“鋼-UHPC”結(jié)構(gòu)在疊合梁鋼便橋上的應(yīng)用分析

張斌，趙金偉，梅培紅，羅平 （中交水利水電建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315200）

“鋼材+混凝土”的材料組合形式在力學(xué)性能上可以被理解為復(fù)合材料優(yōu)勢(shì)的一種體現(xiàn)。“鋼混疊合梁”結(jié)構(gòu)與純鋼梁或者純混凝土梁（一般很少見(jiàn)）相比而言，中和軸高度更大，抗彎的截面內(nèi)力臂更大，從而保證截面在抗彎承載力以及抗彎剛度方面得到更好的表現(xiàn)。

傳統(tǒng)意義上的鋼混組合梁與一般鋼結(jié)構(gòu)梁而言有諸多優(yōu)勢(shì)，但是在工程實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題：

第一，對(duì)于連續(xù)組合梁橋，由于負(fù)彎矩作用，容易導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)開(kāi)裂破壞的情況，薄壁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)壓屈失穩(wěn)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的情況；

第二，對(duì)于“鋼混疊合梁”而言，其橋面板開(kāi)裂也是一個(gè)比較常見(jiàn)且主要的問(wèn)題。

“鋼-UHPC”疊合梁是將鋼結(jié)構(gòu)梁與UHPC（超高性能混凝土）通過(guò)剪力釘進(jìn)行有效組合，由于UHPC的抗壓能力、抗裂能力以及拉彎性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的混凝土，而且超高性能混凝土的孔隙率低，收縮徐變變形小。因此，較一般常規(guī)鋼混組合橋梁面板，其開(kāi)裂問(wèn)題顯著改善，橋梁的耐久性及使用安全性明顯提升。

圖1 鋼便橋施工地理位置平面

圖2 鋼便橋立面圖

圖3 鋼便橋斷面圖

1 工程概況

西洪大橋及接線工程施工Ⅳ標(biāo)段，本工程鋼便橋橋梁布置采用一孔多片式的新型“鋼-UHPC”簡(jiǎn)支疊合梁，單跨長(zhǎng)度為20m，橋梁橫向?qū)挾葹?4m，共由7片“π”型疊合梁拼裝組成。每片鋼橋面UHPC鋪裝之間采用1cm橡膠材料分隔開(kāi)，UHPC鋪裝厚12cm。

2 “鋼-UHPC”鋼疊合梁的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

2.1 鋼便橋幾何模型

2.1.1 幾何參數(shù)說(shuō)明

保通鋼便橋幾何參數(shù)如表1所示。

UHPC與普通鋼筋混凝土材料的力學(xué)性能對(duì)比分析表 表1

2.1.2 材料參數(shù)

本工程鋼便橋，鋼材型號(hào)為Q345，楊氏模量取為2.04×105MPa，泊松比取為0.2，密度取為7.85×103kg/m3。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，橋面板所采用的UHPC材料，彈性模量取為4.26×104MPa，泊松比取為0.2，密度取為2.7×103kg/m3。

在整體建模計(jì)算中，考慮混凝土進(jìn)入塑性性質(zhì)。

2.2 有限元數(shù)值模擬

2.2.1 有限元模型

采用Midas Civil通用有限元軟件對(duì)鋼便橋全橋建立有限元分析模型，如圖4所示?？v向主梁和橫向次梁均用梁?jiǎn)卧M?？v向主梁為工字型截面，共有三種截面尺寸，在實(shí)際工程中截面變化有一段過(guò)渡，但是在有限元模型中，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)未考慮，這樣的處理方式僅對(duì)變截面附近的局部應(yīng)力應(yīng)變有影響，不影響整體結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)。橫向次梁為工字型截面，共有兩種截面尺寸，分別為端部次梁和中部次梁。在設(shè)置截面尺寸時(shí)，對(duì)不同的截面設(shè)置不同的幾何偏心，以保證有限元模型中主梁次梁的相對(duì)位置關(guān)系與實(shí)際工程相一致。

圖4 鋼便橋有限元模型

此外，實(shí)際工程中在主梁次梁相交處設(shè)置隔板，其目的是防止結(jié)構(gòu)構(gòu)件局部失穩(wěn)，對(duì)鋼便橋的強(qiáng)度方面的整體受力性能影響不大，故在靜強(qiáng)度分析時(shí)，主次梁中的隔板不建立對(duì)應(yīng)的模型，僅僅按其重量施加對(duì)應(yīng)的等效荷載。

對(duì)鋼便橋的UHPC橋面，采用板單元進(jìn)行模擬。在實(shí)際工程中截面變化有一段過(guò)渡，但是在有限元模型中，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)未考慮。

2.2.2 荷載工況

本章的靜強(qiáng)度計(jì)算分析主要依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JT6-D60-2015）對(duì)鋼便橋進(jìn)行承載力極限狀態(tài)的計(jì)算分析，主要考慮的荷載工況有恒載、車道活載、人群活載、溫度荷載四種。

①恒載

主體結(jié)構(gòu)恒載：UHPC混凝土橋面板容重為28kN/m3，主梁和次梁的鋼材容重為78.5kN/m3；

橋梁鋪面結(jié)構(gòu)恒載：鋼橋面的鋪裝結(jié)構(gòu)由上至下依次為4cm瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA-13，SBS改性）、熱熔顆粒（0.7kg/m2）和無(wú)溶劑環(huán)氧樹(shù)脂涂層（0.5kg/m2），單位面積容重分別為0.8kN/m2、0.007kN/m2和 0.005kN/m2，合計(jì)為0.8kN/m2。

②車道荷載

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）要求，對(duì)于公路一級(jí)車道荷載，車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qk=10.5kN/m，集中荷載的標(biāo)準(zhǔn)值Pk按內(nèi)插法求得車道集中荷載的標(biāo)準(zhǔn)值為Pk=240kN。

保通鋼便橋主要設(shè)計(jì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表 表2

不同荷載組合系數(shù) 表3

③人群活載

根據(jù)規(guī)范，本工程中鋼便橋的人群活荷載取值為3.0 kN/m2。

④溫度荷載

本文鋼便橋在計(jì)算中所施加的溫度荷載為：整體結(jié)構(gòu)溫度升高25℃，整體結(jié)構(gòu)溫度降低28℃。溫度梯度按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中4.3.10條對(duì)帶有混凝土面板的鋼混組合結(jié)構(gòu)的規(guī)定取值：正溫差T1=20℃，T2=6.7℃；負(fù)溫差T1=-10℃，T2=-3.35℃。

2.2.3 恒載作用

在恒載作用下，橋梁的變形（豎向撓度）位移云圖如圖5所示?？梢钥闯鰳蛄嚎缰泄?jié)點(diǎn)的最大撓度為9.6mm，小于L/400=50mm的規(guī)范值，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

圖5 恒載作用下橋梁變形云圖（mm）

恒載作用下主梁的上翼緣主要受壓，最大壓應(yīng)力為-17.4MPa，最大拉應(yīng)力為10.8MPa。主梁的下翼緣主要受拉，最大拉應(yīng)力為30.4MPa，最大壓應(yīng)力為-1.5MPa。值得注意的是，這里的應(yīng)力均是組合應(yīng)力。

恒載作用下UHPC橋面板板頂?shù)淖畲髩簯?yīng)力為-2.8MPa，最大拉應(yīng)力為0.68MPa；UHPC混凝土橋面板板底的最大壓應(yīng)力為-1.0MPa，最大拉應(yīng)力為0.07MPa。拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于UHPC混凝土的抗拉強(qiáng)度，壓應(yīng)力則遠(yuǎn)小于UHPC混凝土的抗壓強(qiáng)度。

2.2.4 結(jié)構(gòu)縱向影響線

本文中所計(jì)算的鋼便橋從邊界條件上來(lái)說(shuō)是兩端簡(jiǎn)支梁。因此，在Midas?Civil有限元計(jì)算軟件中建立一個(gè)虛擬簡(jiǎn)支梁，按照規(guī)范定義車輛、車道后，可以得到簡(jiǎn)支單梁跨中彎矩和位移的影響線，如圖6、圖7所示。

圖6 簡(jiǎn)支梁跨中彎矩影響線分析圖

圖7 簡(jiǎn)支梁跨中豎向撓度影響線分析圖

因此，根據(jù)上述影響線，可知導(dǎo)致主梁出現(xiàn)最大位移和最大彎矩的最不利車道荷載布置方式為：將集中荷載布置在橋梁跨中位置，將均布荷載在橋梁全跨滿布。

不同荷載組合下的截面最不利應(yīng)力 表4

2.2.5 車道荷載作用（車道線分析）

①車道荷載下的位移分析

車道荷載作用下，橋梁跨中節(jié)點(diǎn)的最大撓度為12.1mm，小于 L/400=50mm的規(guī)范值，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

②車道荷載下的內(nèi)力分析

在車道荷載作用下，主梁的軸力、彎矩和剪力包絡(luò)圖如圖8、圖9和圖10所示。

圖8 主梁軸力包絡(luò)圖（N）

圖9 主梁彎矩包絡(luò)圖

圖10 主梁剪力包絡(luò)圖（N）

主梁被次梁分為若干跨，中間兩跨的跨中主梁的彎矩最大，在次梁位置處，主梁受到的剪力最大。UHPC混凝土面板在車道所在的位置出現(xiàn)最大的內(nèi)力。

2.2.6 人群活載作用

圖11 UHPC橋面板x方向內(nèi)力云圖

圖12 人群活荷載作用下橋梁豎向位移云圖（mm）

人群活荷載作用下橋梁最大位移為1.6mm。工字鋼上翼緣最大壓應(yīng)力為3.75MPa，工字鋼下翼緣最大拉應(yīng)力為6.75MPa。

2.2.7 溫度荷載作用

設(shè)計(jì)中考慮了均勻溫度變化對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響，有限元模型中，在升溫荷載作用下，橋梁豎向最大位移為-3.5mm，縱向最大位移為 6.0mm；在降溫荷載作用下，橋梁豎向最大位移為 3.9mm，縱向最大位移為-6.7mm?？梢钥闯觯谏郎鼗蚪禍睾奢d作用下，縱向位移比豎向位移要大，由于鋼便橋是簡(jiǎn)支梁，在縱向沒(méi)有變形約束，所以可以減小溫度荷載效應(yīng)在主梁中產(chǎn)生的應(yīng)力。

2.2.8 荷載組合計(jì)算

通過(guò)對(duì)全橋的有限元建模計(jì)算得到鋼便橋在多種荷載（恒載、車道荷載、人群活載、溫度荷載）作用下的應(yīng)力數(shù)值分析。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JT?GD60-2015）的規(guī)定，對(duì)鋼便橋的設(shè)計(jì)主要考慮承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)和正常使用極限狀態(tài)的幾種荷載組合，并得到各種荷載組合下的最不利荷載效應(yīng)。

3 結(jié)論

目前常規(guī)的“鋼混疊合梁”與鋼筋混凝土梁相比，具有結(jié)構(gòu)自重更輕的優(yōu)勢(shì)，與純鋼梁相比又具備一定的經(jīng)濟(jì)性。但是仍然存在著橋面板易開(kāi)裂和自重較大的不足。目前興起的輕鋼-UHPC疊合構(gòu)能夠在很大程度上保留傳統(tǒng)鋼-混組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，又盡可能規(guī)避其劣勢(shì)，具有較大的應(yīng)用前景。

本文首先對(duì)西洪大橋保通鋼便橋工程做了簡(jiǎn)要介紹。重點(diǎn)利用有限元軟件MidasCivil對(duì)鋼便橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了四種主要荷載工況下整體結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析，驗(yàn)證了運(yùn)用該種組合結(jié)構(gòu)形式后，鋼便橋的位移、內(nèi)力和應(yīng)力等各種力學(xué)響應(yīng)滿足工程結(jié)構(gòu)受力性能要求。