UHPC加固重度開裂鋼橋面界面抗剪靜力試驗研究

李 萌，邵旭東，曹君輝，張建強, 李 波

(1.湖南大學 風工程與橋梁工程湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410082；2.廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010；3.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北 武漢 430056；4.中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210005)

0 引言

正交異性鋼橋面板(Orthotropic Steel Decks簡稱OSDs)由鋼面板、縱肋、橫隔板組成，具有自重輕、承載力高、施工便捷等優點，廣泛應用于懸索橋，斜拉橋等各類大跨徑橋梁結構。目前我國正在運營和規劃中采用正交異性橋面板結構的橋梁數量逾200余座，該結構形式的廣泛應用大大推動著我國橋梁工程向輕型化、多樣化發展。但是由于正交異性橋面板縱橫向剛度不均，局部剛度低、構造復雜，焊接量大，在復雜環境和高頻重載行車下暴露出嚴重的疲勞開裂病害[1-2]。

鋼面板與U肋連接處由于在重載車輪碾壓下，應力集中加之該處又是焊縫密集處，殘余應力過大，因此該位置處最容易疲勞開裂[3-5]，隨著時間推移，裂縫從根部發展，逐漸貫穿面板，大大削弱了橋面板的局部剛度，加之雨水的腐蝕使得鋼橋面板的承載力顯著降低。與此同時，鋼面板中還有大量的肉眼無法觀測的裂縫，無法直接觀測到也致使其存在著較大的安全隱患。

超高性能混凝土(UHPC)憑借其優異的力學和耐久性能[6]，廣泛應用于國內外橋梁工程中[7]。文獻[8]結合鋼材與UHPC的優異力學性能，提出了鋼-薄層超高性能混凝土輕型組合橋面結構，大幅度增加了鋼面板的剛度，降低了U肋與鋼板交叉焊接處的應力，有效控制裂紋的產生。但該結構UHPC層僅40～60 mm，適用于鋼面板完好或輕微開裂的情形，對于鋼橋面重度疲勞開裂的大跨徑鋼橋，UHPC無法和既有鋼面板形成組合體系，裂縫位置處UHPC層底部拉應力過大易開裂。

因此，文獻[9]提出鋼面板疲勞裂紋免修復的UHPC加固結構：以帶焊接短栓釘的鋼板條強化UHPC底面，大幅提高其抗裂強度，而經過鋼板條強化的UHPC通過短栓釘與原鋼橋面形成輕型組合橋面結構，顯著提高橋面剛度，抑制鋼橋面疲勞裂紋發展，延長其使用壽命。由于鋼面板中的疲勞裂紋均沿縱向擴展，鋼板條應沿橫向布設，且鋼板條僅通過有機結構膠與原鋼橋面固定，以便于施工，見圖1。文獻[10-13]對于輕型組合橋面結構中的短栓釘性能進行了相關研究，但由于本研究提出的加固結構中鋼板條的存在使得界面抗剪性能更加復雜，需進一步研究其界面抗剪性能。

圖1 鋼面板疲勞裂紋免修復的UHPC加固新技術

1 試驗研究

1.1 試件設計

本研究共設計了8個抗剪推出試件，試件分為2類：基本試件(A類)和帶鋼板條縱、橫向抗剪試件(B類)。其中基本試件鋼結構為Q345D材質鋼板焊接成的I型鋼，兩側鋼板各焊4個栓釘，栓釘間距200 mm×150 mm(縱向×橫向)；栓釘采用直徑采用13 mm和16 mm兩種規格，栓釘力學和機械性能滿足《電弧螺柱焊用圓柱頭栓釘》GB/T 10433—2002相關規定[14]，采用電弧螺柱焊接，保證焊接牢固，焊肉飽滿。基本試件(A類)試驗尺寸見圖2。帶鋼板條縱、橫向抗剪試件(B類)是在基本試件基礎上將焊有超短栓釘鋼板條膠粘于鋼面板之上，其余界面進行涂油處理消除界面粘結作用，試件詳細尺寸如圖3所示。試件具體情況見表1。

表1 試件詳細情況

圖2 基本試件(單位:mm)

圖3 帶鋼板條試件(單位:mm)

1.2 材料特性

澆注試件時，同時澆注了6個邊長100 mm的立方體試件，和6個邊長100 mm，高300 mm的棱柱體試件，并在UHPC材料硬化后于溫度大于90 ℃和相對濕度大于95%的蒸汽環境下同時養護48 h以上。材料力學性能如表2和表3所示。

表2 UHPC材料試驗性能

表3 鋼材材料性能

1.3 試驗過程及測量

采用200 t液壓式千斤頂進行加載，地面鋪灑石英砂后安放試件，然后在試件頂部平穩放置分配梁、再在其上放置千斤頂、壓力傳感器，最后調節球鉸支座與分配梁貼緊。試驗循環加載指在正式加載前先在荷載0.05Pu～0.3Pu區間內往復加載至少25次；試驗單調加載指加載至0.3Pu，試件平穩后即可正式加載。

正式加載按25 kN每級進行加載，每級加載需保證不少于5 min，并持力2 min，待千分表示數穩定后讀數并觀測試件界面是否有脫開等，當試件出現明顯開裂或脫開，按位移不超過0.5 mm進行加載直至試件破壞。不同加載方式如圖4所示。試驗加載裝置如圖5所示。

圖4 推出試驗加載方案

圖5 試驗裝置

2 破壞形式

推出試件僅有2個試件為單側4個栓釘剪斷，其余均為兩側8個栓釘剪斷而破壞(圖6)。試驗結束后，查看試件內部損壞情況和縱、橫向鋼板條界面破壞形態。觀察發現，縱、橫向鋼板條膠粘界面剝離，可見明顯膠粘痕跡(圖7)；同時在栓釘焊縫前端擠壓UHPC形成了楔形破碎區外，UHPC板其余部分未見任何裂縫。

圖6 破壞形式

圖7 界面損壞狀態

3 結果與討論

3.1 實測荷載-滑移曲線

本研究主要試驗結果如表4所示，對比不同試件的荷載滑移曲線，可得到以下結論：

表4 試驗結果

(1)栓釘直徑。不同直徑試件(D13和D16系列試件)荷載滑移曲線見圖8，可以看出栓釘承載力和荷載-滑移曲線的割線剛度隨栓釘直徑增大明顯提高，直徑16 mm栓釘的抗剪承載力比直徑13 mm的試件平均提高48%。

圖8 栓釘直徑

(2)膠粘鋼板條。縱、橫向抗剪試件(GZ和GH系列試件)荷載-滑移曲線見圖9，可以看到荷載-滑移曲線在不同位置處出現轉折點，表明鋼板條粘結作用失效，失效點平均荷載約為25 kN。可以看出，鋼板條膠粘后可以有效改善界面抗剪性能，在加載前期可以協同栓釘共同受力。

而在具體的操作中，人類視覺系統為該過程的實操提供了參考。人類的兩只眼睛總共視角為120度，單只為80度。在重疊的40度之外，兩只眼睛看得到的東西并不相同。立體效果由大腦對雙眼所視不同事物的遠近程度產生，這也成為3D技術的原理。

圖9 膠粘鋼板條

(3)界面粘結。界面自然粘結、涂油處理和膠粘鋼板條試件(Z、T和G系列試件)荷載滑移曲線見圖10，可以看到，鋼板條膠黏試件荷載-滑移曲線介于自然粘結和界面涂油試件中間，表明膠粘鋼板條對于抗剪剛度略有提高，但隨鋼板條界面黏結作用失效后，曲線向涂油試件偏移；栓釘抗剪承載力基本一致，表明膠粘鋼板條并不能提高栓釘抗剪承載力。在實際工程中應盡量提高鋼面板與UHPC層間的界面粘結能力，這將對栓釘抗剪性能有較大改善。

圖10 界面處理

(4)加載方式。單調加載和循環加載(A和B系列試件)對栓釘的抗剪性能鮮有影響。

3.2 抗剪承載力

各國規范給出栓釘抗剪承載力計算公式各有所不同，文獻[14]提出了考慮焊縫貢獻的抗剪承載力計算公式，各公式匯總表5所示。

表5 栓釘抗剪承載力計算式匯總

式(4)表明埋入UHPC中短栓釘的抗剪承載力是栓桿自身抗剪承載力(0.85Asfu)為和焊縫前端UHPC局部破碎承載力(ηf′cdwclwc)總和，試驗結束后實測了各個栓釘焊縫尺寸，每個栓釘四周測量4個數據，最后統計出13 mm栓釘和16 mm栓釘的焊縫直徑和高度平均值分別為dwc13=17.3 mm、hwc13=4.03 mm和dwc16=20.8 mm、hwc16=5.3 mm，抗剪承載力計算值與試驗值對比見表6，可以看出式(4)與試驗值擬合精度較高，可以更好地反映其受力機理。

表6 抗剪承載力試驗與理論計算對比

3.3 抗剪剛度

栓釘抗剪剛度是組合結構設計計算式中非常重要的參數之一，抗剪剛度的計算均以荷載-滑移曲線上某點處的割線剛度作為其抗剪剛度，只是選取的方法和割線頂點位置不同，各國規范[18]以及不同學者[19]提出不同的計算方法。表7歸納了相關計算方法，表8給出了不同計算方法所得到的抗剪剛度值，圖 14以D13TB試件為例給出抗剪剛度不同取值方法。圖11和圖12對比不同計算方法計算得到的抗剪剛度平均值。可以得到以下結論：

表7 抗剪剛度計算方法匯總

表8 抗剪剛度計算結果

圖11 不同界面處理平均抗剪剛度

圖12 不同直徑平均抗剪剛度對比

(1)相同構件采用不同方法計算得到的抗剪剛度不同，JSSC割線頂點在1/3Pu處，基本處于彈性階段(I階段)，而Johnson提出的1/2Pu和EC-4建議的0.7PRk割線剛度則分別處于塑性損傷階段處(II階段)的前期和后期。

(2)試件抗剪剛度由大到小依次為，界面自然粘結試件、膠粘鋼板條試件、界面涂油試件，且膠黏鋼板條抗剪剛度相較于界面涂油試件平均提高了44%～74%。

(3)抗剪剛度與栓釘直徑成正比，但界面自然粘結的試件也會出現圖12中13 mm栓釘高于16 mm栓釘的情況，這是因為UHPC與鋼板表面黏結程度強導致，進一步說明界面粘結對抗剪剛度的貢獻較大。

界面粘結可以顯著提高抗剪剛度，實際應用中應盡可能加強界面粘結，有助于吸收能量，緩解栓釘受力；此外考慮到結構的長期使用，因此偏安全的取EC-4所建議的抗剪剛度取值方法，建議13 mm 和16 mm栓釘的抗剪剛度取值分別為198 kN/mm 和229 kN/mm。

4 結論

本研究通過8個靜力推出試驗，探究了重度開裂鋼橋面UHPC加固結構的界面抗剪性能，可得出以下結論：

(1)栓釘抗剪承載力和抗剪剛度隨直徑的增大而增大，焊縫質量對于UHPC中短栓釘的抗剪性能的影響不容忽略。

(2)現有規范規定的栓釘抗剪承載力計算公式主要針對普通混凝土中高徑比大于4的栓釘，對于UHPC中短栓釘抗剪承載力計算采用考慮焊縫貢獻的計算公式更為精確。

(3)界面黏結對栓釘抗剪剛度有明顯提高，對抗剪承載力基本無影響，設計時可不考慮界面粘結影響，建議13 mm和16 mm栓釘的抗剪剛度取值分別為198 kN/mm和229 kN/mm，實際工程中應提高界面性能改善栓釘受力。

(4)循環加載很大程度上對界面粘結產生損傷，抗剪剛度稍有降低，但不影響短栓釘抗剪承載力。