正交异性钢板－薄层活性粉末混凝土新型组合桥面结构研究

钢桥的正交异性钢桥面存在着沥青铺装层破损和桥面钢结构疲劳开裂两大难题，已成为钢桥的"癌症"，如武汉三桥"10年24修"等，经济损失巨大，国外钢桥也存在同样问题。目前的研究主要是针对改善铺装层的材性和工艺、加大钢面板厚度、优化构造细节等进行的，但难以治本。申请者研发了一种钢-超高性能混凝土新型组合桥面体系，即用改性的薄层活性粉末混凝土（RPC），将传统铺装层变为钢-RPC组合桥面协同受力。计算与实验证明，这种组合桥面结构具有刚度大、韧性好等特点，能综合解决上述两个难题，而重量与传统铺装持平。本项目将结合理论与实验完成以下基础性工作：探明适用于新型组合桥面的超高性能活性粉末混凝土材料的增强增韧机理、建立正交异性钢板-薄层活性粉末混凝土组合桥面结构静力与疲劳性能的计算理论、提出新型组合桥面的设计方法，并应用于实验桥。本项目研究成果可使RPC铺装层变为永久结构，并基本消除桥面钢结构疲劳开裂的风险。

正交异性钢桥面板在国内外应用广泛，但面临以下难题：钢桥面板在焊接细节处易疲劳开裂；钢桥面沥青铺装极易损坏，需频繁维修。这些病害问题影响到钢桥面系的耐久性甚至危及到安全性，使得维护费用飙升。.为根治上述问题，项目组首创性地提出了钢-超高性能混凝土（UHPC）轻型组合桥面结构（简称轻型组合桥面结构），其中UHPC也称为活性粉末混凝土（RPC）。UHPC仅厚35-60mm，其内密配钢筋网，通过剪力键与钢面板连接，上铺沥青层。本项目在以下研究内容方面取得了进展：.UHPC材料组分优化及增强增韧机理。探明了不同组分对UHPC基本性能的影响，并研发了适用于钢桥面的具有高抗拉强度的UHPC；研究了钢纤维的增强增韧作用，得到了UHPC的轴拉本构关系。结果表明，合理调整组分有助于提高UHPC的强度和韧性并减小收缩；掺入钢纤维后的UHPC具有轴拉应变硬化特性。.轻型组合桥面结构静力特性。研究了剪力键的抗剪特性，轻型组合桥面结构在纵、横桥向的抗弯性能，并研究了多种现浇接缝方案。结果表明，经密配钢筋后，UHPC的抗弯拉开裂强度达42.7 MPa。.轻型组合桥面结构疲劳特性。基于有限元分析探明了UHPC层对正交异性钢桥面板疲劳寿命的影响；对传统U型加劲肋优化，提出了含球扁钢开口肋的构造形式并进行了疲劳试验；对组合梁开展了抗弯拉疲劳试验。结果表明：在U肋正交异性钢桥面板中增设UHPC层后，钢桥面典型细节的应力幅降低20-80%，其中纵肋-面板焊缝、横隔板弧形切口、纵肋对接焊缝中的应力幅低于常幅疲劳极限，将无疲劳开裂风险；在球扁钢开口肋正交异性钢桥面板中，全部细节均无疲劳开裂风险； UHPC层在0-21.3MPa的拉应力幅下经历310万次循环后完好，未出现疲劳裂缝。.设计方法。提出了新型组合桥面结构的设计方法，并形成了《超高性能轻型组合桥面结构技术规程》，其核心原则是：UHPC层按结构层设计而不是铺装层。.实桥应用。研究成果已应用于4座实桥。其中马房大桥（首例实桥）上的轻型组合桥面结构运营超过4年，经历了3轮第三方检测，运营状况良好，未出现任何病害问题。.本研究针对钢桥面系的典型病害问题提出了新的解决方案，理论和试验研究以及实桥应用均表明，轻型组合桥面结构受力性能良好。与传统沥青铺装钢桥面相比，轻型组合桥面结构具有高疲劳寿命和低维护成本等优点，因而本项目研究意义重大，将产生巨大的社会和经济效益。