常溫養護下正交異性鋼板-RPC組合橋面力學研究

高 展,張 慧,靳春玲

(蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070)

引言

目前，由于鋼箱梁結構的輕質和良好的跨越能力，此類結構在我國大跨度橋梁建設中得到了廣泛應用。鋼箱梁結構的橋面板一般采用的是正交異性鋼橋面板[1]，但是在運營過程中，局部容易出現兩種類型的破壞問題：鋪裝層損壞和鋼橋面板疲勞開裂[2-4]。

造成以上兩個破壞問題的原因如下：(1)正交異性橋面板鋪裝多采用瀝青混凝土，而鋪裝層局部應力和變形較大，瀝青混凝土抗拉強度較小，因此容易出現裂縫；(2)瀝青混凝土鋪裝層厚度較薄且模量遠低于鋼材，瀝青混凝土層對于正交異性鋼橋面結構剛度的提高有限，長時間的運營會造成鋼橋面的開裂[5]。

針對上述兩個危害，許多學者做出了研究，但大部分都是對兩種病害單獨研究的。文獻[6]提出了采用環氧瀝青混凝土，雖然鋪裝層得到改善，但由于環氧瀝青混凝土的模量太低，鋼橋面疲勞開裂的問題仍然沒有得到解決。文獻[7，8]提出了剛性鋪裝層，例如用鋼纖維混凝土和輕質混凝土等替代瀝青混凝土，雖然比瀝青混合料彈性模量大一些，提高了正交異性橋面板的剛度，但是由于抗拉強度不足，仍然難以抵抗橋面板的拉應力，導致橋面鋪裝形成裂縫。

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，簡稱RPC)于20世紀90年代，由法國人研發的，具有高彈模、超高強度、超高耐久性、高韌性等性能[9]，彌補了瀝青混合料的低彈模和混凝土的底抗拉強度的不足，為解決鋪裝層損壞和鋼橋面結構疲勞開裂提供新的方法。近幾年邵旭東等人提出了正交異性鋼橋面-RPC薄層組合鋪裝體系，研究表明了正交異性橋面上鋪筑RPC層降低了鋼橋面結構的應力和提高了剛度，基本能消除鋼橋面疲勞開裂的風險，并且RPC具有較強的抗拉強度，能夠抵抗鋪裝層局部應力和變形較大[10-13]。但這些研究都是建立在RPC是高溫蒸汽養護下進行的。常溫下硅灰仍有較強的活性，而石英粉的活性較低[14-15]，所以在常溫養護下，RPC作為鋪裝層是否仍能解決上述兩個問題有待研究。

因此，本文基于廈門某橋，在正交異性橋面上澆筑常溫養護下的RPC層形成組合結構，將鋼橋面轉化為正交異性鋼橋面-RPC組合橋面(下文簡稱常溫RPC組合橋面)結構，通過ANSYS計算和試驗，與普通混凝土組合橋面結構和高溫養護下正交異性鋼橋面-RPC組合橋面結構(下文簡稱高溫RPC組合橋面)進行對比分析。

1 常溫養護下的RPC基本力學性能

為了更好地研究常溫養護RPC的性能，首先本文做了如下試驗。

RPC各材料采用表1所示配合比進行拌和，然后將RPC澆筑到相應的模具，做3塊抗壓強度試驗150 mm×150 mm×150 mm的試塊、3塊彈性模量試驗100 mm×100 mm×400 mm的試塊和6塊抗折強度試驗150 mm×150 mm×300 mm的試塊。然后常溫養護達到規定齡期，進行抗壓、抗折和彈性模量試驗，見圖1。最終得到RPC的抗壓強度、抗折強度和彈性模量如表2所示。

圖1 動彈性模量試驗

原材料水泥石英砂硅灰粉煤灰石英粉減水劑/%鋼纖維體積摻量/%水膠比質量比11.10.20.10.22.53.70.21

表2 常溫養護的RPC的基本力學性能

通過表2可以看出，常溫養護下的RPC抗壓強度、抗折強度和彈性模量與文獻[16]的普通混凝土相比都有明顯的提高。

2 RPC組合橋面板應力計算

本文基于某大橋為背景，將建立純鋼箱和三種組合箱梁的局部有限元模型，然后進行對比分析。根據文獻[17]局部模型具體尺寸如下：縱橋向長0.8 m，橫橋向取6個縱向加勁肋的范圍，橫橋向1.84 m，高取0.214 m，其中頂板厚14 mm，橫隔板厚12 mm，縱肋間距300 mm，縱肋厚10 mm，縱肋高158 mm，縱肋底板寬90 mm，橫隔板高200 mm。

2.1 組合橋面結構方案

3種組合結構如下所述。

(1)常溫RPC組合橋面結構：在純鋼箱梁橋面板上鋪筑50 mm常溫養護下的RPC層，采用M20剪力釘與鋼橋面連接。RPC泊松比取0.2，彈性模量為41 300 MPa。

(2)高溫RPC組合橋面結構：原鋼箱梁橋面板上鋪筑50 mm高溫養護下的RPC層，采用M20剪力釘與鋼橋面連接。RPC彈性模量為42 600 MPa，泊松比為0.2[18]。

(3)普通混凝土組合橋面結構：在原鋼箱梁橋面板上鋪筑50 mm厚的普通混凝土，采用M20剪力釘與鋼橋面連接，容重采用25 kN·m-3。混凝土彈性模量為32 500 MPa，泊松比為0.24[19]。

2.2 單跨局部模型橋面板計算

2.2.1 局部模型輪載計算

計算模型鋼箱梁采用SHELL63殼單元，RPC層采用SOLID65實體單元。混凝土是與鋼橋面采用節點耦合連接作為結構的一部分共同受力，計算時假設RPC與鋼橋面板完全連續接觸。

正交異形板由于縱向存在加勁肋，在荷載的作用下在加勁肋頂面會出現負彎矩，RPC層會出現拉應力，所以橫橋向加載方式如圖2所示，縱橋向加載跨中位置。參考《城市橋梁規范》規定，車輛荷載采用城A級標準車輛，中輪重100 kN，加載荷載為130 kN(輪重100+30%超載)，局部輪載區尺寸為250 mm(順橋向)×600 mm(橫橋向)。

圖2 加載模型(單位：mm)

2.2.2 計算結果分析

局部模型計算位置：橋面板，縱向加勁肋，RPC層。鋼橋面及縱向加勁肋應力峰值計算結果如表3所示；RPC層應力峰值結果如表4所示。

表3 正交異性鋼橋面板結構應力峰值計算結果

表4 常溫養護下RPC層應力峰值結果

從表3可以計算出，與純鋼箱梁比，采用常溫RPC組合橋面結構之后，橫橋向應力最大降幅91.03%，縱橋向應力最大降幅87.74%；采用高溫RPC組合橋面結構之后，橫橋向應力最大降幅91.43%，縱橋向應力最大降幅88.22%。采用普通混凝土組合橋面結構之后，橫橋向應力最大降87.63%，縱橋向應力最大降幅84.34%。采用這3種結構之后應力幅明顯減小，文獻[20]提到疲勞壽命與應力幅的立方成反比，所以正交異性鋼橋面板疲勞壽命能得到改善。

但從表4得出，橫橋向拉應力要大于縱橋向拉應力，最大拉應力為1.720 MPa，普通混凝土足以承受。為了能體現出RPC抗拉強度優于普通混凝土性能，因此本文建立一個兩跨局部模型，對組合橋面結構進行計算分析。

2.3 兩跨局部模型橋面板計算

2.3.1 局部模型輪載計算

縱向取1.64 m，按照等效應力原則設計為2×0.82 m的兩跨連續梁，其他尺寸及3種橋面組合結構和單跨局部模型相同。車輛荷載采用城A級標準車輛，見圖3，加載分為縱橋向3個工況，橫橋向為兩個荷位，見圖4，其中荷位3為3號軸的輪載，荷位1和荷位2為1號軸和2號軸的輪載組合。荷載考慮超載30%。通過計算，最不利荷載組合為縱橋向荷位3和橫橋向荷位2，下文計算均在最不利工況下進行。

圖3 車輛荷載分布(單位：m)

圖4 計算荷位(單位：mm)

2.3.2 計算結果分析

計算位置均與單跨局部模型計算一致。兩跨局部模型應力峰值計算結果(荷載沖擊系數取1.3)，如表5；RPC層應力峰值結果如表6所示。

由表5可以得出，與純鋼箱梁相比，常溫RPC組合橋面結構橫橋向應力最大降幅為93.27%，縱橋向應力最大降幅為82.17%；高溫RPC組合橋面結構橫橋向應力最大降幅為93.77%，縱橋向應力最大降幅為82.17%普通混凝土組合橋面結構橫橋向應力最大降幅為91.20%，縱橋向應力最大降幅為82.22%。常溫RPC組合橋面結構應力最大降幅是高溫RPC組合橋面結構應力最大降幅的0.99倍，是普通混凝土組合橋面結構的1.02倍。從分析數據結果來看，兩跨與單跨局部模型分析結論一致；而且常溫RPC組合橋面與高溫RPC組合橋面應力降幅相差較小。

表6顯示，常溫RPC組合橋結構的RPC層最大拉應力出現在縱橋向，其值達到4.706 MPa，普通混凝土難以承受此應力，而RPC達到這個應力值是否開裂，本文將通過試驗進行驗證。

表5 正交異性鋼橋面板結構應力峰值計算結果

表6 常溫養護下RPC層應力峰值結果

3 常溫養護RPC組合橋面板局部模型試驗

3.1 局部模型試驗概況

試驗模型尺寸與上文有限元計算的單跨局部模型尺寸相同。鋼橋面上焊接剪力釘，再澆筑50 mm厚的RPC層。

上文單跨模型計算結果中橫橋向應力較大，因此試驗以橫向應力作為主要控制指標。模型制作時，在RPC表面布置跨中截面布置8個橫橋向應力片，位置如圖5(a)所示。

加載噸位采用以下方式：加載分為3級荷載工況，分別為130 kN工況、250 kN工況和350 kN工況。加載位置和上文單跨局部模型計算加載位置相同，如圖5所示。

圖5 試驗模型(單位：mm)

主要試驗過程：鋼箱梁局部模型制作—施工剪力釘，貼應變片，布置鋼筋—澆筑RPC層—常溫養護模型—貼應變片—模型進行加載。其中RPC在常溫條件下養護28 d，養護結束未出現裂縫，如圖6所示。試驗現場如圖7所示。

圖6 養護結束后的RPC表面

圖7 模型加載試驗

3.2 主要試驗結果

靜力荷載試驗分級加載，工況130 kN跨中截面測點的橫橋向應力數據如表7所示。

表7 130 kN工況下的RPC橫橋向應力值

注：“-”表示測點無數據

從表7可以得出，靠近加載區邊緣的測點4誤差較大，因為應力集中和測點位置與ANSYS計算點有一點偏差(避免試驗中應力片被加載壓壞)。其他測點的RPC橫向應力試驗值與ANSYS值誤差在20%以內，基本吻合。綜上所述，驗證了ANSYS計算合理性和精確性。

試驗中靜力荷載加載到350 kN，測點4應力值達到了上文常溫RPC組合箱梁RPC層計算的最大拉應力(4.706 MPa)的1.37倍，RPC層未出現明顯的裂紋，驗證了RPC抗拉強度優于普通混凝土。

4 結論

本文利用ANSYS有限元軟件與試驗結合，針對常溫養護RPC組合箱梁的性能，進行了研究，得出如下結論。

(1)常溫養護下RPC的抗壓強度、抗折強度和彈性模量與普通混凝土相比有明顯的提高。

(2)正交異性橋面板應力計算表明，采用常溫養護RPC之后應力幅度下降，與采用高溫養護RPC應力降幅差別微小。因此，與高溫養護RPC相比，常溫RPC仍能大大提高正交異性鋼橋面疲勞壽命，改善橋面板的疲勞開裂性能。

(3)常溫養護的RPC抗拉強度要優于普通混凝土，能夠抵抗由于拉應力產生的裂縫破壞，從而能解決橋面鋪裝受拉開裂破壞的問題。

綜上所述，常溫養護下正交異性鋼板-RPC組合橋面能夠解決橋面鋪裝破壞和鋼橋面板開裂問題，同時又彌補了高溫養護RPC施工現場難以制作的不足。