钢桥面UTAC-UHPC新型铺装结构力学性能分析

    薛志强 万昀聪 王宏畅

    

    

    

    摘 要：为提高钢桥面铺装层性能，提出一种新的铺装体系——UTAC（超薄沥青混凝土）-UHPC（超高性能混凝土）新型复合铺装体系。利用Abaqus建立三维有限元模型，将UTAC-UHPC新型复合铺装体系与传统柔性铺装体系在最大竖向变形和铺装层拉应力上进行比较分析。结果显示：UTAC-UHPC新型复合铺装体系铺装层最大竖向变形较传统柔性铺装能够减少28%，有效地提高钢桥面的刚度和强度，减少铺装层的竖向变形;上面层横、纵方向最大拉应力较传统柔性铺装体系有明显的减少，分别减少了59%和51%，极大地延长桥面铺装的使用寿命。

    关键词：钢桥面铺装;超薄沥青混凝土;超高性能混凝土;有限元分析

    Abstract：In order to improve the performance of pavement， the new steel bridge deck pavement system——the composite pavement system with UTAC （Ultra-High Performance Concrete） - UHPC （Ultra-Thin Asphalt Concrete） was put forward， and the three-dimensional finite element model using Abaqus was built to make a comparison with the traditional flexible pavement system on the maximum deflection and tensile stress of the pavement. The result showed that the maximum vertical flection of UTAC-UHPC new composite pavement system can be reduced by 28% compared with the traditional flexible pavement， effectively improving the rigidity and strength of the steel bridge surface and reducing the vertical flection of the pavement; the maximum tensile stress of the upper layer in the horizontal and vertical directions was significantly reduced compared with the traditional flexible pavement system， respectively by 59% and 51%， greatly extending the service life of the bridge deck pavement.

    Keywords：Steel bridge deck pavement; ultra-thin asphalt concrete; ultra-high performance concrete; finite element analysis

    0 引言

    隨着经济和科技的进步，我国道路桥梁也迅猛的发展，自20世纪90年代以来，相继建成了大批大跨径斜拉桥、悬索桥，如南京长江四桥、虎门大桥等。这些钢桥的加劲梁多采用正交异性桥面板结构[1]。正交异性钢桥面板因具有自重轻、承载能力强、跨越能力大和施工速度快[2-4]等优点，而在大跨径桥梁建设中得到广泛的应用。但同时，由于大跨径钢箱梁桥特殊的使用环境、施工工艺和性能要求，正交异性板还有造价高、局部变形大和热容性差[5]等缺点。为了弥补这些缺点，国内外的相关学者在桥面铺装体系的设计上进行了大量的研究[6-7]。

    目前，国内外已建成的大跨径钢箱梁桥面铺装都或多或少存在不同程度的病害问题。不同于一般的道路铺装，钢桥铺装铺设于刚度较小的钢面板上，与钢桥面结构共同承重，钢桥面和铺装层的变形相互作用，如果难以协调会导致层间滑移、开裂等种种问题[8-10]。这些问题大大影响了桥梁的安全性、舒适性和使用寿命，因此，铺装层的设计和施工尤为重要。目前钢桥面铺装多采用柔性材料，如环氧沥青混凝土、改性沥青SMA和浇筑式沥青混凝土等。柔性铺装具有舒适性好、整体性好、修复快和维修量小等优点[11]，但难以满足日益增加的车辆荷载。为此学者们开始探索刚性铺装材料，刚性铺装材料能很好地满足刚度和强度要求，力学性能也相对稳定[12]，但是刚性铺装材料抗拉强度较低，要想很好地适用于大跨径桥梁，需要拥有较大的厚度，而厚度增大势必会增加桥梁自重，加大成本，因此不能广泛应用。

    国内外道路工作者经过不断地研究[13-16]，认为铺装材料应在以下几方面满足要求[17]：适应变形能力，层间黏结性能，抗裂性能，热稳定性，防水性能，铺装层厚度，耐久性。这些条件无论是柔性沥青铺装还是混凝土刚性铺装，都不能很好地满足。因此，对大跨径钢桥的铺装体系进行深入研究十分必要。本文采用超薄沥青混凝土（UTAC）与超高性能混凝土（UHPC）作为铺装材料并开展研究，提出UTAC-UHPC新型铺装结构，并用有限元分析的方法，对该结构力学性能进行系统的分析。

    1 UTAC-UHPC钢桥面铺装体系

    1.1 铺装材料

    UTAC-UHPC新型铺装体系主要由上层的超薄沥青混凝土层（UTAC）、下层的超高性能混凝土层（UHPC）和钢桥面板组成。

    UTAC，全称超薄沥青混凝土，具有抗滑性能好、低噪音和表面平坦等优点，其配制常选用有较好黏结力、耐久性、抗老化能力和抗剥离性的沥青胶材料（常采用改性沥青、橡胶沥青），搭配有较强耐磨性、抗腐蚀性且粒径偏小的集料（公称最大粒径正常为9.5 mm或13.2 mm）和亲水系数较小的石灰石矿粉[18]。

    UHPC，全称超高性能混凝土，也称活性粉末混凝土（Reactive Powerder Concrete， RPC），是一种创新型水泥混凝土材料， 具有自固结性好、机械强度高、耐久性强和渗透率低等特点[19]。其组成包括水泥、硅灰、级配石英细砂、石英粉、高效减水剂及钢纤维等。其组成材料的不同粒径颗粒以最佳比例形成最紧密的堆积，使内部空隙减少到最低，从而取得较高的强度和良好的耐久性。

    1.2 铺装结构特点

    本文研究的UTAC-UHPC新型铺装结构由上层20 mm厚超薄沥青混凝土、下层55 mm超高性能混凝土和14 mm钢板组成。与传统大跨径钢桥铺装对比有如下特点。

    （1）UHPC具有比传统柔性铺装较强的刚度热稳定性等优点，同时克服了传统刚性铺装抗拉任性差的缺点。使用UHPC作为钢桥面的主要铺装材料能够很好地避免一系列钢桥铺装早期病害问题，延长大跨径钢桥的使用寿命，增强舒适性[20]。

    （2）对混凝土桥面加装UTAC磨耗层，可以提高行车舒适性，延长钢桥使用年限，此外，加铺沥青薄型罩面，可以减少对原有桥面的损害，并且提高桥面的平整性，降低行车噪音，同时不会过分增大二期恒载[21]。

    （3）相较传统铺装，UTAC-UHPC新型铺装结构厚度更薄，性能更高。因此，使用UTAC-UHPC作为铺装层材料的钢桥，自重小，结构更加轻便，并且可以在交通量较大时，进行改性沥青磨耗层的加铺。

    2 UTAC-UHPC新型铺装桥面力学性能分析

    研究表明[22]，双层桥面铺装可以在铺装层功能上分工明确，上下层职责不同，相比单层铺装性能更好，已经成为工程应用的首选。本文以某长江大桥为背景，利用Abaqus软件，建立柔性铺装和UTAC-UHPC新型复合铺装的三维有限元模型并进行力学性能比较分析。该桥钢桥面板厚14 mm，下设U形加劲肋，U肋上口宽300 mm、下口宽170 mm、高280 mm、间距300 mm、板厚8 mm;横隔板厚14 mm，间距3 120 mm，高750 mm。柔性铺装选用上面层改性沥青厚35 mm和下面层浇筑式沥青厚40 mm，UTAC-UHPC符合铺装选用20 mm厚UTAC上面层和55 mm厚UHPC下面层。

    2.1 有限元模型

    为了模拟在车辆荷载的作用下钢桥面铺装层的受力，选取该桥钢箱梁节段建立有限元模型。有限元模型横向取8个加劲肋，纵向取三跨，并在模型中建立铺装层，铺装层上、下两层均采用实体单元C3D8R（八结点线性六面体单元，减缩积分，沙漏控制）来进行模拟。钢桥面板和U形加劲肋及横隔板均采用壳单元S4R（四结点曲面薄壳或厚壳，减缩积分，沙漏控制，有限膜应变）。

    分析用到的材料参数[23]为：改性沥青混凝土，杨氏模量2 020 MPa，泊松比0.3;浇注式沥青混凝土，杨氏模量9 046 MPa，泊松比0.3;钢，杨氏模量210 000 MPa，泊松比0.3;UTAC，杨氏模量1 215 MPa，泊松比0.25;UHPC，杨氏模量42 600 MPa，泊松比0.3。

    建立的钢桥面模型如图1所示。

    2.2 边界条件及荷载

    边界条件：钢桥面板及铺装层不允许有横向位移，横隔板顶部完全约束。

    车辆荷载：采用《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40—2011）中规定的车辆荷载，轮胎接地面积近似为0.2 m×0.6 m的矩形，荷载大小为0.7 MPa[24]。

    加载位置：为了确定钢桥面受力的最不利加载位置，本文将荷位分为横向3种情况，纵向从跨中至横隔板1 600 mm范围内9种情况，如图2和图3所示。移动方向如图4所示。

    2.3 分析结果

    2.3.1 竖向变形

    钢桥面板铺装层最大竖向变形，即桥面的最大弯沉，是反映钢桥面铺装体系质量的一个重要指标。不同于道路铺装，钢桥面铺装层较薄，钢桥铺装层产生的竖向变形会直接作用在正交异性钢板上，因此，较大的竖向变形会直接影响钢桥的使用寿?命和行车舒适度，铺装层竖向变形也是反映钢桥面铺装体系刚度、强度的重要力学指标。表1表2分别是柔性铺装体系和新型复合铺装体系的铺装层在各个荷位的最大竖向变形。

    从表1和表2中结果显示，无论是柔性铺装体系还是新型复合铺装体系，铺装层最大竖向变形基本都发生在横向荷位3处，且随着竖向荷位逐渐接近跨中位置（距离横隔板1 600 mm处）而呈上升趋势。两种铺装体系的最大竖向变形均发生在横向荷位3的跨中位置，如图5和图6所示。比较可得，新型复合铺装体系的最大竖向变形较传统柔性铺装体系减少了28%。新型复合铺装体系显著提升了桥面系强度和刚度，延长了桥梁使用寿命。

    2.3.2 铺装层最大拉应力

    铺装层开裂破坏是桥面铺装常见的一种破坏类型[25]，其发生的主要因素是铺装层表面的最大拉应力。因此分析桥面铺装在汽车荷载下的最大拉应力，是设计桥面铺装的重要步骤。

    本节把桥面铺装层分为上下两层，对比分析了传统柔性铺装和新型复合铺装在横、纵方向上的最大拉应力。结果显示，铺装层上、下层的横向最大拉应力均出现在横向荷位3的跨中位置（距离横隔板1 600 mm处）;上层纵向最大拉应力出现在横向荷位1，距离横隔板400 mm处;下层纵向最大拉应力出现在横向荷位1，距离横隔板800 mm处。表3和表4给出了横、纵方向最大拉应力在这些位置处的数据。

    根据表3和表4结果显示，对于上层铺装，新型复合铺装的横向最大拉应力较传统柔性鋪装减少了59%，纵向最大拉应力较传统柔性铺装减少了51%（图7），较大程度上改变了桥面系的受力。对于下层铺装，新型复合铺装的横、纵方向拉应力较传统柔性铺装体系都有所提升，这是因为UHPC刚度大而导致了下面层的表面拉应力增大。虽然其拉应力较大，纵向最大拉应力达到了1.018 MPa，但仍远小于UHPC的抗拉强度7.28～10.32 MPa[26]，并且新型复合铺装提高了桥面系的整体刚度，因此较传统柔性铺装抗疲劳性能更好。

    3 铺装层厚度对拉应力影响

    铺装层厚度作为钢桥面设计的一个重要控制指标，一般由经验确定，增大铺装层厚度，可以更好地分散桥面荷载，但会增加自重，使承载能力下降，同时提高成本，所以应该选择合适的铺装层厚度。

    3.1 UTAC上面层厚度的影响

    保持UHPC下面层55 mm不变，分别计算UTAC上面层取15、20、25 mm时对铺装层拉应力的影响。计算结果如图8—图11所示。

    从图8—图11中可以看出，对于上面层拉应力，通过改变不同的UTAC厚度，横向和纵向最大拉应力值在横隔板到距离横隔板400 mm的范围内均随着UTAC厚度的增大而减小，在距离横隔板400 mm到跨中位置的范围内均随着UTAC厚度的增大而增大，厚度由15 mm增大到25 mm时，横向最大拉应力增大了4.4%，纵向最大拉应力增大了3.1%。对于下面层拉应力，不同的UTAC厚度对横向最大拉应力的影响较大，而对纵向最大拉应力影响较小。最大横向拉应力随着UTAC厚度的增大而减小，厚度由15 mm增大到25 mm时，横向最大拉应力减小了5.7%。

    通过改变UATC厚度，对UTAC层和UHPC层的拉应力分析，综合考虑，本文选择20 mm厚UTAC层。

    3.2 UHPC下面层厚度的影响

    保持UTAC上面层厚20 mm不变，分别计算UHPC层厚取45、50、55、60 mm时，对铺装层拉应力的影响，计算结果如图12—图15所示。

    图12—图15中的结果显示，对于上面层拉应力，横向和纵向最大拉应力均随着UHPC层厚度的增加而增大，UHPC厚度由45 mm增至60 mm时，最不利荷位的横向最大拉应力增大了43%，纵向最大拉应力增大了16.8%。对于下面层拉应力，横向和纵向最大拉应力均随着UHPC层厚度的增加而减小，UHPC厚度由45 mm增至60 mm时，最不利荷位的横向最大拉应力减小了14.2%，纵向最大拉应力减小了19.2%。

    通过对比分析不同UHPC层厚度时的铺装层拉应力，得出结论。虽然增大UHPC下面层的厚度有利于减小铺装层下面层拉应力值，但对上面层的拉应力值有较大的不利影响，同时会增大成本。因此综合考虑铺装层的受力和经济效益，UHPC下面层建议取55 mm。

    4 结论

    本文通过建立传统柔性铺装体系钢桥段模型和UTAC-UHPC新型复合铺装体系钢桥段模型的三维有限元模型，并进行对比分析，得出主要结论如下：

    （1）在车轮荷载下，钢桥面铺装层最大竖向变形出现在跨中区域的两U肋间中心线的正上方，UTAC-UHPC新型复合铺装体系铺装层最大竖向变形较传统柔性铺装减少了28%。新型复合铺装体系能够有效地提高钢桥面的刚度和强度，减少铺装层的竖向变形，从而降低对钢桥面产生的不利影响，延长钢桥的使用寿命。

    （2）分析钢桥面铺装层表面最大拉应力时，对于上面层，横向最大拉应力的最不利荷载位置出现在跨中区域的两U肋间中心线正上方，纵向最大拉应力的最不利荷载位置出现在距离横隔板400 mm区域的U肋中心线正上方;对于下面层，横向最大拉应力的最不利荷载位置出现在跨中区域的两U肋间中心线正上方，纵向最大拉应力的最不利荷载位置出现在距离横隔板800 mm区域的U肋中心线正上方。

    （3）UTAC-UHPC新型复合铺装体系的铺装层上面层横、纵方向最大拉应力较传统柔性铺装体系均有较明显地减少，分别减少了59%、51%。新型复合铺装体系的UHPC下面层刚度较大，虽然会提升桥面系的整体刚度，但较传统柔性铺装下面层，最大横、纵方向拉应力也有所提升。

    （4）增大UTAC上面层厚度，上面层横、纵方向上最大拉应力在横隔板到距离横隔板400 mm的范围内减小，在距离横隔板400 mm到跨中位置的范围内增大，横向最大拉应力增大了4.4%，纵向增大3.1%;下面层横向最大拉应力减小，减小了5.7%。增大UHPC下面层的厚度，上面层横、纵方向最大拉应力均增大，下面层横、纵方向最大拉应力均减小;UHPC厚度由45 mm增大到60 mm，上面层横向最大拉应力增大了43%，纵向最大拉应力增大了16.8%，下面层横向最大拉应力减小了14.2%，纵向最大拉应力减小了19.2%。

    【参 考 文 献】

    [1]黄卫.大跨径桥梁钢桥面铺装设计理论与方法[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

    HUANG W. Theory and method of deck paving design for long-span bridges[M]. Beijing： China Architecture & Building Press， 2006.

    [2]王刚，林树锋，陈翠婷，等.大跨径钢桥面沥青铺装层有限元分析[J].森林工程，2018，34（2）：81-88.

    WANG G， LIN S F， CHEN C T， et al. Finite element analysis for long-span steel bridge asphalt pavement[J]. Forest Engineering， 2018， 34（2）： 81-88.

    [3]吉伯海，程苗，傅中秋，等.基于实测应变的钢桥面板疲劳寿命分析[J].河海大学学报（自然科學版），2014，42（5）：422-426.

    JI B H， CHENG M， FU Z Q， et al. Fatigue life analysis of steel bridge deck based on measured strain[J]. Journal of Hohai University （Natural Sciences）， 2014， 42（5）： 422-426.

    [4]TSAKOPOULOS P A， FISHER J W. Full-scale fatigue tests of steel orthotropic decks for the Williamsburg Bridge[J] Journal of Bridge Engineering， 2003， 8（5）：323-333.

    [5]吉林，李洪涛.大跨径钢箱梁悬索桥环氧沥青混合料铺装技术[J].公路，2005，50（11）：74-76.

    JI L， LI H T. Technology of epoxy asphalt mixture surfacing for long-span steel box girder suspension bridge [J]. Highway， 2005， 50（11）： 74-76.

    [6]胡春华，钱晋.钢桥面铺装体系设计方法初探[J].物流工程与管理，2011，33（4）：163-164.

    HU C H， QIAN J. Steel bridge deck pavement system design method were discussed[J]. Logistics Engineering and Management， 2011， 33（4）：163-164.

    [7]KONECNY P， LEHNER P. The Effect of the variation of input parameters on the onset of corrosion of the bridge deck exposed to chlorides considering selected reinforcement protection[J]. Key Engineering Materials， 2020， 832：147-157.

    [8]SHAO X D， YI D T， HUANG Z Y， et al. Basic performance of the composite deck system composed of orthotropic steel deck and ultrathin RPC layer[J]. Journal of Bridge Engineering， 2013， 18（5）：417-428.

    [9]CONNOR R J， FISHER J W， GATTI W J， et al. Manual for design， construction， and maintenance of orthotropic steel deck bridges[M]. Washington： US Department of Transportation Federal Highway Administration， 2012.

    [10]黄卫，刘振清.大跨径钢桥面铺装设计理论与方法研究[J].土木工程学报，2005，38（1）：51-59.

    HUANG W， LIU Z Q. Research on theory and method of long-span steel bridges deck surfacing design[J]. China Civil Engineering Journal， 2005， 38（1）： 51-59.

    [11]LIU X， TZIMIRIS G， SCARPAS A， et al. Experimental study of membrane fatigue response for asphalt multisurfacing systems on orthotropic steel deck bridges[C]// Transportation Research Board 93rd Annual Meeting， Washington， USA， 2014.

    [12]丁庆军，张锋，林青，等.轻质混凝土钢桥面铺装研究与应用[J].中外公路，2006，26（4）：188-190.

    DING Q J， ZHANG F， LIN Q， et al. Research and application of lightweight concrete bridge deck pavement [J]. Journal of China & Foreign Highway， 2006， 26（4）： 188-190.

    [13]李強，张卓宇，罗桑，等.基于CT扫描技术的沥青混合料虚拟劈裂试验[J].林业工程学报，2020，5（1）：164-170.

    LI Q， ZHANG Z Y， LUO S， et al. Virtual splitting test of asphalt mixture based on computer tomography scanning technology[J]. Journal of Forestry Engineering， 2020， 5（1）：164-170.

    [14]龚侥斌，谭振宇，吴传海，等.湿热条件下钢桥面铺装防水粘结体系施工质量控制[J].公路工程，2018，43（4）：170-175.

    GONG Y B， TAN Z Y， WU C H， et al. Construction quality control of waterproof adhesive system for steel bridge deck pavement under wet and hot conditions[J]. Highway Engineering， 2018， 43（4）： 170-175.

    [15]徐伟，秦杰君.加劲肋形式对钢桥面铺装影响与全厚单层铺装研究[J].公路工程，2018，43（1）：10-15.

    XU W， QIN J J. Study on the influence of rib style on deck pavement and single layer scheme of the pavement structure[J]. Highway Engineering， 2018， 43（1）： 10-15.

    [16]KUSUMAWARDANI D M， WONG Y D. Evaluation of aggregate gradation on aggregate packing in porous asphalt mixture （PAM） by 3D numerical modelling and laboratory measurements[J]. Construction and Building Materials， 2020， 246：118414.

    [17]胡光偉.大跨径钢桥面铺装体系力学分析与优化设计[D].南京：东南大学，2005.

    HU G W. Mechanical analysis and structural optimum design for deck paving of long-span steel bridge[D]. Nanjing： Southeast University， 2005.

    [18]南雪峰，王莹，高明.超薄磨耗层组成材料选择标准的研究[J].北方交通，2008，31（2）：4-6.

    NAN X F， WANG Y， GAO M. Research on standards for choice of component materials of ultra-thin wearing course[J]. Northern Communications， 2008， 31（2）： 4-6.

    [19]HANNAWI K， BIAN H， PRINCE-AGBODJAN W， et al. Effect of different types of fibers on the microstructure and the mechanical behavior of ultra-high performance fiber-reinforced concretes[J]. Composites Part B： Engineering， 2016， 86： 214-220.

    [20]田启贤，高立强，周尚猛，等.超高性能混凝土—钢正交异性板组合桥面试验研究[J].桥梁建设，2019，49（S1）：13-19.

    TIAN Q X， GAO L Q， ZHOU S M， et al. Research of composite bridge deck system with UHPC and orthotropic steel plate[J]. Bridge Construction， 2019， 49（S1）：13-19.

    [21]姚志锋.新型超薄沥青层在混凝土桥面白改黑中的应用[J].湖南交通科技，2020，46（1）：81-85.

    YAO Z F. Application of the new ultra-thin asphalt layer to reconstruction of concrete bridge deck[J]. Hunan Communication Science and Technology， 2020， 46（1）：81-85.

    [22]李洪涛.大跨径悬索桥新型钢桥面铺装结构研究[D].南京：东南大学，2006.

    LI H T. Research on new structure of long span suspension bridge steel deck surfacing[D]. Nanjing： Southeast University， 2006.