基于高速鐵路鋼橋面耐久性提升的高性能防水鋪裝體系研究

周尚猛,王 偉

(1.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室,武漢 430034； 2.中鐵大橋科學研究院有限公司,武漢 430034)

引言

隨著我國高速鐵路建設的迅速推進，正交異性鋼橋面板由于結構自重輕、承載力高、適用范圍廣等特點成為已建成的高速鐵路大跨徑橋梁中應用最為廣泛的結構類型之一。橋面鋪裝作為解決鐵路鋼橋面板耐久性問題，并改善其結構受力的組成部分，是施工和運營管理的重點之一。基于超高性能混凝土優良的材料性能[1-5]，提出超高性能混凝土鋼橋面鋪裝方案[6-10]，通過密集剪力釘將鋪裝層與鋼橋面進行連接，使其直接參與主梁局部和整體受力，并在公路橋梁中得到了廣泛使用[11-16]，取得了良好的應用效果，但對于高速鐵路鋼橋面的研究相對較少[17-21]。

高速鐵路道砟整體鋼橋面須滿足防水、耐磨、抗滑、長效等要求，但在運營過程中主梁結構應力會對鋪裝層產生不利影響，導致鋪裝層開裂等問題；道砟對鐵路鋼橋面產生的豎向刺穿作用和水平向磨耗作用會損壞鋪裝的防水層。在發生鋪裝層病害后，鐵路橋梁一般是不容許因橋面維修而中斷線路運營的，故對防護材料的性能要求更高。

結合目前高速鐵路橋面鋪裝存在的問題，提出高速鐵路超高性能混凝土鋪裝方案，并進行模型試驗和理論研究，為高速鐵路鋼橋面長效防護提供新的思路。

1 鐵路鋼橋正交異性板鋪裝技術類型

1.1 剛性防護體系

鐵路鋼橋面剛性防水鋪裝體系最早采用混凝土道砟板結構，即在鋼橋面板上焊接栓釘，現澆混凝土道砟板通過栓釘與鋼橋面板結合，再做防水鋪裝層。該鋪裝體系剛度大，荷載分散作用強，但結構自重很大，混凝土容易開裂。鐵路鋼橋面常見的防護體系見圖1。

圖1 鐵路鋼橋面常見的防護體系

1.2 柔性防護體系

柔性防水鋪裝層是相對于剛性防水鋪裝層而言，其橋面防水鋪裝層剛度相較剛性防水鋪裝層而言小很多。鐵路鋼橋面柔性防水鋪裝體系目前常采用3種形式：無混凝土防護層防水鋪裝體系；柔性防護層防水鋪裝體系；纖維混凝土防護層防水鋪裝體系。

(1)無防護層防水鋪裝體系(圖1(b))對鋼橋面板作防銹、防水處理后，在其上直接鋪設道砟。該防水體系由施加了MMA樹脂材料的快速配備的冷液噴霧組成，形成一層無縫膜。該鋪裝體系自重輕，施工周期短，但存在剛度小、鋼橋面應力大、磨損性能較弱、有老化失效風險等問題。

(2)柔性防護層防水鋪裝體系(圖1(c))是在防水層上設置柔性材料防護層，防護層材料有環氧瀝青混凝土、澆筑式瀝青混凝土等，厚度一般為6 cm，防水層一般為溶劑型瀝青黏結材料、MMA樹脂材料等。該鋪裝體系自重輕，但剛度小，鋼橋面應力較大，熱穩定性較差，有變形、開裂、破損的風險。

(3)纖維混凝土防護層防水鋪裝體系(圖1(d))是在防水層上設置混凝土材料的防護層，混凝土中不設置剪力釘，防護層材料有聚丙烯纖維混凝土、聚丙烯纖維網混凝土等，厚度一般為6 cm，防水層一般為溶劑型瀝青黏結材料、MMA樹脂材料等。該鋪裝結構自重輕，混凝土層具有一定的剛度，但混凝土抗拉強度較低。

1.3 高性能防水鋪裝體系

基于超高性能混凝土的材料特性，提出高速鐵路用的高性能防水鋪裝體系，該鋪裝體系成功應用于蘇滬通大橋、洞庭湖大橋中，應用效果良好。高性能防水鋪裝體系在蘇滬通大橋鐵路鋼橋面應用如圖2所示。該鋪裝體系的超高性能混凝土層厚度一般為4.5～6 cm，設置φ10 mm的普通鋼筋網，鋼筋網縱橫向間距根據受力情況設置為50～100 mm，鋪裝層與橋面板之間一般采用φ19 mm、間距300 mm的剪力釘進行緊密連接。

圖2 高性能防水鋪裝體系在蘇滬通大橋鐵路鋼橋面應用

2 高性能防水鋪裝體系性能

為研究高速鐵路用高性能防水鋪裝層的力學性能，制作單U肋梁進行試驗，試驗梁構造如圖3所示。正交異性鋼橋面板尺寸為：橋面板厚16 mm；加勁肋采用U形閉口肋，U肋板厚8 mm、高280 mm、上口寬300 mm、下口寬180 mm、間距300 mm；橫隔板厚16 mm，間距1 850 mm。鋪裝層采用厚60 mm的低收縮免蒸養超高性能混凝土，其抗壓強度為120 MPa。橋面板與UHPC鋪裝層之間采用長35 mm、φ19 mm的剪力釘連接；鋼筋間距為100 mm，縱向鋼筋在上，橫向鋼筋在下，超高性能混凝土保護層厚10 mm。設計制作了2個單U肋試驗梁進行靜力試驗，分級加載至裂縫寬度0.05 mm。靜力試驗結果表明：UHPC的開裂應力為17.9～19.2 MPa(裂縫寬度0.05 mm)。

圖3 試驗梁構造(單位：mm)

3 高性能防水鋪裝體系對鋼橋面板疲勞性能改善評估

以國內某大跨度公鐵兩用鋼桁梁斜拉橋、某大跨度鐵路鋼箱-鋼桁結合梁斜拉橋為例，研究和評價鐵路鋼橋面設置高性能防水鋪裝體系后，超高性能混凝土層對鋼橋面板疲勞性能的改善程度。采用有限元軟件ANSYS建立仿真計算模型，模型從上往下分別建立鋼軌、混凝土軌枕、道砟、UHPC層及鋼結構部分。其中，鋼結構采用板殼單元SHELL63模擬，彈性模量為210 GPa；超高性能混凝土、道砟、軌枕、鋼軌均采用實體單元SOLID45模擬，彈性模量分別為44.1 GPa，200 MPa，34.5 GPa，210 GPa。選用C0-C0六軸式軸重25 t貨運機車進行加載，對鋼橋面疲勞應力進行計算。

3.1 大跨度公鐵兩用鋼桁梁斜拉橋

蘇滬通大橋為主跨1092 m的雙塔三索面鋼桁梁斜拉橋結構形式，鐵路橋面采用與弦桿焊接的整體鋼箱橋面結構。正交異性板采用寬300 mm、高280 mm、板厚8 mm的U形肋加勁，U形肋橫向間距為600 mm，面板最小厚度為16 mm，在對應每道鋼軌位置設置T形軌道縱梁，T形縱梁高600 mm，腹板厚20 mm，下翼板寬300 mm，厚16 mm。

蘇滬通大橋主航道橋鐵路鋼橋面采用高性能防水鋪裝體系(圖2)，其由上至下分別為：粒徑9.5～13.2 mm碎石層+2～3 mm厚高黏高彈瀝青層+6 cm厚超高性能混凝土+環氧富鋅漆。剪力釘直徑為19 mm，高度45 mm，按照間距300 mm×300 mm布置。鋼筋網直徑10 mm，間距100 mm×100 mm，超高性能混凝土澆筑和養護完畢后，進行粗糙處理并清理后，采用瀝青碎石同步灑布車熱撒2～3 kg/m2(厚2～3 mm)高黏高彈瀝青和碎石(粒徑9.5～13.2 mm，材質與道砟相同，覆蓋率65%～75%)作為防水層，在防水層上再鋪設道砟。

蘇滬通大橋鐵路鋼橋面有限元模型如圖4所示，為模擬最不利受力狀態，頂板厚度取16 mm，UHPC層厚度為6 cm。正交異性鋼橋面板容易疲勞開裂部位有橫隔板的弧形切口、縱肋(板肋)與頂板焊接處，蘇滬通大橋鐵路橋面疲勞應力幅見表1。

圖4 蘇滬通大橋鐵路鋼橋面有限元模型

表1 蘇滬通大橋鐵路橋面疲勞應力幅 MPa

由表1可知，采用無UHPC鋪裝體系時，橫隔板弧形切口的最大主拉應力為86 MPa，縱肋與頂板焊縫最大疊加應力為22 MPa；采用UHPC鋪裝體系后，橫隔板弧形切口的最大主拉應力為78 MPa，縱肋與頂板焊縫最大疊加應力為7 MPa。

3.2 大跨度鋼箱-鋼桁結合梁斜拉橋

荊岳鐵路洞庭湖特大橋的主橋采用(99.12+140+406+406+140+99.12) m三塔斜拉橋，主梁為鋼箱-鋼桁結合梁結構。為適應鐵路的運行要求，采用整體性好、剛度大的正交異性板結構。橋面板厚16 mm，設置間距為600 mm的U形縱肋。U形縱肋板厚8 mm，頂寬300 mm，底寬184 mm，高280 mm，在每條線路的軌道之下設置高600 mm的倒T形縱梁。每隔3.5 m設一道倒T形橫梁，橫梁的跨中高度為2.5 m。針對洞庭湖大橋鐵路鋼橋面的實際情況，鋪裝體系由上至下分別為：碎石層+5 cm厚超高性能混凝土+環氧富鋅漆。

洞庭湖大橋鐵路鋼橋面有限元模型如圖5所示，洞庭湖大橋鐵路橋面疲勞應力幅見表2。

圖5 洞庭湖大橋鐵路鋼橋面節段模型

表2 洞庭湖大橋鐵路橋面疲勞應力幅 MPa

由表2可知，采用無UHPC鋪裝體系時，橫隔板弧形切口的最大主拉應力為80 MPa，縱肋與頂板焊縫最大疊加應力為23 MPa；采用UHPC鋪裝體系后，橫隔板弧形切口的最大主拉應力為72 MPa，縱肋與頂板焊縫最大疊加應力為11 MPa。

3.3 疲勞受力狀態評估

蘇滬通大橋、洞庭湖大橋鐵路鋼橋面采用UHPC鋪裝結構后，兩橋的弧形切口應力均降低了10%左右；兩橋鐵路縱梁與頂板焊縫疊加應力分別降低了68%，53%。

橫隔板弧形切口常幅疲勞極限(500萬次)為92 MPa，板肋與頂板焊縫常幅疲勞極限(500萬次)為66 MPa。故采用UHPC鋪裝體系后，關注的疲勞細節理論上常幅疲勞極限可達500萬次以上，可實現鋼橋面板的無限疲勞壽命。

4 高性能防水鋪裝體系結構參數化分析

研究不同鋪裝層對高速鐵路鋼橋正交異性板的面板應力改善程度(與同等彎矩作用下裸鋼板進行對比)，面板彈性模量取210 GPa，厚度為16 mm，鋪裝層厚50 mm，鋪裝材料彈性模量對面板底面應力降低幅度如圖6所示。

圖6 鋪裝材料的彈性模量對面板底面應力降低幅度

由圖6可知，隨著鋪裝層彈性模量的增加，在彎矩作用下，鋪裝層對鋼板底面應力的降低幅度顯著增加。當鋪裝層彈性模量在0～40 GPa，隨著彈性模量增加，鋼板應力降低幅度增長較快；當鋪裝層彈性模量超過40 GPa時，鋼板底面應力降低幅度的增長速度變緩。UHPC的彈性模量一般可達44 GPa，故鋪裝層厚度為50 mm的情況下，采用UHPC大致可達到整體最優。

研究鋪裝層厚度對正交異性鋼橋面板應力改善程度(與同等彎矩作用下裸鋼板進行對比)，面板彈性模量取210 GPa，厚16 mm，鋪裝層彈性模量為44 GPa，厚度為變化值。鋪裝材料厚度對面板底面應力降低幅度如圖7所示。

圖7 鋪裝材料的厚度對面板底面應力降低幅度

由圖7可知，隨著鋪裝層厚度的增加，在彎矩作用下，鋪裝層對鋼板底面應力的降低幅度不斷增加。當鋪裝層厚度在0～45 mm，隨著厚度增加，鋼板應力降低效果增長較快；當鋪裝層厚度超過45 mm時，鋼板底面應力降低效果的增長速度變緩。故在面板16 mm厚度下，最優UHPC厚度為45 mm。

5 結論

(1)提出高速鐵路用的高性能防水鋪裝體系，并應用于蘇滬通大橋等特大跨度鐵路鋼橋面，形成了標準化構造體系。

(2)配筋后(φ10 mm、間距100 mm、單層配筋)的厚度6 cm超高性能混凝土鋪裝結構抗裂強度超過17.9 MPa。

(3)以蘇滬通大橋、荊岳鐵路洞庭湖大橋為例，計算鐵路鋼橋面鋪設超高性能混凝土薄層后疲勞細節應力，弧形切口的最大主拉應力均降低了10%左右；軌道下的小縱梁與頂板的焊接細節疲勞應力降低超過53%。

(4)以改善面板應力角度分析，鋪裝層彈性模量為40 GPa、厚度45 mm左右可達到綜合性能最優。