鋼橋面UHPC 鋪裝層的黏結(jié)性能試驗(yàn)研究

郁龍清

（深圳市南山區(qū)建筑工務(wù)署，廣東 深圳518052）

0 引 言

城市交通體系中鋼正交異性橋梁因其跨度大、自重輕、施工方便等特點(diǎn)在跨越河流、道路時(shí)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。作為城市交通的一部分，鋼橋面上鋪裝層的服役性能直接關(guān)系到道路的通過(guò)性和行車的安全性。由于鋼橋面與鋪裝層的材料性質(zhì)差異，鋪裝層在循環(huán)交通荷載作用下的失效多數(shù)開(kāi)始于界面黏結(jié)性能的喪失，進(jìn)而開(kāi)裂并擴(kuò)散至磨耗層。鋼橋面鋪裝的開(kāi)裂、變形不僅影響行車安全，同時(shí)也進(jìn)一步加劇鋼橋面的豎向變形，對(duì)鋼板的疲勞損傷增加，造成隱患[1-2]。

目前在深圳市龍珠一路跨大沙河鋼橋面中，為提高鋼橋面鋪裝材料的抗疲勞性能，若采用普通混凝土材料或?yàn)r青材料，則按規(guī)范設(shè)計(jì)所需的鋪裝層厚度過(guò)大，造成二期恒載過(guò)高，需加大鋼結(jié)構(gòu)橋梁的橫斷面，影響到防洪和道路標(biāo)高控制。因此需要采用厚度小、自重輕，同時(shí)具有高黏結(jié)性能的新型鋪裝材料。

超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）作為近年來(lái)快速發(fā)展的建筑材料，逐漸在道路、橋梁的鋪裝材料及結(jié)構(gòu)構(gòu)件上推廣使用[3-9]。當(dāng)前，不少學(xué)者[4，10]研究了UHPC- 鋼橋面體系的短剪力釘抗剪性能、靜力承載性能、開(kāi)裂強(qiáng)度影響參數(shù)、疲勞承載性能、抗水滲透性能等，發(fā)現(xiàn)組合體系UHPC 層不僅能夠滿足抗裂性能要求，還具備較大的靜力承載能力富余度，經(jīng)過(guò)500 萬(wàn)次循環(huán)荷載加載，未出現(xiàn)明顯裂縫。周尚猛等[11]研究了瀝青鋪裝和UHPC 鋪裝條件下鋼箱梁的應(yīng)力幅變化，發(fā)現(xiàn)采用UHPC 鋪裝后的鋼箱梁中的應(yīng)力幅大幅降低。趙秋等[12]采用Abaqus 分析了UHPC 層對(duì)鋼橋面各細(xì)節(jié)疲勞性能的影響，得出UHPC 層大幅增加了鋼橋面板的剛度，降低了各疲勞細(xì)節(jié)的應(yīng)力幅水平，減少了各細(xì)節(jié)發(fā)生疲勞開(kāi)裂的概率。彭學(xué)理等研究了UHPC- 鋼橋面組合鋪裝體系的抗水滲性，研究表明該體系在無(wú)裂縫時(shí)抗?jié)B性滿足使用要求，可有效保護(hù)鋼板免受雨水侵蝕，而帶裂縫工作的組合橋面，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中裂縫逐漸閉合，具有一定的抗?jié)B儲(chǔ)備。

有部分學(xué)者也研究了體系中UHPC 的開(kāi)裂性能。吳美艷等[13]采用有限元分析和模型試驗(yàn)研究UHPC組合鋼橋面在靜力加載過(guò)程中的裂縫擴(kuò)展形態(tài)和位移、應(yīng)變的變化規(guī)律。結(jié)果表明鋼結(jié)構(gòu)先于超高性能混凝土破壞，超高性能混凝土組合鋼橋面的承載能力依賴于鋼結(jié)構(gòu)自身的承載能力。劉益銘[14]指出，UHPC 開(kāi)裂雖然降低了結(jié)構(gòu)的局部剛度，但得益于UHPC 中纖維的橋連效應(yīng)與鋼筋網(wǎng)對(duì)裂縫寬度的限制作用，高性能混凝土開(kāi)裂對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞性能影響有限。

但目前針對(duì)UHPC 與鋼橋面之間黏結(jié)性能的疲勞試驗(yàn)鮮見(jiàn)開(kāi)展，如前所述，黏結(jié)性能的喪失是組合體系疲勞破壞的肇始。本文研究開(kāi)展疲勞試驗(yàn)，針對(duì)實(shí)際工程中UHPC 材料與鋼板組合體系的黏結(jié)性能開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室研究，為實(shí)際工程在鋪裝材料的選擇上提供依據(jù)。

1 工程概況

龍珠一路跨大沙河橋位于深圳市南山區(qū)，西起沙河西路，東接現(xiàn)狀龍珠一路，緊鄰大沙河文體中心。擬建橋梁斜交跨越大沙河，新建橋梁全長(zhǎng)76.08 m，跨徑75.0 m，橋?qū)?5.1 m。主橋采用縱橫梁格體系、正交異性橋面板的鋼箱梁，上設(shè)鋼拱輔助受力，全橋整體為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)。鋼橋面鋪裝材料擬采用高性能、薄厚度、低自重的鋪裝材料。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試樣制作

2.1.1 疲勞試驗(yàn)試樣規(guī)格

UHPC 和鋼板之間的黏結(jié)性能疲勞測(cè)試尚無(wú)規(guī)范可循。參考規(guī)范《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3364-02—2019），并做相關(guān)改進(jìn)，進(jìn)行UHPC 鋪裝材料的抗疲勞特性試驗(yàn)。由規(guī)范可知，五點(diǎn)彎曲抗疲勞特性試驗(yàn)的破壞多為與鋼板的黏結(jié)疲勞破壞，而三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)多為表層磨耗層破壞。考慮到磨耗層開(kāi)裂后重新鋪設(shè)較為容易，而與鋼板直接相接的UHPC 層若發(fā)生黏結(jié)失效，則修復(fù)困難，且直接影響到橋面復(fù)合體系的受力形式與服役壽命。因此研究重點(diǎn)為鋼板與UHPC 鋪裝層的黏結(jié)失效特性，采用五點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。制作700 mm×200 mm 和700 mm×300 mm 兩種試樣，每種規(guī)格試樣各2 個(gè)，共計(jì)4 個(gè)五點(diǎn)彎曲試樣，同時(shí)研究試樣規(guī)格對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

2.1.2 試驗(yàn)材料

為使試樣等效為從實(shí)際橋面上切割而來(lái)的試樣，采用與鋼橋面設(shè)計(jì)厚度同為16 mm 的鋼板，按照施工標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行涂裝富鋅漆，并按設(shè)計(jì)間距進(jìn)行剪力釘、鋼筋網(wǎng)和后期加勁肋焊接，如圖1a 所示。其中鋼筋網(wǎng)格尺寸為50 mm×50 mm，直徑為10 mm；剪力釘規(guī)格為M13×40 mm，間距為150 mm×150 mm。采用如圖1b 所示的試驗(yàn)材料，并按表1 的質(zhì)量份數(shù)進(jìn)行配比，進(jìn)行UHPC 材料制作。在材料攪拌過(guò)程中，將鋼纖維加入，如圖1c 所示。按設(shè)計(jì)要求，采用5 cm 厚的UHPC 鋪裝層，在鋼板試件周圍固定好模具之后，將攪拌后的UHPC 進(jìn)行注模，如圖1d 所示。最后將澆筑完畢的試樣進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)3 d，形成所需試樣。

圖1 試驗(yàn)材料及試樣制作流程

表1 UHP C 各成分配比表（質(zhì)量份數(shù)）

2.1.3 疲勞試驗(yàn)設(shè)置

對(duì)試樣進(jìn)行循環(huán)荷載試驗(yàn)，按規(guī)范要求進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)制作，將夾具四個(gè)腳施加于試樣底板的加勁肋上，進(jìn)行五點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置如圖2 所示，實(shí)際加載照片如圖3 所示。

圖2 試驗(yàn)安裝示意圖（單位：mm）

圖3 試驗(yàn)實(shí)際設(shè)置照片

試驗(yàn)中，對(duì)試樣施加10 Hz 的正弦波循環(huán)荷載。為確定試驗(yàn)中循環(huán)荷載的最大荷載和最小荷載，按規(guī)范建議，對(duì)無(wú)鋪裝層的鋼板在相同試驗(yàn)設(shè)置條件下進(jìn)行靜力測(cè)試，得到鋼板加筋肋上的變形，如圖3b 所示。得到鋼板變形0.5 mm 時(shí)，0.2 m 寬的鋼板上所施加的力（FG）為40 kN，而0.3 m 寬的鋼板上所施加的力（FG）為50 kN。根據(jù)規(guī)范，以此荷載作為加載時(shí)的最大荷載，以0.15FG為最小荷載，分別對(duì)兩種不同寬度的試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)（見(jiàn)圖4）。

圖4 不同寬度鋼板的變形

該研究采用兩種加載形式，一種為最大荷載恒定的形式對(duì)700 mm×300 mm 規(guī)格的試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，另一種為研究不同荷載條件下試樣的變形及開(kāi)裂情況，采用最大荷載分級(jí)增加的形式對(duì)700 mm×200 mm 規(guī)格的試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。加載情況如圖5 所示。

圖5 不同寬度鋼板的變形

2.1.4 剪切試驗(yàn)設(shè)置

鋼橋面的鋪裝層在承受豎向荷載的同時(shí)，還承受來(lái)自輪載的水平向剪切力。該研究中制備0.1 m×0.1 m 的方塊剪切試樣，如圖6a 所示。試樣制作方式為取0.1 m×0.1 m 的鋼板，中心設(shè)置一個(gè)剪力釘，在其上鋪設(shè)50 mm 厚的UHPC 鋪裝層。按《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3364-02—2019）規(guī)范加工相應(yīng)的夾具，設(shè)置如下：施加靜力荷載，荷載方向與剪切面呈45°角，加載速率采用10 mm/min。相應(yīng)的剪切面上的剪應(yīng)力可根據(jù)豎向力F 和式（1）求得：

圖6 剪切試驗(yàn)設(shè)置

2.1.5 數(shù)值分析

由于試樣相當(dāng)于從鋼橋面中切割得到，邊界條件與其在橋面中相比已發(fā)生變化，因此需要將疲勞試驗(yàn)中所施加的荷載等效為橋面上的輪載。疲勞試驗(yàn)中，單次循環(huán)對(duì)試樣黏結(jié)層造成的損傷主要與層底拉應(yīng)變有關(guān)，即與試樣變形有關(guān)。因此選取變形一致原則，將施加在試樣上的荷載轉(zhuǎn)換為施加在橋面上的輪載。采用數(shù)值模擬的方法建立橋面彈性模型，獲得與疲勞試驗(yàn)中試樣變形一致時(shí)所對(duì)應(yīng)的輪載大小。

采用Abaqus 軟件建立6 m×6 m 的鋼橋面鋪裝模型，采用兩個(gè)圓形均布荷載來(lái)模擬雙輪輪載，施加于梁格之上，水平方向上梁格間距為0.3 m，采用條形簡(jiǎn)支支座進(jìn)行模擬，如圖7 所示。其上鋪裝層結(jié)構(gòu)從上至下依次為40 mm 瀝青磨耗層、50 mm UHPC鋪裝層、16 mm 鋼板，所采用的模型參數(shù)見(jiàn)表2。

圖7 數(shù)值模型

表2 數(shù)值模型材料參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)值結(jié)果

雙圓形荷載為模擬普通標(biāo)準(zhǔn)軸的雙輪輪載，半徑為0.2 m，間距為0.3 m，雙輪的總荷載從50 kN（標(biāo)準(zhǔn)輪載） 逐漸提升，并考慮動(dòng)力沖擊放大系數(shù)1.5，得到相應(yīng)于輪載圓心處的鋼板變形情況（見(jiàn)圖8），相應(yīng)的應(yīng)力云圖如圖9 所示。可見(jiàn)，對(duì)于該彈性模型，變形與荷載之間呈線性關(guān)系。但需要指出的是，雙輪輪載極少有超過(guò)400 kN 的水平，由圖8 可知，正常橋面UHPC 層的變形在0.03～0.2 mm。以此變形作為損傷等效的條件，可將疲勞試驗(yàn)中所施加的荷載等效轉(zhuǎn)換為鋼橋面上的輪載。

圖8 輪載圓心處的鋼板變形情況

圖9 應(yīng)力云圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 疲勞試驗(yàn)

在疲勞試驗(yàn)中，對(duì)700 mm×200 mm 的試樣施加10 kN 循環(huán)荷載100 萬(wàn)次，20 kN 循環(huán)荷載400 萬(wàn)次，30 kN 循環(huán)荷載100 萬(wàn)次，試樣完好無(wú)損，鋼板與UHPC 界面處無(wú)裂縫產(chǎn)生。在不同的荷載之下，700 mm×200 mm 的試樣變形情況如圖10a 所示。其中對(duì)應(yīng)于每一級(jí)荷載的變形隨著循環(huán)次數(shù)的累積并無(wú)明顯變化，說(shuō)明試樣中無(wú)明顯損傷累積。可見(jiàn)，采用比較小的荷載難以對(duì)試樣的黏結(jié)層造成損傷，而對(duì)比圖10a 和圖8 中的變形范圍，該變形范圍已經(jīng)涵蓋了正常的交通荷載所能產(chǎn)生的最大變形。

圖10 荷載- 變形曲線

進(jìn)一步增加荷載至40 kN，該荷載對(duì)于700 mm×200 mm 的試樣，達(dá)到規(guī)范規(guī)定的最大荷載。進(jìn)行10 Hz 條件下的疲勞試驗(yàn)，在80 萬(wàn)次循環(huán)時(shí)，出現(xiàn)一段極為微小的裂縫，隨后隨著循環(huán)次數(shù)的累積，裂縫逐漸變長(zhǎng)。最終在200 萬(wàn)次循環(huán)時(shí)，共計(jì)出現(xiàn)3條裂縫，裂縫總長(zhǎng)度為600 mm。在250 萬(wàn)次循環(huán)時(shí)，達(dá)到950 mm，所產(chǎn)生的裂縫形貌如圖11 所示。兩個(gè)700 mm×200 mm 的試樣發(fā)生了相似的開(kāi)裂情況。按照規(guī)范《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3364-02—2019）規(guī)定，當(dāng)裂縫長(zhǎng)度達(dá)到周長(zhǎng)的一半時(shí)（即900 mm），試樣可認(rèn)為已被破壞。但從變形來(lái)看，試樣的變形并未發(fā)生明顯變化，這說(shuō)明試樣的剛度并未發(fā)生大的破壞，可以預(yù)測(cè)試樣內(nèi)部并未產(chǎn)生完全脫開(kāi)的損傷。這說(shuō)明在有剪力釘和鋼筋網(wǎng)的加筋作用情況下，即使試樣邊緣發(fā)生了開(kāi)裂，但內(nèi)部并未有實(shí)質(zhì)性損傷。

根據(jù)圖4 所示，700 mm×300 mm 寬的無(wú)鋪裝鋼板在變形0.5 mm 條件下的荷載為50 kN。在該最大荷載條件下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，700 mm×300 mm 試樣隨循環(huán)次數(shù)的最大變形情況如圖10b 所示。由圖可知，試樣的最大變形基本穩(wěn)定在0.2～0.24 mm。該變形和700 mm×200 mm 試樣在40 kN 下的變形相當(dāng)，可見(jiàn)200 mm 寬試樣和300 mm 寬試樣的響應(yīng)是一致的。兩個(gè)700 mm×300 mm 試樣分別在85 萬(wàn)次左右和80 萬(wàn)次左右發(fā)生開(kāi)裂，裂縫均在200 萬(wàn)次左右擴(kuò)展至周長(zhǎng)一半。同樣，盡管邊緣開(kāi)裂，但循環(huán)荷載下試樣的變形并未發(fā)生顯著增加，說(shuō)明試樣內(nèi)部并未發(fā)生損傷破壞，整體上仍然具有協(xié)同承載能力。

對(duì)比圖4 和圖10 發(fā)現(xiàn)，鋪裝UHPC 后的試樣相對(duì)于僅有鋼板的情況，變形大幅減小。以40 kN 條件下的變形為例，鋪裝后的變形減小為無(wú)鋪裝時(shí)的一半。主要原因在于UHPC 鋪裝層和鋼板的協(xié)同變形，增大了總體的剛度。對(duì)于五點(diǎn)彎曲試樣，即集中荷載下的兩跨連續(xù)梁，剛度與變形之間的關(guān)系如式（2）所示：

圖11 界面處產(chǎn)生裂縫的形貌

可見(jiàn)，變形與剛度成反比關(guān)系，若變形減小至原來(lái)的一半，則剛度相對(duì)于鋼板增加了1 倍。

另外，兩種寬度的試樣取得了較為一致的結(jié)果，說(shuō)明試樣寬度在200～300 mm 變化對(duì)結(jié)果造成的影響不大。由于試樣承載力較強(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)輪載所產(chǎn)生的變形不能快速對(duì)試樣造成損傷，只有在遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)輪載范圍的荷載才能快速造成損傷，并壓縮試驗(yàn)時(shí)間。按照《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3364-02—2019）規(guī)定，對(duì)于中等、輕交通等級(jí)條件（本文工程即為此等級(jí)），疲勞試驗(yàn)達(dá)到80 萬(wàn)次即可滿足要求。可見(jiàn)，UHPC 鋼橋面鋪裝可完全滿足規(guī)范要求。

3.2.2 剪切試驗(yàn)

UHPC 鋪裝層在服役條件下，不可避免地受到交通荷載的剪切作用。但由于剪力釘?shù)拇嬖冢嚇釉谕獠亢奢d的作用下，不僅對(duì)黏結(jié)表面進(jìn)行剪切，同時(shí)還對(duì)剪力釘產(chǎn)生剪切作用（見(jiàn)圖12）。

圖12 剪切試驗(yàn)實(shí)物圖

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最終都以剪力釘?shù)募羟衅茐臑樵嚇悠茐牡臉?biāo)志。試樣的荷載-位移如圖13 所示。當(dāng)剪力釘發(fā)生破壞以后，試樣發(fā)生脆性破壞。根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算，剪切面上發(fā)生破壞時(shí)的剪應(yīng)力達(dá)到12.4 MPa（見(jiàn)表3）。根據(jù)數(shù)值計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)輪載作用下，考慮制動(dòng)與剎車的動(dòng)力沖擊作用，鋼板和UHPC 之間的剪切力非常低，該剪切力不足以對(duì)橋面鋪裝層產(chǎn)生損害。

圖13 剪切試驗(yàn)結(jié)果

3.2.3 標(biāo)準(zhǔn)輪載作用次數(shù)

根據(jù)前述分析，采用變形相等的原則，將疲勞試驗(yàn)的循環(huán)次數(shù)轉(zhuǎn)換為鋼橋面上輪載的作用次數(shù)。由圖8 和圖10 可知，在變形相等的前提條件下，可將700 mm×200 mm 疲勞試驗(yàn)荷載和數(shù)值模型中鋼橋面上的輪載列入對(duì)比，見(jiàn)表4。700 mm×300 mm 試樣在50 kN 條件下的變形和700 mm×200 mm 試樣在40 kN 條件下的變形相當(dāng)。

表3 界面抗剪強(qiáng)度

表4 相同變形下疲勞試驗(yàn)荷載和數(shù)值模型輪載的轉(zhuǎn)換

根據(jù)荷載等效原則，可將數(shù)值模型中的輪載初步轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)軸載（100 kN），根據(jù)式（3）：

式中：Ne為標(biāo)準(zhǔn)軸載下的等效循環(huán)次數(shù)；N 為不同軸載下的循環(huán)次數(shù)；P 為不同軸載；Pe為標(biāo)準(zhǔn)軸載；n 為指數(shù)，與路面剛度有關(guān)，如剛性道路一般取4，柔性道路為3.8 左右。參考相關(guān)研究報(bào)告，保守起見(jiàn)，取n 為2.5。

則總共施加于試樣上的循環(huán)次數(shù)可等效為標(biāo)準(zhǔn)軸載下的5 億次循環(huán)。200 mm 寬試樣和300 mm 寬試樣均得到類似結(jié)果。該等效標(biāo)準(zhǔn)軸載可滿足市內(nèi)低交通量橋面的全壽命周期服役要求。值得說(shuō)明的是，盡管試樣四周出現(xiàn)了裂縫，但試樣整體的承載能力并未喪失，仍然具有承載交通荷載的能力。同時(shí)由于整體變形的減小，在相同荷載作用下，鋼板和磨耗層的變形相應(yīng)減小，降低了鋼板和磨耗層內(nèi)的拉應(yīng)變，因而進(jìn)一步提高了磨耗層和鋼板的抗疲勞性能。由于UHPC 鋪裝層不產(chǎn)生車轍，因而墻面總車轍可進(jìn)一步減小。另外，含有鋼纖維的UHPC 層不易發(fā)生收縮裂縫，減少了反射裂縫發(fā)生的可能性。總體而言，UHPC 是優(yōu)異的鋼橋面鋪裝材料。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究針對(duì)UHPC 鋼橋面鋪裝層與鋼板的黏結(jié)性能尚缺乏試驗(yàn)研究這一現(xiàn)狀，開(kāi)展了室內(nèi)疲勞試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)，揭示了UHPC 鋼橋面鋪裝層的黏結(jié)特性和抗疲勞損傷能力，并基于數(shù)值計(jì)算結(jié)果，將疲勞加載次數(shù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)。得出以下結(jié)論：

（1）無(wú)鋪裝鋼板試樣變形0.5 mm 所確定的荷載作用下，鋪裝UHPC 的試樣在100～200 萬(wàn)次內(nèi)發(fā)生邊緣裂縫，而低于此荷載的疲勞加載難以快速對(duì)試樣產(chǎn)生損傷。

（2）即使試樣黏結(jié)界面邊緣開(kāi)裂，穩(wěn)定不變的變形也暗示裂縫并未擴(kuò)展至內(nèi)部，即試樣內(nèi)部損傷有限，仍然具有良好的承載力，且200～300 mm 寬度的試樣測(cè)試結(jié)果展示了良好的一致性。

（3）含有栓釘?shù)腢HPC- 鋼橋面黏結(jié)界面的等效抗剪切強(qiáng)度為12.4 MPa 左右，其破壞形式為栓釘?shù)募羟衅茐模蓾M足交通荷載引起的層間剪切要求。

（4）結(jié)果表明UHPC 與鋼板之間協(xié)同作用十分顯著，鋪裝后相對(duì)于無(wú)鋪裝的鋼板剛度提升1 倍左右。