大型足尺鋼-UHPC組合橋面板模型試驗研究*

郭亞唯，凌立鵬

(1.中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司，北京 100088；2.中建工程產業技術研究院有限公司，北京 101300)

0 引言

近年來，正交異性鋼橋面板通過采用超高性能混凝土(UHPC)澆筑形成的鋼-UHPC組合橋面板，可有效增強自身局部與整體剛度，降低焊接細節應力幅，且UHPC本身具有較好的抗彎拉疲勞性能，從而基本消除正交異性鋼橋面板疲勞開裂風險而成為研究熱點[1-7]，并已在我國天津海河大橋、汕頭礐石大橋等大跨度橋梁實際工程中得到應用。

然而從以上相關工程應用的調研情況來看，鋼-UHPC組合橋面板連接界面采用的焊接栓釘剪力連接件縱、橫橋向布置間距一般只有150～200mm，現場栓釘焊接密集，而且只能采用人工焊接，施工作業耗時費力，工程進度受到極大制約。而目前對鋼-UHPC組合橋面板研究，主要集中在配筋率、UHPC層、U肋樣式、結構承載力及抗疲勞性能的驗證方面[8-12]，較少涉及栓釘連接件間距布置。

對此，本文以某大橋改造工程為背景，遵循模型尺度、制造工藝與實橋保持一致的原則，設計并制造了焊接栓釘縱橋向間距為實橋2倍的大型足尺鋼-UHPC組合橋面板，并開展了模型試驗研究，以期為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

某大橋為我國早期建設的典型鋼箱梁斜拉橋，鋼箱梁高3.00m，橋面總寬38.80m，寬高比為12.93，采用雙向6車道高速公路標準設計[13]，橋面板為正交異性鋼橋面板，采用實腹式橫隔板，標準斷面板厚8mm、間距3.2m，由Q345C鋼全焊接加工而成。按受力不同，行車道區域頂板厚度為16，14，12mm，主要為12mm。頂板與U肋間焊縫采用坡口焊接，熔透深度≥0.75倍U肋板厚。

根據該橋工程可行性報告，大橋2022年交通量為81 365pcu/d，貨車(重車)占比50.3%，交通量大，重車比例高。根據歷年定期橋檢結果，大橋建成通車僅6年左右，鋼橋面板出現約450條裂紋，2017年表觀裂縫與隱形裂紋已分別高達6 831，4 688 條(僅半幅)[14]，其中頂板與U肋、U肋與橫隔板連接處裂紋數量最多，占比>92%。

對此，經前期論證，2018年提出采用超高性能混凝土組合橋面體系處治大橋正交異性板的病害，在少增加恒荷載的情況下，通過組合橋面結構改善正交異性板整體受力狀況，降低正交異性板疲勞細節應力幅。鋼-UHPC組合橋面結構中，UHPC層厚度為55mm，通過φ13×35短栓釘與橋面板連接，栓釘橫向間距為150mm、縱向間距為200mm。為保證UHPC層在帶裂縫橋面板上的受力性能，采用在UHPC層下部設置80mm×8mm橫向鋼板條的方式進行UHPC層加強，橫向鋼板條通過φ13×27短栓釘與UHPC層連接，施工時鋼板條通過粘鋼膠固定在橋面鋼板上。橫向鋼板條布置在橫橋向2排栓釘中間，間隔1排布置1道[15]，如圖1所示。

圖1 焊接栓釘布置平面

2 模型試驗設計

2.1 試件設計與制造

試驗模型設計綜合考慮了模型尺寸可真實反映大橋鋼橋面板實際構造特點及受力特性[16]，最終確定試驗模型縱橋向采用3m+3m的縱向2跨結構，橫橋向包括4個U肋，其中頂板厚12mm，U肋厚6mm，橫隔板腹板厚8mm，U肋及橫隔板弧形切口尺寸均與實橋相同，焊接栓釘間距縱橋向為400mm、橫橋向為150mm，UHPC層厚55mm，如圖2所示。

圖2 試驗模型尺寸

試驗模型制造采用與實橋相同的鋼材、焊接材料及制造工藝，UHPC層澆筑施工與養護嚴格遵循實橋有關要求執行，UHPC單方用量施工配合比如表1所示(核心料為由粉煤灰、硅灰和礦粉組成的組合料)。

表1 UHPC單方用量施工配合比

UHPC試塊抗壓與抗折測試在微機控制點液伺服壓力試驗機YAW-3000，YAW-300上進行，共累計完成5組有效100mm立方體試塊抗壓強度測試與3組長300mm、寬100mm、厚100mm棱柱體試塊抗折強度測試。結果表明，抗壓強度平均值約140.6MPa，可滿足≥140MPa的設計指標要求；抗折強度平均值約31.3MPa，可滿足≥25MPa的設計指標要求。測試結果如表2，3所示。

表2 立方體試塊抗壓強度測試結果

表3 棱柱體試塊抗折強度測試結果

2.2 試驗加載與測點布置

試驗加載采用5 000kN單點電液伺服靜態加載試驗機。加載時，針對組合橋面板縱橋向典型受力模式，選擇在UHPC層及抗剪連接件最不利荷載位置進行加載，同時綜合試驗現場測試便利性，最終選用1 300mm×200mm×200mm(長×寬×厚)墊塊將荷載分別作用于試驗模型兩跨跨中UHPC層正上方，試件3個橫隔板下翼緣放置在試驗場地上以提供豎向支承，加載方式如圖3所示。

圖3 試驗模型加載方式

正式加載前首先預壓400kN荷載，反復加載3次，以保證各部位安裝連接緊密，并對試件進行對中調試。正式加載時采用分級加載，每級荷載穩定5min后，采集并記錄數據。試驗加載等級如表4所示。

表4 試驗加載等級

結合正交異性鋼-UHPC組合橋面板受力特點，在試驗過程中，重點關注UHPC層縱向滑移及負彎矩受拉區、U肋受力變形、中間橫隔板受力變形等位置。故在上述位置布置應變及位移測點，測點布置如圖4所示，測點統計如表5所示。

圖4 應變及位移測點布置

表5 應變及位移測點統計

3 試驗結果分析

按試驗加載等級逐級加載，采用東華動態測試采集儀DH5921連續采樣，記錄各測點應變及位移變化響應，主要試驗結果如圖5所示。由圖5可知，當荷載約<2 000kN時，荷載-位移曲線基本呈線性增長；當跨中最大位移約6.28mm，再繼續增加荷載時，荷載-位移曲線開始呈非線性增長；當跨中最大位移約11.92mm時，中間橫隔板發生失穩屈曲破壞，最終試驗加載至發現橫隔板與U肋焊接處出現肉眼可見裂紋為止，此時位移約18.36mm。

圖5 主要試驗結果

鋼橋面板主要試驗結果如圖6所示。由圖6可知，當荷載達到約1 600kN后，中間橫隔板上豎向應變測點荷載-應變曲線開始呈非線性增長，此時對應的豎向壓應變最大可達-800με(應力約161MPa)。而U肋不論在中間橫隔板處還是跨中，荷載-應變基本均呈線性增長，其中，荷載達到約1 600kN時，中間橫隔板處U肋底測點U3-1縱向拉應變為 1 280με(應力約257MPa)，跨中處U肋底測點U3-2縱向拉應變為816με(應力約164MPa)，可見結構承載力主要受中間橫隔板受壓穩定性控制。

圖6 鋼橋面板主要試驗結果

UHPC層主要試驗結果如圖7所示。由圖7可知，隨試驗荷載不斷增大，UHPC層表面拉應變不斷增大，當荷載達到約2 050kN時，即中間橫隔板發生失穩屈曲破壞時，此時鋼-UHPC連接界面未出現相對滑動位移，最大實測拉應變達到610με時，UHPC層表面未發現任何開裂跡象。

圖7 UHPC層主要試驗結果

4 結語

本文以某大橋改造工程為背景，遵循模型尺度、制造工藝與實橋保持一致的原則，設計并制造了焊接栓釘縱橋向間距為實橋2倍的大型足尺鋼-UHPC組合橋面板，并開展了模型試驗研究。研究發現，在UHPC層及抗剪連接件最不利荷載位置進行加載，結構破壞模式為中間橫隔板出現失穩開裂，而鋼-UHPC連接界面未出現相對滑動位移。UHPC層表面最大實測拉應變達610με，未發現任何開裂跡象，表明試驗模型采用UHPC層及抗剪連接件設計偏保守，當今工程應用的鋼-UHPC組合橋面板焊接栓接縱橋向布置間距尚存在進一步優化空間。