纤维增强混凝土刚性铺装钢桥面板受力性能试验①

吴 琰

( 同济大学 土木工程学院, 上海 200092)

0 引 言

正交异性钢桥面板有自重轻、强度大的特点，是大跨度桥梁中的主要桥面形式[1]。在桥梁长期运营中，钢桥面板的病害主要表现为疲劳开裂和桥面板铺装的破坏, 严重影响了结构的耐久性[2]。

针对这些病害，国内外学者开展了相关研究，提出了不同的改进措施。如提高面板厚度、改善焊接工艺等[3]。也有提出一些加强措施，如在U肋内设置小横隔板、桥面板上设置UHPC等[4]。

其中，采用高性能混凝土等作为刚性铺装，代替普通沥青混凝土铺装，可以改善正交异性钢桥面板受力性能。在钢桥面板中，普通铺装由于刚度小，基本不参与结构受力，主要起保护和分布车轮集中荷载的作用[5]。而采用自身强度和刚度都较大的高性能混凝土作为铺装层，并采用合适的连接件与钢桥面板结合，面板的刚度将大大得到补强，受荷后表现出组合结构的受力特点，故可减小桥面板在车轮荷载作用下的变形，提高桥面板的抗疲劳性能[6]。典型的钢桥面板的刚性铺装和普通铺装如图 1所示。

针对刚性铺装对钢桥面板的补强效果，采用了一种钢纤维增强混凝土，设计制作了2个试件，包括1个正交异性钢桥面板试件，1个带刚性铺装的钢桥面板试件，两者截面的钢结构布置相同。通过静力试验，考察了桥面板在车轮荷载作用下，跨中截面钢梁在横向和纵向的受力性能，并进行对比分析。

1 试验概况

1.1 试验设计

试验设计了2个桥面板试件，编号依次为SP-1和SP-2，均按照简支梁受力设计。

试件SP-1模拟普通铺装钢桥面板，为纯钢结构，宽12000mm，长2600mm，采用300mm×260mm×10mm的U肋，顶板厚16mm，截面尺寸如图 2(a)所示。试件SP-2的长宽，以及截面的钢结构部分与SP-1相同，铺装层采用厚2mm环氧胶+厚53mm纤维增强混凝土，并按照450mm的间距稀疏布置了φ13×35的短焊钉，按照50mm的间距布置了直径分别为10mm和8mm的纵向、横向钢筋。截面尺寸如图 2(b)所示。试件制作成型后，外观如图 3所示。

图2 试件的截面尺寸(单位：mm)

图3 试件外观

1.2 试验装置及加载方式

局部加载时，加载点根据《公路桥涵通用设计规范》规定，车辆一个后轮着地面积取600mm×200mm，布置在跨中，一个车后轮荷载70kN，考虑超载作用，试验荷载在弹性范围内放大2倍到140kN。

实际加载时，在千斤顶下放置传荷钢梁，钢梁下垫600mm×200mm大小的木模板。加载方式示意和装置如图 4所示。

图4 加载方法

局部加载时，加载点根据《公路桥涵通用设计规范》规定，车辆一个后轮着地面积取600mm×200mm，布置在跨中，一个车后轮荷载70kN，考虑超载作用，试验荷载在弹性范围内放大2倍到140kN。

实际加载时，在千斤顶下放置传荷钢梁，钢梁下垫600mm×200mm大小的木模板。加载方式示意和装置如图 4所示。

图4 加载方法

图5 试验测点布置示意图

1.3 测试内容及测点布置

试验主要关注U形肋与钢顶板连接的纵向焊缝的横向受力情况，故在肋间两条焊缝的两侧以及顶板中部各布置1个横向应变测点，如图 5(a)所示。此外，跨中截面也布置有若干纵向应变测点，如图 5(b)所示。

为观测试件变形，在跨中和两端各布置2个共计6个竖向位移计进行测量。

图6 试件SP-1跨中截面横向应变-荷载曲线

图7 试件SP-2跨中截面横向应变-荷载曲线

1.4 材料主要特性

试件SP-2采用的钢纤维增强混凝土，抗压强度98.4MPa，弹性模量45810MPa；主要受力钢板共两种尺寸，包括10mm(U肋)和16mm厚(钢顶板)，材性试验结果如表 1所示。

表1 钢板材性试验表

2 试验概况

2.1 试件钢截面横向应变

试件SP-1的跨中截面横向应变测试结果如图 6所示。从中可以看到，应变基本呈线性增长，顶板中部应变片“GH-3”测值很小，横向应变较大的位置主要集中在顶板和U肋的连接焊缝附近，且都表现为受压。其中，位于顶板的测点“GH-2”和“GH-4”比位于U肋的测点“GH-1”和“GH-5”更大，更容易发生疲劳开裂。

试件SP-2的跨中截面横向应变测试结果如图 7所示，同样表现出线性增长。对比SP-1的结果，SP-2顶板焊缝附近的测点“GH-2”和“GH-4”的横向受力由压变为拉，且应变值大大减小。在所有测点中，位于U肋上焊缝附近的测点“GH-1”和“GH-5”应变值最大。

图8 试件跨中变形

图9 荷载140kN时截面纵向应变

从图 6和图 7还可看到，采用了刚性铺装层的试件SP-2，跨中截面焊缝附近各处的横向应变相较试件SP-1都有较大幅度的减小。

将SP-1和SP-2的应变结果换算为应力，并计算出荷载70kN到140kN之间的应力幅，再按照应力水平与疲劳寿命之间关系的相关的公式(1)：

SmN=A

(1)

式(1)中，S为应力幅，N为加载次数(疲劳寿命)，A和m为材料常数，在此处m取值为3。估算普通钢桥面板与采用刚性铺装钢桥面板的优劣关系，结果如下表所示。

表2 两个试件钢板横向应变对比

从上表的分析结果可以看到，采用55mm厚钢纤维增强混凝土作为刚性铺装，可以大大改善钢桥面板在U肋与顶板连接处的抗疲劳性能，将其疲劳寿命提高了至少4倍以上。

2.2 试件整体变形和纵向受力

整理所测位移结果，得到荷载-变形曲线如图 8所示，试件SP-1跨中最大位移变形约2.1mm，试件SP-2约1.6mm，由此可以看出刚性铺装对截面刚度有较为明显的增强。

对于两个试件截面上的纵向应变，提取荷载达到140kN时的测试结果，按照距离截面底部的高度整理，如图 9所示。从图中可以看到，两个试件的截面应变分布都符合平截面假定，可知刚性铺装与钢板之间发生看较好的组合效应，并且试件SP-2截面的中性轴比试件SP-1高出许多。从数值大小看，试件SP-2的钢板各测点均比纯钢试件SP-1小，以钢截面底部测点应变较SP-1减小，可见采用刚性铺装虽然提高了中性轴，但惯性矩增大的幅度更明显，从而提高了截面的抵抗距。

此外，虽然钢纤维增强混凝土本身的容重比普通铺装如沥青混凝土要大一些，但由于采用了前者替代后者的方式，所以并不会明显地增大桥面板自重以及增大截面高度。

3 结 语

对1个普通正交异性钢桥面板和1个采用钢纤维增强混凝土作为刚性铺装的钢桥面板试件进行了局部车轮荷载作用的静力加载试验，可以得到如下结论：

(1)采用适宜连接件后，刚性铺装与钢板共同受力，表现出组合结构的特性，在同等大小的车轮荷载作用下，刚性铺装可减小正交异性钢桥面板的变形；

(2)采用钢纤维增强混凝土作为刚性铺装，U肋和顶板连接焊缝附近的应力水平远远低于正交异性钢桥面板，由此可以大大减小桥面板发生疲劳破坏的可能性。

(3)使用刚性铺装替代普通铺装，并不会明显增大桥面板自重和截面高度。

[1] 王春生, 付炳宁, 张芹,等. 正交异性钢桥面板足尺疲劳试验[J]. 中国公路学报, 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, 冯亚成. 正交异性钢桥面板的疲劳研究综述[J]. 钢结构, 2009 (9): 10-13.

[4] 李玮, 赵国云. 刚性铺装在桥面正交异性板补强中的应用[J]. 中外公路, 2016(3):122-126.

[5] 吴冲. 现代钢桥, 上册[M]. 人民交通出版社, 2006.

[6] 苏庆田, 韩旭, 姜旭,等. U形肋正交异性组合桥面板力学性能[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2016(9):14-19.