正交异性板是由纵、横互相垂直的加劲肋连同桥面顶板所组成的共同承受车轮荷载的结构, 以其自重轻、承载能力强和整体性好等优点在国内外大跨度桥梁中得到广泛应用^[1]。我国2001年之前建成的大跨径钢桥, 正交异性板顶板厚度一般为12 mm, 相较于目前常用的14~16 mm, 整体刚度偏低, 这导致桥面系更易出现2类病害问题, 一是桥面铺装的早期破坏, 运营1~3年后, 沥青混凝土铺装就出现了车辙、裂缝和脱层病害^[2]; 二是正交异性板的疲劳开裂问题, 某大桥建成通车后不到5年, 纵肋-横隔板和纵肋-面板等焊缝处就出现了疲劳裂缝^[3]。在荷兰和日本, 同类病害现象也有较多报道^[4-5]。

对于出现上述问题的钢桥, 国外一般通过刚性铺装技术进行桥面系补强。如荷兰采用高配筋率的超高性能水泥混凝土(UHPC)铺装^[6-9], 其高强度和高韧性有助于减少车辙和裂缝, 其高模量有利于提高桥面系刚度, 降低正交异性板疲劳细节的应力峰值。日本则采用玻璃钢(GFRP)加强的钢纤维水泥混凝土(SFRC)^[5]。但由于钢筋间距小, 混凝土不易振捣密实, 荷兰的UHPC铺装出现了较多问题^[6]。

钢桥面铺装路用性能的核心问题是铺装—桥面板之间的黏结和铺装结构的防水性能。笔者利用树脂类材料固化后强度高和模量高的特点, 将其灌入OGFC沥青混凝土孔隙中, 形成与桥面板黏结良好且不透水的灌注式树脂混凝土(PRC), 以期提高铺装刚度, 降低正交异性板疲劳细节应力, 并提高铺装黏结性能和防水性能。

树脂类材料固化后强度高, 但柔韧性偏低, 用于灌注式树脂混凝土时, 易产生裂缝。通过降低交联密度, 在固化产物的分子结构中引入柔性链段, 或采用长脂肪链增韧剂, 可实现树脂的柔性化。根据这种原理, 采用两种柔韧性不同的树脂、一种具有降低树脂刚性、增加延伸率的低黏度液体添加剂和一种能够打开树脂中的环氧基团, 使之交联固化的自制胺类固化剂进行配方研究。试样制备时, 先将两种树脂按比例混合, 搅拌5~8 min后依次加入液体添加剂和固化剂, 再次搅拌4~6 min后制样, 100 ℃下固化2 h后, 在相应的试验温度下保温4 h后进行试验, 结果见表 1。

配方2具有适中的拉伸强度和断裂伸长率, 低温弯曲性能良好, 可作为灌注用树脂材料的最终配方。对该配方进行附加试验, 结果见表 2。试验结果表明其黏度较低且胶化时间较长, 能够满足施工操作性和施工时间要求。

(1) 试件制作方法

采用4%左右的SBS改性沥青制作OGFC-10混合料, 孔隙率为20%~25%, OGFC除动稳定度可低至500次/mm外, 其他指标均须满足规范要求。

制作马歇尔试件时, 将OGFC混合料装入试模, 插捣击实后, 用树脂将试模底部密封; 车辙试件则须密封试模底部及四周。然后按照1.1节所述方法制备树脂材料, 以自然渗入的方式灌注, 将灌注后的试件在常温下静置10 d或在90 ℃下静置2 h, 脱模后可进行性能试验。

(2) 路用性能试验结果

试验结果见表 3。残留孔隙率是PRC的关键指标, 决定了PRC的防水性能和与桥面板之间的黏结性能, 测试结果均小于2.5%, 能够满足防水要求。PRC高温稳定性、抗水损性能和低温抗裂性均能满足路用沥青混合料技术要求。

(3) 疲劳性能试验结果

采用应变控制四点弯曲疲劳试验, 1 000 με应变进行加载, 试验温度为15 ℃, 结果如表 4所示。

PRC铺装结构防水黏结层拟采用甲基丙烯酸甲酯(MMA)体系, 由富锌漆防腐层、MMA防水层和溶剂型胶黏层组成。防水黏结层与铺装层和桥面板之间的黏结性能须通过拉拔试验和剪切试验^[10-12]进行检验, 见图 1。在环境箱内保持相应温度4 h以上, 试验结果见表 5。

图 1 拉拔与剪切试验示意图 Fig. 1 Schematic diagram of pull-out and shear test

"PRC表面破坏"是指试件从拉拔头和PRC表面之间的结合面断裂(采用常温固化环氧树脂黏结), 组合试件的实际层间黏结强度大于试验结果。相较于钢板-MMA-浇注式沥青混凝土(GA)^[12]和钢板-环氧沥青-环氧沥青混凝土(EA)组合试件^[12], 钢板-MMA-PRC组合试件的拉拔强度和剪切强度更高, 其原因是黏结强度取决于铺装层与钢板之间的薄弱层次或薄弱界面。前两种结构的薄弱层次分别为集料表面的改性沥青膜和环氧沥青膜, 而PRC结构的薄弱层次由改性沥青膜和环氧树脂膜共同组成, 因此黏结强度更高。

图 2所示PRC铺装表层采用了构造深度大、路用性能好的SMA沥青混凝土, 以满足行车安全性、舒适性和耐久性的要求; 环氧树脂黏层上撒布碎石以增加层间抗剪性能。图 3和图 4为常用环氧沥青混凝土铺装和浇注式沥青混凝土铺装结构, 作为后文受力对比分析的依据。

图 2 PRC铺装结构 Fig. 2 Pavement structure of PRC

图 3 GA铺装结构 Fig. 3 Pavement structure of GA

图 4 EA铺装结构 Fig. 4 Pavement structure of EA

桥面系刚度较低时, 铺装层层底剪应力和表面拉应力较大, 铺装易开裂和脱层; 正交异性板疲劳细节的应力峰值也会增大, 易出现疲劳裂缝。有限元计算时, 除考察以上受力外, 还应研究PRC层受力状况, 以检验铺装材料强度是否满足要求。

某桥面板厚12 mm, 横隔板间距3.1 m, 按照其桥面系参数建立4个横隔板长度和7个U型肋宽度的局部有限元计算模型, 见图 5; 桥面板和铺装层分别采用S4R四边形薄壳单元和C3D8R单元模拟, 不考虑涂膜防水黏结层厚度; 横隔板底部作为边界弹性支承, 具有x、y两个方向自由度, 层间假设为连续状态; 荷载采用BZZ-100, 最不利横向荷位根据文献[13]选取, 纵向取两个横隔板跨中位置。模量取值时, 以常温状态为基准, 并根据不利情况稍作调整, 见表 6。

图 5 未划分网格前的有限元模型 Fig. 5 Finite element model before meshed

钢桥面铺装常见的病害为表面纵向裂缝和脱层。表 7所示计算结果表明, 由于PRC材料模量较大, 铺装结构表面拉应力也相对较小, 可以防止表面纵向疲劳裂缝; 层底最大剪应力则相对较大, 但由前文黏结性能试验结果可知, PRC铺装的抗剪力远大于其他结构, 且远大于计算结果, 可以防止脱层病害。

正交异性板纵肋-顶板、纵肋-横隔板、横隔板-顶板和横隔板弧形开口的焊缝处最易出现疲劳裂缝^[14-16]。表 8计算结果表明, 采用PRC铺装结构的正交异性板疲劳细节处的受力均降低了20%以上, 起到了良好的保护作用。

日本钢桥面铺装技术规范中, 规定铺装后的肋间相对挠度(图 6中Δ)和最小曲率半径(图 6中挠曲线A处)须满足要求, 从而使铺装结构受力适中, 并对正交异性板有一定的补强作用。有限元计算结果见表 9, 其中, 挠跨比是指相对挠度与加劲肋间距的比值^[10]。计算结果表明, PRC铺装各指标均能满足要求, 且相对优良, 说明铺装层受力合理, 对正交异性板的补强作用好。

图 6 最小曲率半径和最大挠度示意图 Fig. 6 Schematic diagram of minimum curvature radius and maximum deflection

五点脉动弯曲复合梁疲劳试验见图 7, 主要用于检验防水黏结层的黏结性能^[17-18], 如果100万次脉动弯曲循环作用后, 试件未发现脱层即可判定为满足要求。

图 7 复合梁疲劳试验示意图(单位:mm) Fig. 7 Schematic diagram of composite beam fatigue test(unit:mm)

试验加载频率为2 Hz, 试验环境温度为20 ℃。最大加载力应能够使裸板最大竖向变形达到0.5 mm, 实测为19.4 kN, 最小加载力为其0.15倍。其中, 最大加载力和最大位移均指加载反力架顶部。试验结果见图 8。荷载作用100万次后, 铺装层与钢板之间没有出现裂缝, 说明MMA防水黏结体系能够满足RPC铺装结构的受力要求。

图 8 试验曲线 Fig. 8 Test curves

根据有限元计算结果, 制作钢制缩尺模型(1.5×0.8)m见图 9, 以模拟标准荷载作用下12 mm厚桥面板和铺装的受力状况。采用小型移动荷载模拟器加载, 作用力为0.7 MPa, 试验环境温度为70 ℃。由于常温时, 两种铺装结构均未发现车辙和裂缝破坏, 这里仅给出高温加速加载试验结果, 见图 10。

图 9 钢制缩尺模型 Fig. 9 Steel scaled model

图 10 PRC试件高温加载时辙槽深度变化 Fig. 10 Change of PRC rut depth when loaded at high temperature

图 10试验结果表明, 高温加载12万次后, 灌注式树脂混凝土铺装无车辙产生, 也未发现其他病害。说明灌注式树脂混凝土铺装具有良好的高温稳定性, 对正交异性板起到了有效的保护作用。

所研发的PRC铺装结构于2012年5月和2014年7月分别用于某大桥铺装维修工程和某长江大桥试验段工程, 两座桥梁正交异性板顶板厚度分别为14 mm和16 mm。铺装完工后通车至今, 未发现车辙、裂缝和脱层等病害, 正交异性板未发现疲劳裂缝。

将性能优化后的环氧树脂注入OGFC沥青混凝土孔隙中, 形成强度和模量均较高的灌注式树脂混凝土, 以提高桥面系刚度, 保护正交异性板焊缝, 并提高铺装层与桥面板之间的黏结力。通过理论分析、室内试验和实桥验证, 得出以下结论:

(1) 性能优化后的环氧树脂材料, 断裂延伸率不小于20%, 拉伸强度不小于8.0 MPa; 所形成的PRC材料残留孔隙率小于3%, 60 ℃动稳定度达到30 912次/mm, -10 ℃低温小梁弯曲破坏应变达到7 900 με, 路用性能和防水性能均较优, 是一种可用于钢桥面铺装的新型材料。

(2) 所形成的MMA-PRC-SMA铺装结构, 防水层由改性沥青膜和树脂膜共同组成, 拉伸强度和剪切强度远高于其他常用铺装结构, 结构抗脱层性能优良。

(3) PRC铺装结构表面最大拉应力和防水层底最大剪应力均为3种铺装结构中最小, 且材料强度能够满足要求; 相对于其他沥青铺装, 采用PRC铺装结构的正交异性板的4个疲劳细节应力均有所降低, 且桥面系刚度能满足要求, 对正交异性板的补强作用好。

(4) 复合梁疲劳试验和加速加载试验结果表明, PRC铺装结构防水黏结层的疲劳寿命超过100万次, 满足规范要求, 且高温稳定性良好, 起到对正交异性板的保护作用。