目前，钢桥面采用的铺装方案有柔性铺装与刚性铺装两种，且以柔性铺装为主^{[1, 2, 3]}。柔性铺装由于模量低(特别是夏季)，不能有效提高桥面系刚度、降低结构中的应变，因此难以解决钢桥面板及铺装层的疲劳开裂问题，而且在高温下，容易出现车辙、推移、脱层等病害^{[4, 5, 6]}。而现有的刚性铺装，虽然能够大幅度提高桥面系刚度，且不会产生车辙、推移等病害，但材料的抗拉性能仍不能满足要求^{[8, 9, 10, 11]}，已成功应用于广东肇庆马房大桥的钢桥面维修工程中。

为保护主铺装层STC不受行车磨损及外界环境因素的影响，同时改善铺装表面抗滑性能，有必要研究与其优良性能相匹配的桥面磨耗层。薄层聚合物混凝土磨耗层，简称TPO(Thin Polymer Overlay)，它是以环氧树脂为胶结剂，以坚硬耐磨的玄武岩为集料所形成的超薄抗滑磨耗层。TPO不仅具有优良的抗滑性、低渗透性、长久的耐磨性，而且强度高、韧性好^[12]。20世纪70年代开始，美国、加拿大等国将TPO应用于桥面铺装，目前美国超过40个州的跨海大桥、城市高架、FRP桥梁、吊桥、隧道上都有聚合物混凝土应用案例^[13]。而在国内，聚合物混凝土应用于桥面铺装的研究才刚刚开始。

本文研究薄层聚合物混凝土磨耗层TPO铺筑于STC-钢桥面组成的轻型组合结构上，形成超高性能轻型组合桥面铺装体系，即STC+TPO。采用ANSYS有限元软件，分析荷载、温度等因素对STC+TPO薄层铺装体系受力特性的影响，重点关注STC层、TPO层中拉应力以及STC-TPO层间剪应力，并通过室内试验探明STC-TPO层间结合强度，通过理论分析与试验研究相结合的方法，开展超高性能轻型组合桥面铺装体系基本力学性能研究。 1 STC+TPO桥面铺装体系受力分析

针对广东肇庆马房大桥进行受力分析，铺装方案如图 1所示，其中，图 1(a)为原沥青铺装方案；图 1(b)为马房大桥维修工程所采用的STC铺装；图 1(c)为本文提出的STC+TPO铺装方案。

图 1 马房大桥桥面铺装 Fig. 1Deck pavement of Mafang Bridge

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采用ANSYS有限元软件，计算钢桥面板及铺装层在不同条件下的受力状况。参考马房大桥的检测试验区域，且由于铺装体系对车辆荷载的响应具有很强的局部性，本文采用局部梁段进行受力分析，即横向为两箱室之间的钢桥面板，纵向为远离梁端且受箱梁整体弯曲应力影响最小的区域。局部模型的范围为：纵向长6 m，横向宽2.6 m。加载方式为《公路桥涵通用设计规范》规定的车辆荷载(轴重140 kN，单轮着地面积0.20 m×0.60 m，简称规范荷载)和马房大桥检测所用重车荷载(轴重330 kN，单轮着地面积0.30 m×0.22 m，简称检测荷载)。

计算假设为：铺装层为连续、均匀、各向同性的弹性体，层间均完全连续接触。模型采用如下边界条件：钢桥面板及横隔板的纵桥向两侧完全固结，钢桥面顶板和横隔板下翼缘的横桥向边缘无横向位移。横隔板下翼缘除了横、纵桥向边缘约束，其余部分均处于自由状态。有限元模型见图 2，荷载布置见图 3，相关计算参数见表 1。

图 2 有限元模型 Fig. 2Finite element model

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图 3 车辆荷载布置图 Fig. 3Arrangement of traffic loads

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1.2 有限元计算结果与检测数据的对比

铁科院北京铁科工程检测中心对马房大桥第11跨进行了加载试验，得到了铺装铲除和STC铺装状态下的检测结果(图 4)^[11]。检测荷载下有限元计算结果列于图 4。

图 4 各测点拉应变峰值 Fig. 4Maximum tensile strains of measuring points

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由图 4可知：(1)对于铲除铺装方案，横向测点(M2，M4，…)远大于纵向测点(M1，M3，…)的拉应变；对于STC和STC+TPO铺装方案，横向拉应变依旧大于纵向拉应变，但并不明显，这是因为刚性的铺装材料改善了整个桥面系的受力，使得桥面板应变分布趋于均匀。(2)相对于铲除铺装，STC和STC+TPO铺装的钢桥面板最大拉应变平均降低79.2%，76.4%。可见，这两种铺装对整个桥面系刚度提升的效果明显，钢桥面板的应变大幅下降，这对于提升钢桥面板的疲劳寿命极为有利。(3)铲除铺装后的各测点应变计算值与实测值的平均误差较大，为14.67%，这是由于钢桥面板已经出现多种病害，而有限元计算未计入病害影响，故误差较大且计算值偏低。(4)STC铺装下的各测点最大拉应变计算值与实测值比较接近，平均误差为8.41%。因此，采用此局部模型能较好模拟钢桥面铺装体系在车辆荷载下的受力状况，可以用于STC+TPO新铺装体系的计算。 1.3 STC+TPO桥面铺装体系分析

经过验证的有限元模型用于分析STC(60 mm)+TPO(10 mm)组合铺装体系受力状况，重点关注STC层、TPO层表面拉应力以及STC-TPO层间剪应力。计算采用规范荷载，并计入荷载的冲击作用力(冲击系数取0.3)。 1.3.1 最不利荷位

荷载位置对铺装层的受力有显著的影响。本文中，横桥向考虑加载线1~4共4种工况；纵桥向考虑轮位A,B,C共3种工况。计算不同荷载位置时铺装层的最大拉应力及铺装层间最大剪应力。计算结果表明，STC、TPO中的最大拉应力出现在横隔板及加劲肋上方铺装层表面，最不利荷载位置见表 2。

基于最不利荷位，分别计算规范荷载和超载50%的情况下沥青铺装和STC+TPO铺装的应变及位移，如图 5所示。

图 5 铺装层应变及位移峰值 Fig. 5Maximum strain and displacement of pavement layer

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由图 5可知：(1)规范荷载时，相比于沥青铺装，STC+TPO铺装在横向拉应变峰值、纵向拉应变峰值和位移峰值上的降幅分别为：76.3%,68.1%,49.1%；(2)在超载时，桥面铺装的受力变得更为不利，但相比于沥青铺装，STC+TPO铺装的横向最大拉应变、纵向最大拉应变和位移峰值分别减少了76.9%,68.3%,49.4%。

由此可知，基于STC+TPO的新铺装体系大幅提高了桥面体系刚度，从而使铺装层中的应变和竖向变形大大减小。 2 设计参数对铺装层的影响分析 2.1 车辆荷载对铺装层的影响

为了研究车辆的超载和加减速对STC+TPO铺装体系受力的影响，对不同轴载和不同水平力作用下的铺装层最大拉应力及STC-TPO层间剪应力进行分析，计算结果见图 6和图 7。

图 6 竖向荷载与应力的关系 Fig. 6Relationship between vertical load and stress

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图 7 水平荷载与应力的关系 Fig. 7Relationship between horizontal force and stress

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从图 6可知：(1)铺装层最大拉应力和层间最大剪应力均随着轴载的增加而增大，具有良好的线性关系。(2)随着轴载的增加，铺装层应力增幅明显，如轴载从100 kN增加至210 kN；TPO层最大拉应力将从3.22 MPa增加至6.46 MPa；STC层最大拉应力将从6.44 MPa增加至12.90 MPa；层间最大剪应力将从0.42 MPa增加至0.85 MPa。这就要求新结构体系的铺装层材料具备超高的力学性能。

由图 7可知：(1)水平力大小对各铺装层拉应力几乎没有影响。(2)车辆正常行驶时(即水平力系数0.3以下)，STC-TPO层间最大剪应力基本保持不变。(3)当车辆出现明显加减速 (水平系数>0.3)时，STC与TPO层间最大剪应力显著增大，如：车辆紧急制动(水平力系数0.5)，轴载100 kN时，层间最大剪应力达0.53 MPa，是正常行驶时的1.25倍；轴载140 kN时，层间最大剪应力达0.73 MPa，是正常行驶时的1.27倍。(4)通过对剪应力的进一步分析，水平力系数小于0.3时，层间横向最大剪应力大于纵向最大剪应力，破坏以横向剪切破坏为主；当水平系数大于0.3时，层间纵向最大剪应力大于横向最大剪应力，破坏以纵向剪切破坏为主。 2.2 环境温度的影响

TPO材料具有热固性，即在高温下不会像沥青混凝土一样向黏塑性发展；但随着温度的升高，TPO的弹性模量会随之下降^[14] 。研究环境温度对STC+TPO铺装力学性能的影响，可以从不同温度下TPO模量的变化入手。图 8为环境温度(模量)与应力峰值的变化关系。

图 8 不同温度时的最大应力值 Fig. 8Maximum stress varying with temperature

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从图 8可知：(1)从0 ℃上升到40 ℃，TPO最大拉应力和层间最大剪应力分别下降了21.3%，16.9%，STC最大拉应力上升了6.5%。(2)从40 ℃到60 ℃，TPO最大拉应力和层间最大剪应力分别下降了88.0%,70.5%，STC最大拉应力上升了22.9%。(3)TPO拉应力和STC-TPO层间剪应力对温度较为敏感，且由于TPO材料性能会随温度发生变化，因此对于STC+TPO铺装体系，应进行常温(20 ℃)和高温(60 ℃)两种条件下的强度可靠性分析。 2.3 STC和TPO厚度的影响

TPO厚度一般为7~20 mm，与施工方法、集料级配、经济性等因素有关。以广东马房大桥为例，研究STC+TPO铺装的4种厚度组合方案，应力计算结果见表 3。

从表 3可知：(1)在STC厚度维持60 mm的情况下，TPO厚度由10 mm增至20 mm，TPO最大拉应力下降了10.7%，STC最大拉应力下降了19.8%，层间剪应力增加了49.3%；(2)在TPO厚度维持10 mm 的情况下，STC厚度由60 mm增至70 mm，TPO最大拉应力下降了22.5%，STC最大拉应力下降了20.6%，层间剪应力下降了16.7%；(3)总厚70 mm，(60+10)mm方案与(50+20)mm方案相比，STC最大拉应力上升了0.8%，TPO拉应力下降了12.9%，STC-TPO层间的最大剪应力下降了44.6%。总厚80 mm的两种方案也有类似规律。

通过对比不同厚度组合方案时的受力情况，得到如下结论：(1)TPO层模量较大，能够改善铺装体系的受力，因而不仅是一个功能层，也是一个结构层。(2)TPO厚度维持不变时，提高STC厚度对整个铺装体系受力有利；在铺装层总厚不变时，减小TPO厚度，增加STC厚度所占比例对结构的受力更加有利。(3)对于马房桥而言，建议采用60 mm STC + 10 mm TPO或者70 mm STC + 10 mm TPO。 2.4 STC+TPO铺装结构的最不利工况

基于以上分析，将超载与车辆紧急制动进行组合是STC+TPO体系的最不利工况。考虑超载50%，水平力系数0.5，并计入温度影响，铺装层中的应力计算结果见表 4。

本文采用45°斜剪试验测量STC-TPO界面的抗剪强度。首先制备300 mm×300 mm×50 mm的STC试板，养护完成后，试板分为两组，其中一组进行界面糙化处理。糙化处理采用硬刻槽方式，槽深3 mm，槽宽3 mm，槽间距10 mm。将处理完成的STC试板清理干净并晾干，然后采用撒布法铺设20 mm 厚TPO层。待TPO层固化完成后，将所有试板切割成小试件，试件尺寸为98 mm×98 mm×70 mm。试验装置见图 9，试验结果见表 5。

图 9 界面斜剪装置图 Fig. 9Oblique shearing test on interface

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从表 5结果可知：(1)无论在高温还是常温下，采用粗糙处理的界面抗剪强度均大于光面情况下的抗剪强度，这是因为采用粗糙的界面，增大了机械咬合力和摩擦力的缘故；(2)在室温(20 ℃)时，粗糙处理与光面相比，抗剪强度相差不大，这是因为树脂的黏结强度在抗剪强度中起主导作用，而机械咬合力和摩擦力对剪切强度的贡献比例不大；(3)在高温(60 ℃)条件下，粗糙处理后的层间抗剪强度比未处理的层间抗剪强度高35%，这是由于高温时树脂的黏结力显著下降，表面摩擦及咬合力对抗剪强度的贡献比例增大。因此，为了保证高温情况下界面的抗剪强度，推荐采用界面糙化处理工艺，如割槽、喷丸处理或喷砂处理等。 4 STC+TPO铺装体系技术可行性分析

STC铺装层是通过对活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)改性，并密实配筋而形成的钢桥面上永久结构层，其抗压强度大于120 MPa，抗拉强度大于40 MPa，弹性模量为42 GPa。STC层通过剪力钉和黏结层与钢板形成协同受力体系，有效提高了桥面系的刚度，大大降低了钢桥面板和STC层的应力水平及局部变形。由2.4节可知，超载50%，高温60 ℃时STC层受力最不利，最大拉应力为16.1 MPa；相关试验研究表明STC层抗拉强度为42.7 MPa^[9]，故抗拉强度安全系数为2.65。

TPO超薄抗滑磨耗层，其20 ℃时抗拉强度大于14.5 MPa，60 ℃时大于1.1 MPa^[15]。由2.4节可知，最不利工况下，TPO层20 ℃时最大拉应力为6.57 MPa，故抗拉强度安全系数为2.2；60 ℃时最大拉应力为0.78 MPa，抗拉强度安全系数为1.4。

足够的界面黏结强度是STC层与TPO层协同受力的基本条件，对铺装寿命有很大影响。通过斜剪试验得到界面粗糙时的抗剪强度为16.1 MPa(20 ℃) 和2.56 MPa(60 ℃)。由2.4节计算得到最不利工况的STC-TPO层间最大剪应力为1.07 MPa(20 ℃)和0.66 MPa(60 ℃)，其抗剪强度安全系数分别为15.05(20 ℃)和3.88(60 ℃)。

此外，本研究针对提出的超高性能轻型组合桥面进行了弯拉疲劳试验研究，结果表明，主铺装层STC在200万次疲劳试验后，没有出现疲劳裂缝，具有优良的抗弯拉疲劳性能^[16]。

综上可知，STC+TPO组合铺装体系各层材料抗拉强度及层间黏结强度均满足重载及高温环境下的使用要求，且STC主铺装层疲劳性能较好，整个铺装体系在技术上是可行的。 5 结论

(1)采用STC+TPO铺装能有效改善桥面体系的受力状况，钢桥面板中的应变得到大幅下降且分布更为均匀，大大降低了钢桥面板疲劳开裂的风险。

(2)STC+TPO铺装层中的应变和竖向变形远小于沥青铺装层中的应变和变形，力学性能更优。

(3)STC+TPO铺装层在超重荷载、紧急制动和高温情况下的拉应力和层间剪应力均远小于各自的强度指标，因而避免了铺装层开裂、层间黏结失效的风险。

(4)界面强度试验表明，水泥基材料STC与聚合物混凝土TPO黏结性能优良；界面通过糙化处理，具有足够的抗剪强度安全系数，满足重载及高温环境下的使用要求。

(5)本文针对STC+TPO钢桥面铺装体系基本力学性能开展研究。后续研究中，在探明组合桥面结构中栓钉、黏胶等的本构关系的基础上，拟开展“钢板-STC-TPO”复合桥面铺装体系疲劳性能研究。