基于高速铁路钢桥面耐久性提升的高性能防水铺装体系研究

周尚猛,王 伟

(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)

引言

随着我国高速铁路建设的迅速推进，正交异性钢桥面板由于结构自重轻、承载力高、适用范围广等特点成为已建成的高速铁路大跨径桥梁中应用最为广泛的结构类型之一。桥面铺装作为解决铁路钢桥面板耐久性问题，并改善其结构受力的组成部分，是施工和运营管理的重点之一。基于超高性能混凝土优良的材料性能[1-5]，提出超高性能混凝土钢桥面铺装方案[6-10]，通过密集剪力钉将铺装层与钢桥面进行连接，使其直接参与主梁局部和整体受力，并在公路桥梁中得到了广泛使用[11-16]，取得了良好的应用效果，但对于高速铁路钢桥面的研究相对较少[17-21]。

高速铁路道砟整体钢桥面须满足防水、耐磨、抗滑、长效等要求，但在运营过程中主梁结构应力会对铺装层产生不利影响，导致铺装层开裂等问题；道砟对铁路钢桥面产生的竖向刺穿作用和水平向磨耗作用会损坏铺装的防水层。在发生铺装层病害后，铁路桥梁一般是不容许因桥面维修而中断线路运营的，故对防护材料的性能要求更高。

结合目前高速铁路桥面铺装存在的问题，提出高速铁路超高性能混凝土铺装方案，并进行模型试验和理论研究，为高速铁路钢桥面长效防护提供新的思路。

1 铁路钢桥正交异性板铺装技术类型

1.1 刚性防护体系

铁路钢桥面刚性防水铺装体系最早采用混凝土道砟板结构，即在钢桥面板上焊接栓钉，现浇混凝土道砟板通过栓钉与钢桥面板结合，再做防水铺装层。该铺装体系刚度大，荷载分散作用强，但结构自重很大，混凝土容易开裂。铁路钢桥面常见的防护体系见图1。

图1 铁路钢桥面常见的防护体系

1.2 柔性防护体系

柔性防水铺装层是相对于刚性防水铺装层而言，其桥面防水铺装层刚度相较刚性防水铺装层而言小很多。铁路钢桥面柔性防水铺装体系目前常采用3种形式：无混凝土防护层防水铺装体系；柔性防护层防水铺装体系；纤维混凝土防护层防水铺装体系。

(1)无防护层防水铺装体系(图1(b))对钢桥面板作防锈、防水处理后，在其上直接铺设道砟。该防水体系由施加了MMA树脂材料的快速配备的冷液喷雾组成，形成一层无缝膜。该铺装体系自重轻，施工周期短，但存在刚度小、钢桥面应力大、磨损性能较弱、有老化失效风险等问题。

(2)柔性防护层防水铺装体系(图1(c))是在防水层上设置柔性材料防护层，防护层材料有环氧沥青混凝土、浇筑式沥青混凝土等，厚度一般为6 cm，防水层一般为溶剂型沥青黏结材料、MMA树脂材料等。该铺装体系自重轻，但刚度小，钢桥面应力较大，热稳定性较差，有变形、开裂、破损的风险。

(3)纤维混凝土防护层防水铺装体系(图1(d))是在防水层上设置混凝土材料的防护层，混凝土中不设置剪力钉，防护层材料有聚丙烯纤维混凝土、聚丙烯纤维网混凝土等，厚度一般为6 cm，防水层一般为溶剂型沥青黏结材料、MMA树脂材料等。该铺装结构自重轻，混凝土层具有一定的刚度，但混凝土抗拉强度较低。

1.3 高性能防水铺装体系

基于超高性能混凝土的材料特性，提出高速铁路用的高性能防水铺装体系，该铺装体系成功应用于苏沪通大桥、洞庭湖大桥中，应用效果良好。高性能防水铺装体系在苏沪通大桥铁路钢桥面应用如图2所示。该铺装体系的超高性能混凝土层厚度一般为4.5～6 cm，设置φ10 mm的普通钢筋网，钢筋网纵横向间距根据受力情况设置为50～100 mm，铺装层与桥面板之间一般采用φ19 mm、间距300 mm的剪力钉进行紧密连接。

图2 高性能防水铺装体系在苏沪通大桥铁路钢桥面应用

2 高性能防水铺装体系性能

为研究高速铁路用高性能防水铺装层的力学性能，制作单U肋梁进行试验，试验梁构造如图3所示。正交异性钢桥面板尺寸为：桥面板厚16 mm；加劲肋采用U形闭口肋，U肋板厚8 mm、高280 mm、上口宽300 mm、下口宽180 mm、间距300 mm；横隔板厚16 mm，间距1 850 mm。铺装层采用厚60 mm的低收缩免蒸养超高性能混凝土，其抗压强度为120 MPa。桥面板与UHPC铺装层之间采用长35 mm、φ19 mm的剪力钉连接；钢筋间距为100 mm，纵向钢筋在上，横向钢筋在下，超高性能混凝土保护层厚10 mm。设计制作了2个单U肋试验梁进行静力试验，分级加载至裂缝宽度0.05 mm。静力试验结果表明：UHPC的开裂应力为17.9～19.2 MPa(裂缝宽度0.05 mm)。

图3 试验梁构造(单位：mm)

3 高性能防水铺装体系对钢桥面板疲劳性能改善评估

以国内某大跨度公铁两用钢桁梁斜拉桥、某大跨度铁路钢箱-钢桁结合梁斜拉桥为例，研究和评价铁路钢桥面设置高性能防水铺装体系后，超高性能混凝土层对钢桥面板疲劳性能的改善程度。采用有限元软件ANSYS建立仿真计算模型，模型从上往下分别建立钢轨、混凝土轨枕、道砟、UHPC层及钢结构部分。其中，钢结构采用板壳单元SHELL63模拟，弹性模量为210 GPa；超高性能混凝土、道砟、轨枕、钢轨均采用实体单元SOLID45模拟，弹性模量分别为44.1 GPa，200 MPa，34.5 GPa，210 GPa。选用C0-C0六轴式轴重25 t货运机车进行加载，对钢桥面疲劳应力进行计算。

3.1 大跨度公铁两用钢桁梁斜拉桥

苏沪通大桥为主跨1092 m的双塔三索面钢桁梁斜拉桥结构形式，铁路桥面采用与弦杆焊接的整体钢箱桥面结构。正交异性板采用宽300 mm、高280 mm、板厚8 mm的U形肋加劲，U形肋横向间距为600 mm，面板最小厚度为16 mm，在对应每道钢轨位置设置T形轨道纵梁，T形纵梁高600 mm，腹板厚20 mm，下翼板宽300 mm，厚16 mm。

苏沪通大桥主航道桥铁路钢桥面采用高性能防水铺装体系(图2)，其由上至下分别为：粒径9.5～13.2 mm碎石层+2～3 mm厚高黏高弹沥青层+6 cm厚超高性能混凝土+环氧富锌漆。剪力钉直径为19 mm，高度45 mm，按照间距300 mm×300 mm布置。钢筋网直径10 mm，间距100 mm×100 mm，超高性能混凝土浇筑和养护完毕后，进行粗糙处理并清理后，采用沥青碎石同步洒布车热撒2～3 kg/m2(厚2～3 mm)高黏高弹沥青和碎石(粒径9.5～13.2 mm，材质与道砟相同，覆盖率65%～75%)作为防水层，在防水层上再铺设道砟。

苏沪通大桥铁路钢桥面有限元模型如图4所示，为模拟最不利受力状态，顶板厚度取16 mm，UHPC层厚度为6 cm。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、纵肋(板肋)与顶板焊接处，苏沪通大桥铁路桥面疲劳应力幅见表1。

图4 苏沪通大桥铁路钢桥面有限元模型

表1 苏沪通大桥铁路桥面疲劳应力幅 MPa

由表1可知，采用无UHPC铺装体系时，横隔板弧形切口的最大主拉应力为86 MPa，纵肋与顶板焊缝最大叠加应力为22 MPa；采用UHPC铺装体系后，横隔板弧形切口的最大主拉应力为78 MPa，纵肋与顶板焊缝最大叠加应力为7 MPa。

3.2 大跨度钢箱-钢桁结合梁斜拉桥

荆岳铁路洞庭湖特大桥的主桥采用(99.12+140+406+406+140+99.12) m三塔斜拉桥，主梁为钢箱-钢桁结合梁结构。为适应铁路的运行要求，采用整体性好、刚度大的正交异性板结构。桥面板厚16 mm，设置间距为600 mm的U形纵肋。U形纵肋板厚8 mm，顶宽300 mm，底宽184 mm，高280 mm，在每条线路的轨道之下设置高600 mm的倒T形纵梁。每隔3.5 m设一道倒T形横梁，横梁的跨中高度为2.5 m。针对洞庭湖大桥铁路钢桥面的实际情况，铺装体系由上至下分别为：碎石层+5 cm厚超高性能混凝土+环氧富锌漆。

洞庭湖大桥铁路钢桥面有限元模型如图5所示，洞庭湖大桥铁路桥面疲劳应力幅见表2。

图5 洞庭湖大桥铁路钢桥面节段模型

表2 洞庭湖大桥铁路桥面疲劳应力幅 MPa

由表2可知，采用无UHPC铺装体系时，横隔板弧形切口的最大主拉应力为80 MPa，纵肋与顶板焊缝最大叠加应力为23 MPa；采用UHPC铺装体系后，横隔板弧形切口的最大主拉应力为72 MPa，纵肋与顶板焊缝最大叠加应力为11 MPa。

3.3 疲劳受力状态评估

苏沪通大桥、洞庭湖大桥铁路钢桥面采用UHPC铺装结构后，两桥的弧形切口应力均降低了10%左右；两桥铁路纵梁与顶板焊缝叠加应力分别降低了68%，53%。

横隔板弧形切口常幅疲劳极限(500万次)为92 MPa，板肋与顶板焊缝常幅疲劳极限(500万次)为66 MPa。故采用UHPC铺装体系后，关注的疲劳细节理论上常幅疲劳极限可达500万次以上，可实现钢桥面板的无限疲劳寿命。

4 高性能防水铺装体系结构参数化分析

研究不同铺装层对高速铁路钢桥正交异性板的面板应力改善程度(与同等弯矩作用下裸钢板进行对比)，面板弹性模量取210 GPa，厚度为16 mm，铺装层厚50 mm，铺装材料弹性模量对面板底面应力降低幅度如图6所示。

图6 铺装材料的弹性模量对面板底面应力降低幅度

由图6可知，随着铺装层弹性模量的增加，在弯矩作用下，铺装层对钢板底面应力的降低幅度显著增加。当铺装层弹性模量在0～40 GPa，随着弹性模量增加，钢板应力降低幅度增长较快；当铺装层弹性模量超过40 GPa时，钢板底面应力降低幅度的增长速度变缓。UHPC的弹性模量一般可达44 GPa，故铺装层厚度为50 mm的情况下，采用UHPC大致可达到整体最优。

研究铺装层厚度对正交异性钢桥面板应力改善程度(与同等弯矩作用下裸钢板进行对比)，面板弹性模量取210 GPa，厚16 mm，铺装层弹性模量为44 GPa，厚度为变化值。铺装材料厚度对面板底面应力降低幅度如图7所示。

图7 铺装材料的厚度对面板底面应力降低幅度

由图7可知，随着铺装层厚度的增加，在弯矩作用下，铺装层对钢板底面应力的降低幅度不断增加。当铺装层厚度在0～45 mm，随着厚度增加，钢板应力降低效果增长较快；当铺装层厚度超过45 mm时，钢板底面应力降低效果的增长速度变缓。故在面板16 mm厚度下，最优UHPC厚度为45 mm。

5 结论

(1)提出高速铁路用的高性能防水铺装体系，并应用于苏沪通大桥等特大跨度铁路钢桥面，形成了标准化构造体系。

(2)配筋后(φ10 mm、间距100 mm、单层配筋)的厚度6 cm超高性能混凝土铺装结构抗裂强度超过17.9 MPa。

(3)以苏沪通大桥、荆岳铁路洞庭湖大桥为例，计算铁路钢桥面铺设超高性能混凝土薄层后疲劳细节应力，弧形切口的最大主拉应力均降低了10%左右；轨道下的小纵梁与顶板的焊接细节疲劳应力降低超过53%。

(4)以改善面板应力角度分析，铺装层弹性模量为40 GPa、厚度45 mm左右可达到综合性能最优。