究。

UHPC層厚度直接影響鐵路組合橋面鋪裝的工作性能。為研究合理的UHPC層厚度，依托滬蘇通長(zhǎng)江大橋工程，采用有限元法建立典型UHPC層厚度模型(根據(jù)構(gòu)造要求和工程經(jīng)濟(jì)性，選取UHPC層厚分別為50，60，70 mm)，對(duì)比UHPC層應(yīng)力情況及鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞應(yīng)力幅變化情況，進(jìn)而探討合理UHPC層厚度，并對(duì)UHPC層厚為50 mm的組合橋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型試驗(yàn)，以考察其抗?jié)B性能。

1 工程概況

滬蘇通長(zhǎng)江大橋主橋采用雙塔5跨鋼桁梁斜拉橋結(jié)構(gòu)，橋跨布置為(142+462+1092+462+142) m。主梁為三主桁結(jié)構(gòu)，桁間距17.25 m。主桁采用“N”形桁架，跨中桁高16 m，節(jié)點(diǎn)間距14 m。橋塔為鉆石形塔。該橋?yàn)楣F兩用橋，上層為公路橋面，下層為鐵路橋面。鐵路橋面采用整體鋼箱橋面結(jié)構(gòu)。其中，鋼箱頂、底板分3種厚度，分別為16，20，24 mm。頂板采用U形肋加勁，U肋上口寬300 mm、高280 mm、厚8 mm，橫向間距600 mm。同時(shí)，在每道鋼軌底部設(shè)置倒T形小縱梁加勁。鋼箱設(shè)有橫隔板，縱向間距為2 800 mm。主橋整體布置如圖1所示。

圖1 主橋總體布置(單位：m)

針對(duì)現(xiàn)有鐵路鋼橋面鋪裝的不足，提出超高性能混凝土組合鋼橋面鋪裝方案，以增強(qiáng)橋面防水效果，延長(zhǎng)使用壽命。擬定UHPC組合鋪裝方案為：在鋼橋面板上鋪筑一層厚度為50～70 mm UHPC層，其中，UHPC層與鋼橋面板采用栓釘連接(規(guī)格為φ19 mm×35 mm，縱橫間距為300 mm×300 mm)。為提高UHPC層抗裂性能，UHPC層內(nèi)部布設(shè)縱橫鋼筋網(wǎng)(規(guī)格為φ10 mm、HRB400，縱橫間距為100 mm×100 mm)，并在UHPC層上表面灑布一層厚度為2～3 mm高黏高彈瀝青。方案如圖2所示。

圖2 鐵路橋面鋪裝結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2 鋪裝結(jié)構(gòu)分析

2.1 有限元模擬

采用有限元軟件分別建立整體和局部模型(UHPC層厚分別為50，60，70 mm)，如圖3所示。在局部模型建模過程中，為減小計(jì)算規(guī)模，模型縱向取中跨跨中14 m長(zhǎng)段(含5道橫隔板)，橫橋向取半幅橋面梁結(jié)構(gòu)。其中，鋼橋面板頂板、底板、U肋、小縱梁與橫隔板均采用SHELL63板殼單元模擬，UHPC、道砟、軌枕、鐵軌采用SOLID45實(shí)體單元模擬，UHPC與橋面板交界面采用耦合方式處理，以符合真實(shí)受力。荷載采用TB/T 3466—2016《鐵路列車荷載圖示》中ZK特種荷載。

圖3 有限元模型

計(jì)算過程主要考慮第一、二、三體系荷載作用的影響，重點(diǎn)分析UHPC層頂面拉應(yīng)力和鋼橋面板細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力幅。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 UHPC層頂面拉應(yīng)力

UHPC抗壓強(qiáng)度通常不低于100 MPa，發(fā)生受壓破壞的可能性較低。因此，需重點(diǎn)關(guān)注UHPC層拉應(yīng)力水平。將第一、二、三體系應(yīng)力計(jì)算結(jié)果相加，即可得到UHPC層頂面在縱橫兩個(gè)方向拉應(yīng)力。

計(jì)算表明：在最不利工況下，50 mm厚UHPC層頂面最大拉應(yīng)力橫向?yàn)?.32 MPa，縱向?yàn)?.73 MPa；60 mm厚UHPC層頂面最大拉應(yīng)力橫向?yàn)?.31 MPa，縱向?yàn)?.31 MPa；70 mm厚UHPC層頂面最大拉應(yīng)力橫向?yàn)?.74 MPa，縱向?yàn)?.07 MPa。均低于同等鋼筋網(wǎng)間距下表面出現(xiàn)0.05 mm裂紋對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)名義彎拉應(yīng)力值12.7～13.3 MPa[20]；同時(shí)，也低于GDJTG/T A01-2015《超高性能輕型組合橋面結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中同等鋼筋網(wǎng)間距下的名義彎拉應(yīng)力值12.1 MPa，可確保裂紋寬度小于0.05 mm，滿足使用要求。

2.2.2 鋼橋面板疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力

正交異性鋼橋面板容易疲勞開裂部位主要集中在加勁肋與頂板連接處、加勁肋與橫隔板連接處以及橫隔板弧形切口處，將重點(diǎn)針對(duì)以上3個(gè)部位疲勞應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，通過計(jì)算將結(jié)果匯總于表1，并與歐洲規(guī)范EC3[17]中500萬(wàn)次循環(huán)對(duì)應(yīng)的疲勞極限值對(duì)比。

由表1可知，采用UHPC組合橋面后鋼結(jié)構(gòu)各疲勞細(xì)節(jié)最大應(yīng)力幅為6.1～83.7 MPa，與無(wú)鋪裝鋼橋面各疲勞細(xì)節(jié)受力相比均有明顯下降，最大應(yīng)力幅降幅為2.7%～72.2%。UHPC層厚度對(duì)小縱梁與頂板連接處應(yīng)力影響較大，采用70 mm厚UHPC層時(shí)，最大應(yīng)力幅降幅為72.2%；采用60 mm厚UHPC層時(shí)，最大應(yīng)力幅降幅為68.2%；采用50 mm厚UHPC層時(shí)，最大應(yīng)力幅降幅為61.0%；由于UHPC組合橋面鋼結(jié)構(gòu)疲勞應(yīng)力水平較低，低于常幅疲勞極限，因此，可基本消除后期鋼橋面板的疲勞開裂風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.3 合理的UHPC層厚度

結(jié)合UHPC層頂面拉應(yīng)力和鋼結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力幅結(jié)果可知，3種不同厚度UHPC層均能滿足使用要求。由于鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力改善程度與局部剛度相關(guān)，根據(jù)JTG/T 3364—02—2019《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》提供的鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)局部剛度公式，可得UHPC層厚度與局部剛度指標(biāo)肋間撓度的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 UHPC層厚與肋間撓度關(guān)系曲線

由圖4可知，肋間撓度隨著UHPC層厚度增加而逐漸降低，曲線趨勢(shì)趨于平緩。當(dāng)UHPC層厚分別為50，60，70 mm時(shí)，降幅分別為86.5%，91.7%，94.6%。即層厚為50～60 mm時(shí)，降幅已接近90.0%，繼續(xù)增加厚度，降幅效果不明顯。因此，理論上UHPC層的合理厚度區(qū)間為50～60 mm。

3 組合橋面抗?jié)B性能試驗(yàn)

根據(jù)理論分析結(jié)果可知，組合鋪裝體系中UHPC層運(yùn)營(yíng)階段會(huì)產(chǎn)生一定量的裂紋，但裂紋寬度小于0.05 mm。由于鐵路橋面鋪裝的耐久性能是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容，因此，需明確UHPC層在帶裂紋狀態(tài)下抵抗高水壓力滲透的能力。

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x取橫向單U肋、縱向2跨結(jié)構(gòu)。模型長(zhǎng)4 100 mm，寬600 mm，支點(diǎn)間距1850 mm。鋼結(jié)構(gòu)部分鋼橋面板厚12 mm；U肋上口寬300 mm、下口寬180 mm、高260 mm、板厚6 mm；橫隔板厚8 mm。按最不利情況考慮，鋪裝層采用厚50 mmUHPC層，鋼橋面板與UHPC鋪裝層間采用φ19 mm×35 mm剪力釘連接，間距300 mm。模型尺寸如圖5所示。

圖5 模型結(jié)構(gòu)尺寸布置(單位：mm)

為模擬水壓效應(yīng)，本試驗(yàn)制作了專用水壓試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)裝置主要由反力橫梁、千斤頂、鋼制器體、橡膠墊圈、進(jìn)出水調(diào)節(jié)及測(cè)試器件等部分組成。試驗(yàn)時(shí)，將水壓裝置置于UHPC層表面，通過進(jìn)出水口調(diào)節(jié)水壓力，以達(dá)到試驗(yàn)需要的水壓力。水壓試驗(yàn)裝置如圖6所示。

圖6 水壓試驗(yàn)裝置

為模擬組合鋪裝體系不同的帶裂紋狀態(tài)，水壓試驗(yàn)前，需先對(duì)3片試驗(yàn)梁(U-1、U-2和U-3)分別施加不同的靜力荷載，然后依據(jù)TB/T 2965—2011《鐵路混凝土橋面防水層技術(shù)條件》和TB 10424—2018《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》，進(jìn)行靜水壓力0.9 MPa(基于輪壓考慮)、2.0 MPa(即P20級(jí))，鐵路橋面混凝土抗?jié)B性能要求下的抗水滲性能試驗(yàn)。測(cè)點(diǎn)為中隔板頂面。

試驗(yàn)梁U-1主要試驗(yàn)步驟為：①無(wú)需靜力加載，直接進(jìn)行水壓試驗(yàn)；②在測(cè)點(diǎn)位置安裝水壓裝置，水壓裝置與UHPC層上表面間通過橡膠墊圈密貼并用千斤頂壓緊；③將含有酚酞試劑的加壓用水，通過進(jìn)水口注入鋼制器體；④通過水壓力裝置上的進(jìn)出水口調(diào)節(jié)水壓力(以0.1 MPa為一級(jí)，逐級(jí)加壓)，分別達(dá)到0.9，2.0 MPa壓力值；⑤加壓穩(wěn)定后，保持水壓8 h，每隔10 min觀察一次測(cè)點(diǎn)附近的滲水情況。

試驗(yàn)梁U-2主要試驗(yàn)步驟為：①對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行靜力承載能力試驗(yàn)，當(dāng)中橫隔板混凝土表面裂紋寬度達(dá)到0.05 mm時(shí)，保持荷載進(jìn)行水壓試驗(yàn)；水壓試驗(yàn)步驟與試驗(yàn)梁U-1中②～⑤相同。

試驗(yàn)梁U-3主要試驗(yàn)步驟為：①對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行靜力承載能力試驗(yàn)，當(dāng)中橫隔板混凝土表面裂紋寬度達(dá)到0.15 mm時(shí)，中橫板屈曲，保持荷載進(jìn)行水壓試驗(yàn)；水壓試驗(yàn)步驟與試驗(yàn)梁U-1中②～⑤相同。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)表面產(chǎn)生不同程度開裂情況的組合橋面試件進(jìn)行水壓試驗(yàn)，得到各測(cè)點(diǎn)的滲水情況。

(1)試驗(yàn)梁U-1測(cè)點(diǎn)

在0.9 MPa水壓下，測(cè)點(diǎn)附近UHPC層上表面和側(cè)面均無(wú)滲水現(xiàn)象，水壓維持1 h后鋼板底部觀察孔內(nèi)UHPC有輕微滲水現(xiàn)象；約2 h后，鋼板底部觀察孔內(nèi)滲水現(xiàn)象消失，孔內(nèi)干燥。在2.0 MPa水壓下，測(cè)點(diǎn)附近UHPC層上表面、側(cè)面及底部觀察孔均無(wú)滲水情況。

(2)試驗(yàn)梁U-2測(cè)點(diǎn)

水壓≤0.5 MPa時(shí)，測(cè)點(diǎn)附近UHPC表面和側(cè)面無(wú)滲水現(xiàn)象，底部觀察孔有輕微滲水情況。當(dāng)水壓介于0.5～2.0 MPa時(shí)，測(cè)點(diǎn)附近UHPC層上表面、側(cè)面及底部觀察孔均無(wú)滲水情況。

(3)試驗(yàn)梁U-3測(cè)點(diǎn)

在0.9 MPa水壓下，測(cè)點(diǎn)附近UHPC層上表面、側(cè)面，鋼板底部觀察孔均有滲水現(xiàn)象。在2.0 MPa水壓下，測(cè)點(diǎn)處UHPC層上表面依然滲水，側(cè)面水從裂紋處噴出，鋼板底部觀察孔內(nèi)UHPC濕潤(rùn)。側(cè)面及底部滲水情況如圖7所示。

圖7 U-3測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)表明：50 mm厚UHPC層組合橋面體系在表面無(wú)裂紋時(shí)抗?jié)B性能滿足要求，可有效防止橋面水分滲透至鋼橋面板；組合鋪裝體系在裂紋寬度≤0.05 mm時(shí)，微裂紋隨著水壓增加而逐漸閉合，裂紋閉合后仍能滿足抗?jié)B要求；當(dāng)組合鋪裝體系在極限荷載作用下，裂紋較多且較寬時(shí)，抗?jié)B能力不足，無(wú)法滿足抗?jié)B要求。

4 結(jié)論

UHPC層厚度直接影響鐵路組合橋面鋪裝的工作性能。為研究合理的UHPC層厚度，采用有限元法對(duì)UHPC層和鋼橋面板受力性能分析，進(jìn)而探討UHPC層合理厚度區(qū)間，并通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證其抗?jié)B性能，得到如下結(jié)論。

(1)3種厚度UHPC層均能有效抵抗荷載作用產(chǎn)生的拉應(yīng)力，表面裂紋寬度控制在0.05 mm以內(nèi)，滿足使用要求；同時(shí)，可顯著降低鋼橋面板細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力幅，降幅達(dá)72.2%，基本上消除后期疲勞開裂風(fēng)險(xiǎn)。

(2)隨著UHPC層厚度增加，肋間撓度減小，局部剛度增大，鋼橋面板應(yīng)力得到改善。當(dāng)厚度介于50～60 mm時(shí)，肋間撓度降幅接近90.0%，鋼橋面板應(yīng)力改善效果明顯。

(3)模型試驗(yàn)表明，UHPC層表面裂紋寬度達(dá)到0.05 mm時(shí)，裂紋隨水壓增加而閉合，在2.0 MPa水壓下無(wú)滲水現(xiàn)象。因此，UHPC層能夠滿足P20級(jí)抗?jié)B要求，且具有一定的裂紋自修復(fù)能力。