型鋼-UHPC組合橋面結構抗拉性能試驗研究

毛啟元，邵旭東，劉夢麟，沈秀將，李玉祺

(1.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082; 2.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；3.廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530025)

0 引 言

混凝土橋面由于其自重大、強度低等不足主要應用于鋼混組合橋梁。正交異性鋼橋面板自重輕、施工周期短、不受主梁形式限制，是目前大跨徑橋梁的主要橋面形式。而全焊結構的鋼橋面板需要專用鋪裝，在重載車作用下，鋼橋面板易產生疲勞開裂和局部屈曲，且瀝青鋪裝層頻繁破損，降低了橋梁的營運效率。

超高性能混凝土(UHPC)是一種高強、高韌和高耐久性的水泥基復合材料，可以采用連接件將其與鋼面板組合，形成了鋼-UHPC輕型組合橋面結構[1-4]；國內外研究團隊針對鋼-UHPC輕型組合橋面結構的構件抗裂靜力和疲勞性能、連接件抗剪性能、設計計算方法等開展了大量研究[5-8]，結果表明鋼-UHPC組合橋面可大幅提高橋面局部剛度，降低疲勞開裂和鋪裝破損風險。然而，在實橋檢測中發現，除了面板和U肋連接細節外，鋼-UHPC組合橋面結構其余細節的應力降幅不夠大，橋梁結構存在疲勞開裂風險，而型鋼-UHPC橋面結構[9]由于其優異的抗疲勞性能，可解決此問題。

筆者針對型鋼-UHPC橋面結構的4個足尺條帶模型構件(包含2個橋面板構件及2個含接縫構件)開展了軸拉試驗；重點分析構件受拉過程中型鋼、鋼筋和UHPC的應變變化規律和裂縫發展狀態，并采用有限元方法模擬試驗全過程，分析構件在加載過程中的應變和軸向變形的發展規律。

1 試 驗

1.1 構件材料

1.1.1 UHPC材料

橋面板構件的UHPC采用湖南中路華程公司生產的干混料，配比為(kg/m3)：水泥771.2、硅灰154.0、粉煤灰77.1、石英砂848.4、石英粉154.2、減水劑10.1、水166、鋼纖維156；接縫構件的UHPC由湖南中路華程公司提供。根據GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》及GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》對2種構件UHPC進行抗壓強度fc、彈性模量E試驗，而抗拉強度fct則按照法國UHPC規范[10]根據抗折強度倒推得到。結果見表1。

表1 UHPC力學性能試驗結果

1.1.2 鋼 材

采用HW200型鋼、Q345鋼板及HRB400鋼筋，而埋置于接縫構件下臺階處UHPC內的鋼條由型鋼切割而成?？紤]到縱向受拉時鋼板不參與主要受力，僅對型鋼和鋼筋按照GB/T 228.1—2021《金屬材料拉伸試驗》進行強度試驗。結果見表2。

表2 型鋼及鋼筋力學性能試驗結果

1.2 構件設計

1.2.1 橋面板構件

制作了2個型鋼-UHPC橋面板構件(1#、2#)進行單軸拉伸試驗。橋面板構件全長1.8 m，等截面區域寬0.5 m，高255 mm，型鋼上翼緣焊接Φ13×38 mm的栓釘，鋼板條上方焊接Φ13×35 mm的栓釘。構件縱向鋼筋直徑12 mm，間距62.5 mm，橫向鋼筋直徑10 mm，間距100 mm；構件兩末端局部擴大增加焊縫長度以提高端部焊縫的抗拉承載力。尺寸如圖 1。

圖1 型鋼-UHPC橋面板構件示意

1.2.2 接縫構件

制作了2個型鋼-UHPC接縫構件(1#、2#)進行單軸拉伸試驗。接縫構件全長1.62 m，由2次澆筑的UHPC面板、HW200型鋼、橫隔板上翼緣以及上臺階底部加強鋼板組成。構件型鋼上栓釘均為Φ13×38 mm，接縫加強鋼板的栓釘均為Φ13×35 mm；縱向鋼筋直徑均為12 mm，兩端預制橋面板內鋼筋間距62.5 mm，中間現澆接縫內鋼筋密集布置，間距較預制部分縮小一倍(31 mm)。接縫UHPC由下臺階和兩側的上臺階組成，下臺階的UHPC與橫隔板上翼緣通過栓釘連接，其兩側的型鋼通過橡膠條置于橫隔板上翼緣。接縫構件構造見圖2。

圖2 型鋼-UHPC接縫構件示意

1.3 構件制作

1)同時澆筑接縫構件兩端預制部分及橋面板構件；表面覆蓋塑料薄膜自然養護48 h；拆模后蒸汽養護72 h(溫度≥80℃，相對濕度≥95%)。

2)澆筑接縫構件的接縫前，人工鑿毛預制部分的界面，直至露出鋼纖維；清除殘渣，除去松動的UHPC基體，灑水濕潤。

3)對現澆接縫UHPC進行灑水保濕自然養護28 d。

1.4 加 載

將構件端部的鋼筋、型鋼和鋼板全部焊在端鋼板上，端鋼板與上橫梁和下橫梁通過高強螺栓連接，每個螺栓均施加一定的預緊力。采用2臺千斤頂兩側對稱豎向加載，如圖3。

圖3 加載示意

考慮到安裝誤差以及構件的不均勻性，在正式加載前進行預加載(荷載P≤50 kN)，以消除試件裝置間的空隙并微調兩側力值使得截面兩側應變大小基本相同，避免偏載。

1.5 測 試

采用ZBL-F130裂縫觀測儀來測量裂縫寬度，測量精度為0.01 mm。

對于橋面板構件，選取截面Ⅰ～Ⅴ〔圖4(a)〕測試鋼筋、型鋼和UHPC的軸向應變，同時還測試了UHPC頂面和底面中間1 m標距的軸向變形；對于接縫構件，選取兩側預制段(截面Ⅰ、Ⅸ)、新舊UHPC界面(截面Ⅱ、Ⅷ)、接縫上臺階處(截面Ⅲ、Ⅶ)、剛度突變處(截面Ⅳ、Ⅵ)及接縫下臺階處(截面Ⅴ)〔圖4(b)〕測試鋼筋、型鋼和UHPC的軸向應變，同時還測試了上臺階處加強鋼板和下臺階處內部埋置鋼條的拉應變，以及接縫界面10 cm范圍內和接縫下臺階處表面20 cm范圍內UHPC的軸向變形。

圖4 構件應變測點布置

2 試驗結果分析

2.1 裂縫發展規律

橋面板構件及接縫構件界面和下臺階處的荷載-最大裂縫寬度(P-w)曲線見圖5。為便于直觀展現構件抗拉性能，圖5給出了相應荷載下的UHPC名義拉應力σn，即根據鋼材和UHPC彈性模量比將組合截面換算為以UHPC表示的換算截面，再用總軸力除以換算截面面積得到的拉應力。受拉構件的裂縫分布見圖6。

圖5 構件的荷載-最大裂縫寬度(P-w)曲線

圖6 極限狀態下構件裂縫分布

由圖5、圖6可見：

1)橋面板構件。當w=0～0.4 mm時，P-w曲線近似呈線性，構件薄弱位置(應變片導線處)首先產生微裂縫，隨著荷載的增大，構件表面均勻分布細而密的微裂縫，背面最大裂縫寬度略小于正面的；當w>0.4 mm時，P-w曲線基本接近水平，UHPC板上隨機出現2～3條貫穿全截面的主裂縫，主裂縫間可視裂縫間距約為50～70 mm。

2)接縫構件。裂縫首先集中在接縫界面處，當P>600 kN時，由于企口的咬合作用和加強鋼板的增強作用，裂縫集中分布于接縫下臺階處，并在構件破壞時形成1條主裂縫。主裂縫正面上下伴有豎向劈裂裂縫，并在側面沿型鋼錨固區域邊緣發展，呈現錨固區UHPC整體拔出趨勢。除了界面和接縫下臺階處，其余位置幾乎沒有可見裂縫，原因可能是接縫上臺階區域設置了加密鋼筋和加強鋼板，阻礙了裂縫發展。

2.2 荷載-軸向變形(P-Δl)曲線(圖7)

圖7 構件UHPC的荷載-軸向變形(P-Δl)曲線

2.2.1 橋面板構件

橋面板構件UHPC的P-Δl曲線可分為3個階段：①彈性階段，P=209～303 kN，構件表面無裂縫出現；②裂縫發展階段，隨著P的增大，構件表面出現第1條微裂縫，P-Δl曲線發生偏轉，隨后仍近似直線；③屈服階段，P=2 200～2 400 kN，P-Δl曲線再次呈現明顯偏轉，隨后接近水平。

2.2.2 接縫構件

接縫構件UHPC的P-Δl曲線可分為4個階段：①彈性階段，構件表面無裂縫；②界面開裂階段，P≈150 kN，界面區域的P-Δl曲線發生偏轉，隨后軸向變形呈線性增加；③裂縫擴展階段，P≈400 kN，下臺階處UHPC內微裂紋的萌生，P-Δl曲線首次產生明顯的偏轉，而界面處的P-Δl曲線未產生偏轉；④屈服破壞階，P=1 200～1 400 kN，下臺階處P-Δl曲線產生明顯的偏轉，隨后又迅速變為水平,下臺階處鋼纖維被拔出，UHPC中產生1條主裂縫。

2.3 荷載-應變(P-ε)曲線

2.3.1 橋面板構件

以1 # 橋面板構件為例，構件的P-ε曲線如圖8。

圖8 橋面板構件荷載-應變(P-ε)曲線

由圖8可見，橋面板構件的P-ε曲線也可以分為3個階段：①彈性階段，各部分應變均呈線性增加且大小相同，說明此時結構處于軸心受拉狀態；②裂縫發展階段，型鋼和鋼筋的P-ε曲線發生偏轉，意味著后續的荷載由型鋼和鋼筋承擔；③屈服階段，型鋼的P-ε曲線產生明顯偏轉，構件抗拉剛度顯著下降。

2.3.2 接縫構件

接縫構件中各斷面型鋼、鋼筋和UHPC的P-ε的曲線見圖9。由于型鋼頂、底板實測結果相差很小，故僅展示了型鋼頂板應變。

圖9 接縫構件荷載-應變(P-ε)曲線

由圖9可見：

1)接縫構件的P-ε曲線可分為4個階段：①彈性階段，界面處鋼纖維不連續，抗拉剛度低，故UHPC應變發展速度遠大于其余位置〔圖9(b)〕；②界面開裂階段，界面處由于開裂，鋼筋的P-ε曲線發生明顯偏轉，其余斷面由于無裂縫產生，曲線仍近似為直線〔圖9(c)〕；③裂縫發展階段，下臺階開裂導致內部鋼條和鋼筋的P-ε曲線發生明顯偏轉，表明構件抗拉剛度逐漸下降，其余斷面鋼筋的P-ε曲線僅發生輕微偏轉〔圖9(a)、(c)〕；④屈服破壞階段，由于內部鋼條屈服，構件達到極限承載力，下臺階處主裂縫產生，該處鋼筋的P-ε曲線接近水平〔圖9(a)、(c)〕。

2)在構件加載至破壞的全過程中，接縫上臺階處的加強鋼板應變一直呈線性增加〔圖9(d)〕，且構件破壞時上臺階處幾乎沒有可視裂縫?？梢娂訌婁摪逋耆勺鳛榻涌p底部的鋼筋參與受拉，提高上臺階的抗拉剛度，延緩裂縫的發展。

2.4 構件UHPC名義拉應力σn與最大裂縫寬度w

表3為橋面板構件及接縫構件w=0.05、0.10、0.15和0.20 mm時的UHPC名義拉應力σn匯總。

表3 不同UHPC名義拉應力σn下構件的最大裂縫寬度w

由表3可知：w=0.05 mm時，接縫構件的σn比橋面板構件的高約19%；w=0.10～0.20 mm時，相同的最大裂縫寬度，接縫構件的σn比預制部分低約10%～16%。根據文獻[11]，當w=0.05 mm，意味著UHPC開裂，則可以認為型鋼-UHPC組合橋面板接縫抗裂性能強于預制的橋面板。

3 非線性有限元仿真分析

3.1 模型建立

采用ABAQUS建立三維實體非線性有限元模型(圖10)，對構件加載全過程進行模擬。

圖10 非線性有限元模型

以三維實體單元(C3D8R)對模型中的型鋼、鋼板條、鋼板、栓釘、UHPC以及加載所用的上下橫梁進行模擬，其中：UHPC采用ABAQUS提供的塑性損傷模型(CDP)模擬；鋼筋網采用兩節點桁架單元(T3D2)模擬。模型邊界條件為底部螺栓孔位置附近節點設置固定約束；接縫界面采用接觸-分離行為，接觸剛度Knn=Kss=Ktt=45 820 MPa，初始分離應力tn0=ts0=tt0=6.716 MPa，塑性分離距離δp=0.053 3 mm，黏性系數λ=1×10-6[11]。有限元模型材料主要參數見表4。

表4 有限元模型材料參數

參照文獻[13-15]，UHPC壓應力-應變(σc-ε)曲線、拉應力-應變(σct-ε)曲線及型鋼和鋼筋的應力-應變(σs-ε)曲線如圖11，曲線方程如式(1)～式(3)，其余鋼材采用理想線彈性進行模擬。

圖11 UHPC、型鋼和鋼筋的應力-應變曲線

1)UHPC受壓σc-ε曲線方程[12]：

(1)

式中：ε0、εcu分別為UHPC峰值壓應變和極限壓應變，ε0= 0.003 5，εcu=0.010 0；ξ=ε/ε0；n=E0/Ec(Ec為UHPC峰值點割線模量，Ec=fc/ε0)。

2)UHPC受壓σct-ε曲線方程[13]：

(2)

式中：εca、εpc分別為UHPC的彈性極限拉應變和極限拉應變，εca=0.000 200，εpc=0.000 765；p為試驗擬合參數，p=0.95；wp為應力降至2-pfct時的裂縫寬度，wp=0.25 mm。

3)型鋼、鋼筋的σs-ε曲線方程[14]：

(3)

式中：εsy、εsu分別為型鋼/鋼筋的屈服應變和極限應變，εsu=0.15；Es1、Es2分別為型鋼、鋼筋在彈性階段和強化階段的彈性模量，Es1=fsy/εsy=206 GPa，Es2=(fsu-fsy)/(εsu-εsy)。

3.2 有限元分析結果

3.2.1 有限元計算值

圖12為橋面板構件、接縫構件UHPC軸向變形及橋面板構件型鋼頂板、接縫構件鋼條應變的試驗值與有限元計算值，其中軸向變形量標距取1 m。

圖12 構件幾個參數的有限元計算值與試驗值對比

由圖12可見：除屈服階段外，2種構件UHPC的軸向變形和型鋼/鋼條的應變，計算值與試驗值之間的誤差分別約為-11.3%～10.2%和-1.0%～25.9%。這里的誤差指相同荷載下構件的有限元計算值(變形、應變)與試驗值(變形、應變)之差與計算值的百分比。可見有限元計算結果與試驗值吻合較好。

3.2.2 塑性應變云圖

圖13為有限元計算得到的接縫構件UHPC的最大塑性應變εp,max云圖，圖14為接縫構件UHPC的實際裂縫分布圖?？梢姡涌p構件UHPC的高塑性應變區集中在下臺階頂面和界面附近〔圖13(a)〕，與實際裂縫分布(圖14)吻合；接縫構件內鋼條錨固性能良好，極限荷載下塑性拉應變超過2 000×10-6，與試驗值相同，表明筆者建立的非線性有限元模型能夠準確地模擬型鋼-UHPC橋面板和接縫的軸心受拉過程，在屈服破壞階段前，試驗值與有限元模擬得到的荷載-軸向變形曲線和應變發展規律一致。

圖13 接縫構件有限元計算塑性應變云圖

圖14 接縫構件UHPC中裂縫實際分布

4 結 論

針對以熱軋型鋼為縱肋，鋼板條為橫肋，配筋UHPC板為結構層的型鋼-UHPC組合橋面結構體系(包括橋面板和與之相匹配的接縫構件)進行了單軸拉伸試驗研究，測得構件的軸向變形、應變；分析了構件裂縫發展規律；采用ABAQUS模擬了單軸拉伸試驗全過程，并將有限元計算得到的型鋼、鋼條應變和構件UHPC軸向變形與試驗值進行了對比分析。研究得到以下主要結論：

1)橋面板構件的型鋼和UHPC具有良好的協同受力性能，構件的受拉破壞過程可分為彈性、裂縫發展和構件屈服3個階段，裂縫分布呈細而密的特征，最終構件的型鋼受拉達到屈服，UHPC面板隨機產生2～3條主裂縫，其余可視裂縫間距為50～70 mm。

2)接縫構件受拉破壞過程可分為彈性、界面開裂、接縫裂縫擴展和破壞4個階段。最初為接縫界面開裂，在企口咬合作用、加密鋼筋及底部鋼板的增強下，后續裂縫集中在下臺階處；最終由于下臺階處內部埋置的鋼條屈服，構件達到極限承載力，破壞模式為下臺階處UHPC鋼纖維拔出形成主裂縫。

3)有限元計算得到的構件UHPC軸向變形和型鋼、鋼條應變與試驗值吻合較好。軸拉力下接縫構件下臺階處內部埋置的弧口鋼條根部及其周圍為受力最大的區域，極限荷載下弧口鋼條已進入屈服階段。