西江二橋鋼-超高性能混凝土輕型組合梁設(shè)計研究

韋勇克

(廣西交通設(shè)計集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530000)

長期以來，傳統(tǒng)組合梁斜拉橋以鋼-混凝土組合梁為其主梁，其力學(xué)性能較普通混凝土主梁具有自重較輕的優(yōu)勢，與鋼主梁相比具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，但仍存在以下兩大主要問題：① 鋼-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)自重大，經(jīng)濟(jì)適用跨徑有限；② 混凝土橋面板易開裂，進(jìn)一步導(dǎo)致主梁剛度下降、內(nèi)部鋼筋及下部鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕等問題，影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。

目前，超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，以下簡稱UHPC)作為一種超高強度、超高韌性和耐久性的材料已經(jīng)越來越多地應(yīng)用到橋梁建設(shè)領(lǐng)域。基于UHPC的優(yōu)異性能，邵旭東等已研發(fā)多種新型橋梁結(jié)構(gòu)，如鋼-STC輕型組合橋面板、型鋼-UHPC輕型組合橋面等結(jié)構(gòu)。這些新型結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用到梁橋、拱橋、斜拉橋及懸索橋等各類橋型中，涵蓋了舊橋加固和新橋建設(shè)領(lǐng)域。型鋼-UHPC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)有望突破傳統(tǒng)組合梁斜拉橋主梁自重大、橋面板易開裂兩大技術(shù)發(fā)展瓶頸，進(jìn)而促進(jìn)斜拉橋其他主要構(gòu)件的進(jìn)一步優(yōu)化，提升橋梁全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

廣西藤縣西江二橋南橋為主跨450 m的雙塔雙索面組合-混合梁斜拉橋，主橋中跨組合梁采用型鋼-UHPC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)。該文將通過闡述大橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點、結(jié)構(gòu)受力性能并結(jié)合相應(yīng)的模型試驗研究展現(xiàn)該橋設(shè)計的合理性與創(chuàng)新性，希望對其他橋梁設(shè)計具有借鑒意義。

1 工程概況

藤縣西江二橋南橋為(150+450+150) m組合-混合梁斜拉橋，邊跨為50 m+100 m混凝土梁，主跨主梁采用鋼-UHPC輕型組合梁。鋼混結(jié)合面設(shè)置在中跨距離橋塔中心線8.75 m位置處。主跨組合梁采用分離式雙邊箱斷面，橋面寬32.0 m，具體橋型及橋面布置分別如圖1、2所示。

圖1 橋型布置圖(除標(biāo)高為m外,其余單位：m)

圖2 主橋組合梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

該橋主跨組合梁初步設(shè)計采用普通混凝土橋面板。橋面板采用工廠預(yù)制+現(xiàn)澆濕接縫連接的形式。板厚均為26 cm，采用C60混凝土。橋面板布置縱向預(yù)應(yīng)力體系。為減小混凝土板的收縮徐變對疊合梁內(nèi)力重分布的影響，混凝土橋面板在安裝前需預(yù)存放6個月以上。

由于普通混凝土的局限性，施工圖設(shè)計階段，組合梁橋面板采用型鋼-超高性能混凝土(UHPC)輕型組合橋面板，如圖3所示。組合橋面預(yù)制板總厚度為26.5 cm，其中UHPC厚度為6.5 cm；濕接縫處UHPC厚度為27.5 cm。組合橋面板內(nèi)H型鋼橫橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為0.5 m。橋面鋪裝采用10 cm瀝青混凝土。

2 中跨鋼-UHPC組合梁設(shè)計

全橋主梁共4種類型(A～D)，51個梁段，其中A梁段為邊跨混凝土梁，長度為158.32 m；B～D梁段為主跨組合梁。B梁段共2段，為鋼混結(jié)合段，長度6.15m；C梁段(標(biāo)準(zhǔn)梁段)共46段，長度9 m；D梁段(合龍段)為1段，長度6.2 m。

圖3 型鋼-UHPC輕型組合橋面板示意圖

2.1 鋼梁設(shè)計

組合梁由主縱梁、橫梁、小縱梁及挑梁組成。兩片主縱梁的中心間距為26.5 m，橫梁和挑梁順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距均為4.5 m。單個鋼梁節(jié)段內(nèi)的主縱梁、橫梁、挑梁、小縱梁均在工廠內(nèi)通過焊接和螺栓連接形成整體，隨后運輸至施工現(xiàn)場，進(jìn)行節(jié)段拼裝。各梁段主要參數(shù)如表1所示。

表1 梁段參數(shù)

2.2 型鋼-UHPC組合橋面板設(shè)計

型鋼-UHPC組合橋面板分為預(yù)制板、工廠現(xiàn)澆縫以及現(xiàn)場現(xiàn)澆縫3部分制作。其中，預(yù)制板由65 mmUHPC、8 mm橫向鋼板條和型鋼(HW200×200)通過焊釘連接形成組合橋面板，預(yù)制板總高度為265 mm。單個梁段橫向分為4塊預(yù)制板，縱向由橫梁劃分成多塊預(yù)制板(圖4)。型鋼標(biāo)準(zhǔn)間距為500 mm，其上翼緣布置兩列φ13×45 mm焊釘，焊釘橫橋向間距為120 mm，順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為100 mm。型鋼端頭局部采用φ16 mm×45 mm焊釘與現(xiàn)場橫向現(xiàn)澆縫加強連接。橫向鋼板條尺寸為50 mm×8 mm，間隔按200 mm布置。橫向鋼板條頂面布置單排φ13 mm×35 mm焊釘，焊釘橫橋向間距為120～128 mm。

圖4 預(yù)制板條帶橫斷面(單位：mm)

預(yù)制板制作完成后吊裝擱置在鋼梁上，在工廠內(nèi)完成工廠現(xiàn)澆縫的澆筑，形成一個整體的疊合梁段。預(yù)制板通過焊釘與鋼主縱梁、鋼橫梁、小縱梁頂板進(jìn)行連接，與鋼梁支撐面設(shè)置寬度50～70 mm、厚度為10 mm的BW-S120型膨潤土橡膠遇水膨脹止水條。梁段間的橫向和縱向現(xiàn)澆縫需在工地現(xiàn)場澆筑，鋼橫梁上的橫向現(xiàn)澆縫縫寬220～260 mm，小縱梁上的縱向現(xiàn)澆縫縫寬300 mm，接縫高度均為275 mm。鋼主縱梁上的縱向現(xiàn)澆縫縫寬2 250 mm，接縫高度100 mm。橫向T形接縫的上臺階寬度為290～310 mm，高度為46 mm。縱向T形接縫的上臺階寬度為150 mm，高度為46 mm。且主縱梁上的工地現(xiàn)場接縫采用含異形(Z形)鋼板進(jìn)行加強，具體構(gòu)造見圖5、6。

圖5 橫向接縫構(gòu)造圖(單位：mm)

圖6 縱向接縫構(gòu)造圖(單位：mm)

現(xiàn)澆縫均采用T形接縫的形式，主要達(dá)到兩方面的目的：① 避免在高拉應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)斷縫；② 阻滯現(xiàn)澆UHPC收縮，避免界面出現(xiàn)收縮裂縫，避免出現(xiàn)滲漏病害。

2.3 結(jié)合段設(shè)計

鋼混結(jié)合面設(shè)置在距離橋塔中心線8.75 m的位置，以避開主梁負(fù)彎矩峰值區(qū)域。鋼混結(jié)合段總長6.15 m，與組合梁C梁段連接，主要通過設(shè)置鋼格室、剪力連接件及張拉預(yù)應(yīng)力進(jìn)行兩者的有效結(jié)合。

2.4 型鋼-UHPC組合梁優(yōu)勢

通過以上優(yōu)化設(shè)計，采用新型橋面結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢如下：

(1) 經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良，充分節(jié)省投資。采用新橋面結(jié)構(gòu)后南橋的主跨將減重約5 000 t，因此可以相應(yīng)優(yōu)化斜拉索、橋塔、主跨鋼梁、邊跨混凝土梁等相關(guān)構(gòu)件，大幅節(jié)省了南橋的造價。表2為初步設(shè)計方案和施工圖方案主要材料變化對比表。

表2 橋面優(yōu)化前后材料用量變化對比

(2) 受力性能優(yōu)異，提高施工便利性。無需在橋面板內(nèi)設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束，便于施工，加快施工進(jìn)度；UHPC預(yù)制板蒸養(yǎng)后無收縮，無需長期存放，可節(jié)省預(yù)制場占地和存放費用；UHPC徐變系數(shù)僅為普通混凝土的15%，長期徐變很小，可減小因徐變引起的組合梁應(yīng)力重分布及橋塔偏位，進(jìn)一步保證橋梁長期運營安全性。

(3) 具有超高的結(jié)構(gòu)耐久性能，節(jié)省后期管養(yǎng)成本。UHPC作為鋼梁頂板的有效防護(hù)層，能有效提高鋼梁的耐久性，減輕管養(yǎng)單位的壓力。

3 鋼-UHPC輕型組合梁結(jié)構(gòu)計算分析

3.1 整體計算

3.1.1 計算參數(shù)

采用空間有限元軟件Madis Civil進(jìn)行全橋結(jié)構(gòu)整體靜力分析。主梁及索塔采用梁單元模擬，斜拉索采用空間索單元模擬，鋼-UHPC輕型組合梁按“施工階段聯(lián)合截面”進(jìn)行模擬。

材料特性按JTG D62-2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》等相關(guān)規(guī)定取值。UHPC彈性模量為42.1 GPa，重度為27 kN/m3，泊松比為0.2。

汽車車道荷載采用公路-Ⅰ級按四車道橫向布載。風(fēng)荷載取值時，考慮100年一遇的橋位區(qū)設(shè)計基本風(fēng)速為24 m/s。主跨主梁橋面板UHPC不計收縮，徐變系數(shù)取0.2。其余荷載按JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》及其他相關(guān)規(guī)范規(guī)定取值。

3.1.2 計算結(jié)果

在設(shè)計中，需重點關(guān)注中跨鋼-UHPC組合梁在成橋和運營階段的受力狀態(tài)，故分別提取中跨鋼梁和UHPC的應(yīng)力結(jié)果，如圖7所示。該文僅展示UHPC上緣在成橋狀態(tài)和運營階段作用效應(yīng)頻遇組合下的應(yīng)力包絡(luò)圖，分別如圖8、9所示。

由圖7～9可以看出：① 成橋狀態(tài)：中跨組合梁UHPC橋面板的上、下緣應(yīng)力皆為壓應(yīng)力，滿足受力要求。中跨鋼梁上、下緣應(yīng)力，遠(yuǎn)小于鋼梁設(shè)計強度270 MPa；② 運營狀態(tài)：在承載能力極限狀態(tài)基本組合下，鋼梁上、下緣應(yīng)力均小于鋼梁設(shè)計強度270 MPa；③ 在正常使用極限狀態(tài)下，主跨UHPC橋面板上、下緣應(yīng)力最大拉應(yīng)力均小于UHPC名義容許彎拉應(yīng)力；④ 汽車荷載作用下，中跨向上最大位移為23.6 mm，向下最大位移為310 mm，總位移為333.6 mm≈450×103mm/1 351<450×103mm/400，滿足設(shè)計要求。

圖7 中跨主梁應(yīng)力及變形匯總圖 (注：拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù))

圖8 成橋狀態(tài)UHPC板上緣應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖9 運營狀態(tài)UHPC板上緣應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

3.2 局部計算

3.2.1 模型參數(shù)

為了研究型鋼-UHPC組合橋面板在車輪荷載等作用下的受力性能，該文利用大型有限元軟件Ansys對中跨標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段進(jìn)行了有限元分析。該模型縱向取23.5 m(含6道橫隔板)，橫隔板間距為4.5 m，為更準(zhǔn)確地反映車輛偏載工況下各關(guān)注點的應(yīng)力情況，建立了橋梁全寬模型，同時考慮過人孔等構(gòu)造細(xì)節(jié)對受力的影響。

UHPC橋面板采用三維八節(jié)點六面體Solid185單元模擬，鋼板采用Shell181單元模擬，栓釘采用Combine14單元模擬。網(wǎng)格尺寸劃分時，橋面板高度方向網(wǎng)格尺寸為30 mm，即頂板劃分為2層，型鋼腹板劃分為4層，總體網(wǎng)格尺寸取50 mm，局部細(xì)化網(wǎng)格，Ansys分析模型見圖10。所用材料參數(shù)如表3所示，其中栓釘?shù)目辜魟偠绕踩厝?20 kN/mm。

圖10 Ansys分析模型示意圖

表3 材料參數(shù)

3.2.2 荷載及荷載工況

分析時考慮的荷載包括：自重、二期恒載、車輛荷載及溫度作用等。其中，考慮到該橋在運營階段將兼顧市政橋梁的功能，故車輛荷載偏安全地依據(jù)CJJ 11-2011《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》按城-A汽車荷載考慮，順橋向按中支點負(fù)彎矩最不利工況布置，橫橋向采用兩車道加載。根據(jù)規(guī)范，橫橋向布置多車道汽車荷載時，應(yīng)考慮汽車荷載的橫向折減，同時，多車道布載的荷載效應(yīng)不得小于兩條車道布載的荷載效果，而橋面板應(yīng)力為局部控制，故施加在模型上的荷載為兩車道荷載，以此荷載作用作為結(jié)構(gòu)的最不利受力工況。

由于標(biāo)準(zhǔn)重車的中后軸相距6.0 m，縱向間距較大，可不考慮中后軸之間的疊加效應(yīng)，計算時僅考慮雙中軸的作用，且加載軸中每個車輪作用面積為250 mm×600 mm(縱橋向×橫橋向)，每個中軸軸重為140 kN。

車輛荷載計算具體加載位置如圖11所示，橫橋向和縱橋向相互組合共18種荷載工況，能基本涵蓋各受力關(guān)注點的最不利狀態(tài)。

分析各荷載工況對結(jié)構(gòu)各受力關(guān)注位置的影響效應(yīng)，取最不利的荷載工況進(jìn)行荷載組合。

圖11 車輛荷載工況布置示意圖

3.2.3 計算結(jié)果

通過分析得到UHPC層、型鋼、鋼板條及鋼梁的應(yīng)力，具體如圖12、13所示。

由圖12可知：

(1) 在頻遇組合下，UHPC層橫橋向頂、底面的最大拉應(yīng)力分別為8.3、5.7 MPa，縱橋向頂、底面的最大拉應(yīng)力分別為6.5、4.1 MPa。車輛荷載工況作用下最大應(yīng)力為9.6 MPa，均小于UHPC層的名義容許彎拉應(yīng)力(14.3 MPa)，滿足受力要求。

(2) 車輛荷載工況、作用效應(yīng)頻遇組合及基本組合作用下，型鋼、鋼板條及鋼梁最大應(yīng)力均小于鋼材設(shè)計強度，滿足設(shè)計要求。

由圖13可知：直徑19 mm(橫梁及小縱梁頂板位置)和13 mm(型鋼頂部及鋼板條位置)栓釘?shù)淖畲蟮刃Ъ袅Ψ謩e為9.992、6.881 kN，分別小于其抗力78.4、37.2 kN，即在18種車輛荷載工況作用下，型鋼-UHPC輕型組合橋面板的栓釘抗剪承載力滿足設(shè)計要求；且計算可得，直徑19 mm栓釘?shù)淖畲蠡屏繛?.992/120=0.083 mm，直徑13 mm栓釘?shù)淖畲蠡屏繛?.881/120=0.057 mm，均小于規(guī)范規(guī)定的最小滑移限值0.2 mm。即在18種車輛荷載工況作用下，型鋼-UHPC輕型組合橋面板的栓釘滑移量滿足設(shè)計要求。

4 型鋼-UHPC組合橋面板模型試驗

由前文可知，型鋼-UHPC組合橋面板在各種荷載工況作用下理論上均能滿足受力要求。為充分了解該橋面結(jié)構(gòu)的受力性能，開展了縱向條帶和橫向接縫的負(fù)彎矩試驗。荷載試驗在湖南大學(xué)橋梁新技術(shù)實驗室進(jìn)行，采用MTS逐級加載。

圖12 各工況及其最不利組合各受力部位應(yīng)力

圖13 靜力荷載工況下栓釘滑移及等效剪力

4.1 縱向條帶負(fù)彎矩試驗

按照該橋型鋼-UHPC組合橋面板構(gòu)造尺寸，截取一個標(biāo)準(zhǔn)寬度的條帶，制作了足尺試驗?zāi)Ｐ停M(jìn)行四點加載試驗(圖14)。

圖14 縱向條帶負(fù)彎矩試驗

試驗結(jié)果表明：型鋼-UHPC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)的抗裂強度達(dá)到13 MPa以上，而有限元計算中橋面板的應(yīng)力為5 MPa左右，其安全系數(shù)達(dá)到2.6，說明型鋼-UHPC組合橋面結(jié)構(gòu)在負(fù)彎矩作用下具有很好的抗裂安全性。

4.2 橫向接縫負(fù)彎矩試驗

橫向接縫的負(fù)彎矩試驗包括分次澆筑的試件和一次澆筑的對比試件。同樣按照該橋型鋼-UHPC組合橋面板構(gòu)造尺寸，截取一個標(biāo)準(zhǔn)寬度的條帶，制作了足尺試驗?zāi)Ｐ?圖15)。

圖15 橫向接縫負(fù)彎矩試驗

橫向接縫分次澆筑試件的試驗結(jié)果與有限元計算結(jié)果對比如表4所示，荷載-位移曲線如圖16所示。

由表4可知：試驗中型鋼-UHPC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)橫向接縫界面、剛度突變、接縫頂部位置3處的抗裂安全系數(shù)分別為3.50、2.83和3.94，滿足設(shè)計要求。試驗中極限荷載為342.0 kN。

表4 橫向接縫負(fù)彎矩試驗結(jié)果

圖16 分次澆筑試件負(fù)彎矩試驗荷載-位移曲線

橫向接縫一次澆筑試件的試驗荷載位移曲線如圖17所示，試驗的極限荷載為354.3 kN，抗裂強度為13.8 MPa，比較圖16、17可以看出：一次澆筑整體蒸養(yǎng)的濕接縫試件的抗裂強度與縱向條帶的負(fù)彎矩抗裂強度基本接近，同時一次澆筑整體蒸養(yǎng)的濕接縫試件的極限荷載略高于分次澆筑的濕接縫試件。可見，是否分次澆筑對接縫試件的極限承載能力影響不大。

圖17 一次澆筑試件負(fù)彎矩試驗荷載-位移曲線

5 結(jié)論

該文通過對藤縣西江二橋南橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、全橋結(jié)構(gòu)整體靜力計算分析、組合梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段局部計算分析、橋面板模型試驗等研究，得出以下主要結(jié)論：

(1) 型鋼-UHPC組合橋面板結(jié)構(gòu)受力性能優(yōu)異，UHPC橋面板、型鋼、鋼板條、鋼主梁及剪力釘?shù)雀髦饕芰?gòu)件的驗算指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范和設(shè)計要求。

(2) 采用該橋面結(jié)構(gòu)對中跨組合梁進(jìn)行減重后，可以進(jìn)一步優(yōu)化中跨主梁鋼結(jié)構(gòu)、斜拉索、邊跨混凝土梁、橋塔等構(gòu)件設(shè)計，減少工程材料用量，降低工程造價。同時，采用該結(jié)構(gòu)有利于提高施工便利性、加快施工進(jìn)度，提高結(jié)構(gòu)耐久性，降低運營的管養(yǎng)成本。

(3) 縱向條帶和橫向接縫負(fù)彎矩試驗結(jié)果表明：型鋼-UHPC組合橋面結(jié)構(gòu)在負(fù)彎矩作用下具有非常優(yōu)異的抗裂安全性，滿足設(shè)計要求。