PCMA高強(qiáng)耐磨型鋼橋面復(fù)合鋪裝體系性能研究

曾成福 顏華平

(1.江西省交通工程集團(tuán)有限公司 南昌 330000; 2.江西省交通投資集團(tuán)南昌北管理中心 南昌 330000)

由于正交各向異性鋼橋具有較大的柔性和較大的局部變形,特別是在荷載、溫度、風(fēng)、地震等自然因素影響下,橋面的應(yīng)力和變形非常復(fù)雜,很多在役的鋼結(jié)構(gòu)橋梁正面臨著日益凸顯的病損和功能退化等問題,鋪裝結(jié)構(gòu)往往在短期內(nèi)即出現(xiàn)開裂、擁包、脫空及坑槽等病害。因此,正交各向異性鋼橋面鋪裝是一個(gè)復(fù)雜的問題。雖然,目前形成了以環(huán)氧瀝青混凝土、澆筑式瀝青混凝土以及改性SMA瀝青混凝土等為代表的鋪裝技術(shù)。但是,由于受到材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝,以及生產(chǎn)成本等因素的制約,實(shí)際工程應(yīng)用中,鋼橋面鋪裝早期損壞現(xiàn)象至今依然突出。

鋼橋面鋪裝層應(yīng)具有良好的抗裂性、抗變形、耐久性和抗滑性,同時(shí)與橋梁鋼板之間應(yīng)有良好的黏結(jié)性。另外,鋪裝層的重量也是鋼橋面需要重要考慮的因素[1],較厚的結(jié)構(gòu)增加的重量往往會(huì)抵消使用正交各向異性鋼板的優(yōu)勢,因此,需要通過采用薄厚度結(jié)構(gòu)層或采用輕質(zhì)材料,以減輕鋪裝結(jié)構(gòu)重量。

針對鋼橋面鋪裝對使用性能的特殊要求,各種各樣的材料被用于鋼橋面,包括瀝青類材料和水泥基材料[2-3]。由于改性SMA瀝青混凝土具有良好的高溫抗變形性能、低溫抗裂性能、抗疲勞性能和優(yōu)異的表面性能,常應(yīng)用在鋪裝表面層。輕質(zhì)聚合物改性水泥砂漿因?yàn)榫哂休p質(zhì)高強(qiáng)、柔韌性大、抗沖擊性能好的優(yōu)點(diǎn),可以作為鋪裝過渡層。因此,提出一種高強(qiáng)耐磨的鋼橋面復(fù)合鋪裝體系PCMA,輕質(zhì)陶粒聚合物改性水泥砂漿過渡層+改性SMA瀝青混凝土表面磨耗層。

1 鋼橋面受力特性分析

1.1 模型和計(jì)算參數(shù)

采用有限元分析軟件對鋼橋梁體的受力特性進(jìn)行分析,加勁肋、橫隔板、縱隔板采用BEAM188梁單元鋼橋面板與鋪裝層均采用ANSYS中的SOLID65實(shí)體單元[4-5],材料基本參數(shù)見表1。

表1 材料基本參數(shù)

根據(jù)JTG D60-2015 《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》,單軸荷載采用140 kN,沿橋長方向200 mm,寬度為600 mm。水平荷載等于垂直荷載乘以荷載系數(shù)。水平荷載系數(shù)為0.3。荷載計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 荷載計(jì)算參數(shù)

1.2 橋面鋪裝過渡層模量的影響作用

改變橋面鋪裝過渡層模量,分析對鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力的影響,模量變化范圍為2 000～12 000 MPa,其他參數(shù)保持不變。不同過渡層模量下力學(xué)指標(biāo)的變化見圖1。

圖1 不同過渡層模量下力學(xué)指標(biāo)的變化

由圖1可見,橋面鋪裝過渡層模量增大時(shí),除橋面鋪裝與鋼橋面板間最大剪應(yīng)力增大外,其余力學(xué)指標(biāo)均減小,其中橋面最大拉應(yīng)力、橋面鋪裝層最大剪應(yīng)力和橋面鋪裝層最大豎向壓應(yīng)變分別降低了45.9%,37.1%,16.5%。由于鋪裝層與鋼橋面的復(fù)合特性,橋面鋪裝過渡層模量越高,鋼橋面復(fù)合剛度越大,正交各向異性鋼橋面應(yīng)力應(yīng)變越小,在相同受力條件下,鋼橋面的變形會(huì)越小。因此,橋面鋪裝過渡層可以直接鋪裝在正交異性鋼橋面上,有利于改善鋼橋面的受力狀態(tài)。

1.3 鋪裝層厚度的影響作用

橋面鋪裝厚度是一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)指標(biāo),厚度一般在38～120 mm之間。在歐洲和美國普遍采用薄厚度的鋪裝層。在日本則常采用較厚的鋪裝層,一般為60～80 mm。中國典型的鋪裝厚度是50～80 mm。因此,僅分析35～95 mm的鋪裝厚度對鋼橋面的受力影響。結(jié)果見圖2。

圖2 不同鋪裝層厚度下力學(xué)指標(biāo)的變化

由圖2可見,鋪裝厚度越大,各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)均減小,但是降低幅度不相同,降低幅度從大到小依次排序?yàn)?鋪裝層表面最大拉應(yīng)力>鋪裝層內(nèi)最大剪應(yīng)力>鋪裝層最大垂直壓應(yīng)變>鋪裝層與鋼橋面板層間剪應(yīng)力。當(dāng)鋪裝厚度從35 mm增加到95 mm時(shí),橋面最大拉應(yīng)力、橋面鋪裝層最大剪應(yīng)力、橋面鋪裝層最大豎向壓應(yīng)變和層間最大剪應(yīng)力分別下降了73.3%,60.2%,54.5%,6.8%。因此,適當(dāng)增加鋪裝厚度可有效改善橋面受力狀態(tài)。然而,當(dāng)厚度增加到一定程度時(shí),力學(xué)指標(biāo)的降低非常有限,改善受力效果不顯著。例如,當(dāng)厚度從35增加到45 mm、45增加到55 mm、55增加到65 mm、65增加到75 mm,表面的最大拉應(yīng)力分別降低了0.543,0.416,0.372,0.291 MPa。從75增加到85 mm和85增加到95 mm時(shí),表面的最大拉應(yīng)力僅降低了0.228,0.176 MPa。因此,橋面鋪裝厚度采用75 mm較為經(jīng)濟(jì)可行。

2 鋼橋面復(fù)合鋪裝體系

由以上分析可知,鋪裝過渡層的模量越高,適當(dāng)增加鋪裝厚度,均可以改善鋪裝結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。鑒于鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的獨(dú)特優(yōu)勢,研究了一種高強(qiáng)耐磨型鋼橋面復(fù)合鋪裝體系(PCMA),由輕質(zhì)聚合物改性水泥砂漿過渡層、剪切螺柱連接器和SMA-13表面層組成。該種鋪裝結(jié)構(gòu)見圖3。為了確定不同鋪裝結(jié)構(gòu)層的最優(yōu)組合厚度,采用正交試驗(yàn)進(jìn)行力學(xué)分析,分析結(jié)果見表3。從表3試驗(yàn)結(jié)果可以看出,35 cm SMA-13+40 cm 輕質(zhì)聚合物改性水泥砂漿結(jié)構(gòu)組合厚度為最優(yōu),各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)均處于最有利水平。

圖3 高強(qiáng)耐磨型鋼橋面復(fù)合鋪裝體系

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

3 鋪裝性能試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證該種鋪裝體系的整體性能,進(jìn)行了熱相容性、高溫車轍和疲勞耐久性試驗(yàn)[6]。

3.1 熱相容性試驗(yàn)

試件尺寸為400 mm×100 mm×90 mm,梁的跨徑為350 mm,鋪裝厚度75 mm,采用厚度為15 mm的18 Mn鋼板。分別采用4種鋪裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比,I為輕質(zhì)聚合物改性水泥砂漿+鋼板;II為SMA-13+鋼板;II為雙層SMA-13+鋼板;IV為SMA-13+輕質(zhì)聚合物改性水泥砂漿+鋼板。

首先,在25 ℃和-10 ℃溫度條件下進(jìn)行5次溫度循環(huán),每次恒溫24 h。第二步,進(jìn)行凍融熱非標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn),分別在60,25,-10 ℃溫度條件下進(jìn)行5次溫度循環(huán),每次恒溫24 h。第三步,進(jìn)行浸凍非標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn),室溫浸泡24 h,再在-10 ℃下放置24 h,同樣進(jìn)行5次溫度循環(huán)。在每次循環(huán)過程中,使用高分辨率相機(jī)拍攝試件板側(cè)面的照片,監(jiān)測界面裂紋,如果鋪裝層從橋面板界面處剝離則認(rèn)為是失效破壞。試驗(yàn)結(jié)果表明,4種試件均未出現(xiàn)開裂或剝離分層現(xiàn)象。因此,PCMA鋪裝體系與傳統(tǒng)的鋪裝體系熱相容性均較好。

3.2 高溫車轍試驗(yàn)

在70 ℃下進(jìn)行高溫車轍試驗(yàn),采用動(dòng)穩(wěn)定度和車轍深度對不同鋪裝結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行研究[7]。車轍試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 車轍試驗(yàn)結(jié)果

表4試驗(yàn)結(jié)果表明,不同鋪裝結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性存在顯著差異。PCMA結(jié)構(gòu)、雙層環(huán)氧結(jié)構(gòu)、澆注+環(huán)氧結(jié)構(gòu)、環(huán)氧+SMA結(jié)構(gòu)與雙層SMA結(jié)構(gòu)均具有較高的動(dòng)穩(wěn)定度和較小的車轍深度。說明包括PCMA復(fù)合鋪裝結(jié)構(gòu)在內(nèi)的5種鋪裝高溫穩(wěn)定性均較好,且PCMA高溫穩(wěn)定性要優(yōu)于傳統(tǒng)的雙層SMA鋪裝結(jié)構(gòu)。

3.3 疲勞試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)采用的試件與熱相容性試驗(yàn)相同,加載位置位于梁中間,示意見圖4。加載頻率為10 Hz,加載波形為半正弦波。疲勞試驗(yàn)終止條件為:①表面開裂;②出現(xiàn)剝離分層;③總撓度(峰值撓度)或撓度差值(峰谷撓度差值)明顯偏離初始值[8]。

圖4 疲勞試驗(yàn)加載位置(單位:mm)

疲勞試驗(yàn)前首先進(jìn)行彎曲試驗(yàn),結(jié)果表明,復(fù)合鋪裝結(jié)構(gòu)的最大彎曲荷載為2 532 N,大于傳統(tǒng)鋪裝結(jié)構(gòu)的最大彎曲荷載為1 400 N。疲勞試驗(yàn)采用了2種水平的荷載幅值,分別為500 N和1 000 N,疲勞荷載循環(huán)作用次數(shù)達(dá)到了790 000次和9 360次。因此,為了縮短試驗(yàn)時(shí)間,采用1 000 N荷載幅值。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

表5試驗(yàn)結(jié)果表明,對于傳統(tǒng)的雙層SMA-13結(jié)構(gòu),在梁上施加相同水平的荷載幅值,加載循環(huán)次數(shù)僅為783次,遠(yuǎn)低于高強(qiáng)耐磨型鋼橋面復(fù)合鋪裝體系的加載次數(shù)。因此,在相同荷載作用下,高強(qiáng)耐磨型鋼橋面復(fù)合鋪裝體系的疲勞性能更優(yōu)異。

4 結(jié)論

在理論分析和室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對正交異性鋼橋面鋪裝的特點(diǎn)和要求進(jìn)行了研究和分析。并研究了一種由SMA-13耐磨層和輕質(zhì)聚合物水泥砂漿過渡層組成的PCMA高強(qiáng)耐磨型鋼橋面復(fù)合鋪裝體系。根據(jù)研究結(jié)果,可以得出以下結(jié)論。

1) 鋼橋面鋪裝過渡層的模量越高,鋪裝層厚度越大,可以有效改善橋面的受力狀態(tài)。當(dāng)厚度增加到一定程度時(shí),力學(xué)指標(biāo)的降低非常有限,改善受力效果不顯著。

2) PCMA高強(qiáng)耐磨型鋼橋面復(fù)合鋪裝體系與傳統(tǒng)的鋪裝體系熱相容性均較好。

3) PCMA高強(qiáng)耐磨型鋼橋面復(fù)合鋪裝體系具有良好的高溫穩(wěn)定性,且高溫穩(wěn)定性要優(yōu)于傳統(tǒng)的雙層SMA鋪裝結(jié)構(gòu)。

4) PCMA高強(qiáng)耐磨型鋼橋面復(fù)合鋪裝體系相比傳統(tǒng)的雙層SMA鋪裝結(jié)構(gòu)疲勞性能更優(yōu)異。