左照坤 鞠曉臣 趙欣欣 劉曉光

1.中國鐵道科學研究院，北京100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081

大跨度鐵路鋼橋橋面鋪裝主要采用道砟槽板體系或柔性鋪裝體系。道砟槽板體系一般是在縱橫梁上或正交異性鋼橋面上鋪設(shè)15 cm厚的混凝土道砟槽板，道砟槽板與縱橫梁或鋼橋面通過剪力釘連接。該鋪裝體系雖然施工簡單、造價低，但自重大、抗裂性差、抗拉強度低［1-4］。為改善結(jié)構(gòu)受力，近年來一些輕型的柔性鋪裝體系開始在鐵路橋梁中得到應用，如東新贛江特大橋采用了6 cm厚雙層環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層，銅陵公鐵兩用長江大橋采用了6 cm厚澆筑式瀝青混凝土結(jié)構(gòu)體系。柔性鋪裝體系大大降低了結(jié)構(gòu)自重，具有較好的變形協(xié)調(diào)性，但該體系所用材料溫度敏感性強、抗老化能力弱、使用壽命短［5-9］。

為克服既有鋪裝體系的不足，文獻［9］通過材料組成方案優(yōu)化、施工工藝控制等措施，提出了一種新型超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）鐵路鋼橋面鋪裝體系。該新型鋪裝體系具有自重小、強度高、抗裂性好、防水效果好等優(yōu)點，并且在施工時不需要剪力釘連接件，克服了剪力釘焊接工作量大、修復難度大等技術(shù)難題。但該新型鋪裝體系尚未應用于實際工程中，在鐵路鋼橋面上的適用性有待驗證。

基于此，本文以文獻［9］提出的新型UHPC鐵路鋼橋面鋪裝體系為研究對象，對其在鐵路鋼橋面結(jié)構(gòu)體系中的受力特點進行有限元分析。通過模型試驗，研究該鋪裝體系在鐵路鋼橋面中的適用性，為該新型鋪裝體系的工程應用提供技術(shù)支撐。

1 新型UHPC鋪裝體系

采用的鋪裝體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，自下而上依次為環(huán)氧碎石黏結(jié)層、UHPC鋪裝層和高黏高彈瀝青碎石層，總厚度為6 cm。

圖1 新型鋪裝體系結(jié)構(gòu)

鋪裝體系主要材料的性能指標要求和檢驗方法見表1。根據(jù)試驗測試，環(huán)氧樹脂膠膜拉伸強度大于10.0 MPa，與鋼板的剪切強度大于5.0 MPa，環(huán)氧碎石黏結(jié)層界面剪切強度大于10.0 MPa；UHPC的28 d抗壓強度大于120 MPa，28 d抗折強度大于16 MPa，28 d彈性模量大于45 GPa。

表1 鋪裝體系主要材料的性能指標和檢驗方法

2 有限元分析

2.1 有限元模型

鐵路鋼橋有砟軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、軌枕、道砟、鋪裝層、鋼橋面板等組成。本研究所采用的鋼橋面板是對公路正交異性鋼橋面板進行優(yōu)化得到的，構(gòu)造尺寸為：面板厚度16 mm；橫隔板厚16 mm，高1 000 mm，間距為3 000 mm；軌枕底部布置兩倒T形大縱梁，縱梁腹板高722 mm，厚16 mm，下翼寬300 mm，厚16 mm；兩T形梁之間U肋尺寸為300 mm×300 mm×12 mm，間距600 mm，兩T形梁外側(cè)U肋尺寸為300 mm×300 mm×8 mm，間距600 mm。

有限元分析時考慮較不利的情況，忽略鋼軌和軌枕，并將每一車軸荷載單獨作用于一根軌枕范圍內(nèi)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范［15-16］，荷載采用ZK特種活載4×250 kN，間距1 600 mm，每一車軸荷載與道砟接觸面積為2 600 mm×300 mm，沿順橋向?qū)ΨQ分布。道床采用特級碎石道砟，頂面寬3 600 m，厚度350 mm，道床邊坡1∶1.75。鋪裝層主要考慮黏結(jié)層和UHPC層兩部分。簡化后的鐵路鋼橋有砟軌道結(jié)構(gòu)有限元模型及荷載作用形式見圖2，材料參數(shù)見表2。

圖2 鐵路鋼橋有砟軌道結(jié)構(gòu)有限元模型

表2 鐵路鋼橋有砟軌道結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

2.2 計算結(jié)果

橋面板及鋪裝層豎向位移云圖見圖3?？梢?，豎向位移主要分布在兩倒T形梁及相鄰兩橫隔板之間，最大豎向位移位于面板中心。

圖3 橋面板及鋪裝層豎向位移云圖（單位：mm）

鋪裝層最大主應力云圖見圖4?？梢?，在荷載作用下，鋪裝層整體處于受拉狀態(tài)，且在橫隔板和T形梁上方的鋪裝層上表面承受著較大的集中拉應力，最大拉應力為3 MPa。

圖4 鋪裝層最大主應力云圖（單位：MPa）

橋面板縱向和橫向中心線的豎向位移見圖5?？梢姡涸诳v橋向，豎向位移曲線在-1.5、1.5 m處各出現(xiàn)一個尖端，這表明在中間兩橫隔板處面板豎向位移出現(xiàn)了較明顯的突變，試驗研究應考慮橫隔板上方鋪裝層的受力狀態(tài)；在橫橋向，豎向位移曲線總體上呈V形變化，在-0.75、0.75 m處各出現(xiàn)一段水平臺階，曲線在-0.75～0.75 m段內(nèi)始終保持著較大斜率，經(jīng)過水平臺階后斜率逐漸減小。這表明在兩T形梁之間，沿橫向中心線面板豎向位移梯度較大，經(jīng)過兩T形梁后，梯度逐漸減小。

圖5 橋面板中心線豎向位移

根據(jù)有限元分析結(jié)果，鋼橋面板最大豎向位移梯度為0.02%，位于縱向中心線上；鋪裝層在橫隔板上方的受力狀態(tài)最為不利，集中拉應力最大值為3 MPa。

3 疲勞試驗

3.1 試件設(shè)計

根據(jù)前面的有限元分析，試驗模型的設(shè)計應重點考慮橋面結(jié)構(gòu)體系中橫隔板上方鋪裝層的受力，使模型中鋪裝層的受力狀態(tài)與橋面結(jié)構(gòu)體系中鋪裝層受力狀態(tài)相似，保證面板豎向位移梯度、鋪裝層最大拉應力分別與橋面結(jié)構(gòu)體系有限元分析值近似，不小于有限元分析值。

設(shè)計試件并建立有限元模型，見圖6。試件包括鋼構(gòu)件和鋪裝層兩部分，其中鋼構(gòu)件用于模擬原橋面結(jié)構(gòu)體系中正交異性鋼橋面板，鋪裝層與原橋面結(jié)構(gòu)體系中的保持一致。

圖6 試件有限元模型

在鋪裝層表面施加局部壓應力，兩面荷載沿中間隔板對稱分布，中心距800 mm，尺寸200 mm×280 mm，壓應力1.0 MPa（總荷載112 kN）。沿模型面板縱向中心線的豎向位移曲線見圖7?？梢姡€在中間橫隔板處出現(xiàn)了突變，其形態(tài)與原橋面板橫隔板處豎向位移曲線形態(tài)相似。曲線最大斜率（面板豎向位移梯度最大值）為0.02%，與原橋面板相等。

圖7 沿模型面板縱向中心線的豎向位移曲線（單位：mm）

鋪裝層最大主應力分布云圖見圖8?？梢?，鋪裝層在跨中橫隔板上方區(qū)域的受力狀態(tài)與原橋面板橫隔板上方鋪裝層受力狀態(tài)相似，試驗模型中鋪裝層所受最大拉應力為4.83 MPa，大于原橋面板中鋪裝層最大拉應力3.0 MPa。

圖8 鋪裝層最大主應力云圖（單位：MPa）

綜上可知，采用該試件對鋪裝層進行試驗分析時，結(jié)果偏于安全。

3.2 試驗測試

根據(jù)試件設(shè)計制作試驗模型，試驗裝置見圖9，主要包括鋼構(gòu)件、鋪裝層、承壓塊、分載梁和作動器。鋼構(gòu)件下部通過螺栓與試驗臺連接固定；在鋪裝層上表面縱向中心線上沿中間橫隔板對稱布置兩承壓塊；在承壓塊上方放置分載梁，作動器荷載施加于分載梁中間。

圖9 試驗裝置

試驗過程中對試件相關(guān)部位的應力和位移進行測試。位移及應力測點布置見圖10，其中應力測點位于鋪裝層上表面沿縱向中心線的中間橫隔板正上方。

圖10 測點布置（單位：mm）

試驗主要目的是驗證鋪裝層在鐵路橋梁正交異性鋼橋面板上的適用性。試驗以疲勞加載為主，疲勞荷載每施加一定次數(shù)對試件進行一次靜力加載。

試驗加載步驟如下：

步驟1疲勞加載前靜載測試。布置好加載工裝后，首先進行靜載試驗。靜力加載逐級施加，每級荷載40 kN，加至200 kN，之后再逐級卸載，每級卸載40 kN。加載和卸載過程中對試件應力、位移進行測量。靜力加載至112 kN時對應于試件設(shè)計荷載。

步驟20～400萬次疲勞加載。在步驟1工作完成后開始進行疲勞加載。疲勞荷載形式為等幅簡諧荷載，荷載下限10 kN，荷載上限112 kN，頻率在2～4 Hz。疲勞荷載每施加50萬次進行一次靜力加載，并檢查鋪裝層表面是否有裂紋或破碎、鋪裝層與鋼板黏結(jié)情況，并拍照記錄。直到疲勞荷載施加400萬次。試驗過程中對試件應力、位移進行測量。

在試驗過程中若發(fā)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)差異較大，應及時停止試驗，檢查鋪裝層質(zhì)量狀態(tài)。

3.3 試驗結(jié)果

3.3.1 靜載試驗結(jié)果

疲勞加載前靜力加載試驗結(jié)果見圖11?？梢?，在0～200 kN加載過程中，模型豎向位移及鋪裝層表面應力整體呈線性變化，且具有較好的回復性，測點D1#與D4#、D2#與D3#、D5#與D6#具有較好的對稱性。當荷載為112 kN時點D1#和D2#范圍鋼構(gòu)件面板的豎向位移梯度約為0.021%，與設(shè)計所要求的面板豎向位移梯度0.020%幾乎相等，鋪裝層表面應力5.78 MPa，略大于原橋面板中鋪裝層最大拉應力3.0 MPa?？芍?，試驗加載裝置和加載方法是有效可靠的，結(jié)構(gòu)受力對稱性較好。采用該試件對鋪裝層進行疲勞試驗分析時結(jié)果偏于安全。

圖11 靜力加載試驗結(jié)果

3.3.2 疲勞試驗結(jié)果

疲勞荷載施加200萬次、400萬次后鋪裝層表面受最大拉應力處表觀狀態(tài)見圖12。可見，疲勞荷載施加400萬次后鋪裝層表觀狀態(tài)良好，未出現(xiàn)疲勞裂紋或其他局部破損現(xiàn)象。

圖12 鋪裝層表觀狀態(tài)

在疲勞加載200萬次、400萬次后分別進行靜力加載，模型豎向位移與荷載的關(guān)系曲線見圖13?？梢姡诩虞d400萬次后模型豎向位移與荷載依然呈線性關(guān)系，測試結(jié)果沒有發(fā)生異常變化，且各對稱點測得的值對稱關(guān)系良好。以D1#、D2#測點值計算當靜力加載至112 kN時面板的豎向位移梯度，則疲勞加載200萬次、400萬次后分別為0.026%、0.024%，與最初梯度值0.021%相比變化很小。因此，在0～400萬次疲勞循環(huán)荷載施加過程中，結(jié)構(gòu)的承載性能良好，幾乎未發(fā)生劣化。

圖13 疲勞加載后荷載-位移曲線

鋪裝層應力測點S1#在疲勞加載后的靜載試驗結(jié)果見圖14。可見，在疲勞加載過程中，鋪裝層表面應力未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，應力與荷載均呈線性關(guān)系。隨著疲勞加載次數(shù)的增加，測點S1#的最大應力略微增加，但增幅較小，疲勞荷載施加200萬次、400萬次后，靜力加載至112 kN時的應力分別為6.08、6.24 MPa，與初始應力5.78 MPa相比分別增加了5.19%、7.96%。

圖14 疲勞加載后應力測點S1#的靜載試驗結(jié)果

4 結(jié)論

1）基于有限元分析，在鐵路鋼橋面結(jié)構(gòu)體系中鋪裝層最不利受力狀態(tài)位于橫隔板正上方，橫隔板附近面板的豎向位移梯度最大值為0.020%，鋪裝層最大拉應力為3 MPa?；诖嗽O(shè)計的試驗模型中面板的豎向位移梯度最大值為0.021%，鋪裝層最大拉應力為5.78 MPa，試驗結(jié)果偏于安全。

2）經(jīng)400萬次疲勞加載后，模型各位移、應力測點的值與荷載依然呈線性關(guān)系。經(jīng)200萬次、400萬次疲勞加載后，靜力加載至112 kN時，鋼構(gòu)件面板豎向位移梯度與初始值相比幾乎沒發(fā)生變化，鋪裝層最大拉應力與初始值相比有較小的增幅，分別增加了5.19%、7.96%。

3）經(jīng)400萬次疲勞加載后，結(jié)構(gòu)的承載性能良好，幾乎未發(fā)生劣化，鋪裝層表觀狀態(tài)良好，未出現(xiàn)疲勞裂紋或局部破碎等劣化現(xiàn)象，說明該新型UHPC鋪裝體系對鐵路鋼橋面具有良好的適用性。