一種新型FRP- 瀝青混凝土鋼橋面鋪裝疲勞性能試驗(yàn)研究

桂濤鋒

摘要：文章研究一種新型FRP-瀝青混凝土鋼橋面鋪裝的疲勞力學(xué)性能，探究這種鋪裝的工程適用性，并利用UTM-100靜動(dòng)態(tài)電液伺服試驗(yàn)機(jī)對(duì)這種新型FRP-瀝青混凝土鋼橋面鋪裝復(fù)合梁的疲勞性能進(jìn)行研究。研究表明：該新型FRP-瀝青混凝土鋪裝有較好的抗疲勞破壞能力，還有與鋼橋面板極好的咬合性和變形協(xié)調(diào)性能，與傳統(tǒng)鋼橋面鋪裝相比，有更好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能，對(duì)鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的技術(shù)創(chuàng)新和工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：FRP;鋼橋面鋪裝;疲勞性能

0 引言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（fiber-reinforcedpolymer，簡稱FRP）是由纖維材料與基體材料等兩種以上的組分材料按一定比例混合并經(jīng)過一定工藝復(fù)合形成的各種形狀、規(guī)格及性能的高性能新型復(fù)合材料[1-2]。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料（鋼材、混凝土等）相比，F(xiàn)RP材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)和抗疲勞性能好等顯著優(yōu)點(diǎn)。近年來FRP材料在國內(nèi)外土木工程領(lǐng)域中的橋梁工程、房建工程、工業(yè)廠房、港口碼頭等新建工程及維修加固工程中均得到廣泛的應(yīng)用[3-8]，表現(xiàn)出了良好的材料性能和廣闊的應(yīng)用前景。

這種新型FRP-瀝青混凝土鋼橋面鋪裝是指以FRP材料為鋪裝下層，瀝青混凝土為鋪裝上層，在FRP材料和瀝青混凝土之間，添加一層環(huán)氧礫石作為粘結(jié)層而形成的新型鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)。FRP-瀝青混凝土鋼橋面鋪裝與傳統(tǒng)的鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)相比性能優(yōu)勢明顯，具體表現(xiàn)為：（1）FRP板兼鋼橋面板防水層、環(huán)氧礫石層兼瀝青混凝土粘結(jié)層，不用專設(shè)防水層和粘結(jié)層;（2）FRP材料自重輕而剛度大，在橋面鋪裝引入FRP材料可以大大減輕鋪裝重量，大大減小橋梁的二期恒載，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受力更加有利[9];（3）FRP鋪裝結(jié)構(gòu)與鋼板界面剪切強(qiáng)度大，粘結(jié)界面不至于剪切破壞;（4）后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較少。因此，F(xiàn)RP-瀝青混凝土鋼橋面鋪裝可以廣泛應(yīng)用于大跨徑鋼橋面鋪裝，而且對(duì)于鋪裝層損壞的橋梁性能優(yōu)勢更加明顯。但是，目前國內(nèi)外對(duì)于FRP-瀝青混凝土鋼橋面鋪裝疲勞性能的研究甚少，相關(guān)研究亟待開展。因此，本文采用室內(nèi)試驗(yàn)方法對(duì)FRP-瀝青混凝土鋼橋面鋪裝疲勞性能試驗(yàn)進(jìn)行研究，以探索FRP-瀝青混凝土鋼橋面鋪裝的疲勞彎曲性能。

1 試驗(yàn)方案

目前，研究鋼橋面鋪裝的疲勞試驗(yàn)方法分為四種：（1）試驗(yàn)橋模型;（2）直道試驗(yàn)?zāi)Ｐ?（3）環(huán)道試驗(yàn)?zāi)Ｐ?（4）復(fù)合梁試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｆ渲袕?fù)合梁試驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂性囼?yàn)條件易滿足、試驗(yàn)進(jìn)度易控制、試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃唵?、便于室?nèi)開展等優(yōu)點(diǎn)，在鋼橋面鋪裝的疲勞試驗(yàn)研究中得到廣泛的應(yīng)用。為使室內(nèi)復(fù)合梁模型試驗(yàn)結(jié)果能盡可能準(zhǔn)確地模擬實(shí)際用橋面鋪裝，由實(shí)際橋面所用鋼板、FRP層以及瀝青混合料鋪裝層制作成復(fù)合梁模型進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。復(fù)合梁模型可高度模擬實(shí)際用橋面鋪裝，準(zhǔn)確地反映FRP-瀝青混凝土鋼橋面鋪裝的抗疲勞性能。本文基于復(fù)合梁模型試驗(yàn)來研究這種新型鋼橋面鋪裝的疲勞性能。

本次試驗(yàn)所用試件參照德國鋼橋面鋪裝規(guī)范規(guī)定的方法對(duì)疲勞性能試件的結(jié)構(gòu)形式、使用材料及結(jié)構(gòu)尺寸的相關(guān)要求，依托某座長江大橋鋪裝結(jié)構(gòu)的實(shí)際厚度尺寸，制作了Ⅰ類～Ⅴ類鋪裝結(jié)構(gòu)的復(fù)合梁試件，如圖1～5所示。其中試驗(yàn)鋼板尺寸為（700×200×12）mm的Q235鋼，在（700×150）mm的范圍內(nèi)，依次鋪設(shè)FRP層、環(huán)氧礫石層和瀝青層。

各類試件具體結(jié)構(gòu)形式如下：

Ⅰ類試件：12mm厚Q235鋼板+55mmFRP空心板+15mm環(huán)氧礫石;

Ⅱ類試件：12mm厚Q235鋼板+3mmFRP層合板+7mm環(huán)氧礫石+30mmSMA底層+40mmSMA面層;

Ⅲ類試件：12mm厚Q235鋼板+3mmFRP層合板+7mm環(huán)氧礫石+30mmGA底層+40mmSMA面層;

Ⅳ類試件：12mm厚Q235鋼板+雙層環(huán)氧防水粘結(jié)層+30mmSMA底層+40mmSMA面層;

Ⅴ類試件：12mm厚Q235鋼板+雙層環(huán)氧防水粘結(jié)層+30mmSMA面層+40mmGA底層。

2 試驗(yàn)方法

參照德國鋼橋面鋪裝規(guī)范的方法，對(duì)鋪裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)加載方式見圖6。

按照德國鋼橋面鋪裝規(guī)范，將試件放在直徑為50mm、間距為300mm的三個(gè)鋼制輥軸支座上，通過施力架將加載力加給鋼板上焊接的加勁板上，并使鋼板上四個(gè)受力點(diǎn)受力大致相同[10]。試驗(yàn)在室溫（20±3）℃下進(jìn)行。在沒有鋪設(shè)鋪裝層的鋼板上施加靜荷載，使該處位移達(dá)到0.5mm時(shí)所對(duì)應(yīng)荷載即為本次疲勞試驗(yàn)的最大荷載F0，取0.15F0為疲勞試驗(yàn)的最小荷載FG，疲勞試驗(yàn)的加載幅值即為FG～F0，加載頻率為2Hz。

2.1 疲勞荷載幅的確定

選用沒有鋪設(shè)鋪裝層的3塊鋼板，通過大型液壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，分18級(jí)荷載對(duì)鋼板進(jìn)行加載，并測讀加勁板上四個(gè)百分表的讀數(shù)。加載測試結(jié)果見表1。

分析表1的試驗(yàn)檢測結(jié)果可知，在扣除試驗(yàn)最初幾級(jí)增量荷載作用后，3塊鋼板加勁肋截面的撓度增量均為0.03mm/kN。由此確定，試件扣除非彈性影響后產(chǎn)生L/600撓度對(duì)應(yīng)的荷載F0=0.5mm/（0.03mm/kN）=16.7kN即為疲勞試驗(yàn)最大荷載。

2.2 彎曲疲勞試驗(yàn)

在UTM-100靜動(dòng)態(tài)電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行這幾種不同鋪裝結(jié)構(gòu)的彎曲疲勞試驗(yàn)。德國鋼橋面鋪裝規(guī)范對(duì)復(fù)合梁的疲勞試驗(yàn)的加載頻率有相關(guān)規(guī)定：試驗(yàn)荷載應(yīng)采用半正弦波加載函數(shù)進(jìn)行加載，加載幅值為FG～F0，試驗(yàn)溫度為（20±3）℃。加載頻率的選取應(yīng)該按照標(biāo)準(zhǔn)軸載以設(shè)計(jì)車速通過時(shí)在鋪裝層中產(chǎn)生的應(yīng)力（應(yīng)變）響應(yīng)時(shí)間來決定。應(yīng)力（應(yīng)變）響應(yīng)的時(shí)間的大小主要取決于車輪的速度、軸重、交通車輛的類型等，響應(yīng)時(shí)間可根據(jù)Vanderpoel公式來確定：t=l/（2πf），計(jì)算加載頻率為10Hz對(duì)應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間為0.016s，對(duì)于瀝青混合料路面，0.016s響應(yīng)時(shí)間大致相當(dāng)于60～65km/h的行車速度，因此，本次疲勞荷載試驗(yàn)選用頻率為10Hz的半正弦波加載函數(shù)加載是較為合理的。為了便于對(duì)比研究，Ⅰ類～Ⅴ類鋪裝結(jié)構(gòu)的加載環(huán)境、加載方式應(yīng)保持相同。

（1）試驗(yàn)方案一：在上述試驗(yàn)環(huán)境下，采用UTM-100靜動(dòng)態(tài)電液伺服試驗(yàn)機(jī)對(duì)Ⅰ類～Ⅴ類鋪裝結(jié)構(gòu)（每類3個(gè)試件）分別進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)荷載（FG～F0）加載循環(huán)100萬次和200萬次的彎曲疲勞振動(dòng)試驗(yàn)。

（2）試驗(yàn)方案二：在與方案一試驗(yàn)環(huán)境相同條件下，考慮到長江大橋?qū)嶋H行駛的重載及超載車輛較多，將疲勞荷載幅提高50%，即采用重載交通條件下對(duì)應(yīng)的荷載幅值1.5FG～1.5F0對(duì)這五類鋪裝（Ⅰ類～Ⅴ類）加載循環(huán)100萬次的彎曲疲勞振動(dòng)。

（3）試驗(yàn)方案三：在Ⅲ類鋪裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)后，將3塊Ⅲ類試件放入烘箱中烘烤，待瀝青層軟化后刨去，保留下層FRP及環(huán)氧礫石層。以這種鋼板+FRP+環(huán)氧礫石試件（稱為Ⅲ0類試件）的方式，在與方案一試驗(yàn)環(huán)境相同條件下，再按重載交通條件下對(duì)應(yīng)的荷載幅值1.5FG～1.5F0對(duì)該組試件加載循環(huán)200萬次的彎曲疲勞振動(dòng)，考察FRP層和環(huán)氧礫石層與鋼板粘結(jié)的抗疲勞破壞能力。

3 試驗(yàn)結(jié)果

按照德國鋼橋面鋪裝規(guī)范，試驗(yàn)溫度為（20±3）℃，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)荷載（FG～F0）下，方案一的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

試驗(yàn)中以開裂或初次出現(xiàn)脫層等破壞現(xiàn)象時(shí)的加載次數(shù)為疲勞次數(shù)。疲勞次數(shù)超過100萬次即停止試驗(yàn)，如試件未出現(xiàn)開裂或脫層現(xiàn)象，則可認(rèn)定此種鋪裝結(jié)構(gòu)疲勞性能滿足德國鋼橋面鋪裝規(guī)范要求。由表2可知，Ⅰ類～Ⅴ類鋪裝結(jié)構(gòu)在經(jīng)過100萬次加載循環(huán)后，鋪裝結(jié)構(gòu)外觀無裂紋，結(jié)構(gòu)未破壞，可認(rèn)定這五類鋪裝結(jié)構(gòu)疲勞性能為合格。

考慮到標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)荷載下，Ⅰ類～Ⅴ類鋪裝結(jié)構(gòu)的疲勞次數(shù)都超過了100萬次，無法對(duì)這五類鋪裝結(jié)構(gòu)的疲勞性能進(jìn)行有效的比較，由此，方案二采用重載交通條件下對(duì)應(yīng)的荷載幅值1.5FG～1.5F0對(duì)這五類鋪裝（Ⅰ類～Ⅴ類）進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。方案二的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3試驗(yàn)結(jié)果可知：Ⅰ類鋪裝結(jié)構(gòu)在1.5FG～1.5F0試驗(yàn)荷載（重載交通荷載）作用下，經(jīng)過200萬次疲勞彎曲試驗(yàn)，鋪裝結(jié)構(gòu)無開裂破壞現(xiàn)象;Ⅱ類、Ⅲ類鋪裝結(jié)構(gòu)均是100～200萬次時(shí)下層瀝青混凝土與上層混凝土脫層破壞，F(xiàn)RP層與環(huán)氧礫石層均未破壞，可見FRP層和環(huán)氧礫石層均有較好的疲勞性能，Ⅱ類、Ⅲ類兩種鋪裝結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鋪裝結(jié)構(gòu)（Ⅳ類、Ⅴ類鋪裝結(jié)構(gòu)）。

由表4試驗(yàn)結(jié)果可知：對(duì)Ⅲ類鋪裝結(jié)構(gòu)刨除瀝青混凝土層，形成的僅剩FRP層和環(huán)氧礫石層的Ⅲ0類鋪裝結(jié)構(gòu)，在1.5FG～1.5F0試驗(yàn)荷載（重載交通荷載）作用下，經(jīng)過200萬次疲勞彎曲試驗(yàn)，鋪裝結(jié)構(gòu)仍未出現(xiàn)界面剝離和脫層破壞等現(xiàn)象。這表明FRP層及與其嵌入粘結(jié)的環(huán)氧礫石層有明顯優(yōu)秀的抗疲勞性能，故可保證其在重載交通條件下較好的抗疲勞性能，在保證起到防水層的作用的同時(shí)，也不會(huì)先于瀝青混凝土層破壞。

4 結(jié)語

本文完成了五類鋼橋面鋪裝的疲勞性能研究，其中包括三種新型FRP-瀝青混凝土鋼橋面鋪裝（Ⅰ類鋪裝～Ⅲ類鋪裝），初步得到了以下結(jié)論：

（1）本文中FRP-瀝青混凝土鋼橋面鋪裝在疲勞荷載上、下限值分別為2.505～16.700kN（標(biāo)準(zhǔn)荷載）作用下，經(jīng)歷100萬次疲勞循環(huán)加卸載停止后，鋪裝結(jié)構(gòu)、界面均未出現(xiàn)裂紋、脫層等現(xiàn)象，滿足德國鋼橋面鋪裝規(guī)范要求。

（2）在疲勞荷載上、下限值分別為3.758～25.050kN（重載交通荷載）作用下，經(jīng)過200萬次疲勞彎曲試驗(yàn)，Ⅰ類鋪裝結(jié)構(gòu)無開裂破壞現(xiàn)象，表明這種FRP-瀝青混凝土鋼橋面鋪裝具有較好的抗疲勞性能。由疲勞試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)可知：Ⅱ類、Ⅲ類鋪裝結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)瀝青混凝土鋼橋面鋪裝（Ⅳ類和Ⅴ類鋪裝結(jié)構(gòu)）。

（3）對(duì)于刨除瀝青混凝土層，由FRP層和環(huán)氧礫石層形成的Ⅲ0類鋪裝結(jié)構(gòu)在疲勞荷載上、下限值分別為3.758～25.050kN（重載交通荷載）作用下，經(jīng)過200萬次疲勞彎曲試驗(yàn)，鋪裝結(jié)構(gòu)仍未出現(xiàn)界面剝離和脫層破壞等現(xiàn)象，表明FRP層及與其嵌入粘結(jié)的環(huán)氧礫石層有明顯優(yōu)秀的抗疲勞性能。

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