纖維增強混凝土剛性鋪裝鋼橋面板受力性能試驗①

吳 琰

( 同濟大學 土木工程學院, 上海 200092)

0 引 言

正交異性鋼橋面板有自重輕、強度大的特點，是大跨度橋梁中的主要橋面形式[1]。在橋梁長期運營中，鋼橋面板的病害主要表現為疲勞開裂和橋面板鋪裝的破壞, 嚴重影響了結構的耐久性[2]。

針對這些病害，國內外學者開展了相關研究，提出了不同的改進措施。如提高面板厚度、改善焊接工藝等[3]。也有提出一些加強措施，如在U肋內設置小橫隔板、橋面板上設置UHPC等[4]。

其中，采用高性能混凝土等作為剛性鋪裝，代替普通瀝青混凝土鋪裝，可以改善正交異性鋼橋面板受力性能。在鋼橋面板中，普通鋪裝由于剛度小，基本不參與結構受力，主要起保護和分布車輪集中荷載的作用[5]。而采用自身強度和剛度都較大的高性能混凝土作為鋪裝層，并采用合適的連接件與鋼橋面板結合，面板的剛度將大大得到補強，受荷后表現出組合結構的受力特點，故可減小橋面板在車輪荷載作用下的變形，提高橋面板的抗疲勞性能[6]。典型的鋼橋面板的剛性鋪裝和普通鋪裝如圖 1所示。

針對剛性鋪裝對鋼橋面板的補強效果，采用了一種鋼纖維增強混凝土，設計制作了2個試件，包括1個正交異性鋼橋面板試件，1個帶剛性鋪裝的鋼橋面板試件，兩者截面的鋼結構布置相同。通過靜力試驗，考察了橋面板在車輪荷載作用下，跨中截面鋼梁在橫向和縱向的受力性能，并進行對比分析。

1 試驗概況

1.1 試驗設計

試驗設計了2個橋面板試件，編號依次為SP-1和SP-2，均按照簡支梁受力設計。

試件SP-1模擬普通鋪裝鋼橋面板，為純鋼結構，寬12000mm，長2600mm，采用300mm×260mm×10mm的U肋，頂板厚16mm，截面尺寸如圖 2(a)所示。試件SP-2的長寬，以及截面的鋼結構部分與SP-1相同，鋪裝層采用厚2mm環氧膠+厚53mm纖維增強混凝土，并按照450mm的間距稀疏布置了φ13×35的短焊釘，按照50mm的間距布置了直徑分別為10mm和8mm的縱向、橫向鋼筋。截面尺寸如圖 2(b)所示。試件制作成型后，外觀如圖 3所示。

圖2 試件的截面尺寸(單位：mm)

圖3 試件外觀

1.2 試驗裝置及加載方式

局部加載時，加載點根據《公路橋涵通用設計規范》規定，車輛一個后輪著地面積取600mm×200mm，布置在跨中，一個車后輪荷載70kN，考慮超載作用，試驗荷載在彈性范圍內放大2倍到140kN。

實際加載時，在千斤頂下放置傳荷鋼梁，鋼梁下墊600mm×200mm大小的木模板。加載方式示意和裝置如圖 4所示。

圖4 加載方法

局部加載時，加載點根據《公路橋涵通用設計規范》規定，車輛一個后輪著地面積取600mm×200mm，布置在跨中，一個車后輪荷載70kN，考慮超載作用，試驗荷載在彈性范圍內放大2倍到140kN。

實際加載時，在千斤頂下放置傳荷鋼梁，鋼梁下墊600mm×200mm大小的木模板。加載方式示意和裝置如圖 4所示。

圖4 加載方法

圖5 試驗測點布置示意圖

1.3 測試內容及測點布置

試驗主要關注U形肋與鋼頂板連接的縱向焊縫的橫向受力情況，故在肋間兩條焊縫的兩側以及頂板中部各布置1個橫向應變測點，如圖 5(a)所示。此外，跨中截面也布置有若干縱向應變測點，如圖 5(b)所示。

為觀測試件變形，在跨中和兩端各布置2個共計6個豎向位移計進行測量。

圖6 試件SP-1跨中截面橫向應變-荷載曲線

圖7 試件SP-2跨中截面橫向應變-荷載曲線

1.4 材料主要特性

試件SP-2采用的鋼纖維增強混凝土，抗壓強度98.4MPa，彈性模量45810MPa；主要受力鋼板共兩種尺寸，包括10mm(U肋)和16mm厚(鋼頂板)，材性試驗結果如表 1所示。

表1 鋼板材性試驗表

2 試驗概況

2.1 試件鋼截面橫向應變

試件SP-1的跨中截面橫向應變測試結果如圖 6所示。從中可以看到，應變基本呈線性增長，頂板中部應變片“GH-3”測值很小，橫向應變較大的位置主要集中在頂板和U肋的連接焊縫附近，且都表現為受壓。其中，位于頂板的測點“GH-2”和“GH-4”比位于U肋的測點“GH-1”和“GH-5”更大，更容易發生疲勞開裂。

試件SP-2的跨中截面橫向應變測試結果如圖 7所示，同樣表現出線性增長。對比SP-1的結果，SP-2頂板焊縫附近的測點“GH-2”和“GH-4”的橫向受力由壓變為拉，且應變值大大減小。在所有測點中，位于U肋上焊縫附近的測點“GH-1”和“GH-5”應變值最大。

圖8 試件跨中變形

圖9 荷載140kN時截面縱向應變

從圖 6和圖 7還可看到，采用了剛性鋪裝層的試件SP-2，跨中截面焊縫附近各處的橫向應變相較試件SP-1都有較大幅度的減小。

將SP-1和SP-2的應變結果換算為應力，并計算出荷載70kN到140kN之間的應力幅，再按照應力水平與疲勞壽命之間關系的相關的公式(1)：

SmN=A

(1)

式(1)中，S為應力幅，N為加載次數(疲勞壽命)，A和m為材料常數，在此處m取值為3。估算普通鋼橋面板與采用剛性鋪裝鋼橋面板的優劣關系，結果如下表所示。

表2 兩個試件鋼板橫向應變對比

從上表的分析結果可以看到，采用55mm厚鋼纖維增強混凝土作為剛性鋪裝，可以大大改善鋼橋面板在U肋與頂板連接處的抗疲勞性能，將其疲勞壽命提高了至少4倍以上。

2.2 試件整體變形和縱向受力

整理所測位移結果，得到荷載-變形曲線如圖 8所示，試件SP-1跨中最大位移變形約2.1mm，試件SP-2約1.6mm，由此可以看出剛性鋪裝對截面剛度有較為明顯的增強。

對于兩個試件截面上的縱向應變，提取荷載達到140kN時的測試結果，按照距離截面底部的高度整理，如圖 9所示。從圖中可以看到，兩個試件的截面應變分布都符合平截面假定，可知剛性鋪裝與鋼板之間發生看較好的組合效應，并且試件SP-2截面的中性軸比試件SP-1高出許多。從數值大小看，試件SP-2的鋼板各測點均比純鋼試件SP-1小，以鋼截面底部測點應變較SP-1減小，可見采用剛性鋪裝雖然提高了中性軸，但慣性矩增大的幅度更明顯，從而提高了截面的抵抗距。

此外，雖然鋼纖維增強混凝土本身的容重比普通鋪裝如瀝青混凝土要大一些，但由于采用了前者替代后者的方式，所以并不會明顯地增大橋面板自重以及增大截面高度。

3 結 語

對1個普通正交異性鋼橋面板和1個采用鋼纖維增強混凝土作為剛性鋪裝的鋼橋面板試件進行了局部車輪荷載作用的靜力加載試驗，可以得到如下結論：

(1)采用適宜連接件后，剛性鋪裝與鋼板共同受力，表現出組合結構的特性，在同等大小的車輪荷載作用下，剛性鋪裝可減小正交異性鋼橋面板的變形；

(2)采用鋼纖維增強混凝土作為剛性鋪裝，U肋和頂板連接焊縫附近的應力水平遠遠低于正交異性鋼橋面板，由此可以大大減小橋面板發生疲勞破壞的可能性。

(3)使用剛性鋪裝替代普通鋪裝，并不會明顯增大橋面板自重和截面高度。

[1] 王春生, 付炳寧, 張芹,等. 正交異性鋼橋面板足尺疲勞試驗[J]. 中國公路學報, 2013, 26(2):69-76.

[2] SHIOTANI, T, et al. Damage Evaluation for Concrete Bridge Deck by Means of Stress Wave Techniques[J]. Journal of Bridge Engineering (ASCE),2012, 17(6): 847-856.

[3] 王春生, 馮亞成. 正交異性鋼橋面板的疲勞研究綜述[J]. 鋼結構, 2009 (9): 10-13.

[4] 李瑋, 趙國云. 剛性鋪裝在橋面正交異性板補強中的應用[J]. 中外公路, 2016(3):122-126.

[5] 吳沖. 現代鋼橋, 上冊[M]. 人民交通出版社, 2006.

[6] 蘇慶田, 韓旭, 姜旭,等. U形肋正交異性組合橋面板力學性能[J]. 哈爾濱工業大學學報, 2016(9):14-19.