超高性能混凝土钢桥面铺装在悬索钢箱梁桥面的应用研究

徐亚林 张辉 崔磊

江苏润扬大桥发展有限公司 江苏中路工程技术研究院有限公司

摘 要：为探索UHPC钢桥面铺装在大跨径桥梁中应用的适应性，以润扬大桥悬索桥1/4跨UHPC钢桥面铺装试验段为工程背景，通过建立空间模型分析局部UHPC铺装对全桥线形影响，并结合车桥耦合作用开展试验研究，同时依托试验段实施分析实桥铺装UHPC力学性能。结果表明，悬索桥局部实施UHPC新铺装后仍保持平衡状态，且主梁内力变化影响较小，未形成局部应力集中现象;在车桥耦合振动作用下UHPC的抗压强度均有所增长，且当UHPC养护至3d时轮压作用对其劈裂强度影响不敏感，同时实桥UHPC性能与室内标养条件下的无明显差异。

关键词：超高性能混凝土;钢桥面铺装;全桥模型;车桥振动;力学性能;

基金：江苏省自然科学基金(青年基金BK20180113);江苏省自然科学基金(面上项目BK20181112);

正交异性钢桥面板凭借自重轻、经济、架设方便、跨越能力大等优点，在大型跨江海桥梁中广泛应用;桥面铺装层是桥梁行车体系的重要组成部分，铺装材料的性能优劣及结构设计的合理性对桥梁耐久性、安全性、舒适性与经济性意义重大。针对正交异性钢桥面板偏薄或交通载荷较大的情况，众多国内外学者从提升桥面板刚度、优化铺装层材料性能、改进钢桥面构造等方面进行大量试验研究，以达到延缓正交异性钢桥面板与铺装层疲劳的损伤。其中超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete)作为一种新型纤维增强型水泥复合材料，具有超高强度、韧性及耐久特征，克服了传统水泥基材料韧性不足、易产生开裂的缺陷，可作为的钢桥面永久结构层;同时采用配筋的超高性能混凝土可增强组合桥面刚度，其良好的抗弯拉疲劳性能可减少铺装层破损及开裂等病害。

本研究以润扬长江公路大桥试验段为工程背景，提出基于正交异性钢桥面板铺装一体化协同受力结构方案，并结合模型计算及模拟试验分析，确保悬索桥UHPC钢桥面铺装有效实施，同时针对实桥UHPC性能进行测试分析研究，以期能够进一步推广扩大UHPC钢桥面铺装技术的实施应用。

1 模拟计算及试验方法

润扬长江公路大桥是长江上第一座由悬索桥和斜拉桥2座大跨径桥梁组合而成的刚柔相济的特大型桥梁;其南汊悬索桥为单跨地锚式结构，跨径布置为470m+1490m+470m，塔高207.58m，矢跨比为1/10，双索面布置;主梁为带风嘴的扁平流线形钢箱梁，宽38.7m、高3.0m，桥面为双向6车道，设计行车速度为100km/h。润扬长江大桥自2005年5通车后，采用下层2.5cm+上层2.5/3cm环氧沥青铺装形式，防水粘结层及层间粘层为环氧沥青防水粘结材料。

1.1 工程概况

从延缓正交异性板与铺装层疲劳的角度出发，通过超高性能混凝土水泥基材料对正交异性钢桥面板进行适当补强，以达到延缓正交异性钢桥面板与铺装层疲劳的损伤的目的。基于悬索桥1/4跨梁段为纵桥向最不利位置考虑，在润扬大桥南汊悬索桥靠近北塔1/4跨部位进行UHPC钢桥面铺装试验段研究，试验段长度约140m，总铺装面积达到2100m2。图1为UHPC钢桥面铺装结构，考虑到后期维修养护方便，采用RBChip环氧碎石+高强界面剂的层间粘结方式;为实现钢板最佳钢板补强效果，进行超高性能铺装全厚式设计，其中UHPC铺装层布设直径10mm，间距50mm×50mm的钢筋 ;同时考虑到行车舒适及安全性，铺装上表面设置Resin-surfacing超薄磨耗层。

1.2 整桥模型建立

采用Midas软件，针对悬索桥超高性能混凝土新铺装作用，进行悬索桥建模分析，计算铺装结构力学特性，其材料计算参数如表1所示;并假设有限元模型中铺装层为均匀、连续、各向同性的连续弹性体;各结构层挠度远小于结构层厚度、层间完全连续、横隔板完全固定;分别以此全桥模型进行成桥线形分析，以及研究恒载和活载作用下的铺装对全桥的影响。

图1 UHPC钢桥面铺装结构 下载原图

表1 润扬桥悬索桥材料参数 下载原图

1.3 车桥作用模拟试验

桥梁在外界的干扰作用之下会产生以固有频率发生往复固有振动，而具有弹簧悬挂装置的车辆是一个多自由度振动系统，车辆与桥梁结构的动力相互作用是复杂的车桥耦合振动过程。试验通过电磁振动试验台模拟车桥耦合振动源，如图2所示，以2Hz-3mm、4Hz-1mm、4Hz-3mm三种组合作为模拟桥梁振动的试验振动参数，参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG/E30-2005)使用贯入阻力仪测试UHPC铺装材料的初、终凝时间;再分别针对浇筑-初凝、初凝-终凝、浇筑-终凝三个时间阶段测定超高性能混凝土强度性能，对比分析UHPC铺装材料力学性能受车桥耦合振动的影响。

图2 贯入阻力仪和电磁振动试验台 下载原图

1.4 实桥铺装性能测试

依托润扬大桥UHPC钢桥面铺装试验段工程，分别对比分析实际试拌生产以及施工中UHPC钢桥面铺装材料在标养条件和随桥环境中的性能差异，如图3所示。试验方法参照《活性粉末混凝土》(GB/T 31387-2015)、《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)，主要测试力学指标包括:抗压强度(100mm×100mm×100mm立方体试块)、抗折强度(100mm×100mm×400m长方体试块)、弹性模量(100mm×100mm×300mm棱柱体试块)、干缩率(25mm×25mm×280mm棱柱体试件)。

图3 UHPC基本性能测试 下载原图

UHPC与钢板间粘结性能是保证组合铺装结构协同作用的关键。按照UHPC试验段结构方案，现场成型钢-UHPC复合铺装结构试件，分别进行复合结构的拉拔和剪切试验，主要评估复合结构界面连接情况，测试温度为23℃和60℃;拉拔试验是通过钻芯处理后，采用拉拔仪进行拉拔强度测试，斜剪切试验是利用特制斜剪切夹具，通过压力试验机测试斜剪破坏荷载，从而根据公式τ=F·sinθ/S计算界面剪切强度，其中θ为试件倾斜角45°，S为界面粘结面积。

2 结果讨论与分析

2.1 局部UHPC铺装对全桥结构的影响

(1)成桥线形分析

初始平衡状态分析:通过悬索桥建模助手建立桥梁生成模型，并进行初始平衡状态分析。其桥面系单位重量指加劲梁以及其他恒荷载的单位长度重量，根据前述材料和截面特性计算，桥面系单位长度重量=76.980kN/m3×1.3889m2(加劲梁)+42.042kN/m(旧铺装)=148.959522kN/m。

精确平衡状态分析:按照桥梁设计增加和删除单元和节点，将塔截面改为变截面，删除边跨梁单元、多余边界以及跨中吊杆单元，再将跨中主缆节点与加劲梁节点刚性连接模拟刚性中央扣，进行精确平衡状态的分析，并计算恒载作用下结构达到成桥线形的结构内力和变形。

平衡状态的验证:通过施工阶段分析控制>非线性分析>独立模型(使用平衡单元节点力)分析，验证分析模型平衡状态，分析得到的一次成桥位移等值线如图4所示，其中z方向最大位移仅为-54.56mm，出现在跨中处，认为模型达到平衡状态。

图4 一次成桥位移等值线 下载原图

(2)铺装影响分析

在主梁1/4跨设置UHPC新材料铺装层。新铺装之后主梁应力变化不大，只在1/4主梁部位箱梁顶板主压应力变化5～10kN/m2，没有形成应力集中现象，对主梁的剪力、弯矩、变形影响也很小。

在移动荷载作用下。新铺装部分主梁应力减小约4MPa，与新铺装部分相邻主梁应力有所增大，但增大较小约0.5MPa，新旧铺装结合处并没有形成应力集中现象。

2.2 不中断交通条件下UHPC性能变化

(1)不同阶段振动对UHPC强度的影响

图5为UHPC在不同阶段受扰的抗压强度变化。不同扰动阶段下UHPC强度均有所增长，其中未受扰动空白样抗压强度为135.9MPa;而浇筑-初凝、浇筑-终凝和初凝-终凝段受扰后强度分别增长8.8%、4.1%和2.9%。由于UHPC水胶比较低，硅灰等辅助性胶凝材料可提高浆体粘聚性，同时大量微细钢纤维可抑制基体受扰过程中发生骨料与浆料分离的情况，使得振动作用下UHPC强度均有所提高。UHPC基体中主要骨料为细砂料，表面浆体包裹性较好，在浇筑-初凝阶段的扰动可视为浆体的进一步振捣，从而促进基体组分均匀分布;在初凝后UHPC浆体基本固定成型，振动作用造成基体内结合水流动损失，影响基体进一步水化反应，因此在初凝-终凝阶段振动下，UHPC强度相比空白组无明显增长。

图5 基于不同阶段受扰阶段的UHPC抗压强度 下载原图

(2)不同参数振动作用对UHPC强度的影响

图6为基于不同振动参数的振动作用下UHPC抗压强度。在振动作用影响下，UHPC抗压强度相比空白样均有所增长;当扰动参数为2Hz-3mm和4Hz-3mm时，其抗压强度分别为141.5MPa和143.2MPa，与空白样相比增长4.1%和5.4%;在4Hz-1mm振动参数下强度为139.7MPa，相比空白样增长2.8%。结果表明，在相同振动频率下振动幅度越大，UHPC抗压强度越小;反之相同振动幅度下，振动频率越大，UHPC抗压强度相比较大。

图6 不同振动参数下UHPC抗压强度 下载原图

(3)轮压条件下UHPC强度发展规律

图7为常温养护3d后不同轮压影响条件下UHPC劈裂强度变化。采用车辙仪按现场实际车流量进行模拟加载，以研究养护一定龄期开放交通后UHPC的强度发展情况。参考润扬大桥日通行量4万辆，货车比例为30%，重车道轮迹位置的等效轴载为3968次/日。若采用车辙仪进行室内模拟加载，按车辙仪42次/min的加载频率，实桥每天等效轴载约为室内车辙仪等效运行94.5min。室内轮压12h后(等效通行8d)的UHPC劈裂强度11.7MPa，室内轮压24h后(等效现场18d),UHPC的劈裂强度为12.4MPa;轮压作用对UHPC的强度造成影响不敏感，其UHPC劈裂强度基本随龄期的增长而增加。

图7 轮压条件下UHPC劈裂强度发展规律 下载原图

2.3 UHPC钢桥面铺装关键施工工艺

润扬大桥UHPC钢桥面铺装试验段主要施工工序包括原桥面铣刨清理→钢桥面喷砂除锈→RBChip防水粘结层施工→钢筋 的安装→界面剂喷涂→UHPC拌合生产→UHPC摊铺施工→铺装层养护→树脂碎石罩面施工;采用立轴星式搅拌机制备UHPC铺装材料，输送至浇筑UHPC专用布料机进行均匀摊铺，再经过振动梁分级振捣、整平，随后进行收光抹面，最后通过配套覆膜机进行养护，保湿养护7d后进行下道工序施工。

2.4 基于实桥铺装的UHPC性能分析

(1)抗压、抗折强度和弹性模量

图8为不同条件下测得UHPC抗压强度、抗折强度和弹性模量。UHPC试件在压力作用下并未完全破碎，呈现典型的韧性破坏形式，如图9所示。试拌与施工的UHPC抗压强度相当，养护28时抗压强度均达到90MPa以上，标养条件下UHPC抗压强度最大达到100MPa以上。UHPC在微细钢纤维的作用下，其抗折破坏呈明显韧性断裂模式，大量钢纤维锚固在裂缝两端，阻止裂缝进一步扩展。试拌与施工UHPC的抗折强度相当，养护7d时抗折强度均达到20MPa以上。在试拌-标养、施工-标养和施工-随桥养护条件下UHPC弹性模量相当，养护28d时UHPC弹性模量达到30GPa，相当于环氧混凝土的3倍弹性模量。

(2)干燥收缩

图10为不同养护条件下UHPC前28d龄期的干燥收缩。UHPC干燥收缩均随养护龄期的延长而逐渐增大，其中室内蒸养UHPC在28d时的干燥收缩为295με，相同龄期时，试拌-标养的UHPC干燥收缩为412με，施工-随桥的UHPC的干燥收缩492με。结果证实蒸养条件能够明显降低UHPC的干燥失水收缩，虽然实桥施工中测得UHPC干燥收缩值均大于蒸养条件，同时考虑到UHPC中含有大量微细钢纤维以及铺装层中密配钢筋 ，均能有效降低UHPC干燥收缩产生的内应力，继而大幅降低UHPC基体因干燥收缩而产生开裂的风险。

图8 不同条件下UHPC抗压、抗折强度强度和弹性模量 下载原图

图9 UHPC强度试验后破坏形态 下载原图

图1 0 UHPC干燥收缩 下载原图

(3)复合结构拉拔强度

图11和图12分别为复合结构在23℃和60℃温度下的拉拔强度和断裂面形貌。施工-随桥UHPC常温下拉拔强度为1.34MPa,60℃下的拉拔强度为0.79MPa，与施工-标养试件相比拉拔强度相当;两种测试温度条件下，拉拔断裂面均为UHPC与RB-Chip层间，而RB层树脂与下层钢板黏结牢固，原RBChip表面部分碎石被上层UHPC拉起，可见UH-PC层与RBchip环氧碎石层形成良好连接，可在一定程度上保证钢板与UHPC间的协同受力。

(4)复合结构剪切强度

图13和图14分别为复合结构在23℃和60℃温度下的斜剪切强度和断裂面形貌。在23℃常温条件下，测得试拌-标养和施工-随桥的剪切强度分别为25.7MPa和21.7MPa，其复合结构剪切强度相当;而在60℃高温条件下RBChip树脂层发生软化，三种试件的剪切强度均为7～8MPa，相比常温条件大幅下降。同时剪切破坏均为UHPC层与钢板间均发生缓慢滑移直至完全脱开，两种温度条件下复合结构的剪切破坏界面均位于RBChip与钢板层间，RBChip层的树脂层被整体从钢板表面剥离。

图1 1 UHPC复合结构拉拔强度 下载原图

图1 2 复合结构拉拔破坏界面 下载原图

图1 3 UHPC复合结构斜剪强度 下载原图

3 结论

(1)悬索桥1/4跨局部UHPC铺装条件下纵桥向最大位移为跨中-54.56mm，恒载作用下引起主梁部位钢箱梁顶板压应力5～10kN/m2，动载作用下主梁应力减少4MPa，相邻主梁部分应力增大约0.5MPa。

图1 4 复合结构斜剪破坏界面 下载原图

(2)车桥耦合振动作用下UHPC抗压强度均有所增长，其中在浇筑与初凝阶段振动使得UHPC抗压强度增长8.8%;且在4Hz-3mm振动频率和幅值作用下UHPC抗压强度增长越明显;在轮压条件下，当UHPC养护至3d时轮压作用对其劈裂强度影响不敏感。

(3)实桥UHPC抗压强度28d天抗压和抗折强度达到90MPa和20MPa以上，弹性模量为30GPa，相比标养条件下无明显差异;其28d干燥收缩值约为492με，相比标养条件下有所增加，但考虑到铺装层内部密配钢筋 可进一步减少收缩变形。

(4)基于实桥UHPC复合结构在常温23℃的拉拔和剪切强度分别为1.34MPa和21.7MPa,60℃高温条件下强度拉拔和剪切强度分别降低至0.8MPa和7.3MPa，相比同试件标养条件下无明显差异。

(5)基于不中断交通条件下实施UHPC钢桥面铺装，对其基本抗压强度无明显影响，其重点应关注UHPC铺装层的实施操作，保证实桥施工过程中UH-PC性能稳定。

参考文献

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