毛啟元，邵旭東，劉夢麟，沈秀將，李玉祺

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082; 2.湖南大學(xué) 風工程與橋梁工程湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410082；3.廣西交通設(shè)計集團有限公司，廣西 南寧 530025)

0 引 言

混凝土橋面由于其自重大、強度低等不足主要應(yīng)用于鋼混組合橋梁。正交異性鋼橋面板自重輕、施工周期短、不受主梁形式限制，是目前大跨徑橋梁的主要橋面形式。而全焊結(jié)構(gòu)的鋼橋面板需要專用鋪裝，在重載車作用下，鋼橋面板易產(chǎn)生疲勞開裂和局部屈曲，且瀝青鋪裝層頻繁破損，降低了橋梁的營運效率。

超高性能混凝土(UHPC)是一種高強、高韌和高耐久性的水泥基復(fù)合材料，可以采用連接件將其與鋼面板組合，形成了鋼-UHPC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)[1-4]；國內(nèi)外研究團隊針對鋼-UHPC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)的構(gòu)件抗裂靜力和疲勞性能、連接件抗剪性能、設(shè)計計算方法等開展了大量研究[5-8]，結(jié)果表明鋼-UHPC組合橋面可大幅提高橋面局部剛度，降低疲勞開裂和鋪裝破損風險。然而，在實橋檢測中發(fā)現(xiàn)，除了面板和U肋連接細節(jié)外，鋼-UHPC組合橋面結(jié)構(gòu)其余細節(jié)的應(yīng)力降幅不夠大，橋梁結(jié)構(gòu)存在疲勞開裂風險，而型鋼-UHPC橋面結(jié)構(gòu)[9]由于其優(yōu)異的抗疲勞性能，可解決此問題。

筆者針對型鋼-UHPC橋面結(jié)構(gòu)的4個足尺條帶模型構(gòu)件(包含2個橋面板構(gòu)件及2個含接縫構(gòu)件)開展了軸拉試驗；重點分析構(gòu)件受拉過程中型鋼、鋼筋和UHPC的應(yīng)變變化規(guī)律和裂縫發(fā)展狀態(tài)，并采用有限元方法模擬試驗全過程，分析構(gòu)件在加載過程中的應(yīng)變和軸向變形的發(fā)展規(guī)律。

1 試 驗

1.1 構(gòu)件材料

1.1.1 UHPC材料

橋面板構(gòu)件的UHPC采用湖南中路華程公司生產(chǎn)的干混料，配比為(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、減水劑10.1、水166、鋼纖維156；接縫構(gòu)件的UHPC由湖南中路華程公司提供。根據(jù)GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》及GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標準》對2種構(gòu)件UHPC進行抗壓強度fc、彈性模量E試驗，而抗拉強度fct則按照法國UHPC規(guī)范[10]根據(jù)抗折強度倒推得到。結(jié)果見表1。

表1 UHPC力學(xué)性能試驗結(jié)果

1.1.2 鋼 材

采用HW200型鋼、Q345鋼板及HRB400鋼筋，而埋置于接縫構(gòu)件下臺階處UHPC內(nèi)的鋼條由型鋼切割而成?？紤]到縱向受拉時鋼板不參與主要受力，僅對型鋼和鋼筋按照GB/T 228.1—2021《金屬材料拉伸試驗》進行強度試驗。結(jié)果見表2。

表2 型鋼及鋼筋力學(xué)性能試驗結(jié)果

1.2 構(gòu)件設(shè)計

1.2.1 橋面板構(gòu)件

制作了2個型鋼-UHPC橋面板構(gòu)件(1#、2#)進行單軸拉伸試驗。橋面板構(gòu)件全長1.8 m，等截面區(qū)域?qū)?.5 m，高255 mm，型鋼上翼緣焊接Φ13×38 mm的栓釘，鋼板條上方焊接Φ13×35 mm的栓釘。構(gòu)件縱向鋼筋直徑12 mm，間距62.5 mm，橫向鋼筋直徑10 mm，間距100 mm；構(gòu)件兩末端局部擴大增加焊縫長度以提高端部焊縫的抗拉承載力。尺寸如圖 1。

圖1 型鋼-UHPC橋面板構(gòu)件示意

1.2.2 接縫構(gòu)件

制作了2個型鋼-UHPC接縫構(gòu)件(1#、2#)進行單軸拉伸試驗。接縫構(gòu)件全長1.62 m，由2次澆筑的UHPC面板、HW200型鋼、橫隔板上翼緣以及上臺階底部加強鋼板組成。構(gòu)件型鋼上栓釘均為Φ13×38 mm，接縫加強鋼板的栓釘均為Φ13×35 mm；縱向鋼筋直徑均為12 mm，兩端預(yù)制橋面板內(nèi)鋼筋間距62.5 mm，中間現(xiàn)澆接縫內(nèi)鋼筋密集布置，間距較預(yù)制部分縮小一倍(31 mm)。接縫UHPC由下臺階和兩側(cè)的上臺階組成，下臺階的UHPC與橫隔板上翼緣通過栓釘連接，其兩側(cè)的型鋼通過橡膠條置于橫隔板上翼緣。接縫構(gòu)件構(gòu)造見圖2。

圖2 型鋼-UHPC接縫構(gòu)件示意

1.3 構(gòu)件制作

1)同時澆筑接縫構(gòu)件兩端預(yù)制部分及橋面板構(gòu)件；表面覆蓋塑料薄膜自然養(yǎng)護48 h；拆模后蒸汽養(yǎng)護72 h(溫度≥80℃，相對濕度≥95%)。

2)澆筑接縫構(gòu)件的接縫前，人工鑿毛預(yù)制部分的界面，直至露出鋼纖維；清除殘渣，除去松動的UHPC基體，灑水濕潤。

3)對現(xiàn)澆接縫UHPC進行灑水保濕自然養(yǎng)護28 d。

1.4 加 載

將構(gòu)件端部的鋼筋、型鋼和鋼板全部焊在端鋼板上，端鋼板與上橫梁和下橫梁通過高強螺栓連接，每個螺栓均施加一定的預(yù)緊力。采用2臺千斤頂兩側(cè)對稱豎向加載，如圖3。

圖3 加載示意

考慮到安裝誤差以及構(gòu)件的不均勻性，在正式加載前進行預(yù)加載(荷載P≤50 kN)，以消除試件裝置間的空隙并微調(diào)兩側(cè)力值使得截面兩側(cè)應(yīng)變大小基本相同，避免偏載。

1.5 測 試

采用ZBL-F130裂縫觀測儀來測量裂縫寬度，測量精度為0.01 mm。

對于橋面板構(gòu)件，選取截面Ⅰ～Ⅴ〔圖4(a)〕測試鋼筋、型鋼和UHPC的軸向應(yīng)變，同時還測試了UHPC頂面和底面中間1 m標距的軸向變形；對于接縫構(gòu)件，選取兩側(cè)預(yù)制段(截面Ⅰ、Ⅸ)、新舊UHPC界面(截面Ⅱ、Ⅷ)、接縫上臺階處(截面Ⅲ、Ⅶ)、剛度突變處(截面Ⅳ、Ⅵ)及接縫下臺階處(截面Ⅴ)〔圖4(b)〕測試鋼筋、型鋼和UHPC的軸向應(yīng)變，同時還測試了上臺階處加強鋼板和下臺階處內(nèi)部埋置鋼條的拉應(yīng)變，以及接縫界面10 cm范圍內(nèi)和接縫下臺階處表面20 cm范圍內(nèi)UHPC的軸向變形。

圖4 構(gòu)件應(yīng)變測點布置

2 試驗結(jié)果分析

2.1 裂縫發(fā)展規(guī)律

橋面板構(gòu)件及接縫構(gòu)件界面和下臺階處的荷載-最大裂縫寬度(P-w)曲線見圖5。為便于直觀展現(xiàn)構(gòu)件抗拉性能，圖5給出了相應(yīng)荷載下的UHPC名義拉應(yīng)力σn，即根據(jù)鋼材和UHPC彈性模量比將組合截面換算為以UHPC表示的換算截面，再用總軸力除以換算截面面積得到的拉應(yīng)力。受拉構(gòu)件的裂縫分布見圖6。

圖5 構(gòu)件的荷載-最大裂縫寬度(P-w)曲線

圖6 極限狀態(tài)下構(gòu)件裂縫分布

由圖5、圖6可見：

1)橋面板構(gòu)件。當w=0～0.4 mm時，P-w曲線近似呈線性，構(gòu)件薄弱位置(應(yīng)變片導(dǎo)線處)首先產(chǎn)生微裂縫，隨著荷載的增大，構(gòu)件表面均勻分布細而密的微裂縫，背面最大裂縫寬度略小于正面的；當w>0.4 mm時，P-w曲線基本接近水平，UHPC板上隨機出現(xiàn)2～3條貫穿全截面的主裂縫，主裂縫間可視裂縫間距約為50～70 mm。

2)接縫構(gòu)件。裂縫首先集中在接縫界面處，當P>600 kN時，由于企口的咬合作用和加強鋼板的增強作用，裂縫集中分布于接縫下臺階處，并在構(gòu)件破壞時形成1條主裂縫。主裂縫正面上下伴有豎向劈裂裂縫，并在側(cè)面沿型鋼錨固區(qū)域邊緣發(fā)展，呈現(xiàn)錨固區(qū)UHPC整體拔出趨勢。除了界面和接縫下臺階處，其余位置幾乎沒有可見裂縫，原因可能是接縫上臺階區(qū)域設(shè)置了加密鋼筋和加強鋼板，阻礙了裂縫發(fā)展。

2.2 荷載-軸向變形(P-Δl)曲線(圖7)

圖7 構(gòu)件UHPC的荷載-軸向變形(P-Δl)曲線

2.2.1 橋面板構(gòu)件

橋面板構(gòu)件UHPC的P-Δl曲線可分為3個階段：①彈性階段，P=209～303 kN，構(gòu)件表面無裂縫出現(xiàn)；②裂縫發(fā)展階段，隨著P的增大，構(gòu)件表面出現(xiàn)第1條微裂縫，P-Δl曲線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，隨后仍近似直線；③屈服階段，P=2 200～2 400 kN，P-Δl曲線再次呈現(xiàn)明顯偏轉(zhuǎn)，隨后接近水平。

2.2.2 接縫構(gòu)件

接縫構(gòu)件UHPC的P-Δl曲線可分為4個階段：①彈性階段，構(gòu)件表面無裂縫；②界面開裂階段，P≈150 kN，界面區(qū)域的P-Δl曲線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，隨后軸向變形呈線性增加；③裂縫擴展階段，P≈400 kN，下臺階處UHPC內(nèi)微裂紋的萌生，P-Δl曲線首次產(chǎn)生明顯的偏轉(zhuǎn)，而界面處的P-Δl曲線未產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)；④屈服破壞階，P=1 200～1 400 kN，下臺階處P-Δl曲線產(chǎn)生明顯的偏轉(zhuǎn)，隨后又迅速變?yōu)樗?下臺階處鋼纖維被拔出，UHPC中產(chǎn)生1條主裂縫。

2.3 荷載-應(yīng)變(P-ε)曲線

2.3.1 橋面板構(gòu)件

以1 # 橋面板構(gòu)件為例，構(gòu)件的P-ε曲線如圖8。

圖8 橋面板構(gòu)件荷載-應(yīng)變(P-ε)曲線

由圖8可見，橋面板構(gòu)件的P-ε曲線也可以分為3個階段：①彈性階段，各部分應(yīng)變均呈線性增加且大小相同，說明此時結(jié)構(gòu)處于軸心受拉狀態(tài)；②裂縫發(fā)展階段，型鋼和鋼筋的P-ε曲線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，意味著后續(xù)的荷載由型鋼和鋼筋承擔；③屈服階段，型鋼的P-ε曲線產(chǎn)生明顯偏轉(zhuǎn)，構(gòu)件抗拉剛度顯著下降。

2.3.2 接縫構(gòu)件

接縫構(gòu)件中各斷面型鋼、鋼筋和UHPC的P-ε的曲線見圖9。由于型鋼頂、底板實測結(jié)果相差很小，故僅展示了型鋼頂板應(yīng)變。

圖9 接縫構(gòu)件荷載-應(yīng)變(P-ε)曲線

由圖9可見：

1)接縫構(gòu)件的P-ε曲線可分為4個階段：①彈性階段，界面處鋼纖維不連續(xù)，抗拉剛度低，故UHPC應(yīng)變發(fā)展速度遠大于其余位置〔圖9(b)〕；②界面開裂階段，界面處由于開裂，鋼筋的P-ε曲線發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，其余斷面由于無裂縫產(chǎn)生，曲線仍近似為直線〔圖9(c)〕；③裂縫發(fā)展階段，下臺階開裂導(dǎo)致內(nèi)部鋼條和鋼筋的P-ε曲線發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，表明構(gòu)件抗拉剛度逐漸下降，其余斷面鋼筋的P-ε曲線僅發(fā)生輕微偏轉(zhuǎn)〔圖9(a)、(c)〕；④屈服破壞階段，由于內(nèi)部鋼條屈服，構(gòu)件達到極限承載力，下臺階處主裂縫產(chǎn)生，該處鋼筋的P-ε曲線接近水平〔圖9(a)、(c)〕。

2)在構(gòu)件加載至破壞的全過程中，接縫上臺階處的加強鋼板應(yīng)變一直呈線性增加〔圖9(d)〕，且構(gòu)件破壞時上臺階處幾乎沒有可視裂縫?？梢娂訌婁摪逋耆勺鳛榻涌p底部的鋼筋參與受拉，提高上臺階的抗拉剛度，延緩裂縫的發(fā)展。

2.4 構(gòu)件UHPC名義拉應(yīng)力σn與最大裂縫寬度w

表3為橋面板構(gòu)件及接縫構(gòu)件w=0.05、0.10、0.15和0.20 mm時的UHPC名義拉應(yīng)力σn匯總。

表3 不同UHPC名義拉應(yīng)力σn下構(gòu)件的最大裂縫寬度w

由表3可知：w=0.05 mm時，接縫構(gòu)件的σn比橋面板構(gòu)件的高約19%；w=0.10～0.20 mm時，相同的最大裂縫寬度，接縫構(gòu)件的σn比預(yù)制部分低約10%～16%。根據(jù)文獻[11]，當w=0.05 mm，意味著UHPC開裂，則可以認為型鋼-UHPC組合橋面板接縫抗裂性能強于預(yù)制的橋面板。

3 非線性有限元仿真分析

3.1 模型建立

采用ABAQUS建立三維實體非線性有限元模型(圖10)，對構(gòu)件加載全過程進行模擬。

圖10 非線性有限元模型

以三維實體單元(C3D8R)對模型中的型鋼、鋼板條、鋼板、栓釘、UHPC以及加載所用的上下橫梁進行模擬，其中：UHPC采用ABAQUS提供的塑性損傷模型(CDP)模擬；鋼筋網(wǎng)采用兩節(jié)點桁架單元(T3D2)模擬。模型邊界條件為底部螺栓孔位置附近節(jié)點設(shè)置固定約束；接縫界面采用接觸-分離行為，接觸剛度Knn=Kss=Ktt=45 820 MPa，初始分離應(yīng)力tn0=ts0=tt0=6.716 MPa，塑性分離距離δp=0.053 3 mm，黏性系數(shù)λ=1×10-6[11]。有限元模型材料主要參數(shù)見表4。

表4 有限元模型材料參數(shù)

參照文獻[13-15]，UHPC壓應(yīng)力-應(yīng)變(σc-ε)曲線、拉應(yīng)力-應(yīng)變(σct-ε)曲線及型鋼和鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變(σs-ε)曲線如圖11，曲線方程如式(1)～式(3)，其余鋼材采用理想線彈性進行模擬。

圖11 UHPC、型鋼和鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1)UHPC受壓σc-ε曲線方程[12]：

(1)

式中：ε0、εcu分別為UHPC峰值壓應(yīng)變和極限壓應(yīng)變，ε0= 0.003 5，εcu=0.010 0；ξ=ε/ε0；n=E0/Ec(Ec為UHPC峰值點割線模量，Ec=fc/ε0)。

2)UHPC受壓σct-ε曲線方程[13]：

(2)

式中：εca、εpc分別為UHPC的彈性極限拉應(yīng)變和極限拉應(yīng)變，εca=0.000 200，εpc=0.000 765；p為試驗擬合參數(shù)，p=0.95；wp為應(yīng)力降至2-pfct時的裂縫寬度，wp=0.25 mm。

3)型鋼、鋼筋的σs-ε曲線方程[14]：

(3)

式中：εsy、εsu分別為型鋼/鋼筋的屈服應(yīng)變和極限應(yīng)變，εsu=0.15；Es1、Es2分別為型鋼、鋼筋在彈性階段和強化階段的彈性模量，Es1=fsy/εsy=206 GPa，Es2=(fsu-fsy)/(εsu-εsy)。

3.2 有限元分析結(jié)果

3.2.1 有限元計算值

圖12為橋面板構(gòu)件、接縫構(gòu)件UHPC軸向變形及橋面板構(gòu)件型鋼頂板、接縫構(gòu)件鋼條應(yīng)變的試驗值與有限元計算值，其中軸向變形量標距取1 m。

圖12 構(gòu)件幾個參數(shù)的有限元計算值與試驗值對比

由圖12可見：除屈服階段外，2種構(gòu)件UHPC的軸向變形和型鋼/鋼條的應(yīng)變，計算值與試驗值之間的誤差分別約為-11.3%～10.2%和-1.0%～25.9%。這里的誤差指相同荷載下構(gòu)件的有限元計算值(變形、應(yīng)變)與試驗值(變形、應(yīng)變)之差與計算值的百分比?？梢娪邢拊嬎憬Y(jié)果與試驗值吻合較好。

3.2.2 塑性應(yīng)變云圖

圖13為有限元計算得到的接縫構(gòu)件UHPC的最大塑性應(yīng)變εp,max云圖，圖14為接縫構(gòu)件UHPC的實際裂縫分布圖?？梢?，接縫構(gòu)件UHPC的高塑性應(yīng)變區(qū)集中在下臺階頂面和界面附近〔圖13(a)〕，與實際裂縫分布(圖14)吻合；接縫構(gòu)件內(nèi)鋼條錨固性能良好，極限荷載下塑性拉應(yīng)變超過2 000×10-6，與試驗值相同，表明筆者建立的非線性有限元模型能夠準確地模擬型鋼-UHPC橋面板和接縫的軸心受拉過程，在屈服破壞階段前，試驗值與有限元模擬得到的荷載-軸向變形曲線和應(yīng)變發(fā)展規(guī)律一致。

圖13 接縫構(gòu)件有限元計算塑性應(yīng)變云圖

圖14 接縫構(gòu)件UHPC中裂縫實際分布

4 結(jié) 論

針對以熱軋型鋼為縱肋，鋼板條為橫肋，配筋UHPC板為結(jié)構(gòu)層的型鋼-UHPC組合橋面結(jié)構(gòu)體系(包括橋面板和與之相匹配的接縫構(gòu)件)進行了單軸拉伸試驗研究，測得構(gòu)件的軸向變形、應(yīng)變；分析了構(gòu)件裂縫發(fā)展規(guī)律；采用ABAQUS模擬了單軸拉伸試驗全過程，并將有限元計算得到的型鋼、鋼條應(yīng)變和構(gòu)件UHPC軸向變形與試驗值進行了對比分析。研究得到以下主要結(jié)論：

1)橋面板構(gòu)件的型鋼和UHPC具有良好的協(xié)同受力性能，構(gòu)件的受拉破壞過程可分為彈性、裂縫發(fā)展和構(gòu)件屈服3個階段，裂縫分布呈細而密的特征，最終構(gòu)件的型鋼受拉達到屈服，UHPC面板隨機產(chǎn)生2～3條主裂縫，其余可視裂縫間距為50～70 mm。

2)接縫構(gòu)件受拉破壞過程可分為彈性、界面開裂、接縫裂縫擴展和破壞4個階段。最初為接縫界面開裂，在企口咬合作用、加密鋼筋及底部鋼板的增強下，后續(xù)裂縫集中在下臺階處；最終由于下臺階處內(nèi)部埋置的鋼條屈服，構(gòu)件達到極限承載力，破壞模式為下臺階處UHPC鋼纖維拔出形成主裂縫。

3)有限元計算得到的構(gòu)件UHPC軸向變形和型鋼、鋼條應(yīng)變與試驗值吻合較好。軸拉力下接縫構(gòu)件下臺階處內(nèi)部埋置的弧口鋼條根部及其周圍為受力最大的區(qū)域，極限荷載下弧口鋼條已進入屈服階段。