常温养护下正交异性钢板-RPC组合桥面力学研究

2019-02-22靳春玲

铁道标准设计 2019年3期

高展,张慧,靳春玲

(兰州交通大学土木工程学院,兰州 730070)

引言

目前，由于钢箱梁结构的轻质和良好的跨越能力，此类结构在我国大跨度桥梁建设中得到了广泛应用。钢箱梁结构的桥面板一般采用的是正交异性钢桥面板[1]，但是在运营过程中，局部容易出现两种类型的破坏问题：铺装层损坏和钢桥面板疲劳开裂[2-4]。

造成以上两个破坏问题的原因如下：(1)正交异性桥面板铺装多采用沥青混凝土，而铺装层局部应力和变形较大，沥青混凝土抗拉强度较小，因此容易出现裂缝；(2)沥青混凝土铺装层厚度较薄且模量远低于钢材，沥青混凝土层对于正交异性钢桥面结构刚度的提高有限，长时间的运营会造成钢桥面的开裂[5]。

针对上述两个危害，许多学者做出了研究，但大部分都是对两种病害单独研究的。文献[6]提出了采用环氧沥青混凝土，虽然铺装层得到改善，但由于环氧沥青混凝土的模量太低，钢桥面疲劳开裂的问题仍然没有得到解决。文献[7，8]提出了刚性铺装层，例如用钢纤维混凝土和轻质混凝土等替代沥青混凝土，虽然比沥青混合料弹性模量大一些，提高了正交异性桥面板的刚度，但是由于抗拉强度不足，仍然难以抵抗桥面板的拉应力，导致桥面铺装形成裂缝。

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简称RPC)于20世纪90年代，由法国人研发的，具有高弹模、超高强度、超高耐久性、高韧性等性能[9]，弥补了沥青混合料的低弹模和混凝土的底抗拉强度的不足，为解决铺装层损坏和钢桥面结构疲劳开裂提供新的方法。近几年邵旭东等人提出了正交异性钢桥面-RPC薄层组合铺装体系，研究表明了正交异性桥面上铺筑RPC层降低了钢桥面结构的应力和提高了刚度，基本能消除钢桥面疲劳开裂的风险，并且RPC具有较强的抗拉强度，能够抵抗铺装层局部应力和变形较大[10-13]。但这些研究都是建立在RPC是高温蒸汽养护下进行的。常温下硅灰仍有较强的活性，而石英粉的活性较低[14-15]，所以在常温养护下，RPC作为铺装层是否仍能解决上述两个问题有待研究。

因此，本文基于厦门某桥，在正交异性桥面上浇筑常温养护下的RPC层形成组合结构，将钢桥面转化为正交异性钢桥面-RPC组合桥面(下文简称常温RPC组合桥面)结构，通过ANSYS计算和试验，与普通混凝土组合桥面结构和高温养护下正交异性钢桥面-RPC组合桥面结构(下文简称高温RPC组合桥面)进行对比分析。

1 常温养护下的RPC基本力学性能

为了更好地研究常温养护RPC的性能，首先本文做了如下试验。

RPC各材料采用表1所示配合比进行拌和，然后将RPC浇筑到相应的模具，做3块抗压强度试验150 mm×150 mm×150 mm的试块、3块弹性模量试验100 mm×100 mm×400 mm的试块和6块抗折强度试验150 mm×150 mm×300 mm的试块。然后常温养护达到规定龄期，进行抗压、抗折和弹性模量试验，见图1。最终得到RPC的抗压强度、抗折强度和弹性模量如表2所示。

图1 动弹性模量试验

原材料水泥石英砂硅灰粉煤灰石英粉减水剂/%钢纤维体积掺量/%水胶比质量比11.10.20.10.22.53.70.21

表2 常温养护的RPC的基本力学性能

通过表2可以看出，常温养护下的RPC抗压强度、抗折强度和弹性模量与文献[16]的普通混凝土相比都有明显的提高。

2 RPC组合桥面板应力计算

本文基于某大桥为背景，将建立纯钢箱和三种组合箱梁的局部有限元模型，然后进行对比分析。根据文献[17]局部模型具体尺寸如下：纵桥向长0.8 m，横桥向取6个纵向加劲肋的范围，横桥向1.84 m，高取0.214 m，其中顶板厚14 mm，横隔板厚12 mm，纵肋间距300 mm，纵肋厚10 mm，纵肋高158 mm，纵肋底板宽90 mm，横隔板高200 mm。

2.1 组合桥面结构方案

3种组合结构如下所述。

(1)常温RPC组合桥面结构：在纯钢箱梁桥面板上铺筑50 mm常温养护下的RPC层，采用M20剪力钉与钢桥面连接。RPC泊松比取0.2，弹性模量为41 300 MPa。

(2)高温RPC组合桥面结构：原钢箱梁桥面板上铺筑50 mm高温养护下的RPC层，采用M20剪力钉与钢桥面连接。RPC弹性模量为42 600 MPa，泊松比为0.2[18]。

(3)普通混凝土组合桥面结构：在原钢箱梁桥面板上铺筑50 mm厚的普通混凝土，采用M20剪力钉与钢桥面连接，容重采用25 kN·m-3。混凝土弹性模量为32 500 MPa，泊松比为0.24[19]。

2.2 单跨局部模型桥面板计算

2.2.1 局部模型轮载计算

计算模型钢箱梁采用SHELL63壳单元，RPC层采用SOLID65实体单元。混凝土是与钢桥面采用节点耦合连接作为结构的一部分共同受力，计算时假设RPC与钢桥面板完全连续接触。

正交异形板由于纵向存在加劲肋，在荷载的作用下在加劲肋顶面会出现负弯矩，RPC层会出现拉应力，所以横桥向加载方式如图2所示，纵桥向加载跨中位置。参考《城市桥梁规范》规定，车辆荷载采用城A级标准车辆，中轮重100 kN，加载荷载为130 kN(轮重100+30%超载)，局部轮载区尺寸为250 mm(顺桥向)×600 mm(横桥向)。

图2 加载模型(单位：mm)

2.2.2 计算结果分析

局部模型计算位置：桥面板，纵向加劲肋，RPC层。钢桥面及纵向加劲肋应力峰值计算结果如表3所示；RPC层应力峰值结果如表4所示。

表3 正交异性钢桥面板结构应力峰值计算结果

表4 常温养护下RPC层应力峰值结果

从表3可以计算出，与纯钢箱梁比，采用常温RPC组合桥面结构之后，横桥向应力最大降幅91.03%，纵桥向应力最大降幅87.74%；采用高温RPC组合桥面结构之后，横桥向应力最大降幅91.43%，纵桥向应力最大降幅88.22%。采用普通混凝土组合桥面结构之后，横桥向应力最大降87.63%，纵桥向应力最大降幅84.34%。采用这3种结构之后应力幅明显减小，文献[20]提到疲劳寿命与应力幅的立方成反比，所以正交异性钢桥面板疲劳寿命能得到改善。

但从表4得出，横桥向拉应力要大于纵桥向拉应力，最大拉应力为1.720 MPa，普通混凝土足以承受。为了能体现出RPC抗拉强度优于普通混凝土性能，因此本文建立一个两跨局部模型，对组合桥面结构进行计算分析。

2.3 两跨局部模型桥面板计算

2.3.1 局部模型轮载计算

纵向取1.64 m，按照等效应力原则设计为2×0.82 m的两跨连续梁，其他尺寸及3种桥面组合结构和单跨局部模型相同。车辆荷载采用城A级标准车辆，见图3，加载分为纵桥向3个工况，横桥向为两个荷位，见图4，其中荷位3为3号轴的轮载，荷位1和荷位2为1号轴和2号轴的轮载组合。荷载考虑超载30%。通过计算，最不利荷载组合为纵桥向荷位3和横桥向荷位2，下文计算均在最不利工况下进行。

图3 车辆荷载分布(单位：m)

图4 计算荷位(单位：mm)

2.3.2 计算结果分析

计算位置均与单跨局部模型计算一致。两跨局部模型应力峰值计算结果(荷载冲击系数取1.3)，如表5；RPC层应力峰值结果如表6所示。

由表5可以得出，与纯钢箱梁相比，常温RPC组合桥面结构横桥向应力最大降幅为93.27%，纵桥向应力最大降幅为82.17%；高温RPC组合桥面结构横桥向应力最大降幅为93.77%，纵桥向应力最大降幅为82.17%普通混凝土组合桥面结构横桥向应力最大降幅为91.20%，纵桥向应力最大降幅为82.22%。常温RPC组合桥面结构应力最大降幅是高温RPC组合桥面结构应力最大降幅的0.99倍，是普通混凝土组合桥面结构的1.02倍。从分析数据结果来看，两跨与单跨局部模型分析结论一致；而且常温RPC组合桥面与高温RPC组合桥面应力降幅相差较小。

表6显示，常温RPC组合桥结构的RPC层最大拉应力出现在纵桥向，其值达到4.706 MPa，普通混凝土难以承受此应力，而RPC达到这个应力值是否开裂，本文将通过试验进行验证。