鋼-UHPC組合橋面板性能分析及應(yīng)用

張孝俊

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

目前大跨度橋梁的橋面系主要采用正交異性鋼橋面以及薄層瀝青混合料鋪裝。然而，傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)橋梁及組合橋中普遍存在正交異性鋼橋面的疲勞與橋面鋪裝易損壞等問題，導(dǎo)致以上問題的根本原因可以歸結(jié)為材料或連接易出現(xiàn)靜力或疲勞受拉開裂、結(jié)構(gòu)自重偏大等，傳統(tǒng)的技術(shù)手段和方法很難解決這些難題。

近年來(lái)，超高性能混凝土已經(jīng)有了較為充分的研究和應(yīng)用。UHPC 是一種剛度與強(qiáng)度較大，韌性、黏結(jié)性、耐久性較好的材料，作為剛性鋪裝參與橋面板受力，可以解決鋼橋面板疲勞破壞以及橋面鋪裝易損壞等問題。由于UHPC 輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，使用時(shí)對(duì)主梁自重影響很小。因此，作為輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土代表的UHPC 在橋梁中具有非常廣闊的前景。

同時(shí)，國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者也開始研究鋼-UHPC組合梁。鋼-UHPC 組合橋面板結(jié)構(gòu)由薄UHPC 橋面板以及鋼梁組成，有著耐久性強(qiáng)、徐變收縮小、不易開裂、比強(qiáng)度大等優(yōu)勢(shì)，在大跨結(jié)構(gòu)應(yīng)用時(shí)，可以解決傳統(tǒng)的鋼橋面板鋪裝易損和橋面疲勞開裂等問題。

1 正交異性鋼橋面板

1.1 正交異性鋼橋面板簡(jiǎn)介

鋼橋橋面大多由橋面鋪裝和橋面板組成，該結(jié)構(gòu)直接承擔(dān)車輛荷載并將荷載傳遞至主梁受力構(gòu)件。

鋼橋橋面板通常采用：a）Orthotropic Steel Deck（正交異性鋼橋面板或稱鋼橋面板）；b）RC 橋面板（鋼筋混凝土橋面板）；c）PC 橋面板（預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板）。

鋼橋面板主要由縱橫加勁肋以及鋼橋面頂板構(gòu)成，既作為主梁上翼緣的一部分共同參與整體受力，也直接承受車輛載荷。鋼橋面板自重相對(duì)較輕，又可減小截面高度、加強(qiáng)整體剛度，是截面高度受限和大跨結(jié)構(gòu)常用的形式[1]。

鋼橋面板應(yīng)用在公路橋梁時(shí)，橫肋一般分布間距較大而縱肋間距較小，因此剛度在橋面板的縱向及橫向分布不均勻，也就是橋面系在縱橫方向的受力各向異性。因此，有學(xué)者將這種鋼橋面板命名為正交異性鋼橋面板。該種結(jié)構(gòu)的示意如圖1 所示。

圖1 不同加勁肋的鋼橋面板示意圖

正交異性鋼橋面板的傳統(tǒng)分析關(guān)注于車輛輪載到橋梁支承的傳力途徑，將橋面板作為3 個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)不同的極限狀態(tài)，整體的受力情況可以根據(jù)每個(gè)子系統(tǒng)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行線性疊加。

其中第一體系主要用于確定鋼橋面板的有效寬度，將鋼橋面板與主梁作為一個(gè)整體進(jìn)行整體受力分析；第二體系是橋面板頂板、縱肋及橫肋構(gòu)成的橋面體系，其作用為將橋面上車輛等荷載傳遞至主梁，該體系側(cè)重鋼橋面板雙向分配荷載的問題分析；第三體系為蓋板體系，該體系中頂板進(jìn)入薄膜應(yīng)力狀態(tài)，板件直接承受肋間的車輛荷載；在鋼橋面板設(shè)計(jì)時(shí)可以忽略第三體系的應(yīng)力。

1.2 正交異性鋼橋面疲勞開裂問題

正交異性橋面板的疲勞問題在其使用期間也經(jīng)常出現(xiàn)。因?yàn)檐囕v荷載直接作用于橋面板上且應(yīng)力循環(huán)次數(shù)較多，應(yīng)力幅偏大且局部剛度較小，還有施工時(shí)產(chǎn)生的疲勞裂紋等因素，使疲勞問題在鋼橋面板的使用過程中亟待解決[2]。

1.3 正交異性鋼橋面鋪裝病害

橋面鋪裝直接承受車輛荷載，其在預(yù)防行車道板磨損、避免雨水侵蝕、為行車提供摩擦力、分布車輛輪重的集中荷載起到了很大的作用。

目前大多鋼橋面鋪裝使用混合瀝青料鋪裝，有Masticasphalt（瑪蹄脂瀝青混凝土）、Stone Mastic Asphalt（改性瀝青混凝土）、Gussasphalt（瀝青澆注式混凝土）以及Epoxy Asphalt（瀝青環(huán)氧混凝土）等等，厚度在35～80 mm 之間。然而許多鋼橋在正常使用5 年以內(nèi)就出現(xiàn)了嚴(yán)重的車轍、開裂、坑槽等病害，有許多橋面板的使用年限不超過其設(shè)計(jì)服役期的一半。

這些損壞主要有以下原因：

a）正交異性鋼橋面板的剛度分布不均且剛度偏小，在輪載的作用下，鋪裝層局部處于高應(yīng)力區(qū)的部位較易首先產(chǎn)生疲勞開裂。

b）瀝青鋼橋面的瀝青混凝土工作環(huán)境惡劣，夏季鋼橋面板的溫度甚至可達(dá)到70℃，在重車荷載和溫度等共同作用下，由于瀝青混凝土材料的熱塑性，正交異性橋面板的鋪裝層經(jīng)常發(fā)生脫層及車黏接層失效的問題。

以上問題的部分原因是設(shè)計(jì)不合理、施工質(zhì)量不過關(guān)以及養(yǎng)護(hù)維修不當(dāng)?shù)热藶橹饔^因素，而部分原因則是由于材料及結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)及缺陷、環(huán)境惡劣及超載等客觀因素所造成。

2 超高性能混凝土（UHPC）

超高性能混凝土（UHPC），也稱為纖維增強(qiáng)混凝 土（Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete，簡(jiǎn)稱UHPFRC），以超高的耐久性、剛度以及強(qiáng)度為特征，成為了目前混凝土領(lǐng)域科研的主要對(duì)象。

在20 世紀(jì)七十年代初，建筑混凝土材料的極限強(qiáng)度出現(xiàn)了較大的進(jìn)步。丹麥學(xué)者Bache 教授發(fā)展的DSP 理論（超細(xì)顆粒致密化體系理論）給超高性能混凝土的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。

20 世紀(jì)八十年代初，Portland 公司把超高性能混凝土的產(chǎn)品注冊(cè)為商標(biāo)并針對(duì)UHPC 的耐久性、力學(xué)性能、組成優(yōu)化展開了較為完整的研究。

20 世紀(jì)末，有法國(guó)學(xué)者Sedran 發(fā)表論文，這種高強(qiáng)混凝土材料首次被稱為 Ultra-High Performance Concrete；同一時(shí)期，法國(guó)教授Richard提出了活性粉末混凝土 RPC（Reactive Powder Concrete）并取得了一系列研究成果。這是最具代表性的超高性能混凝土，目前國(guó)際上報(bào)道的UHPC 通常是指RPC，抗壓強(qiáng)度在150 MPa 以上，使用壽命超過200 年。

RPC（活性粉末混凝土）的構(gòu)成材料主要有鋼纖維、細(xì)骨料、硅灰及水泥等，它的最緊密堆積由不同粒徑顆粒以最佳比例形成，即細(xì)骨料的堆積空隙由水泥、粉煤灰、礦粉等微米級(jí)材料填充，水泥、粉煤灰、礦粉等微米級(jí)材料的空隙由硅灰等亞微米級(jí)顆粒填充，使整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷減至最少，也控制了微裂縫與孔隙的數(shù)量及發(fā)展，因而獲得了耐久性以及更高的強(qiáng)度。活性粉末混凝土內(nèi)的鋼纖維減緩了混凝土內(nèi)裂縫的發(fā)展，使RPC 材料的塑性也得到了極大的提升。

在抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及彈性模量等力學(xué)性能方面，UHPC 的各項(xiàng)數(shù)據(jù)相比普通混凝土有極大優(yōu)勢(shì)。具體對(duì)比參數(shù)如表1 所示。

表1 UHPC與普通混凝土材料性能對(duì)比

超高性能混凝土材料在橋梁結(jié)構(gòu)方面擁有廣闊的應(yīng)用前景，能夠顯著增加橋梁的跨度，增強(qiáng)橋梁的耐久性、服務(wù)周期以及結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。

3 正交異性鋼板-薄層RPC組合橋面簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的正交異性鋼橋面一般存在兩大問題，即橋面鋪裝層損壞以及鋼橋面的疲勞開裂?，F(xiàn)在一般的對(duì)策是采取加大板厚、優(yōu)化焊接施工以及減少較高疲勞細(xì)節(jié)的使用來(lái)緩解橋面板的疲勞開裂問題；另外可以通過改善瀝青混合料的材料性能以及改變鋪裝層設(shè)計(jì)等方法提高橋面鋪裝的壽命。

然而，在諸多引起這兩類病害的原因中，橋面系剛度低的因素卻極少有學(xué)者做出研究。由于橋面板較薄且鋪裝的彈性模量只有0.2～10 GPa，遠(yuǎn)低于鋼材的210 GPa，因此其對(duì)正交異性鋼橋面結(jié)構(gòu)的剛度提高非常有限。這種問題體現(xiàn)在實(shí)際使用中即瀝青鋪裝層變形過大、局部應(yīng)力集中、出現(xiàn)裂縫，而正交異性橋面板因承受應(yīng)力幅較大而產(chǎn)生較多疲勞裂紋。這兩種橋面系的損傷使橋面剛度進(jìn)一步降低并不斷惡性循環(huán)。

對(duì)于這種損傷方式，湖南大學(xué)邵旭東[3-5]團(tuán)隊(duì)考慮在橋面板上設(shè)置薄RPC（活性粉末混凝土）層并對(duì)該種結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法、力學(xué)性能進(jìn)行了初步研究，研究結(jié)果表明：

a）活性粉末混凝土層有效改善了表面瀝青混凝土層的工作條件，大幅度降低了鋪裝層推移、開裂等破壞。

b）設(shè)置薄RPC（活性粉末混凝土）層能夠顯著提高橋面剛度，有效提高正交異性橋面板的疲勞壽命。

c）活性粉末混凝土層能夠提高結(jié)構(gòu)的韌性及抗拉強(qiáng)度，能夠滿足形變與強(qiáng)度要求。

4 鋼-UHPC組合橋面系應(yīng)用

4.1 楓溪大橋UHPC層鋪設(shè)前后應(yīng)力影響分析

株洲市楓溪大橋跨徑布置45 m×3+300 m+45 m×3，是中國(guó)首座采用輕型組合橋的大跨徑新建自錨式懸索橋。其主跨為鋼加勁梁，邊跨和錨跨為混凝土箱梁，主塔兩邊設(shè)有鋼混結(jié)合段。楓溪大橋橋面寬32 m，主纜垂跨比為1/5，有吊桿32 對(duì)，車道布置為雙向六車道。楓溪大橋的橋面采用了鋼-UHPC組合橋面系，橋面板鋪設(shè)了厚50 mm 的UHPC 層永久性結(jié)構(gòu)，UHPC 高強(qiáng)混凝土層的上方鋪設(shè)了50 mm 厚的SMA13 瀝青混凝土磨耗層。

鋼橋面板的病害主要為車輛荷載造成的鋼板疲勞裂紋，而組合橋面系鋼結(jié)構(gòu)部分的主要疲勞細(xì)節(jié)類別主要包括以下9 種。a）橋面系- 縱肋焊縫；b）橋面系間對(duì)接焊縫；c）頂板縱肋底部對(duì)接焊縫；d）弧形切口；e）橫隔板及縱肋端部焊縫；f）弧形切口起點(diǎn)（橫隔板處）；g）頂板縱肋、橋面系、橫隔板交叉焊縫處橋面系；h）頂板縱肋、橋面系、橫隔板交叉焊縫處頂板縱肋；i）頂板縱肋、橋面系、橫隔板交叉焊縫處橫隔板。由于車輛荷載作用下的縱橋向最不利位置出現(xiàn)在主跨約2/3 的地方，位于18 號(hào)標(biāo)準(zhǔn)鋼箱梁節(jié)段內(nèi)，因此確定18 號(hào)標(biāo)準(zhǔn)鋼箱梁作為研究節(jié)段。

學(xué)者裴必達(dá)選用三軸卡車作為加載車輛，在測(cè)試節(jié)段頂板U 肋、橫隔板正反兩面共布置66 個(gè)應(yīng)變片以對(duì)比鋪設(shè)UHPC 混凝土橋面板前后各疲勞細(xì)節(jié)處的最大拉、壓應(yīng)力，按照較為保守的方式取細(xì)節(jié)處的應(yīng)力幅為Δσ=σmax-σmin。測(cè)試結(jié)果如圖2 所示，鋪設(shè)UHPC 層后所有細(xì)節(jié)的應(yīng)力幅都有明顯降低[6]。

圖2 各細(xì)節(jié)應(yīng)力幅及降幅百分比

分析9 種疲勞細(xì)節(jié)的測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)由于鋪設(shè)UHPC 層后鋼面板與高強(qiáng)混凝土形成了整體，橋面系剛度大幅提高，因而在鋪設(shè)UHPC 層后9 種疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力幅均有所降低，其中橋面系處疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力幅降幅比例最大，高達(dá)75%～90%；而頂板縱肋上的細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力降幅約為65%～80%；橫隔板上的疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力降幅約為20%～50%。同時(shí)應(yīng)力降幅與橋面系離疲勞細(xì)節(jié)的距離有關(guān)，距離越小UHPC 層對(duì)疲勞細(xì)節(jié)的應(yīng)力降幅越明顯。

4.2 武漢軍山長(zhǎng)江大橋UHPC組合橋面改造工程

武漢軍山長(zhǎng)江大橋是國(guó)家干線公路網(wǎng)中“一縱一橫”的兩條主干道——滬渝高速公路（G50）和京港澳高速公路（G4）共用的特大型高速公路橋梁。2017 年7 月30 日，軍山大橋因超載超限車輛多而造成了各項(xiàng)病害，開始進(jìn)行加固維修。

軍山長(zhǎng)江大橋的病害主要為疲勞裂縫。2001 年軍山大橋通車時(shí)受諸多因素限制，其鋼箱梁頂板的設(shè)計(jì)厚度僅為12～16 mm，設(shè)計(jì)最大車流量日通行1.5 萬(wàn)輛，而5 年內(nèi)軍山長(zhǎng)江大橋?qū)嶋H日通行車流量已超過3 萬(wàn)輛且60%為大貨車，貨車的嚴(yán)重超載造成了橋梁疲勞裂縫的提前產(chǎn)生。

對(duì)于車輛荷載造成的疲勞裂紋，鋼-UHPC 組合橋面結(jié)構(gòu)由于高強(qiáng)混凝土層具有較高的彈性模量，可以有效地降低鋼結(jié)構(gòu)在局部輪載作用下的應(yīng)力水平并大大提高鋼橋面板剛度，同時(shí)能夠降低瀝青磨耗層的破壞風(fēng)險(xiǎn)并改善上部瀝青磨耗層的工作條件。因此在軍山長(zhǎng)江大橋珠海至北京方向半幅橋側(cè) K1186+781—k1186+873 處設(shè)置了鋼 -UHPC 組合橋面結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段。該試驗(yàn)段寬15.2 m，全長(zhǎng)92 m，鋪裝平均厚度5.5 cm，總澆筑時(shí)間歷時(shí)約14 h。試驗(yàn)段澆筑施工采用地泵泵送、罐車運(yùn)輸?shù)确绞綄⒏邚?qiáng)混凝土在試驗(yàn)段均勻撒布并使用機(jī)械式振平設(shè)備進(jìn)行振平，利用收光平臺(tái)的操作便利性進(jìn)行了混凝土土工布、養(yǎng)生膜的鋪設(shè)以及收光抹面，及時(shí)完成混凝土澆筑施工與養(yǎng)護(hù)，每間隔2 h 對(duì)試驗(yàn)段表面進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，48 h 后進(jìn)入高溫蒸汽養(yǎng)生環(huán)節(jié)。2018年12 月15 日起，武漢軍山長(zhǎng)江大橋正式修繕完成并對(duì)貨車開放通行。

圖3 武漢軍山長(zhǎng)江大橋鋼-UHPC組合橋面結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段

4.3 鋼-UHPC組合橋面系與普通鋼橋面板對(duì)比

鋼-UHPC 組合橋面系由薄高強(qiáng)混凝土層以及鋼橋面板構(gòu)成，可以有效地減小大跨度橋梁結(jié)構(gòu)中鋪裝層易損壞以及鋼橋面板疲勞開裂等問題。

但是，鋼-UHPC 組合橋面系相比普通鋼橋面板也仍然存在一些問題。首先，UHPC 作為剛性鋪裝層，一旦發(fā)生局部破壞，很難進(jìn)行維修更換；其次，養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)UHPC 的性能有很大影響，工地現(xiàn)澆UHPC 的質(zhì)量難以保證；最后，UHPC 與鋼橋面的黏接性能有待研究，其黏接性能直接影響結(jié)構(gòu)的耐久性。

鋼-UHPC 組合橋面系的計(jì)算方式也應(yīng)該根據(jù)組合結(jié)構(gòu)的受力方式進(jìn)行調(diào)整。依據(jù)材料力學(xué)的相關(guān)理論，受荷載作用的變形固體內(nèi)任意一點(diǎn)至少存在3 個(gè)主應(yīng)力，對(duì)應(yīng)3 個(gè)主方向。復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)即3個(gè)方向上的主應(yīng)力中有一個(gè)或者兩個(gè)主應(yīng)力不為零的情況。

對(duì)于橋面系結(jié)構(gòu)，構(gòu)件以板殼為主（包括UHPC層），其在荷載作用下的應(yīng)力狀態(tài)多為兩向甚至三向應(yīng)力狀態(tài)，所以應(yīng)當(dāng)以復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度理論探討破壞原因并建立其強(qiáng)度條件。

對(duì)于混凝土這種典型的脆性材料而言，應(yīng)該認(rèn)為拉應(yīng)力是脆性破壞的原因并采用第一強(qiáng)度理論，當(dāng)最大拉應(yīng)力達(dá)到材料能承受的極限值時(shí)結(jié)構(gòu)破壞。

但是UHPC 的極限抗拉應(yīng)變很大且可以達(dá)到1 700 με甚至3 000 με，接近甚至大于普通鋼筋的屈服應(yīng)變（1 820 με），UHPC 混凝土的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線如圖4 所示。這是因?yàn)閁HPC 構(gòu)件裂縫出現(xiàn)后，由于鋼纖維的橋聯(lián)作用，受拉區(qū)混凝土并不退出工作，而是可以協(xié)助縱筋承擔(dān)部分拉力，隨著裂縫的擴(kuò)展和部分鋼纖維的拔出，其所承擔(dān)的拉力逐漸減小[7]。

圖4 UHPC應(yīng)力-應(yīng)變曲線

此外有研究結(jié)果表明，UHPC 結(jié)構(gòu)中小于0.05 mm 的裂縫寬度基本不影響結(jié)構(gòu)的耐久性。這樣，在可視初裂前UHPC 材料能夠與鋼筋變形同步并對(duì)結(jié)構(gòu)的抗拉性能有顯著提高。由于UHPC 大應(yīng)變的特性，配筋后鋼筋的強(qiáng)度在UHPC 開裂前得以充分發(fā)揮。因此，盡管UHPC 的抗拉極限強(qiáng)度一般為10～15 MPa，但是配筋后其名義抗拉極限強(qiáng)度可以達(dá)到30 MPa 以上。

在計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)當(dāng)使用第四強(qiáng)度理論，綜合強(qiáng)度指標(biāo)使用鋼材從彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)時(shí)的強(qiáng)度，要用變形時(shí)單位體積中由于邊長(zhǎng)比例變化的能量來(lái)衡量。從第四強(qiáng)度理論的推導(dǎo)可以看出在三向應(yīng)力作用下，鋼材的屈服條件可用等效應(yīng)力Von Mises（即σeqv）和鋼材在受到單向力的屈服點(diǎn)fy相比較判斷。如果σeqv＜fy，則鋼材未到達(dá)屈服點(diǎn)；若σeqv＞fy，鋼材處于塑性階段。

5 展望

鋼-UHPC 組合橋面板具有強(qiáng)度高、疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，其各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)在不久的將來(lái)可能解決鋼橋面板的橋面鋪裝易損壞與疲勞破壞等問題，但新型結(jié)構(gòu)還有其他一系列問題有待進(jìn)一步研究和解決：

a）連接構(gòu)造問題。本文僅對(duì)組合橋面板的構(gòu)造選型和整體性能進(jìn)行了初步研究，但是對(duì)于其在實(shí)際工程運(yùn)用中的連接措施沒有展開研究，對(duì)于連接處的力學(xué)性能還有待進(jìn)一步研究。

b）預(yù)制拼裝式結(jié)構(gòu)形式問題。工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化是當(dāng)今施工技術(shù)的趨勢(shì)，如何構(gòu)建合理的預(yù)制化單元，使其構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便，同時(shí)又能滿足強(qiáng)度、剛度或穩(wěn)定性的要求，是一個(gè)值得研究的課題。