型钢-UHPC组合桥面结构抗拉性能试验研究

毛启元，邵旭东，刘梦麟，沈秀将，李玉祺

(1.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082; 2.湖南大学 风工程与桥梁工程湖南省重点实验室，湖南 长沙 410082；3.广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530025)

0 引 言

混凝土桥面由于其自重大、强度低等不足主要应用于钢混组合桥梁。正交异性钢桥面板自重轻、施工周期短、不受主梁形式限制，是目前大跨径桥梁的主要桥面形式。而全焊结构的钢桥面板需要专用铺装，在重载车作用下，钢桥面板易产生疲劳开裂和局部屈曲，且沥青铺装层频繁破损，降低了桥梁的营运效率。

超高性能混凝土(UHPC)是一种高强、高韧和高耐久性的水泥基复合材料，可以采用连接件将其与钢面板组合，形成了钢-UHPC轻型组合桥面结构[1-4]；国内外研究团队针对钢-UHPC轻型组合桥面结构的构件抗裂静力和疲劳性能、连接件抗剪性能、设计计算方法等开展了大量研究[5-8]，结果表明钢-UHPC组合桥面可大幅提高桥面局部刚度，降低疲劳开裂和铺装破损风险。然而，在实桥检测中发现，除了面板和U肋连接细节外，钢-UHPC组合桥面结构其余细节的应力降幅不够大，桥梁结构存在疲劳开裂风险，而型钢-UHPC桥面结构[9]由于其优异的抗疲劳性能，可解决此问题。

笔者针对型钢-UHPC桥面结构的4个足尺条带模型构件(包含2个桥面板构件及2个含接缝构件)开展了轴拉试验；重点分析构件受拉过程中型钢、钢筋和UHPC的应变变化规律和裂缝发展状态，并采用有限元方法模拟试验全过程，分析构件在加载过程中的应变和轴向变形的发展规律。

1 试 验

1.1 构件材料

1.1.1 UHPC材料

桥面板构件的UHPC采用湖南中路华程公司生产的干混料，配比为(kg/m3)：水泥771.2、硅灰154.0、粉煤灰77.1、石英砂848.4、石英粉154.2、减水剂10.1、水166、钢纤维156；接缝构件的UHPC由湖南中路华程公司提供。根据GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》及GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》对2种构件UHPC进行抗压强度fc、弹性模量E试验，而抗拉强度fct则按照法国UHPC规范[10]根据抗折强度倒推得到。结果见表1。

表1 UHPC力学性能试验结果

1.1.2 钢 材

采用HW200型钢、Q345钢板及HRB400钢筋，而埋置于接缝构件下台阶处UHPC内的钢条由型钢切割而成。考虑到纵向受拉时钢板不参与主要受力，仅对型钢和钢筋按照GB/T 228.1—2021《金属材料拉伸试验》进行强度试验。结果见表2。

表2 型钢及钢筋力学性能试验结果

1.2 构件设计

1.2.1 桥面板构件

制作了2个型钢-UHPC桥面板构件(1#、2#)进行单轴拉伸试验。桥面板构件全长1.8 m，等截面区域宽0.5 m，高255 mm，型钢上翼缘焊接Φ13×38 mm的栓钉，钢板条上方焊接Φ13×35 mm的栓钉。构件纵向钢筋直径12 mm，间距62.5 mm，横向钢筋直径10 mm，间距100 mm；构件两末端局部扩大增加焊缝长度以提高端部焊缝的抗拉承载力。尺寸如图 1。

图1 型钢-UHPC桥面板构件示意

1.2.2 接缝构件

制作了2个型钢-UHPC接缝构件(1#、2#)进行单轴拉伸试验。接缝构件全长1.62 m，由2次浇筑的UHPC面板、HW200型钢、横隔板上翼缘以及上台阶底部加强钢板组成。构件型钢上栓钉均为Φ13×38 mm，接缝加强钢板的栓钉均为Φ13×35 mm；纵向钢筋直径均为12 mm，两端预制桥面板内钢筋间距62.5 mm，中间现浇接缝内钢筋密集布置，间距较预制部分缩小一倍(31 mm)。接缝UHPC由下台阶和两侧的上台阶组成，下台阶的UHPC与横隔板上翼缘通过栓钉连接，其两侧的型钢通过橡胶条置于横隔板上翼缘。接缝构件构造见图2。

图2 型钢-UHPC接缝构件示意

1.3 构件制作

1)同时浇筑接缝构件两端预制部分及桥面板构件；表面覆盖塑料薄膜自然养护48 h；拆模后蒸汽养护72 h(温度≥80℃，相对湿度≥95%)。

2)浇筑接缝构件的接缝前，人工凿毛预制部分的界面，直至露出钢纤维；清除残渣，除去松动的UHPC基体，洒水湿润。

3)对现浇接缝UHPC进行洒水保湿自然养护28 d。

1.4 加 载

将构件端部的钢筋、型钢和钢板全部焊在端钢板上，端钢板与上横梁和下横梁通过高强螺栓连接，每个螺栓均施加一定的预紧力。采用2台千斤顶两侧对称竖向加载，如图3。

图3 加载示意

考虑到安装误差以及构件的不均匀性，在正式加载前进行预加载(荷载P≤50 kN)，以消除试件装置间的空隙并微调两侧力值使得截面两侧应变大小基本相同，避免偏载。

1.5 测 试

采用ZBL-F130裂缝观测仪来测量裂缝宽度，测量精度为0.01 mm。

对于桥面板构件，选取截面Ⅰ～Ⅴ〔图4(a)〕测试钢筋、型钢和UHPC的轴向应变，同时还测试了UHPC顶面和底面中间1 m标距的轴向变形；对于接缝构件，选取两侧预制段(截面Ⅰ、Ⅸ)、新旧UHPC界面(截面Ⅱ、Ⅷ)、接缝上台阶处(截面Ⅲ、Ⅶ)、刚度突变处(截面Ⅳ、Ⅵ)及接缝下台阶处(截面Ⅴ)〔图4(b)〕测试钢筋、型钢和UHPC的轴向应变，同时还测试了上台阶处加强钢板和下台阶处内部埋置钢条的拉应变，以及接缝界面10 cm范围内和接缝下台阶处表面20 cm范围内UHPC的轴向变形。

图4 构件应变测点布置

2 试验结果分析

2.1 裂缝发展规律

桥面板构件及接缝构件界面和下台阶处的荷载-最大裂缝宽度(P-w)曲线见图5。为便于直观展现构件抗拉性能，图5给出了相应荷载下的UHPC名义拉应力σn，即根据钢材和UHPC弹性模量比将组合截面换算为以UHPC表示的换算截面，再用总轴力除以换算截面面积得到的拉应力。受拉构件的裂缝分布见图6。

图5 构件的荷载-最大裂缝宽度(P-w)曲线

图6 极限状态下构件裂缝分布

由图5、图6可见：

1)桥面板构件。当w=0～0.4 mm时，P-w曲线近似呈线性，构件薄弱位置(应变片导线处)首先产生微裂缝，随着荷载的增大，构件表面均匀分布细而密的微裂缝，背面最大裂缝宽度略小于正面的；当w>0.4 mm时，P-w曲线基本接近水平，UHPC板上随机出现2～3条贯穿全截面的主裂缝，主裂缝间可视裂缝间距约为50～70 mm。

2)接缝构件。裂缝首先集中在接缝界面处，当P>600 kN时，由于企口的咬合作用和加强钢板的增强作用，裂缝集中分布于接缝下台阶处，并在构件破坏时形成1条主裂缝。主裂缝正面上下伴有竖向劈裂裂缝，并在侧面沿型钢锚固区域边缘发展，呈现锚固区UHPC整体拔出趋势。除了界面和接缝下台阶处，其余位置几乎没有可见裂缝，原因可能是接缝上台阶区域设置了加密钢筋和加强钢板，阻碍了裂缝发展。

2.2 荷载-轴向变形(P-Δl)曲线(图7)

图7 构件UHPC的荷载-轴向变形(P-Δl)曲线

2.2.1 桥面板构件

桥面板构件UHPC的P-Δl曲线可分为3个阶段：①弹性阶段，P=209～303 kN，构件表面无裂缝出现；②裂缝发展阶段，随着P的增大，构件表面出现第1条微裂缝，P-Δl曲线发生偏转，随后仍近似直线；③屈服阶段，P=2 200～2 400 kN，P-Δl曲线再次呈现明显偏转，随后接近水平。

2.2.2 接缝构件

接缝构件UHPC的P-Δl曲线可分为4个阶段：①弹性阶段，构件表面无裂缝；②界面开裂阶段，P≈150 kN，界面区域的P-Δl曲线发生偏转，随后轴向变形呈线性增加；③裂缝扩展阶段，P≈400 kN，下台阶处UHPC内微裂纹的萌生，P-Δl曲线首次产生明显的偏转，而界面处的P-Δl曲线未产生偏转；④屈服破坏阶，P=1 200～1 400 kN，下台阶处P-Δl曲线产生明显的偏转，随后又迅速变为水平,下台阶处钢纤维被拔出，UHPC中产生1条主裂缝。

2.3 荷载-应变(P-ε)曲线

2.3.1 桥面板构件

以1 # 桥面板构件为例，构件的P-ε曲线如图8。

图8 桥面板构件荷载-应变(P-ε)曲线

由图8可见，桥面板构件的P-ε曲线也可以分为3个阶段：①弹性阶段，各部分应变均呈线性增加且大小相同，说明此时结构处于轴心受拉状态；②裂缝发展阶段，型钢和钢筋的P-ε曲线发生偏转，意味着后续的荷载由型钢和钢筋承担；③屈服阶段，型钢的P-ε曲线产生明显偏转，构件抗拉刚度显著下降。

2.3.2 接缝构件

接缝构件中各断面型钢、钢筋和UHPC的P-ε的曲线见图9。由于型钢顶、底板实测结果相差很小，故仅展示了型钢顶板应变。

图9 接缝构件荷载-应变(P-ε)曲线

由图9可见：

1)接缝构件的P-ε曲线可分为4个阶段：①弹性阶段，界面处钢纤维不连续，抗拉刚度低，故UHPC应变发展速度远大于其余位置〔图9(b)〕；②界面开裂阶段，界面处由于开裂，钢筋的P-ε曲线发生明显偏转，其余断面由于无裂缝产生，曲线仍近似为直线〔图9(c)〕；③裂缝发展阶段，下台阶开裂导致内部钢条和钢筋的P-ε曲线发生明显偏转，表明构件抗拉刚度逐渐下降，其余断面钢筋的P-ε曲线仅发生轻微偏转〔图9(a)、(c)〕；④屈服破坏阶段，由于内部钢条屈服，构件达到极限承载力，下台阶处主裂缝产生，该处钢筋的P-ε曲线接近水平〔图9(a)、(c)〕。

2)在构件加载至破坏的全过程中，接缝上台阶处的加强钢板应变一直呈线性增加〔图9(d)〕，且构件破坏时上台阶处几乎没有可视裂缝。可见加强钢板完全可作为接缝底部的钢筋参与受拉，提高上台阶的抗拉刚度，延缓裂缝的发展。

2.4 构件UHPC名义拉应力σn与最大裂缝宽度w

表3为桥面板构件及接缝构件w=0.05、0.10、0.15和0.20 mm时的UHPC名义拉应力σn汇总。

表3 不同UHPC名义拉应力σn下构件的最大裂缝宽度w

由表3可知：w=0.05 mm时，接缝构件的σn比桥面板构件的高约19%；w=0.10～0.20 mm时，相同的最大裂缝宽度，接缝构件的σn比预制部分低约10%～16%。根据文献[11]，当w=0.05 mm，意味着UHPC开裂，则可以认为型钢-UHPC组合桥面板接缝抗裂性能强于预制的桥面板。

3 非线性有限元仿真分析

3.1 模型建立

采用ABAQUS建立三维实体非线性有限元模型(图10)，对构件加载全过程进行模拟。

图10 非线性有限元模型

以三维实体单元(C3D8R)对模型中的型钢、钢板条、钢板、栓钉、UHPC以及加载所用的上下横梁进行模拟，其中：UHPC采用ABAQUS提供的塑性损伤模型(CDP)模拟；钢筋网采用两节点桁架单元(T3D2)模拟。模型边界条件为底部螺栓孔位置附近节点设置固定约束；接缝界面采用接触-分离行为，接触刚度Knn=Kss=Ktt=45 820 MPa，初始分离应力tn0=ts0=tt0=6.716 MPa，塑性分离距离δp=0.053 3 mm，黏性系数λ=1×10-6[11]。有限元模型材料主要参数见表4。

表4 有限元模型材料参数

参照文献[13-15]，UHPC压应力-应变(σc-ε)曲线、拉应力-应变(σct-ε)曲线及型钢和钢筋的应力-应变(σs-ε)曲线如图11，曲线方程如式(1)～式(3)，其余钢材采用理想线弹性进行模拟。

图11 UHPC、型钢和钢筋的应力-应变曲线

1)UHPC受压σc-ε曲线方程[12]：

(1)

式中：ε0、εcu分别为UHPC峰值压应变和极限压应变，ε0= 0.003 5，εcu=0.010 0；ξ=ε/ε0；n=E0/Ec(Ec为UHPC峰值点割线模量，Ec=fc/ε0)。

2)UHPC受压σct-ε曲线方程[13]：

(2)

式中：εca、εpc分别为UHPC的弹性极限拉应变和极限拉应变，εca=0.000 200，εpc=0.000 765；p为试验拟合参数，p=0.95；wp为应力降至2-pfct时的裂缝宽度，wp=0.25 mm。

3)型钢、钢筋的σs-ε曲线方程[14]：

(3)

式中：εsy、εsu分别为型钢/钢筋的屈服应变和极限应变，εsu=0.15；Es1、Es2分别为型钢、钢筋在弹性阶段和强化阶段的弹性模量，Es1=fsy/εsy=206 GPa，Es2=(fsu-fsy)/(εsu-εsy)。

3.2 有限元分析结果

3.2.1 有限元计算值

图12为桥面板构件、接缝构件UHPC轴向变形及桥面板构件型钢顶板、接缝构件钢条应变的试验值与有限元计算值，其中轴向变形量标距取1 m。

图12 构件几个参数的有限元计算值与试验值对比

由图12可见：除屈服阶段外，2种构件UHPC的轴向变形和型钢/钢条的应变，计算值与试验值之间的误差分别约为-11.3%～10.2%和-1.0%～25.9%。这里的误差指相同荷载下构件的有限元计算值(变形、应变)与试验值(变形、应变)之差与计算值的百分比。可见有限元计算结果与试验值吻合较好。

3.2.2 塑性应变云图

图13为有限元计算得到的接缝构件UHPC的最大塑性应变εp,max云图，图14为接缝构件UHPC的实际裂缝分布图。可见，接缝构件UHPC的高塑性应变区集中在下台阶顶面和界面附近〔图13(a)〕，与实际裂缝分布(图14)吻合；接缝构件内钢条锚固性能良好，极限荷载下塑性拉应变超过2 000×10-6，与试验值相同，表明笔者建立的非线性有限元模型能够准确地模拟型钢-UHPC桥面板和接缝的轴心受拉过程，在屈服破坏阶段前，试验值与有限元模拟得到的荷载-轴向变形曲线和应变发展规律一致。

图13 接缝构件有限元计算塑性应变云图

图14 接缝构件UHPC中裂缝实际分布

4 结 论

针对以热轧型钢为纵肋，钢板条为横肋，配筋UHPC板为结构层的型钢-UHPC组合桥面结构体系(包括桥面板和与之相匹配的接缝构件)进行了单轴拉伸试验研究，测得构件的轴向变形、应变；分析了构件裂缝发展规律；采用ABAQUS模拟了单轴拉伸试验全过程，并将有限元计算得到的型钢、钢条应变和构件UHPC轴向变形与试验值进行了对比分析。研究得到以下主要结论：

1)桥面板构件的型钢和UHPC具有良好的协同受力性能，构件的受拉破坏过程可分为弹性、裂缝发展和构件屈服3个阶段，裂缝分布呈细而密的特征，最终构件的型钢受拉达到屈服，UHPC面板随机产生2～3条主裂缝，其余可视裂缝间距为50～70 mm。

2)接缝构件受拉破坏过程可分为弹性、界面开裂、接缝裂缝扩展和破坏4个阶段。最初为接缝界面开裂，在企口咬合作用、加密钢筋及底部钢板的增强下，后续裂缝集中在下台阶处；最终由于下台阶处内部埋置的钢条屈服，构件达到极限承载力，破坏模式为下台阶处UHPC钢纤维拔出形成主裂缝。

3)有限元计算得到的构件UHPC轴向变形和型钢、钢条应变与试验值吻合较好。轴拉力下接缝构件下台阶处内部埋置的弧口钢条根部及其周围为受力最大的区域，极限荷载下弧口钢条已进入屈服阶段。