郭福宽,周尚猛

(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

目前，铁路钢桥面铺装可分为柔性和刚性两种铺装体系[1-4]。柔性铺装材料主要有聚合物水泥混凝土、环氧沥青混凝土、浇筑式沥青混合料等[5-8]，主要参考公路钢桥面铺装进行设计。由于沥青类铺装设计年限一般为15年，远低于桥梁主体结构设计年限100年，因此，存在后期养护和维修问题。对于铁路桥梁而言，中断铁路运营进行养护维修十分困难。而刚性铺装体系，即在钢桥面上布设长栓钉浇筑普通混凝土形成一体式混凝土道砟槽[9-10]，避免了柔性铺装老化问题，但其存在二期质量大，在大跨径桥梁上应用困难等问题。

近年来，业内提出了一种超高性能混凝土组合钢桥面铺装体系。超高性能混凝土(简称UHPC)具有超高力学性能和良好耐久性能[11-15]，将其引入钢桥面结构，通过短栓钉与钢桥面板相结合，形成组合铺装体系。在荷载作用下，该铺装体系可显著改善钢结构细节的疲劳性能，同时，UHPC层不会发生开裂破损[16-18]。目前，该铺装体系已应用于数十座公路桥梁工程中，取得了较好效果[19]。而铁路钢桥面应用较少，尚需深入研究。

UHPC层厚度直接影响铁路组合桥面铺装的工作性能。为研究合理的UHPC层厚度，依托沪苏通长江大桥工程，采用有限元法建立典型UHPC层厚度模型(根据构造要求和工程经济性，选取UHPC层厚分别为50，60，70 mm)，对比UHPC层应力情况及钢桥面板构造细节的疲劳应力幅变化情况，进而探讨合理UHPC层厚度，并对UHPC层厚为50 mm的组合桥面结构进行模型试验，以考察其抗渗性能。

1 工程概况

沪苏通长江大桥主桥采用双塔5跨钢桁梁斜拉桥结构，桥跨布置为(142+462+1092+462+142) m。主梁为三主桁结构，桁间距17.25 m。主桁采用“N”形桁架，跨中桁高16 m，节点间距14 m。桥塔为钻石形塔。该桥为公铁两用桥，上层为公路桥面，下层为铁路桥面。铁路桥面采用整体钢箱桥面结构。其中，钢箱顶、底板分3种厚度，分别为16，20，24 mm。顶板采用U形肋加劲，U肋上口宽300 mm、高280 mm、厚8 mm，横向间距600 mm。同时，在每道钢轨底部设置倒T形小纵梁加劲。钢箱设有横隔板，纵向间距为2 800 mm。主桥整体布置如图1所示。

图1 主桥总体布置(单位：m)

针对现有铁路钢桥面铺装的不足，提出超高性能混凝土组合钢桥面铺装方案，以增强桥面防水效果，延长使用寿命。拟定UHPC组合铺装方案为：在钢桥面板上铺筑一层厚度为50～70 mm UHPC层，其中，UHPC层与钢桥面板采用栓钉连接(规格为φ19 mm×35 mm，纵横间距为300 mm×300 mm)。为提高UHPC层抗裂性能，UHPC层内部布设纵横钢筋网(规格为φ10 mm、HRB400，纵横间距为100 mm×100 mm)，并在UHPC层上表面洒布一层厚度为2～3 mm高黏高弹沥青。方案如图2所示。

图2 铁路桥面铺装结构(单位：mm)

2 铺装结构分析

2.1 有限元模拟

采用有限元软件分别建立整体和局部模型(UHPC层厚分别为50，60，70 mm)，如图3所示。在局部模型建模过程中，为减小计算规模，模型纵向取中跨跨中14 m长段(含5道横隔板)，横桥向取半幅桥面梁结构。其中，钢桥面板顶板、底板、U肋、小纵梁与横隔板均采用SHELL63板壳单元模拟，UHPC、道砟、轨枕、铁轨采用SOLID45实体单元模拟，UHPC与桥面板交界面采用耦合方式处理，以符合真实受力。荷载采用TB/T 3466—2016《铁路列车荷载图示》中ZK特种荷载。

图3 有限元模型

计算过程主要考虑第一、二、三体系荷载作用的影响，重点分析UHPC层顶面拉应力和钢桥面板细节疲劳应力幅。

2.2 结果分析

2.2.1 UHPC层顶面拉应力

UHPC抗压强度通常不低于100 MPa，发生受压破坏的可能性较低。因此，需重点关注UHPC层拉应力水平。将第一、二、三体系应力计算结果相加，即可得到UHPC层顶面在纵横两个方向拉应力。

计算表明：在最不利工况下，50 mm厚UHPC层顶面最大拉应力横向为4.32 MPa，纵向为9.73 MPa；60 mm厚UHPC层顶面最大拉应力横向为3.31 MPa，纵向为9.31 MPa；70 mm厚UHPC层顶面最大拉应力横向为2.74 MPa，纵向为9.07 MPa。均低于同等钢筋网间距下表面出现0.05 mm裂纹对应的试验名义弯拉应力值12.7～13.3 MPa[20]；同时，也低于GDJTG/T A01-2015《超高性能轻型组合桥面结构技术规程》中同等钢筋网间距下的名义弯拉应力值12.1 MPa，可确保裂纹宽度小于0.05 mm，满足使用要求。

2.2.2 钢桥面板疲劳细节应力

正交异性钢桥面板容易疲劳开裂部位主要集中在加劲肋与顶板连接处、加劲肋与横隔板连接处以及横隔板弧形切口处，将重点针对以上3个部位疲劳应力进行计算分析，通过计算将结果汇总于表1，并与欧洲规范EC3[17]中500万次循环对应的疲劳极限值对比。

由表1可知，采用UHPC组合桥面后钢结构各疲劳细节最大应力幅为6.1～83.7 MPa，与无铺装钢桥面各疲劳细节受力相比均有明显下降，最大应力幅降幅为2.7%～72.2%。UHPC层厚度对小纵梁与顶板连接处应力影响较大，采用70 mm厚UHPC层时，最大应力幅降幅为72.2%；采用60 mm厚UHPC层时，最大应力幅降幅为68.2%；采用50 mm厚UHPC层时，最大应力幅降幅为61.0%；由于UHPC组合桥面钢结构疲劳应力水平较低，低于常幅疲劳极限，因此，可基本消除后期钢桥面板的疲劳开裂风险。

2.2.3 合理的UHPC层厚度

结合UHPC层顶面拉应力和钢结构细节疲劳应力幅结果可知，3种不同厚度UHPC层均能满足使用要求。由于钢结构应力改善程度与局部刚度相关，根据JTG/T 3364—02—2019《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》提供的钢桥面铺装结构局部刚度公式，可得UHPC层厚度与局部刚度指标肋间挠度的关系曲线，如图4所示。

图4 UHPC层厚与肋间挠度关系曲线

由图4可知，肋间挠度随着UHPC层厚度增加而逐渐降低，曲线趋势趋于平缓。当UHPC层厚分别为50，60，70 mm时，降幅分别为86.5%，91.7%，94.6%。即层厚为50～60 mm时，降幅已接近90.0%，继续增加厚度，降幅效果不明显。因此，理论上UHPC层的合理厚度区间为50～60 mm。

3 组合桥面抗渗性能试验

根据理论分析结果可知，组合铺装体系中UHPC层运营阶段会产生一定量的裂纹，但裂纹宽度小于0.05 mm。由于铁路桥面铺装的耐久性能是设计的关键内容，因此，需明确UHPC层在带裂纹状态下抵抗高水压力渗透的能力。

3.1 试验设计

试验模型选取横向单U肋、纵向2跨结构。模型长4 100 mm，宽600 mm，支点间距1850 mm。钢结构部分钢桥面板厚12 mm；U肋上口宽300 mm、下口宽180 mm、高260 mm、板厚6 mm；横隔板厚8 mm。按最不利情况考虑，铺装层采用厚50 mmUHPC层，钢桥面板与UHPC铺装层间采用φ19 mm×35 mm剪力钉连接，间距300 mm。模型尺寸如图5所示。

图5 模型结构尺寸布置(单位：mm)

为模拟水压效应，本试验制作了专用水压试验装置，试验装置主要由反力横梁、千斤顶、钢制器体、橡胶垫圈、进出水调节及测试器件等部分组成。试验时，将水压装置置于UHPC层表面，通过进出水口调节水压力，以达到试验需要的水压力。水压试验装置如图6所示。

图6 水压试验装置

为模拟组合铺装体系不同的带裂纹状态，水压试验前，需先对3片试验梁(U-1、U-2和U-3)分别施加不同的静力荷载，然后依据TB/T 2965—2011《铁路混凝土桥面防水层技术条件》和TB 10424—2018《铁路混凝土工程施工质量验收标准》，进行静水压力0.9 MPa(基于轮压考虑)、2.0 MPa(即P20级)，铁路桥面混凝土抗渗性能要求下的抗水渗性能试验。测点为中隔板顶面。

试验梁U-1主要试验步骤为：①无需静力加载，直接进行水压试验；②在测点位置安装水压装置，水压装置与UHPC层上表面间通过橡胶垫圈密贴并用千斤顶压紧；③将含有酚酞试剂的加压用水，通过进水口注入钢制器体；④通过水压力装置上的进出水口调节水压力(以0.1 MPa为一级，逐级加压)，分别达到0.9，2.0 MPa压力值；⑤加压稳定后，保持水压8 h，每隔10 min观察一次测点附近的渗水情况。

试验梁U-2主要试验步骤为：①对试验梁进行静力承载能力试验，当中横隔板混凝土表面裂纹宽度达到0.05 mm时，保持荷载进行水压试验；水压试验步骤与试验梁U-1中②～⑤相同。

试验梁U-3主要试验步骤为：①对试验梁进行静力承载能力试验，当中横隔板混凝土表面裂纹宽度达到0.15 mm时，中横板屈曲，保持荷载进行水压试验；水压试验步骤与试验梁U-1中②～⑤相同。

3.2 试验结果

通过对表面产生不同程度开裂情况的组合桥面试件进行水压试验，得到各测点的渗水情况。

(1)试验梁U-1测点

在0.9 MPa水压下，测点附近UHPC层上表面和侧面均无渗水现象，水压维持1 h后钢板底部观察孔内UHPC有轻微渗水现象；约2 h后，钢板底部观察孔内渗水现象消失，孔内干燥。在2.0 MPa水压下，测点附近UHPC层上表面、侧面及底部观察孔均无渗水情况。

(2)试验梁U-2测点

水压≤0.5 MPa时，测点附近UHPC表面和侧面无渗水现象，底部观察孔有轻微渗水情况。当水压介于0.5～2.0 MPa时，测点附近UHPC层上表面、侧面及底部观察孔均无渗水情况。

(3)试验梁U-3测点

在0.9 MPa水压下，测点附近UHPC层上表面、侧面，钢板底部观察孔均有渗水现象。在2.0 MPa水压下，测点处UHPC层上表面依然渗水，侧面水从裂纹处喷出，钢板底部观察孔内UHPC湿润。侧面及底部渗水情况如图7所示。

图7 U-3测点试验现象

试验表明：50 mm厚UHPC层组合桥面体系在表面无裂纹时抗渗性能满足要求，可有效防止桥面水分渗透至钢桥面板；组合铺装体系在裂纹宽度≤0.05 mm时，微裂纹随着水压增加而逐渐闭合，裂纹闭合后仍能满足抗渗要求；当组合铺装体系在极限荷载作用下，裂纹较多且较宽时，抗渗能力不足，无法满足抗渗要求。

4 结论

UHPC层厚度直接影响铁路组合桥面铺装的工作性能。为研究合理的UHPC层厚度，采用有限元法对UHPC层和钢桥面板受力性能分析，进而探讨UHPC层合理厚度区间，并通过模型试验验证其抗渗性能，得到如下结论。

(1)3种厚度UHPC层均能有效抵抗荷载作用产生的拉应力，表面裂纹宽度控制在0.05 mm以内，满足使用要求；同时，可显著降低钢桥面板细节疲劳应力幅，降幅达72.2%，基本上消除后期疲劳开裂风险。

(2)随着UHPC层厚度增加，肋间挠度减小，局部刚度增大，钢桥面板应力得到改善。当厚度介于50～60 mm时，肋间挠度降幅接近90.0%，钢桥面板应力改善效果明显。

(3)模型试验表明，UHPC层表面裂纹宽度达到0.05 mm时，裂纹随水压增加而闭合，在2.0 MPa水压下无渗水现象。因此，UHPC层能够满足P20级抗渗要求，且具有一定的裂纹自修复能力。