一种新型FRP- 沥青混凝土钢桥面铺装疲劳性能试验研究

桂涛锋

摘要：文章研究一种新型FRP-沥青混凝土钢桥面铺装的疲劳力学性能，探究这种铺装的工程适用性，并利用UTM-100静动态电液伺服试验机对这种新型FRP-沥青混凝土钢桥面铺装复合梁的疲劳性能进行研究。研究表明：该新型FRP-沥青混凝土铺装有较好的抗疲劳破坏能力，还有与钢桥面板极好的咬合性和变形协调性能，与传统钢桥面铺装相比，有更好的技术和经济性能，对钢桥面铺装结构的技术创新和工程应用具有一定的参考价值。

关键词：FRP;钢桥面铺装;疲劳性能

0 引言

纤维增强复合材料（fiber-reinforcedpolymer，简称FRP）是由纤维材料与基体材料等两种以上的组分材料按一定比例混合并经过一定工艺复合形成的各种形状、规格及性能的高性能新型复合材料[1-2]。与传统结构材料（钢材、混凝土等）相比，FRP材料具有轻质高强、可设计性强和抗疲劳性能好等显著优点。近年来FRP材料在国内外土木工程领域中的桥梁工程、房建工程、工业厂房、港口码头等新建工程及维修加固工程中均得到广泛的应用[3-8]，表现出了良好的材料性能和广阔的应用前景。

这种新型FRP-沥青混凝土钢桥面铺装是指以FRP材料为铺装下层，沥青混凝土为铺装上层，在FRP材料和沥青混凝土之间，添加一层环氧砾石作为粘结层而形成的新型钢桥面铺装结构。FRP-沥青混凝土钢桥面铺装与传统的钢桥面铺装结构相比性能优势明显，具体表现为：（1）FRP板兼钢桥面板防水層、环氧砾石层兼沥青混凝土粘结层，不用专设防水层和粘结层;（2）FRP材料自重轻而刚度大，在桥面铺装引入FRP材料可以大大减轻铺装重量，大大减小桥梁的二期恒载，对桥梁结构受力更加有利[9];（3）FRP铺装结构与钢板界面剪切强度大，粘结界面不至于剪切破坏;（4）后期养护费用较少。因此，FRP-沥青混凝土钢桥面铺装可以广泛应用于大跨径钢桥面铺装，而且对于铺装层损坏的桥梁性能优势更加明显。但是，目前国内外对于FRP-沥青混凝土钢桥面铺装疲劳性能的研究甚少，相关研究亟待开展。因此，本文采用室内试验方法对FRP-沥青混凝土钢桥面铺装疲劳性能试验进行研究，以探索FRP-沥青混凝土钢桥面铺装的疲劳弯曲性能。

1 试验方案

目前，研究钢桥面铺装的疲劳试验方法分为四种：（1）试验桥模型;（2）直道试验模型;（3）环道试验模型;（4）复合梁试验模型。其中复合梁试验模型具有试验条件易满足、试验进度易控制、试验模型简单、便于室内开展等优点，在钢桥面铺装的疲劳试验研究中得到广泛的应用。为使室内复合梁模型试验结果能尽可能准确地模拟实际用桥面铺装，由实际桥面所用钢板、FRP层以及沥青混合料铺装层制作成复合梁模型进行疲劳试验。复合梁模型可高度模拟实际用桥面铺装，准确地反映FRP-沥青混凝土钢桥面铺装的抗疲劳性能。本文基于复合梁模型试验来研究这种新型钢桥面铺装的疲劳性能。

本次试验所用试件参照德国钢桥面铺装规范规定的方法对疲劳性能试件的结构形式、使用材料及结构尺寸的相关要求，依托某座长江大桥铺装结构的实际厚度尺寸，制作了Ⅰ类～Ⅴ类铺装结构的复合梁试件，如图1～5所示。其中试验钢板尺寸为（700×200×12）mm的Q235钢，在（700×150）mm的范围内，依次铺设FRP层、环氧砾石层和沥青层。

各类试件具体结构形式如下：

Ⅰ类试件：12mm厚Q235钢板+55mmFRP空心板+15mm环氧砾石;

Ⅱ类试件：12mm厚Q235钢板+3mmFRP层合板+7mm环氧砾石+30mmSMA底层+40mmSMA面层;

Ⅲ类试件：12mm厚Q235钢板+3mmFRP层合板+7mm环氧砾石+30mmGA底层+40mmSMA面层;

Ⅳ类试件：12mm厚Q235钢板+双层环氧防水粘结层+30mmSMA底层+40mmSMA面层;

Ⅴ类试件：12mm厚Q235钢板+双层环氧防水粘结层+30mmSMA面层+40mmGA底层。

2 试验方法

参照德国钢桥面铺装规范的方法，对铺装结构进行弯曲疲劳试验。疲劳试验加载方式见图6。

按照德国钢桥面铺装规范，将试件放在直径为50mm、间距为300mm的三个钢制辊轴支座上，通过施力架将加载力加给钢板上焊接的加劲板上，并使钢板上四个受力点受力大致相同[10]。试验在室温（20±3）℃下进行。在没有铺设铺装层的钢板上施加静荷载，使该处位移达到0.5mm时所对应荷载即为本次疲劳试验的最大荷载F0，取0.15F0为疲劳试验的最小荷载FG，疲劳试验的加载幅值即为FG～F0，加载频率为2Hz。

2.1 疲劳荷载幅的确定

选用没有铺设铺装层的3块钢板，通过大型液压试验机进行弯曲试验，分18级荷载对钢板进行加载，并测读加劲板上四个百分表的读数。加载测试结果见表1。

分析表1的试验检测结果可知，在扣除试验最初几级增量荷载作用后，3块钢板加劲肋截面的挠度增量均为0.03mm/kN。由此确定，试件扣除非弹性影响后产生L/600挠度对应的荷载F0=0.5mm/（0.03mm/kN）=16.7kN即为疲劳试验最大荷载。

2.2 弯曲疲劳试验

在UTM-100静动态电液伺服试验机上进行这几种不同铺装结构的弯曲疲劳试验。德国钢桥面铺装规范对复合梁的疲劳试验的加载频率有相关规定：试验荷载应采用半正弦波加载函数进行加载，加载幅值为FG～F0，试验温度为（20±3）℃。加载频率的选取应该按照标准轴载以设计车速通过时在铺装层中产生的应力（应变）响应时间来决定。应力（应变）响应的时间的大小主要取决于车轮的速度、轴重、交通车辆的类型等，响应时间可根据Vanderpoel公式来确定：t=l/（2πf），计算加载频率为10Hz对应的响应时间为0.016s，对于沥青混合料路面，0.016s响应时间大致相当于60～65km/h的行车速度，因此，本次疲劳荷载试验选用频率为10Hz的半正弦波加载函数加载是较为合理的。为了便于对比研究，Ⅰ类～Ⅴ类铺装结构的加载环境、加载方式应保持相同。

（1）试验方案一：在上述试验环境下，采用UTM-100静动态电液伺服试验机对Ⅰ类～Ⅴ类铺装结构（每类3个试件）分别进行了标准试验荷载（FG～F0）加载循环100万次和200万次的弯曲疲劳振动试验。

（2）试验方案二：在与方案一试验环境相同条件下，考虑到长江大桥实际行驶的重载及超载车辆较多，将疲劳荷载幅提高50%，即采用重载交通条件下对应的荷载幅值1.5FG～1.5F0对这五类铺装（Ⅰ类～Ⅴ类）加载循环100万次的弯曲疲劳振动。

（3）试验方案三：在Ⅲ类铺装结构进行疲劳试验后，将3块Ⅲ类试件放入烘箱中烘烤，待沥青层软化后刨去，保留下层FRP及环氧砾石层。以这种钢板+FRP+环氧砾石试件（称为Ⅲ0类试件）的方式，在与方案一试验环境相同条件下，再按重载交通条件下对应的荷载幅值1.5FG～1.5F0对该组试件加载循环200万次的弯曲疲劳振动，考察FRP层和环氧砾石层与钢板粘结的抗疲劳破坏能力。

3 试验结果

按照德国钢桥面铺装规范，试验温度为（20±3）℃，标准试验荷载（FG～F0）下，方案一的试验结果如表2所示。

试验中以开裂或初次出现脱层等破坏现象时的加载次数为疲劳次数。疲劳次数超过100万次即停止试验，如试件未出现开裂或脱层现象，则可认定此种铺装结构疲劳性能满足德国钢桥面铺装规范要求。由表2可知，Ⅰ类～Ⅴ类铺装结构在经过100万次加载循环后，铺装结构外观无裂纹，结构未破坏，可认定这五类铺装结构疲劳性能为合格。

考虑到标准试验荷载下，Ⅰ类～Ⅴ类铺装结构的疲劳次数都超过了100万次，无法对这五类铺装结构的疲劳性能进行有效的比较，由此，方案二采用重载交通条件下对应的荷载幅值1.5FG～1.5F0对这五类铺装（Ⅰ类～Ⅴ类）进行疲劳试验。方案二的试验结果如表3所示。

由表3试验结果可知：Ⅰ类铺装结构在1.5FG～1.5F0试验荷载（重载交通荷载）作用下，经过200万次疲劳弯曲试验，铺装结构无开裂破坏现象;Ⅱ类、Ⅲ类铺装结构均是100～200万次时下层沥青混凝土与上层混凝土脱层破坏，FRP层与环氧砾石层均未破坏，可见FRP层和环氧砾石层均有较好的疲劳性能，Ⅱ类、Ⅲ类两种铺装结构的抗疲劳性能明显优于传统铺装结构（Ⅳ类、Ⅴ类铺装结构）。

由表4试验结果可知：对Ⅲ类铺装结构刨除沥青混凝土层，形成的仅剩FRP层和环氧砾石层的Ⅲ0类铺装结构，在1.5FG～1.5F0試验荷载（重载交通荷载）作用下，经过200万次疲劳弯曲试验，铺装结构仍未出现界面剥离和脱层破坏等现象。这表明FRP层及与其嵌入粘结的环氧砾石层有明显优秀的抗疲劳性能，故可保证其在重载交通条件下较好的抗疲劳性能，在保证起到防水层的作用的同时，也不会先于沥青混凝土层破坏。

4 结语

本文完成了五类钢桥面铺装的疲劳性能研究，其中包括三种新型FRP-沥青混凝土钢桥面铺装（Ⅰ类铺装～Ⅲ类铺装），初步得到了以下结论：

（1）本文中FRP-沥青混凝土钢桥面铺装在疲劳荷载上、下限值分别为2.505～16.700kN（标准荷载）作用下，经历100万次疲劳循环加卸载停止后，铺装结构、界面均未出现裂纹、脱层等现象，满足德国钢桥面铺装规范要求。

（2）在疲劳荷载上、下限值分别为3.758～25.050kN（重载交通荷载）作用下，经过200万次疲劳弯曲试验，Ⅰ类铺装结构无开裂破坏现象，表明这种FRP-沥青混凝土钢桥面铺装具有较好的抗疲劳性能。由疲劳试验循环次数可知：Ⅱ类、Ⅲ类铺装结构的抗疲劳性能明显优于传统沥青混凝土钢桥面铺装（Ⅳ类和Ⅴ类铺装结构）。

（3）对于刨除沥青混凝土层，由FRP层和环氧砾石层形成的Ⅲ0类铺装结构在疲劳荷载上、下限值分别为3.758～25.050kN（重载交通荷载）作用下，经过200万次疲劳弯曲试验，铺装结构仍未出现界面剥离和脱层破坏等现象，表明FRP层及与其嵌入粘结的环氧砾石层有明显优秀的抗疲劳性能。

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