铁路桥梁超高性能混凝土桥面铺装力学性能分析

郝聪龙 周尚猛

(1.桥梁结构健康与安全国家重点实验室 武汉 430034； 2.中铁大桥科学研究院有限公司 武汉 430034)

正交异性钢桥面板具有自重轻、整体受力性能好等特点，近年来被广泛应用于大跨度桥梁结构中，但是由于其构造复杂、焊缝众多、应力集中显著，再加上重载、气候条件恶劣等各种不利因素的综合影响，实际工程中经常出现钢桥面疲劳开裂和铺装层破坏的现象[1-2]。

现阶段，为了综合研究解决钢桥面疲劳开裂和铺装层损坏两大技术性难题，改善结构体系的疲劳性能，有关学者开展了大量的基础研究工作，并取得了一定成果[3-4]。传统桥面铺装体系出现疲劳开裂和铺装层易损坏的原因是钢桥面采用沥青铺装体系，刚度不够，不能从根本上解决铺装层本身的性能。因此，基于超高性能混凝土新型材料的研究[5]，提出采用超高性能混凝土作为铺装层与正交异性钢桥面结合的方法，两者共同受力，形成组合桥面体系[6]。超高性能混凝土组合结构体系能有效改善结构状况，提高桥面板的刚度，使正交异性板各构造细节的应力大幅下降[7]。

本文以某铁路特大桥为研究对象，提出在桥面设置5 cm超高性能混凝土铺装层，通过研究组合体系的力学性能，得到本桥铺装层受力最不利的荷载位置和最不利的荷载组合。

1 工程背景

该铁路特大桥桥跨布置为上承式连续钢桁梁，跨度为108 m+152 m+249 m+152 m+108 m，主桁中心距为16 m，跨中桁高16.0 m，支点处桁高36.0 m。针对大桥铁路钢桥面的实际情况，拟采用的铺装体系为：50 mm厚超高性能混凝土+环氧富锌漆，具体铺装体系方案见图1。

图1 桥梁组合桥面铺装体系方案

铺装层混凝土采用中铁大桥科学研究院有限公司研发的超高性能混凝土(UHPC)，该混凝土是一种具有超高的耐久性和力学性能，同时具有良好的早期抗裂性能和抗疲劳性能超的新型水泥基复合材料。

2 桥面UHPC铺装体系静力计算分析

2.1 有限元模型的建立

采用大型有限元软件ANSYS建立仿真计算模型，模型从上往下分别建立铁轨、混凝土轨枕、道砟和UHPC层及钢结构部分，ANSYS有限元模型见图2。

图2 钢桁梁有限元模型图

其中钢板采用板壳单元Shell63模拟，超高性能混凝土层采用实体单元Solid45模拟，其余结构如道砟、轨枕、铁轨等均采用实体单元Solid45进行模拟。

考虑到模型的规模和计算能力，建立10.8 m长节段，共4个横梁区间，每个横梁间距为2.7 m。计算时假设铺装层与钢面板之间无相对滑移，铺装层与钢面板单元共用节点，铺装层与上部结构均可视为无相对滑移，相接处部位单元共用节点。划分网格时，为缩减单元数量，提高模型计算效率，对研究的主横梁附近区域钢桥面板、横隔板、UHPC部位进行单元细化，网格尺寸加密至10 mm，非加密区UHPC层单元尺寸为100 mm。通过对铺装层沿厚度方向网格尺寸的敏感性分析可知，当UHPC层沿厚度方向划分为2层单元，既能保证计算精度，又能保证计算效率，模型共有417 970个单元。

2.2 静力计算加载工况

根据桥梁设计文件，采用《铁路桥涵设计基本规范》中的“中-活载”进行加载。为了方便荷载的施加，采用“中-活载”的3个纵向加载在1个循环区间内等距离布置。因此，有限元模型采用3个大小220 kN、间距1.5 m的“中-活载”进行加载，对UHPC铺装层在结构体系下的局部受力进行计算，横向加载位置位于铁轨处，纵向加载位置见图3。加载工况共计8个，分别为A1～A8。A1工况为前轴对称于横肋布置，A2～A8工况为前轴纵向移动，每次移动距离为0.25 m。

图3 纵向加载位置示意图(单位：mm)

2.3 UHPC铺装层的应力结果

经ANSYS计算得到的A2工况下横向应力和纵向应力的计算结果见图4。

图4 A2工况下UHPC的最大应力图(单位：MPa)

由图4可见，横向应力最大值为3.93 MPa，纵向应力最大值为5.93 MPa。

设置UHPC铺装层时各工况混凝土表面最大纵、横向应力情况见表1。

表1 UHPC层各工况最大正应力 MPa

由表1可知，各工况下铺装层最大横向拉应力均出现在横肋断面上方的U肋腹板与顶板相交处，最大纵向拉应力均出现在横肋断面上方的U肋腹板与顶板相交处。其中，最大横向拉应力为 3.94 MPa，出现在A1工况，UHPC层最大横向拉应力发生在横肋断面上方的U肋腹板与顶板相交处；最大纵向拉应力为5.93 MPa，出现在A2工况，UHPC层最大纵向拉应力发生在横肋断面上方的U肋腹板与顶板相交处，其位置示意云图见图4。

3 桥面UHPC铺装体系疲劳计算分析

采用有限元软件ANSYS建立仿真计算模型，考虑到模型的规模和计算能力，建立4个横梁区间，每个横梁间距为2.7 m。划分网格时，为缩减单元数量，提高模型计算效率，对研究的主横梁附近区域钢桥面板、横隔板、UHPC部位进行单元细化，网格尺寸加密至10 mm，非加密区UHPC层单元尺寸为100 mm，其它设置可参照静力模型，模型见图5。

图5 铁路桥梁疲劳计算有限元模型

3.1 疲劳计算加载工况

机车和车辆是构成列车的基本单元，我国机车和车辆种类繁多，疲劳计算选用轴重最大的机车作为节段模型施加荷载，机车模型中选用C0-C0六轴式轴重25 t货运机车。

荷载包括前、后轴两部分，前、后轴中心距12 m，净间距8 m，其中前、后轴又各由轴重25 t的三联轴构成，轴距2 m。机车荷载前、后轴对铺装层的影响范围相互干扰较小，计算时可仅取前轴进行加载。为了方便荷载的施加，采用机车的纵向加载在一个循环区间内等距离布置。因此，有限元模型采用六轴式轴重25 t机车进行加载，对UHPC在结构体系下的局部受力进行计算。

3.2 疲劳应力计算结果

正交异性钢桥面板容易疲劳开裂部位有横隔板的弧形切口、U肋与横隔板焊趾处、U肋与顶板焊接处，主要针对以上3个部位的疲劳应力进行计算分析。

采用UHPC层铺装和沥青铺装时，弧形切口最大应力计算结果汇总见表2。

表2 铁路桥面计算疲劳应力幅 MPa

通过有限元计算可得桥梁铁路桥面采用原沥青混凝土铺装体系时，横隔板弧形切口的最大主拉应力为85.2 MPa，U肋与横梁交叉处最大应力42.9 MPa，U肋与顶板焊缝最大压应力14.3 MPa；采用UHPC组合铺装体系后，横隔板弧形切口的最大主拉应力为76.1 MPa，U肋与横梁交叉处最大主拉应力31.0 MPa，U肋与顶板焊缝最大压应力12.1 MPa。采用UHPC组合铺装体系后，横隔板弧形切口处、U肋与横肋交叉处、U肋与顶板焊缝处的应力有了明显下降。采用UHPC组合铺装体系后，理论上可以实现钢桥面板的无限疲劳寿命。

4 结语

在正交异性铁路钢桥面设置5 cm UHPC铺装层后，在静力荷载下，UHPC层的最大纵向应力为5.93 MPa，最大横向应力为3.94 MPa，均在UHPC强度范围之内，不会出现铺装层开裂问题。

在疲劳荷载作用下，采用UHPC组合铺装体系后，正交异性钢桥面板各关键点的疲劳应力幅有了明显下降，提高桥梁的疲劳使用寿命。采用组合铺装体系后，理论上可以实现钢桥面板的无限疲劳寿命。

针对铁路桥梁，在设计施工阶段可考虑采用UHPC铺装结构体系，以提高结构抗力，减少后期维护保养成本。