新型正交異性鋼板新型正交異性鋼板-STC組合橋面結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用

新型正交異性鋼板新型正交異性鋼板-STC組合橋面結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用

1正交異異鋼橋面結(jié)構(gòu)的應(yīng)用正交異質(zhì)鋼橋板是一種重要的橋面結(jié)構(gòu)形式。它具有重量輕、超載大、施工方便快捷等優(yōu)點。廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外橋梁結(jié)構(gòu)。正交異性鋼橋面鋪裝層通常為瀝青混凝土材料,包括防銹層、粘結(jié)層和鋪裝層,總厚度為35~80mm。在運營中,正交異性鋼橋面系容易出現(xiàn)兩類病害問題:(1)在反復(fù)的車輪荷載作用下,正交異性鋼橋面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞開裂現(xiàn)象;(2)常規(guī)瀝青混凝土鋪裝層使用約5~10年后便嚴(yán)重破損,使用壽命較短。引起上述病害的因素諸多,涵蓋了材料性能、設(shè)計、施工、運營狀況(如環(huán)境溫度、超載車輛)等諸多方面。其中一個不容忽視的原因是:正交異性鋼橋面結(jié)構(gòu)自身局部剛度低。由于正交異性鋼橋面結(jié)構(gòu)偏柔性,且其構(gòu)造復(fù)雜,焊縫數(shù)量多,因而在重載車的反復(fù)作用下,構(gòu)造細節(jié)處的應(yīng)力幅較大,容易滋生疲勞開裂病害;同時,同樣由于鋼橋面的柔性,重載車引起瀝青混凝土鋪裝層中應(yīng)力與變形均較大,容易產(chǎn)生鋪裝層開裂、粘結(jié)層失效等病害問題。因而,提高正交異性鋼橋面的局部剛度有助于減少病害的發(fā)生。為此,工程人員傾向于采用較厚的鋼面板:早期的鋼面板多為12mm,而現(xiàn)在流行使用14mm或更厚的鋼面板。雖然這一方法是可行的,但是鋼面板若增厚太多將增加橋面系的自重和造價,而我國南方夏季高溫導(dǎo)致鋼橋面上瀝青鋪裝軟化的問題并未解決。另一類提高鋼橋面系局部剛度的方法是采用水泥混凝土鋪裝層。在荷蘭和日本,研究者在鋼橋面中分別以RHPC(ReinforcedHighPerformanceConcrete)和SFRC(SteelFiberReinforcedConcrete)作為鋪裝層,以期減少正交異性鋼橋面結(jié)構(gòu)中的疲勞開裂病害。這種方法能夠降低車載作用下鋼橋面構(gòu)造細節(jié)中的應(yīng)力,有助于提高鋼橋面的抗疲勞壽命。然而,由于自身抗拉強度儲備不足,這些混凝土鋪裝層在運營中出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象。為綜合解決正交異性鋼橋面系的病害問題,本文作者結(jié)合活性粉末混凝土和密配筋混凝土的特點,開發(fā)出超高韌性混凝土(SuperToughnessConcrete,STC),并提出了新型正交異性鋼板-STC組合橋面結(jié)構(gòu)。STC具有優(yōu)異的抗拉性能,可適應(yīng)鋼橋面水泥混凝土層中的受力狀態(tài)。試驗研究表明,STC的抗拉強度可高達42.7MPa。STC層通過栓釘與鋼橋面連接,并在STC層上鋪筑磨耗層,形成永久性組合橋面結(jié)構(gòu)(簡稱“新型鋼—STC組合橋面結(jié)構(gòu)”)。與傳統(tǒng)正交異性鋼橋面板相比,新型鋼—STC組合橋面結(jié)構(gòu)的局部剛度顯著提高,進而大幅度降低了正交異性鋼橋面各構(gòu)造細節(jié)處的活載應(yīng)力,從而可基本消除疲勞開裂的風(fēng)險。同時,與價格昂貴且需經(jīng)常更換的瀝青混凝土鋪裝相比,新型鋼—STC組合橋面結(jié)構(gòu)的使用壽命長,具有更優(yōu)的耐久性,解決了鋼橋面瀝青鋪裝破損的難題。在廣東省交通運輸廳的大力支持下,新型鋼—STC組合橋面結(jié)構(gòu)已于2011年在一座試驗橋上成功應(yīng)用—廣東省肇慶市馬房大橋。因此,本文以該橋為背景,對新型鋼—STC組合橋面結(jié)構(gòu)的研究與實橋應(yīng)用情況進行簡要介紹。2物理測量模型的研究2.1車橋的鋪設(shè)和鋪設(shè)馬房大橋修建于1984年,包含一座鐵路橋梁和一座公路橋梁,且兩座橋梁平行支撐在同一橋墩上。本文研究的公路橋為簡支鋼箱梁橋,其跨徑布置為14×64m,橋面全寬12m,其中單向兩車道的行車道寬9m。橋面采用正交異性鋼橋面結(jié)構(gòu):鋼面板厚12mm;角鋼開口縱肋每300~325mm布置一道;橫肋每2m布置一道。馬房大橋的實橋照片如圖1所示。馬房大橋鋼橋面采用瀝青混凝土鋪裝,自竣工通車以來,其橋面鋪裝經(jīng)歷了兩次大面積翻修和多次局部維修:橋面的原鋪裝層為阿油氯丁膠乳改性瀝青混凝土;第一次翻修時(1992年)采用瀝青混凝土鋪裝層;第二次翻修時(2001年)改為雙層多碎石瀝青混凝土。然而,馬房大橋的交通量大且重載車較多,常規(guī)的瀝青混凝土鋼橋面鋪裝方案難以應(yīng)對,嘗試的多種橋面鋪裝均運營不到3年便出現(xiàn)了開裂、車轍等病害現(xiàn)象。2.2“栓釘+環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑”的復(fù)合方案為改善馬房大橋瀝青混凝土鋪裝層的運營狀態(tài),同時降低正交異性鋼橋面板出現(xiàn)疲勞開裂的風(fēng)險,本文提出了新型鋼—STC組合橋面結(jié)構(gòu)。在該新方案中,首先通過“栓釘+環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑”的復(fù)合方式將STC層與鋼橋面連接,然后在STC層上鋪筑瀝青磨耗層,如圖2所示。其中栓釘(Φ13×40mm)的布置間距在橫橋向上為300—325mm,在縱橋向上為250mm。STC層內(nèi)密布Φ10mmHRB400級鋼筋,按照大約32mm×32mm的中心距離布置,且橫橋向鋼筋位于上層,鋼筋網(wǎng)的凈保護層厚度為10mm。2.3橋面系的建模模型試驗開展前,借助有限元計算軟件對馬房大橋新型鋼—STC組合橋面結(jié)構(gòu)進行了分析。計算結(jié)果表明,在荷載作用下,STC層的最大組合拉應(yīng)力達到14.8MPa,遠遠超過普通混凝土材料的抗拉強度。因此,為明確STC層是否可以承受設(shè)計的最大拉應(yīng)力,項目組開展了足尺模型試驗。足尺模型按照大橋?qū)嶋H尺寸制作:模型寬9m,包含全部行車道寬度;長6.2m,包含4道橫梁;在高度方向上截取了橫梁以上的橋面系部分,以模擬橋面系的局部受力狀態(tài)。足尺模型構(gòu)造如圖3所示,其中模型左側(cè)為加載混凝土塊,最大加載重量600kN,模型右側(cè)壓重為400kN。圖中Ⅰ—Ⅰ為加載過程中的最不利斷面,是試驗中的主要關(guān)注斷面。試驗中,在600kN荷載作用下(圖4),橋面板懸臂根部Ⅰ—Ⅰ斷面的最大實測拉應(yīng)變達到955με而未出現(xiàn)任何開裂現(xiàn)象,表現(xiàn)出極高的韌性。而在加載過程中,模型中一道鋼橫梁的下翼緣出現(xiàn)了局部壓屈現(xiàn)象,該處一些測點的壓應(yīng)變隨著荷載的增加出現(xiàn)了非線性變化。收縮測試結(jié)果表明,STC的收縮應(yīng)變在熱養(yǎng)護過程中最大為68με,而養(yǎng)護結(jié)束8個月后收縮應(yīng)變僅為8~52με。因此,超韌性混凝土在養(yǎng)護過程及長期運營過程中的收縮應(yīng)變均較小。此外,材料性能試驗表明,STC的抗壓強度為128.8MPa,抗折強度為21.2MPa,彈性模量為49GPa,各項力學(xué)性能指標(biāo)均較高。3馬家橋是一種應(yīng)用橋3.1mm厚stc層足尺模型試驗結(jié)果表明,新型鋼—STC層組合橋面結(jié)構(gòu)應(yīng)用在馬房大橋上是安全可行的。因而,2011年11月~12月,馬房大橋第11跨新型鋼—STC組合橋面結(jié)構(gòu)施工順利進行。在實橋中,新型鋼—STC組合橋面結(jié)構(gòu)沿縱向64m共分為三段:(1)STC裸露段—靠近肇慶方向梁端的10m范圍,采用80mm厚STC層;(2)磨耗層膠粘段—靠近廣州方向梁端的10米范圍,采用50mm厚STC層+30mm厚磨耗層,并通過環(huán)氧樹脂粘結(jié)層連接STC層與磨耗層;(3)普通段—中間44m,同樣為50mm厚STC層+30mm厚磨耗層,通過粘層油連接STC層與磨耗層。其中設(shè)置80mm厚STC裸露段是為了便于今后直接觀察STC層的運營狀態(tài)。實橋施工的主要工序為:(1)清除原瀝青混凝土鋪裝層→(2)鋼橋面噴砂除銹→(3)焊接栓釘→(4)鋼橋面防腐涂裝→(5)施工環(huán)氧樹脂粘結(jié)層→(6)綁扎鋼筋網(wǎng)→(7)澆注STC→(8)STC層高溫蒸汽養(yǎng)護→(9)STC層表面刻槽→(10)施工磨耗層→開放交通。其中主要工序的施工照片如圖5所示,施工過程中各道工序均方便可行?，F(xiàn)澆的STC采用高溫蒸汽養(yǎng)護,養(yǎng)護條件為:自混凝土終凝(約2天)后,在溫度為80℃,濕度為95%的環(huán)境中持續(xù)養(yǎng)護72小時。養(yǎng)護結(jié)束后,STC層完好,未發(fā)現(xiàn)收縮開裂現(xiàn)象。3.2橋面系構(gòu)件局部應(yīng)力及局部撓度變化受業(yè)主單位廣東虎門大橋有限公司委托,中國鐵道科學(xué)研究院檢測中心對馬房大橋第11跨新型鋼—STC組合橋面結(jié)構(gòu)進行了兩次檢測:第一次檢測在實橋新型橋面結(jié)構(gòu)施工前后(2011年10月~12月);第二次檢測在新型橋面結(jié)構(gòu)運營時間超過半年后(2012年7月)。檢測區(qū)域在縱橋向位于靠近肇慶端的10m段內(nèi),而在橫橋向位于兩個箱室中間的橋面區(qū)域。在施工前后,馬房大橋橋面系經(jīng)歷了三種不同的狀態(tài),即:原瀝青混凝土鋪裝、鏟除原鋪裝后無鋪裝、新型鋼—STC組合橋面結(jié)構(gòu)。因此,檢測中主要關(guān)注不同橋面系狀態(tài)下,橋面系主要構(gòu)件的局部應(yīng)力與變形;且在各種橋面狀態(tài)中,加載車布置位置及測點位置均相同。根據(jù)檢測報告,與原瀝青混凝土鋪裝狀態(tài)相比,采用新型組合橋面結(jié)構(gòu)后鋼橋面縱肋、面板中的應(yīng)力及局部撓度明顯下降,其中:(1)縱肋構(gòu)件縱橋向應(yīng)力平均降幅達80%;(2)面板橫向應(yīng)力平均降幅達92%;(3)縱肋及面板的局部撓度平均降幅為81%。其中代表測點的測試結(jié)果如圖6所示,圖中“原—重”表示加載車重軸作用于具有原瀝青混凝土鋪裝的鋼橋面;“鏟—重”表示加載車重軸作用于鏟除原瀝青鋪裝后的鋼橋面;“新—重”表示加載車重軸作用于新型鋼—STC組合橋面結(jié)構(gòu)。因此,測試結(jié)果表明,增設(shè)STC層顯著提高了鋼橋面的局部剛度,能夠大幅度降低車載作用下鋼橋面結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力,將有助于延長其抗疲勞壽命。同時,第二次檢測結(jié)果表明,在經(jīng)歷半年運營后高溫環(huán)境下,新型鋼—STC組合橋面結(jié)構(gòu)表面未見開裂或破損的現(xiàn)象;相對于新型組合橋面結(jié)構(gòu)施工完畢時,橋面系構(gòu)件受力改善效果穩(wěn)定。4新型鋼—結(jié)論本文作者研發(fā)了超韌性混凝土STC,并提出了新型鋼—STC組合橋面結(jié)構(gòu),以期綜合解決鋼橋面疲勞開裂和瀝青混凝土鋪裝層易損兩大難題。STC具有優(yōu)良的力學(xué)性能,尤其具備較高的抗拉強度與韌性。馬房大橋新型鋼—STC組合橋面結(jié)構(gòu)足尺模型試驗表明,STC層的最大拉應(yīng)變達到955με而未出