新型裝配式UHPC華夫型上翼緣組合梁受力性能

張清華 ，韓少輝 ，賈東林 ，卜一之

（西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031）

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁是指將鋼梁與混凝土橋面板通過(guò)抗剪連接件連接成整體并考慮共同受力的橋梁結(jié)構(gòu)形式，傳統(tǒng)鋼-混凝土組合梁的混凝土橋面板存在自重偏大和負(fù)彎矩區(qū)易開(kāi)裂兩類(lèi)關(guān)鍵問(wèn)題[1-4].為防止負(fù)彎矩區(qū)混凝土開(kāi)裂，往往需要通過(guò)某種措施在混凝土橋面板內(nèi)引入預(yù)壓應(yīng)力，如張拉鋼絲束（鋼絞線）、預(yù)壓法、支座位移法等以及各種方法的綜合應(yīng)用[3-5].通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力來(lái)改善負(fù)彎矩區(qū)混凝土抗裂性會(huì)使耗費(fèi)大幅度增加，導(dǎo)致組合橋與其他橋型的競(jìng)爭(zhēng)力降低[6].國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)改善負(fù)彎矩區(qū)抗裂性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了采用新型剪力連接件等多種措施來(lái)改善負(fù)彎矩區(qū)抗裂性能[7-8].同時(shí)，人力成本迅速提高和快速、綠色、環(huán)保施工要求日益迫切，新型裝配式組合梁相對(duì)于傳統(tǒng)現(xiàn)澆組合梁優(yōu)勢(shì)突出，是橋梁工程的重要發(fā)展方向.新型裝配式組合結(jié)構(gòu)橋梁研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一是發(fā)展能夠有效改善負(fù)彎矩區(qū)抗裂性能的適用結(jié)構(gòu)體系[9-10].

超高性能混凝土（ultra high performance concrete，UHPC）作為一種新型的水泥基材料，具有超高強(qiáng)度、高韌性和良好耐久性等優(yōu)異性能，可顯著降低混凝土橋面板厚度和提高負(fù)彎矩區(qū)抗裂性，已成功應(yīng)用于工程實(shí)踐[5-6,11-14]，引入該材料可望有效解決傳統(tǒng)鋼-混凝土組合梁負(fù)彎矩區(qū)的抗裂問(wèn)題.同時(shí)，預(yù)制裝配式施工可提高混凝土澆筑質(zhì)量，大大縮短施工周期，提高資源利用率，有效降低建設(shè)成本，滿足綠色、高效、環(huán)保的要求[15-17].基于以上認(rèn)識(shí)，引入U(xiǎn)HPC 華夫板[18-20]代替普通混凝土橋面板，提出了一種新型組合梁——裝配式UHPC 華夫型上翼緣組合梁：該新型組合梁由預(yù)制UHPC 華夫板和兩片工字鋼梁組成，二者通過(guò)新型剪力連接件（組合榫）連接成協(xié)同受力結(jié)構(gòu)，并以一座跨徑布置為50 m + 80 m +50 m 的典型3 跨連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)其在典型橋梁結(jié)構(gòu)中的適用性、受力性能、合理結(jié)構(gòu)體系以及適用的剪力連接件形式進(jìn)行了研究.

1 結(jié)構(gòu)的提出

以一座跨徑布置為50 m + 80 m + 50 m、寬度為12 m 的典型3 跨連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘斑M(jìn)行相關(guān)研究.裝配式UHPC 華夫型上翼緣組合梁主梁截面由兩片3 m 高工字鋼梁及縱橫向加勁板（UHPC 華夫板）組成，二者通過(guò)現(xiàn)澆組合榫型剪力槽形成組合受力體系，主梁截面尺寸如圖1（a）所示.UHPC 華夫型上翼緣由順橋向2.5 m 長(zhǎng)預(yù)制板單元通過(guò)現(xiàn)澆濕接縫連接而成，濕接縫寬70 mm.UHPC 華夫型上翼緣總高度260 mm，其中面板厚度為60 mm，縱、橫肋高度均為200 mm，間距均為600 mm；為脫模方便，縱、橫肋均采用上寬100 mm、下寬90 mm的梯形截面.UHPC 華夫型上翼緣的具體形式如圖1（b）～（e）所示.由于橫橋向鋼主梁間距較大，在車(chē)輛荷載作用下UHPC 華夫型上翼緣橫肋底緣將產(chǎn)生較大的橫向拉應(yīng)力，故在UHPC 華夫型上翼緣中施加橫向預(yù)應(yīng)力，使橫肋中產(chǎn)生32 MPa 的壓應(yīng)力以改善UHPC 華夫型上翼緣橫向受力性能.橫向預(yù)應(yīng)力筋布置位置如圖1（c）所示.

2 新型裝配式組合梁有限元分析

2.1 第1 體系應(yīng)力計(jì)算

采用有限元計(jì)算軟件Midas/Civil 建立結(jié)構(gòu)整體的有限元模型，如圖2所示.鋼材及UHPC 材料特性參數(shù)如表1所示.模型中新型組合梁采用梁?jiǎn)卧M，梁截面特性通過(guò)截面特性計(jì)算器將UHPC換算為鋼材得到.為準(zhǔn)確模擬施工過(guò)程，組合梁截面形成過(guò)程采用施工階段聯(lián)合截面模擬.為盡可能減小中支座負(fù)彎矩段UHPC 華夫型上翼緣縱肋底緣及面板縱向拉應(yīng)力，采用先架設(shè)邊、中跨跨中華夫板單元，再架設(shè)中支座附近區(qū)域華夫板單元的施工順序，且在架設(shè)中支座負(fù)彎矩區(qū)域華夫板單元之前對(duì)邊、中跨正彎矩段組合梁進(jìn)行壓重，壓重荷載大小為40 kN/m.整體模型中考慮的荷載主要有結(jié)構(gòu)自重、70 mm 瀝青鋪裝層、車(chē)道荷載（含沖擊荷載）以及壓重荷載.其中，瀝青鋪裝層和華夫板橫肋僅考慮其重量而不考慮其對(duì)新型組合梁剛度的貢獻(xiàn).

根據(jù)彎矩和軸力計(jì)算結(jié)果，通過(guò)初等梁理論計(jì)算UHPC 華夫型上翼緣面板和縱肋底緣拉應(yīng)力，結(jié)果表明：在1.2 倍恒荷載及1.4 倍活荷載組合作用下，中支座截面UHPC 華夫型上翼緣面板和縱肋底緣最大拉應(yīng)力分別為5.9 MPa 和4.7 MPa，遠(yuǎn)低于UHPC 的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[5].

2.2 中支座負(fù)彎矩區(qū)梁段模型分析

選取中支座附近20 m 長(zhǎng)的梁段為研究對(duì)象，利用通用有限元軟件ANSYS 建立節(jié)段有限元模型（考慮到組合梁截面對(duì)稱(chēng)性，僅建立半橋?qū)捔憾文Ｐ停瑫r(shí)在對(duì)稱(chēng)面上施加對(duì)稱(chēng)約束），如圖3（a）所示.為建模方便，模型中UHPC 華夫型上翼緣和工字鋼梁均采用實(shí)體單元模擬，單元類(lèi)型分別為SOLID65和SOLID45.不考慮鋼梁與華夫型上翼緣之間滑移的影響，將二者接觸部位做共節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化處理.由于UHPC 華夫型上翼緣為重點(diǎn)關(guān)注部位，將中支座處鋼梁下翼緣豎向位移和水平位移約束.考慮到梁段兩端豎向位移已在整體模型中體現(xiàn)，故將梁段端截面豎向位移約束.

圖1 新型裝配式UHPC 華夫型上翼緣組合梁Fig.1 Novel prefabricated composite girder with the top flange of UHPC waffle deck panel

圖2 典型三跨連續(xù)梁橋整體計(jì)算模型Fig.2 Whole bridge model of the typical three-span continuous bridge

表1 材料特性Tab.1 Material property

該梁段模型中考慮的荷載主要有結(jié)構(gòu)自重、70 mm 瀝青鋪裝層、車(chē)輛荷載以及UHPC 華夫型上翼緣中橫向預(yù)壓應(yīng)力.其中，瀝青鋪裝層僅將其自重轉(zhuǎn)化為均布荷載施加于橋面板之上，不考慮其對(duì)組合梁的剛度貢獻(xiàn)及對(duì)局部輪載的擴(kuò)散效應(yīng).通過(guò)計(jì)算華夫型上翼緣縱、橫向影響線并考慮實(shí)際車(chē)道布置位置確定車(chē)輛荷載最不利加載位置.綜合縱、橫橋向不同荷載工況組合，該梁段有限元模型共分析了9 種加載工況（圖3（b））.

由中支座梁段模型分析得出的UHPC 華夫型上翼緣縱肋底緣拉應(yīng)力和面板拉應(yīng)力為第2 體系應(yīng)力，按照應(yīng)力疊加法[21]，應(yīng)分別與第1 體系下縱肋底緣拉應(yīng)力和面板拉應(yīng)力疊加，得到UHPC 華夫型上翼緣各部位應(yīng)力如表2所示，表中應(yīng)力以拉應(yīng)力為正.

圖3 中支座負(fù)彎矩區(qū)梁段模型及其加載工況示意（單位：m）Fig.3 The local model and load modes of the mid-support region girder (unit: m)

表2 華夫型上翼緣各部位應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab.2 The calculated stress at parts of the waffle deck panel

從表2可以看出：在恒載和車(chē)輛荷載共同作用下，UHPC 華夫型上翼緣橫肋不出現(xiàn)拉應(yīng)力，面板最大拉應(yīng)力為8.0 MPa，縱肋底緣最大拉應(yīng)力為9.9 MPa，均低于配筋UHPC 的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，且有較高的安全儲(chǔ)備[5].

3 UHPC 華夫型上翼緣的合理結(jié)構(gòu)體系

為確定UHPC 華夫型上翼緣的合理結(jié)構(gòu)體系，以縱肋底緣最大拉應(yīng)力最小為主要優(yōu)化目標(biāo)，探究縱、橫肋高度、寬度、間距以及面板厚度等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)UHPC 華夫型上翼緣受力性能的影響規(guī)律.選取縱、橫肋高度100、150、200、250 mm，寬度50、70、90、110 mm，縱、橫肋間距500、600、700、800、1000 mm，面板厚度40、50、60、70 mm 為參數(shù)組合，進(jìn)行對(duì)比研究.考慮到參數(shù)組合較多，此處依次按照縱橫肋高度和寬度最佳匹配、縱橫肋間距最佳匹配以及最優(yōu)面板厚度的順序進(jìn)行優(yōu)化分析.

縱肋底緣最大拉應(yīng)力隨縱橫肋尺寸變化規(guī)律如圖4所示.從圖4可以看出：（1）當(dāng)縱橫肋高度較小時(shí)，縱肋底緣拉應(yīng)力隨縱橫肋寬度增加顯著降低，當(dāng)縱橫肋高度較大時(shí)，縱橫肋寬度對(duì)縱肋底緣最大拉應(yīng)力的影響不顯著；（2）當(dāng)縱橫肋寬度由50 mm 逐漸增大至110 mm 時(shí)，縱肋底緣最大拉應(yīng)力不斷減小，但當(dāng)縱橫肋寬度超過(guò)90 mm 后，縱肋底緣最大拉應(yīng)力降幅明顯減小，因此縱橫肋寬度宜取為90 mm；（3）當(dāng)縱橫肋高度由100 mm 逐漸增大至250 mm時(shí)，縱肋底緣最大拉應(yīng)力不斷減小，但在縱橫肋高度超過(guò)200 mm 后，縱肋底緣最大拉應(yīng)力降低不明顯.

圖4 縱橫肋尺寸對(duì)縱肋底緣應(yīng)力影響Fig.4 Influence of sizes of longitudinal and transverse ribs on the stress at the bottom of longitudinal ribs

綜合以上分析，綜合考慮縱肋底緣應(yīng)力安全儲(chǔ)備和經(jīng)濟(jì)性之間的平衡，建議縱橫肋寬度取為90 mm，高度取為200 mm.縱、橫肋間距變化對(duì)UHPC 華夫型上翼緣縱肋底緣最大拉應(yīng)力的影響規(guī)律如圖5所示.從圖5可以看出：（1）當(dāng)橫肋間距較小時(shí)，UHPC華夫型上翼緣自重增加明顯，此時(shí)橫肋間距的減小并不能使縱肋底緣受力狀況得到改善；（2）當(dāng)橫肋間距超過(guò)600 mm 后，UHPC 華夫型上翼緣自重變化不再是縱肋底緣最大拉應(yīng)力的控制性影響因素，隨著橫肋間距的增大，縱肋底緣最大拉應(yīng)力近似呈線性增大；（3）當(dāng)縱肋間距由500 mm 增大至700 mm，縱肋底緣拉應(yīng)力變化較??；當(dāng)縱肋間距超過(guò)700 mm后，縱肋底緣拉應(yīng)力隨縱肋間距增加顯著.綜合以上分析，縱肋間距宜取為700 mm，橫肋間距宜取為600 mm.

圖5 縱橫肋間距對(duì)縱肋底緣應(yīng)力影響Fig.5 Influence of space of longitudinal and transverse ribs on the stress at the bottom of longitudinal ribs

縱肋底緣最大拉應(yīng)力和面板最大拉應(yīng)力隨面板厚度變化規(guī)律如圖6所示.從圖6可以看出：隨著面板厚度的增加，縱肋底緣最大拉應(yīng)力線性減小；面板最大拉應(yīng)力隨面板厚度變化較小.考慮到面板厚度增加對(duì)UHPC 華夫型上翼緣自重影響較大，面板厚度宜取為60 mm.

圖6 面板厚度對(duì)縱肋底緣及面板應(yīng)力影響Fig.6 Influence of thickness of top deck on the stress at the bottom of longitudinal ribs and top deck

4 不同類(lèi)型剪力槽對(duì)組合梁力學(xué)性能的影響

剪力連接件作為UHPC 華夫型上翼緣與工字鋼梁協(xié)同工作的連接構(gòu)件，其受力性能對(duì)于新型裝配式UHPC 華夫型上翼緣組合梁工作性能具有重要影響.為充分發(fā)揮裝配式橋梁結(jié)構(gòu)施工快速、施工質(zhì)量易保證的優(yōu)勢(shì)，剪力連接件往往以“簇形”布置，并在UHPC 上翼緣相應(yīng)位置設(shè)置一定大小的槽口，即所謂的剪力槽，現(xiàn)場(chǎng)澆筑剪力槽，形成剪力槽連接件.

組合榫型剪力槽寬度L、設(shè)置間距S以及剪力連接件類(lèi)型是決定剪力槽工作性能的重要參數(shù).為探究L與S的合理匹配，以及將其應(yīng)用于新型裝配式UHPC 華夫型上翼緣組合梁的可行性，以栓釘型剪力槽為對(duì)比，基于前文負(fù)彎矩區(qū)梁段模型，在鋼混界面建立可考慮非線性荷載滑移的零長(zhǎng)度彈簧單元，通過(guò)設(shè)置相應(yīng)荷載滑移曲線來(lái)分別模擬組合榫型剪力槽以及栓釘型剪力槽.組合榫連接件總高度為160 mm，厚度為15.5 mm，相鄰榫間距為200 mm；栓釘連接件高度為90 mm，直徑為19 mm.典型組合榫連接件和栓釘連接件荷載滑移曲線如圖7所示[22-23]；組合榫型剪力槽布置形式如圖8所示.栓釘型剪力槽布置形式與組合榫型剪力槽相同，栓釘布置間距為150 mm.

圖7 典型組合榫連接件和栓釘連接件荷載滑移曲線Fig.7 Typical load-slide curves of composite dowels and shear studs

圖8 組合榫型剪力槽布置形式Fig.8 Layout of the composite dowel-type shear pocket

參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果[20,24]，針對(duì)組合榫型剪力槽以及栓釘型剪力槽，分別選取剪力槽寬度400、600、800、1 000 mm，間距300、600、900、1 200 mm為參數(shù)組合進(jìn)行對(duì)比研究.

圖9、10 分別為新型裝配式組合梁UHPC 華夫型上翼緣縱肋底緣最大拉應(yīng)力以及鋼混界面縱、橫向最大滑移量隨組合榫型剪力槽以及栓釘型剪力槽尺寸、設(shè)置間距變化規(guī)律.

圖9 組合榫型剪力槽參數(shù)變化對(duì)新型組合梁影響Fig.9 Parameter influence of the dowel-type shear pocket on the novel composite girder

圖10 栓釘型剪力槽參數(shù)變化對(duì)新型組合梁影響Fig.10 Parameter influence of the stud-type shear pocket on the novel composite girder

從圖9、10 可以看出：（1）考慮鋼混界面滑移效應(yīng)計(jì)算新型裝配式組合梁UHPC 華夫型上翼緣縱肋底緣拉應(yīng)力與不考慮鋼混界面滑移效應(yīng)相比，計(jì)算結(jié)果有所增大，對(duì)于組合榫型剪力槽，增幅在17.2%以上；對(duì)于栓釘型剪力槽，增幅在45.8%以上.表明界面滑移效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果具有顯著影響，不考慮該效應(yīng)將得到偏于不安全的計(jì)算結(jié)果.（2）UHPC 華夫型上翼緣縱肋底緣最大拉應(yīng)力受剪力槽尺寸影響相對(duì)較小，受剪力槽設(shè)置間距影響較大，當(dāng)剪力槽設(shè)置間距由300 mm 增至1 200 mm，UHPC上翼緣縱肋底緣最大拉應(yīng)力增幅達(dá)47.2%，由此可知，小尺度密集型（尺寸小、間距?。┘袅Σ凼逛摶旖缑婕袅Ψ植稼呌诰鶆颍娠@著降低UHPC 華夫型上翼緣縱肋底緣拉應(yīng)力.（3）采用組合榫型剪力槽新型裝配式組合梁鋼混界面縱橫向滑移均處于彈性階段.采用栓釘型剪力槽新型裝配式組合梁鋼混界面縱橫向均出現(xiàn)塑性滑移.同時(shí)，與采用栓釘型剪力槽相比，采用剛度更大的組合榫型剪力槽上翼緣縱肋底緣拉應(yīng)力更小，更適合作為新型裝配式UHPC華夫型上翼緣組合梁的剪力連接件.（4）鋼混界面縱向滑移受剪力槽尺寸、間距以及連接件形式影響較大，當(dāng)剪力槽設(shè)置間距較小時(shí)（300～600 mm），鋼混界面縱向滑移隨剪力槽寬度增大近似呈線性減??；當(dāng)剪力槽設(shè)置間距較大時(shí)（600～1 200 mm），剪力槽尺寸對(duì)鋼混界面縱向滑移影響顯著減小；采用組合榫型剪力槽新型組合梁鋼混界面縱向滑移更小，約占采用栓釘型剪力槽鋼混界面縱向滑移量的54.9%～67.9%.（5）鋼混界面橫向滑移量與縱向滑移量相比同樣不可忽視，以栓釘型剪力槽為例，鋼混界面橫向最大滑移量約占鋼混界面縱向最大滑移量的56.3%～87.4%.（6）新型裝配式組合梁鋼混界面橫向滑移隨剪力槽設(shè)置間距增大近似呈線性增大，隨剪力槽寬度增大而減小.綜合以上討論，同時(shí)結(jié)合裝配化施工特點(diǎn)，將組合榫型剪力槽作為新型裝配式UHPC 華夫型上翼緣組合梁的剪力連接件，剪力槽寬度取為600 mm，間距取為600 mm.

5 結(jié) 論

（1）引入U(xiǎn)HPC 華夫板代替普通混凝土橋面板，提出一種新型組合梁——裝配式UHPC 華夫型上翼緣組合梁.該類(lèi)結(jié)構(gòu)在有效解決傳統(tǒng)鋼-混凝土組合梁負(fù)彎矩區(qū)的抗裂問(wèn)題的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)預(yù)制裝配式施工，在綠色、高效、環(huán)保方面具有突出優(yōu)勢(shì).該結(jié)構(gòu)在典型連續(xù)梁橋中具有較好的適用性，是一類(lèi)具有廣闊應(yīng)用和發(fā)展前景的新型組合結(jié)構(gòu).

（2）在最不利荷載工況作用下，研究對(duì)象UHPC華夫型上翼緣面板和縱肋底緣最大拉應(yīng)力分別為8.0 MPa 和9.9 MPa，均低于配筋UHPC 的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，且有較高的安全儲(chǔ)備.

（3）對(duì)于UHPC 華夫型上翼緣的合理結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行的系統(tǒng)研究表明，以縱肋底緣最大拉應(yīng)力為控制指標(biāo)的條件下，UHPC 華夫型上翼緣的合理設(shè)計(jì)參數(shù)為：縱橫肋寬90 mm、高200 mm，縱肋間距700 mm，橫肋間距600 mm，面板厚60 mm.

（4）組合榫型剪力槽是適用于新型裝配式UHPC 華夫型上翼緣組合梁的剪力連接件.相對(duì)于栓釘型剪力槽而言，采用組合榫型剪力槽的條件下，華夫型上翼緣縱肋底緣拉應(yīng)力更小，鋼混界面縱橫向滑移處于彈性階段，綜合考慮結(jié)構(gòu)受力性能和裝配化施工特點(diǎn)，剪力槽寬度和間距宜取600 mm.