钢纤维RPC在正交异性钢桥面铺装上的应用性研究

袁江林

（南昌市城市规划设计研究总院，江西 南昌 330000）

钢纤维RPC在正交异性钢桥面铺装上的应用性研究

袁江林

（南昌市城市规划设计研究总院，江西 南昌 330000）

正交异性桥面板在现代桥梁工程中被广泛应用，由于其纵横肋交错且钢顶板刚度不足，在局部轮载作用下容易出现应力集中现象，疲劳开裂问题突出。采用组合梁的思路，在正交异性桥面板顶板上铺设一层各项力学性能优异的RPC铺装，通过RPC和钢顶板的共同作用使得顶板刚度得到增强以减小局部应力集中造成的疲劳开裂现象。以苏通大桥正交异性桥面板为对比研究对象，针对三种常见疲劳易损部位的应力幅进行了对比研究，研究结果表明：采用新型RPC复合铺装的正交异性桥面板RPC-顶板整体刚度显著增加，局部应力集中现象减小；新型RPC复合铺装层能够显著降低关注细节的疲劳应力幅。

RPC；正交异性桥面板；铺装；环氧沥青混凝土

0 引言

活性粉末混凝土（缩写：RPC）是继高性能混凝土之后，工程界研制出的一种新型水泥基抗压和抗拉强度超高且耐久性优良的新型超高性能混凝土[1-5]。和普通混凝土相比，它不含粗骨料，且加入了活性掺合料如硅粉、粉煤灰，水泥、石英砂、高效减水剂和水等按照一定的配合比拌合而成。特别是近些年来，国内多家院校和科研机构均对RPC配制养护技术、各项力学性能及耐久性能等方面进行了深入的研究，分别利用不同地区的当地原材料成功地配制出了RPC200。北京交通大学余自若、安明喆和福州大学的周瑞忠、石承恩分别对掺入一定量钢纤维的RPC的基本力学性能和抗疲劳性能进行了研究，研究表明：（1）钢纤维的掺入对活性粉末混凝土的极限抗弯能力、断裂韧性、轴心抗压极限强度等研究参数均有大幅度高，试件在破坏时表现出了极高的延性；（2）掺入适量的钢纤维能够显著提高RPC的抗弯曲疲劳寿命等[6-8]。

正交异性桥面板及其铺装层受力相互影响，铺装形式对正交异性桥面板抗疲劳性能影响显著。鉴于钢纤维RPC优良的力学性能其在正交异性桥面板复合铺装上有较好的应用前景[8,9]。因此有必要针对这一新型正交异性桥面板铺装材料对正交异性桥面板的抗疲劳性能的影响进行研究，以期为钢纤维RPC在正交异性桥面板复合铺装上的应用提供理论支持。

1 新型桥面板截面形式

粘结层是传统桥面铺装和钢桥面共同受力的基础，随着铺装层刚度的增大，现有的粘结层的抗剪强度已经不能满足使用要求[10,11]，文章参考日本横滨海湾大桥钢纤维高强混凝土复合铺装的钢混连接方式，给出新型钢纤维RPC复合铺装的钢混连接形式：除在车道的中央和钢纤维RPC的在横向边缘处设置栓钉外，其余部分均采用在钢顶板上涂刷粘合剂以代替栓钉进行钢-混连接，这样做可以避免局部轮压下栓钉顶部混凝土因刚度突变过早的发生破坏，新型钢纤维RPC复合铺装三维示意见图1。

2 新型桥面板研究对象

2.1 新型桥面铺装截面

苏通大桥钢箱梁采用了55 mm厚的环氧沥青混凝土，粘结层为0.68 L/m2的环氧沥青以保证铺装层与钢桥面板的整体性。在苏通大桥钢正交异性桥面板的基础上改进成采用新型RPC桥面铺装的正交异性桥面板，新型桥面板复合铺装截面见图2。

图1 钢纤维RPC复合铺装三维示意图

图2 钢纤维RPC复合铺装截面示意图（单位：mm）

2.2 研究对象

为研究新型复合铺装对正交异性桥面板疲劳易损细节的影响，选取苏通大桥钢桥面板部分节段为研究对象，见图3和图4。

图3 研究对象横截面示意图（单位：mm）

图4 研究对象纵桥向示意图（单位：mm）

节段尺寸具体参数和材料参数见表1和表2。

表1 构件尺寸参数

表2 材料参数

3 抗疲劳性能对比

3.1 有限元模型

通过有限元软件Midas FEA建立三维有限元模型进行对比研究，U肋、横隔板采用板壳元单元模拟，钢顶板和铺装层采用实体单元模拟，有限元模型边界条件为横隔板底部固结，研究分析中不考虑钢顶板与铺装层之间的滑移，认为铺装层和钢顶板之间固结。RPC复合铺装正交异性桥面板有限元模型见图5。

图5 新型RPC复合铺装有限元模型和局部细化示意图

3.2 疲劳易损细节选取

根据正交异性桥面板疲劳易损部位的调查结果，文章选取了疲劳开裂病害突出的三个部位进行分析对比：（1）A为横隔板处顶板开裂，此处主要考察横桥向拉应力；（2）B为横隔板处U肋开裂，此处主要考察竖向拉应力；（3）A为跨中U肋开裂，此处主要考察U肋纵桥向拉应力[12,13]，具体细节见图6。

图6 关注疲劳易损细节示意图

3.3 加载工况

采用我国《公路桥涵通用设计规范》（D60-2015）规定的车辆荷载后两轴进行单侧轮加载，后轮着地面积0.6 m×0.2 m，加载时考虑冲击系数1.3。

横桥向采用两种加载工况，见图7。在找出每个疲劳细节对应的横桥向加载工况，进而在其横桥向加载位置处沿纵桥向每间隔0.2 m加载一次，共计138个工况。

图7 横桥向加载位置

各关注细节最不利横桥向加载位置见表3。

表3 各关注细节最不利横桥向加载位置

3.4 应力幅对比

采用泄水法换算各疲劳易损细节的疲劳应力幅及相应循环次数，然后利用式（1）（Miner线性疲劳累积损伤理论）计算等效应力幅[14]。

式中：Δσ0表示等效应力幅；ni表示第i级应力幅循环次数；Δσi表示第i级应力幅；m为S-N曲线的斜率这里取m=5。

细节拉应力应力历程见图8～图10。

图8 A细节拉应力应力历程（单位:MPa）

图9 B细节拉应力应力历程（单位:MPa）

图10 C细节拉应力应力历程（单位:MPa）

采用式（1）计算不同铺装钢桥面板各疲劳关注细节的等效应力幅见表4。

表4 不同铺装材料各关注细节等效应力幅（单位:MPa）

由表4可知采用新型RPC铺装材料，疲劳关注细节A应力幅降低84.0%；疲劳关注细节B应力幅降低33.6%；疲劳关注细节C应力幅降低38.1%。由计算结果可知：RPC铺装对于关注疲劳细节A的应力幅降低最为明显，说明桥面板在轮载作用下受力行为由图 11（a）变化为图 11（b），顶板刚度显著增加。

4 结论

（1）在相同车辆荷载作用下，新型RPC复合铺装能够显著降低各关注细节的局部应力和疲劳应力幅，相比传统的环氧沥青混凝土铺装个别疲劳细节应力幅降低幅度达84.0%；

（2）采用新型RPC复合铺装的正交异性桥面板铺装层-顶板体系，整体性强，协同受力性能较好，大大减少了桥面板在轮载作用下局部应力集中的现象；

（3）RPC力学性能与养护条件息息相关，养护条件不当容易使其达不到预想的力学性能，造成RPC在使用阶段过早的受拉开裂，因此，如何让RPC铺装在正交异性钢桥面施工中得到合理的养护是下一步主要的研究内容。

图11 不同铺装材料轮载下的受力行为

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U443.33

B

1009-7716（2017）10-0071-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.020

2017-06-09

自然科学基金（51578455）；中央高校基本科研业务费专项资金科技创新项目（2682014CX078）

袁江林（1971-），男，江西南昌人，高级工程师，从事桥梁设计研究工作。