PCMA高强耐磨型钢桥面复合铺装体系性能研究

2023-11-01曾成福颜华平

交通科技 2023年5期

曾成福颜华平

(1.江西省交通工程集团有限公司南昌 330000; 2.江西省交通投资集团南昌北管理中心南昌 330000)

由于正交各向异性钢桥具有较大的柔性和较大的局部变形,特别是在荷载、温度、风、地震等自然因素影响下,桥面的应力和变形非常复杂,很多在役的钢结构桥梁正面临着日益凸显的病损和功能退化等问题,铺装结构往往在短期内即出现开裂、拥包、脱空及坑槽等病害。因此,正交各向异性钢桥面铺装是一个复杂的问题。虽然,目前形成了以环氧沥青混凝土、浇筑式沥青混凝土以及改性SMA沥青混凝土等为代表的铺装技术。但是,由于受到材料与结构设计、施工工艺,以及生产成本等因素的制约,实际工程应用中,钢桥面铺装早期损坏现象至今依然突出。

钢桥面铺装层应具有良好的抗裂性、抗变形、耐久性和抗滑性,同时与桥梁钢板之间应有良好的黏结性。另外,铺装层的重量也是钢桥面需要重要考虑的因素[1],较厚的结构增加的重量往往会抵消使用正交各向异性钢板的优势,因此,需要通过采用薄厚度结构层或采用轻质材料,以减轻铺装结构重量。

针对钢桥面铺装对使用性能的特殊要求,各种各样的材料被用于钢桥面,包括沥青类材料和水泥基材料[2-3]。由于改性SMA沥青混凝土具有良好的高温抗变形性能、低温抗裂性能、抗疲劳性能和优异的表面性能,常应用在铺装表面层。轻质聚合物改性水泥砂浆因为具有轻质高强、柔韧性大、抗冲击性能好的优点,可以作为铺装过渡层。因此,提出一种高强耐磨的钢桥面复合铺装体系PCMA,轻质陶粒聚合物改性水泥砂浆过渡层+改性SMA沥青混凝土表面磨耗层。

1 钢桥面受力特性分析

1.1 模型和计算参数

采用有限元分析软件对钢桥梁体的受力特性进行分析,加劲肋、横隔板、纵隔板采用BEAM188梁单元钢桥面板与铺装层均采用ANSYS中的SOLID65实体单元[4-5],材料基本参数见表1。

表1 材料基本参数

根据JTG D60-2015 《公路桥涵设计通用规范》,单轴荷载采用140 kN,沿桥长方向200 mm,宽度为600 mm。水平荷载等于垂直荷载乘以荷载系数。水平荷载系数为0.3。荷载计算参数见表2。

表2 荷载计算参数

1.2 桥面铺装过渡层模量的影响作用

改变桥面铺装过渡层模量,分析对钢桥面铺装结构内部受力的影响,模量变化范围为2 000～12 000 MPa,其他参数保持不变。不同过渡层模量下力学指标的变化见图1。

图1 不同过渡层模量下力学指标的变化

由图1可见,桥面铺装过渡层模量增大时,除桥面铺装与钢桥面板间最大剪应力增大外,其余力学指标均减小,其中桥面最大拉应力、桥面铺装层最大剪应力和桥面铺装层最大竖向压应变分别降低了45.9%,37.1%,16.5%。由于铺装层与钢桥面的复合特性,桥面铺装过渡层模量越高,钢桥面复合刚度越大,正交各向异性钢桥面应力应变越小,在相同受力条件下,钢桥面的变形会越小。因此,桥面铺装过渡层可以直接铺装在正交异性钢桥面上,有利于改善钢桥面的受力状态。

1.3 铺装层厚度的影响作用

桥面铺装厚度是一项重要的设计指标,厚度一般在38～120 mm之间。在欧洲和美国普遍采用薄厚度的铺装层。在日本则常采用较厚的铺装层,一般为60～80 mm。中国典型的铺装厚度是50～80 mm。因此,仅分析35～95 mm的铺装厚度对钢桥面的受力影响。结果见图2。

图2 不同铺装层厚度下力学指标的变化

由图2可见,铺装厚度越大,各项力学指标均减小,但是降低幅度不相同,降低幅度从大到小依次排序为:铺装层表面最大拉应力>铺装层内最大剪应力>铺装层最大垂直压应变>铺装层与钢桥面板层间剪应力。当铺装厚度从35 mm增加到95 mm时,桥面最大拉应力、桥面铺装层最大剪应力、桥面铺装层最大竖向压应变和层间最大剪应力分别下降了73.3%,60.2%,54.5%,6.8%。因此,适当增加铺装厚度可有效改善桥面受力状态。然而,当厚度增加到一定程度时,力学指标的降低非常有限,改善受力效果不显著。例如,当厚度从35增加到45 mm、45增加到55 mm、55增加到65 mm、65增加到75 mm,表面的最大拉应力分别降低了0.543,0.416,0.372,0.291 MPa。从75增加到85 mm和85增加到95 mm时,表面的最大拉应力仅降低了0.228,0.176 MPa。因此,桥面铺装厚度采用75 mm较为经济可行。

2 钢桥面复合铺装体系

由以上分析可知,铺装过渡层的模量越高,适当增加铺装厚度,均可以改善铺装结构受力状态。鉴于钢与混凝土组合结构的独特优势,研究了一种高强耐磨型钢桥面复合铺装体系(PCMA),由轻质聚合物改性水泥砂浆过渡层、剪切螺柱连接器和SMA-13表面层组成。该种铺装结构见图3。为了确定不同铺装结构层的最优组合厚度,采用正交试验进行力学分析,分析结果见表3。从表3试验结果可以看出,35 cm SMA-13+40 cm 轻质聚合物改性水泥砂浆结构组合厚度为最优,各项力学指标均处于最有利水平。

图3 高强耐磨型钢桥面复合铺装体系

表3 正交试验结果

3 铺装性能试验分析

为了验证该种铺装体系的整体性能,进行了热相容性、高温车辙和疲劳耐久性试验[6]。

3.1 热相容性试验

试件尺寸为400 mm×100 mm×90 mm,梁的跨径为350 mm,铺装厚度75 mm,采用厚度为15 mm的18 Mn钢板。分别采用4种铺装结构进行对比,I为轻质聚合物改性水泥砂浆+钢板;II为SMA-13+钢板;II为双层SMA-13+钢板;IV为SMA-13+轻质聚合物改性水泥砂浆+钢板。

首先,在25 ℃和-10 ℃温度条件下进行5次温度循环,每次恒温24 h。第二步,进行冻融热非标准试验,分别在60,25,-10 ℃温度条件下进行5次温度循环,每次恒温24 h。第三步,进行浸冻非标准试验,室温浸泡24 h,再在-10 ℃下放置24 h,同样进行5次温度循环。在每次循环过程中,使用高分辨率相机拍摄试件板侧面的照片,监测界面裂纹,如果铺装层从桥面板界面处剥离则认为是失效破坏。试验结果表明,4种试件均未出现开裂或剥离分层现象。因此,PCMA铺装体系与传统的铺装体系热相容性均较好。

3.2 高温车辙试验

在70 ℃下进行高温车辙试验,采用动稳定度和车辙深度对不同铺装结构的高温稳定性进行研究[7]。车辙试验结果见表4。

表4 车辙试验结果

表4试验结果表明,不同铺装结构的高温稳定性存在显著差异。PCMA结构、双层环氧结构、浇注+环氧结构、环氧+SMA结构与双层SMA结构均具有较高的动稳定度和较小的车辙深度。说明包括PCMA复合铺装结构在内的5种铺装高温稳定性均较好,且PCMA高温稳定性要优于传统的双层SMA铺装结构。

3.3 疲劳试验

疲劳试验采用的试件与热相容性试验相同,加载位置位于梁中间,示意见图4。加载频率为10 Hz,加载波形为半正弦波。疲劳试验终止条件为:①表面开裂;②出现剥离分层;③总挠度(峰值挠度)或挠度差值(峰谷挠度差值)明显偏离初始值[8]。

图4 疲劳试验加载位置(单位:mm)

疲劳试验前首先进行弯曲试验,结果表明,复合铺装结构的最大弯曲荷载为2 532 N,大于传统铺装结构的最大弯曲荷载为1 400 N。疲劳试验采用了2种水平的荷载幅值,分别为500 N和1 000 N,疲劳荷载循环作用次数达到了790 000次和9 360次。因此,为了缩短试验时间,采用1 000 N荷载幅值。试验结果见表5。