郭亞唯，凌立鵬

(1.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，北京 100088；2.中建工程產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，北京 101300)

0 引言

近年來，正交異性鋼橋面板通過采用超高性能混凝土(UHPC)澆筑形成的鋼-UHPC組合橋面板，可有效增強(qiáng)自身局部與整體剛度，降低焊接細(xì)節(jié)應(yīng)力幅，且UHPC本身具有較好的抗彎拉疲勞性能，從而基本消除正交異性鋼橋面板疲勞開裂風(fēng)險(xiǎn)而成為研究熱點(diǎn)[1-7]，并已在我國天津海河大橋、汕頭礐石大橋等大跨度橋梁實(shí)際工程中得到應(yīng)用。

然而從以上相關(guān)工程應(yīng)用的調(diào)研情況來看，鋼-UHPC組合橋面板連接界面采用的焊接栓釘剪力連接件縱、橫橋向布置間距一般只有150～200mm，現(xiàn)場(chǎng)栓釘焊接密集，而且只能采用人工焊接，施工作業(yè)耗時(shí)費(fèi)力，工程進(jìn)度受到極大制約。而目前對(duì)鋼-UHPC組合橋面板研究，主要集中在配筋率、UHPC層、U肋樣式、結(jié)構(gòu)承載力及抗疲勞性能的驗(yàn)證方面[8-12]，較少涉及栓釘連接件間距布置。

對(duì)此，本文以某大橋改造工程為背景，遵循模型尺度、制造工藝與實(shí)橋保持一致的原則，設(shè)計(jì)并制造了焊接栓釘縱橋向間距為實(shí)橋2倍的大型足尺鋼-UHPC組合橋面板，并開展了模型試驗(yàn)研究，以期為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

某大橋?yàn)槲覈缙诮ㄔO(shè)的典型鋼箱梁斜拉橋，鋼箱梁高3.00m，橋面總寬38.80m，寬高比為12.93，采用雙向6車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)[13]，橋面板為正交異性鋼橋面板，采用實(shí)腹式橫隔板，標(biāo)準(zhǔn)斷面板厚8mm、間距3.2m，由Q345C鋼全焊接加工而成。按受力不同，行車道區(qū)域頂板厚度為16，14，12mm，主要為12mm。頂板與U肋間焊縫采用坡口焊接，熔透深度≥0.75倍U肋板厚。

根據(jù)該橋工程可行性報(bào)告，大橋2022年交通量為81 365pcu/d，貨車(重車)占比50.3%，交通量大，重車比例高。根據(jù)歷年定期橋檢結(jié)果，大橋建成通車僅6年左右，鋼橋面板出現(xiàn)約450條裂紋，2017年表觀裂縫與隱形裂紋已分別高達(dá)6 831，4 688 條(僅半幅)[14]，其中頂板與U肋、U肋與橫隔板連接處裂紋數(shù)量最多，占比>92%。

對(duì)此，經(jīng)前期論證，2018年提出采用超高性能混凝土組合橋面體系處治大橋正交異性板的病害，在少增加恒荷載的情況下，通過組合橋面結(jié)構(gòu)改善正交異性板整體受力狀況，降低正交異性板疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力幅。鋼-UHPC組合橋面結(jié)構(gòu)中，UHPC層厚度為55mm，通過φ13×35短栓釘與橋面板連接，栓釘橫向間距為150mm、縱向間距為200mm。為保證UHPC層在帶裂縫橋面板上的受力性能，采用在UHPC層下部設(shè)置80mm×8mm橫向鋼板條的方式進(jìn)行UHPC層加強(qiáng)，橫向鋼板條通過φ13×27短栓釘與UHPC層連接，施工時(shí)鋼板條通過粘鋼膠固定在橋面鋼板上。橫向鋼板條布置在橫橋向2排栓釘中間，間隔1排布置1道[15]，如圖1所示。

圖1 焊接栓釘布置平面

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試件設(shè)計(jì)與制造

試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)綜合考慮了模型尺寸可真實(shí)反映大橋鋼橋面板實(shí)際構(gòu)造特點(diǎn)及受力特性[16]，最終確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂v橋向采用3m+3m的縱向2跨結(jié)構(gòu)，橫橋向包括4個(gè)U肋，其中頂板厚12mm，U肋厚6mm，橫隔板腹板厚8mm，U肋及橫隔板弧形切口尺寸均與實(shí)橋相同，焊接栓釘間距縱橋向?yàn)?00mm、橫橋向?yàn)?50mm，UHPC層厚55mm，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽?/p>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭圃觳捎门c實(shí)橋相同的鋼材、焊接材料及制造工藝，UHPC層澆筑施工與養(yǎng)護(hù)嚴(yán)格遵循實(shí)橋有關(guān)要求執(zhí)行，UHPC單方用量施工配合比如表1所示(核心料為由粉煤灰、硅灰和礦粉組成的組合料)。

表1 UHPC單方用量施工配合比

UHPC試塊抗壓與抗折測(cè)試在微機(jī)控制點(diǎn)液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)YAW-3000，YAW-300上進(jìn)行，共累計(jì)完成5組有效100mm立方體試塊抗壓強(qiáng)度測(cè)試與3組長300mm、寬100mm、厚100mm棱柱體試塊抗折強(qiáng)度測(cè)試。結(jié)果表明，抗壓強(qiáng)度平均值約140.6MPa，可滿足≥140MPa的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求；抗折強(qiáng)度平均值約31.3MPa，可滿足≥25MPa的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。測(cè)試結(jié)果如表2，3所示。

表2 立方體試塊抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

表3 棱柱體試塊抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

2.2 試驗(yàn)加載與測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)加載采用5 000kN單點(diǎn)電液伺服靜態(tài)加載試驗(yàn)機(jī)。加載時(shí)，針對(duì)組合橋面板縱橋向典型受力模式，選擇在UHPC層及抗剪連接件最不利荷載位置進(jìn)行加載，同時(shí)綜合試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試便利性，最終選用1 300mm×200mm×200mm(長×寬×厚)墊塊將荷載分別作用于試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢煽缈缰蠻HPC層正上方，試件3個(gè)橫隔板下翼緣放置在試驗(yàn)場(chǎng)地上以提供豎向支承，加載方式如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图虞d方式

正式加載前首先預(yù)壓400kN荷載，反復(fù)加載3次，以保證各部位安裝連接緊密，并對(duì)試件進(jìn)行對(duì)中調(diào)試。正式加載時(shí)采用分級(jí)加載，每級(jí)荷載穩(wěn)定5min后，采集并記錄數(shù)據(jù)。試驗(yàn)加載等級(jí)如表4所示。

表4 試驗(yàn)加載等級(jí)

結(jié)合正交異性鋼-UHPC組合橋面板受力特點(diǎn)，在試驗(yàn)過程中，重點(diǎn)關(guān)注UHPC層縱向滑移及負(fù)彎矩受拉區(qū)、U肋受力變形、中間橫隔板受力變形等位置。故在上述位置布置應(yīng)變及位移測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)如表5所示。

圖4 應(yīng)變及位移測(cè)點(diǎn)布置

表5 應(yīng)變及位移測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

按試驗(yàn)加載等級(jí)逐級(jí)加載，采用東華動(dòng)態(tài)測(cè)試采集儀DH5921連續(xù)采樣，記錄各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變及位移變化響應(yīng)，主要試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)荷載約<2 000kN時(shí)，荷載-位移曲線基本呈線性增長；當(dāng)跨中最大位移約6.28mm，再繼續(xù)增加荷載時(shí)，荷載-位移曲線開始呈非線性增長；當(dāng)跨中最大位移約11.92mm時(shí)，中間橫隔板發(fā)生失穩(wěn)屈曲破壞，最終試驗(yàn)加載至發(fā)現(xiàn)橫隔板與U肋焊接處出現(xiàn)肉眼可見裂紋為止，此時(shí)位移約18.36mm。

圖5 主要試驗(yàn)結(jié)果

鋼橋面板主要試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)荷載達(dá)到約1 600kN后，中間橫隔板上豎向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)荷載-應(yīng)變曲線開始呈非線性增長，此時(shí)對(duì)應(yīng)的豎向壓應(yīng)變最大可達(dá)-800με(應(yīng)力約161MPa)。而U肋不論在中間橫隔板處還是跨中，荷載-應(yīng)變基本均呈線性增長，其中，荷載達(dá)到約1 600kN時(shí)，中間橫隔板處U肋底測(cè)點(diǎn)U3-1縱向拉應(yīng)變?yōu)?1 280με(應(yīng)力約257MPa)，跨中處U肋底測(cè)點(diǎn)U3-2縱向拉應(yīng)變?yōu)?16με(應(yīng)力約164MPa)，可見結(jié)構(gòu)承載力主要受中間橫隔板受壓穩(wěn)定性控制。

圖6 鋼橋面板主要試驗(yàn)結(jié)果

UHPC層主要試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，隨試驗(yàn)荷載不斷增大，UHPC層表面拉應(yīng)變不斷增大，當(dāng)荷載達(dá)到約2 050kN時(shí)，即中間橫隔板發(fā)生失穩(wěn)屈曲破壞時(shí)，此時(shí)鋼-UHPC連接界面未出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)位移，最大實(shí)測(cè)拉應(yīng)變達(dá)到610με時(shí)，UHPC層表面未發(fā)現(xiàn)任何開裂跡象。

圖7 UHPC層主要試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

本文以某大橋改造工程為背景，遵循模型尺度、制造工藝與實(shí)橋保持一致的原則，設(shè)計(jì)并制造了焊接栓釘縱橋向間距為實(shí)橋2倍的大型足尺鋼-UHPC組合橋面板，并開展了模型試驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)，在UHPC層及抗剪連接件最不利荷載位置進(jìn)行加載，結(jié)構(gòu)破壞模式為中間橫隔板出現(xiàn)失穩(wěn)開裂，而鋼-UHPC連接界面未出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)位移。UHPC層表面最大實(shí)測(cè)拉應(yīng)變達(dá)610με，未發(fā)現(xiàn)任何開裂跡象，表明試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎肬HPC層及抗剪連接件設(shè)計(jì)偏保守，當(dāng)今工程應(yīng)用的鋼-UHPC組合橋面板焊接栓接縱橋向布置間距尚存在進(jìn)一步優(yōu)化空間。