超高性能混凝土與三維CAE仿真分析在特殊橋梁工程中的運用

王 新，李國鵬，趙卓顯

(中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024)

0 前 言

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，對基礎設施建設也提出了更高的要求。一方面，城市對橋梁提出了更多的功能要求；另一方面，城市橋梁除提供交通功能外，美觀性也愈發(fā)被重視。這便促使一些特殊橋梁應運而生，例如，開啟式橋梁[1]既滿足航運的水位要求，又因常采用輕質(zhì)美觀的鋼結(jié)構(gòu)、開啟或閉合的過程更易吸引人們的關注等原因，而具有很好的景觀性[2]。

鋼-普通混凝土橋面板是通過抗剪連接件將鋼梁和混凝土板組合而成，充分利用混凝土高強的抗壓性和鋼材良好的抗拉性，具有結(jié)構(gòu)受力合理的特點，在特殊橋梁工程中廣泛應用。但同時也存在自重大、負彎矩區(qū)域混凝土易開裂等缺陷，影響了結(jié)構(gòu)的耐久性和經(jīng)濟性[3]。

隨著科技的快速發(fā)展，混凝土強度越來越高，超高性能混凝土(UHPC) 應運而生[4]。與普通混凝土相比，UHPC以細砂為骨料，摻入大量硅灰等礦物摻合料、高效減水劑和微細鋼纖維，其抗壓強度可達到200 MPa，抗彎拉強度可達到20 MPa。

為改變上述鋼-普通混凝土組合梁的不足，可采用超高性能混凝土(UHPC)替代普通混凝土，形成鋼-UHPC組合橋面板。由于UHPC優(yōu)良的材料性能非常適合應用于橋梁工程中，目前全世界已建成的UHPC橋梁有200多座[5]，但應用鋼-UHPC組合結(jié)構(gòu)的卻很少。對于鋼-UHPC組合結(jié)構(gòu)的理論研究，國內(nèi)已經(jīng)開展了一些[6-7]。根據(jù)這些研究結(jié)果可以得到一個結(jié)論：采用UHPC板替代傳統(tǒng)鋼-混凝土組合梁中的普通混凝土，形成鋼-UHPC組合梁，在橋梁工程中具有良好的應用前景[8]。

為深入探究鋼-UHPC組合橋面板的受力特性，本文結(jié)合工程實例研究不同混凝土厚度、約束方式與加勁肋形式對其的影響，得出的相關結(jié)果可為其他工程提供參考。

1 橋面板精細化模型與邊界約束對橋面板的影響

1.1 橋面板設計方案

本文以通州某開啟橋為研究對象，因橋臺需設置機械轉(zhuǎn)動裝置、動力系統(tǒng)及定期檢修通道等，0號橋臺設計為較大空間的箱室結(jié)構(gòu)。為防護機械裝置、保障結(jié)構(gòu)安全性及橋梁美觀性，本橋需在橋臺處布置一塊較大跨徑的鋼-UHPC組合橋面板，同時也作為箱室橋臺的頂板，詳見圖1。該橋面板具有以下特點：

(1)受機械裝置影響，板的幾何形式較為復雜。

(2)轉(zhuǎn)軸側(cè)板邊不受約束，其余三側(cè)均約束在橋臺處。

(3)板頂高程需滿足橋面高程要求，板底不得侵占配重空間，因此組合板厚度受到限制。具體設計方案為UHPC混凝土、Q420鋼板和縱橫方向加勁肋三者的組合結(jié)構(gòu)。橋梁開啟狀態(tài)下，該橋面板僅有自重和溫度荷載，荷載標準組合=1.0×自重+1.0×溫度荷載(整體降溫20 ℃)。橋面板平面設計示意見圖2，橋面板立面設計及材料剖面示意見圖3。

(a)平面 (b)立面

1.2 精細化設計模型與固定約束對比模型

約束方式對于橋面板的受力響應至關重要。設計方案采用搭接支承的方式，即在重力方向限制節(jié)點向下移動，不限制節(jié)點向上移動。為準確模擬搭接支承，模型在搭接處增加僅能承壓、不承拉的大剛度虛擬接觸桿單元。所以，依據(jù)設計方案，采用上述模擬方法，建立了精細化模型。

圖2 橋面板平面設計(單位：mm)

圖3 橋面板立面設計及材料剖面示意(單位：mm)

此外，鋼結(jié)構(gòu)施工中常常還采用螺栓、焊接等固定約束的方式。因此，在不改變其他任何參數(shù)的前提下，本節(jié)通過建立固定約束的對比模型，探究約束方式對于橋面板受力特性的影響。模型參數(shù)詳見表1。

表1 模型對比

1.3 結(jié)果對比分析

設計模型與對比模型的主要計算結(jié)果如圖4～11所示。

通過撓度云圖對比可知，設計模型混凝土撓度最大為2.3 cm，而對比模型最大撓度為1.1 cm。應力云圖對比可知，設計模型的各材料應力分布變化平緩，而對比模型在靠近約束區(qū)域內(nèi)存在明顯的應力集中現(xiàn)象，混凝土與鋼材應力均很大。顯然，相比固定約束，搭接支承的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大撓度，但能夠有效避免支撐范圍內(nèi)的應力集中現(xiàn)象，使橋面板應力分布變化更加平緩。

圖4 設計模型混凝土撓度云圖 圖5 對比模型混凝土撓度云圖

圖6 設計模型混凝土主壓應力云圖 圖7 對比模型混凝土主壓應力云圖

圖8 設計模型橋面鋼板米塞斯應力云圖 圖9 對比模型橋面鋼板米塞斯應力云圖

圖10 設計模型T肋米塞斯應力云圖 圖11 對比模型T肋米塞斯應力云圖

2 混凝土厚度對橋面板的影響

2.1 不同參數(shù)的對比模型

受橋面高程和配重構(gòu)件的影響，本橋面板總厚度不能超過250 mm。所以在總厚度不變的前提下，本節(jié)通過建立不同厚度混凝土的橋面板模型，探究混凝土厚度對于橋面板力學特性的影響，模型參數(shù)詳見表2。

2.2 撓度結(jié)果對比分析

各模型計算結(jié)果的撓度云圖如圖12所示。

最大撓度出現(xiàn)在懸臂側(cè)，提取各模型懸臂側(cè)的撓度計算結(jié)果并形成撓度對比(見圖13)。Y軸為撓度計算值，X軸為沿線位置坐標，即未支承側(cè)邊上任意點沿邊線到最左側(cè)端點的距離。

表2 模型參數(shù) mm

圖12 各模型撓度云圖對比

圖13 撓度對比

可見，混凝土厚度的變化對于橋面板撓度影響很小。

2.3 混凝土壓應力結(jié)果對比分析

提取各模型懸臂側(cè)混凝土主壓應力計算結(jié)果，并形成混凝土主壓應力對比圖(見圖14)。Y軸為應力值，X軸為沿線位置坐標，即懸臂側(cè)邊上任意點沿邊線到最左側(cè)端點的距離。各模型混凝土主壓應力云圖如圖15所示。

根據(jù)結(jié)果可知：隨著混凝土厚度由4 cm增大到6 cm，跨中區(qū)域的混凝土最大壓應力由約6 MPa逐漸減少至約3 MPa；混凝土厚度由8 cm增大到10 cm，跨中區(qū)域的混凝土最大主壓應力由約3 MPa逐漸增大到約7 MPa ；在橋面板幾何變化區(qū)域內(nèi)，混凝土出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，且隨著混凝土厚度的增大，最大應力也逐漸增大。

圖14 混凝土主壓應力對比

2.4 鋼材應力結(jié)果對比分析

各模型計算結(jié)果的鋼材米塞斯應力云圖如圖16所示。

最大應力出現(xiàn)在靠近懸臂側(cè)加勁肋上，提取該加勁肋各位置處米塞斯應力，并形成對比圖(見圖17)。Y坐標是應力值，X坐標對應節(jié)點沿線位置坐標，即加勁肋上任意點沿橫橋向到肋端點的距離。

分析可知，隨著混凝土厚度由4 cm增大到10 cm，加勁肋的最大應力均出現(xiàn)在兩側(cè)幾何變化的區(qū)域內(nèi)，基本維持在50 MPa左右。

圖15 各模型混凝土主壓應力對比云圖

圖16 各模型鋼材應力對比云圖

圖17 鋼材應力對比

2.5 小 結(jié)

根據(jù)上述分析，得出以下三點結(jié)論：

(1)混凝土厚度的變化對橋面板的撓度幾乎無影響。

(2)隨著混凝土厚度由4 cm增加到10 cm，跨中混凝土壓應力先遞減后遞增。當厚度在6～8 cm范圍內(nèi)時，跨中混凝土壓應力最小。

(3)橋面板兩側(cè)幾何變化區(qū)域出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。

3 加勁肋形式對橋面板力學特性的影響

為增加鋼結(jié)構(gòu)剛度及避免結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，組合橋面板需要設置加勁肋。加勁肋的形式主要有T型加勁肋與U型加勁肋。工程實踐中，受到施工技術、材料工藝、力學特性等因素的影響，鋼結(jié)構(gòu)會相應選取適當形式的加勁肋。本節(jié)通過設計模型與U型加勁肋模型的對比分析，探究加勁肋形式對于鋼-UHPC 組合橋面板力學特性的影響。

3.1 U型加勁肋的對比模型

設計方案采用高度170 mm的T型加勁肋。在設計方案基礎上，對比方案將所有軸向為橫橋向的T型加勁肋改為U型，且兩種方案的高度、厚度及橫斷面面積保持一致，具體參數(shù)如圖18～19所示。

3.2 結(jié)果對比分析

設計模型與U肋對比模型的計算結(jié)果如圖20～25所示。

通過撓度云圖的對比可知：T肋橋面板最大撓度為2.3 cm，混凝土最大壓應力為10.8 MPa，靠近懸臂側(cè)的加勁肋在中間區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了最大米塞斯應力為49.2 MPa。U肋橋面板最大撓度為2.1 cm，混凝土最大壓應力為14 MPa，鋼材最大米塞斯應力為93.0 MPa，且鋼材最大應力均出現(xiàn)在橋面板幾何變化區(qū)域的外側(cè)加勁肋上。顯然，在肋高、肋板厚度與工程量相同的前提下，U肋橋面板撓度要小于T肋橋面板，但T肋更能夠減輕橋面板兩側(cè)幾何變化區(qū)域內(nèi)應力集中的現(xiàn)象。

圖18 設計方案剖面示意

圖19 U肋對比方案剖面示意

圖20 設計方案撓度云圖

圖像21 U肋對比方案撓度云圖

圖22 設計方案混凝土壓應力云圖

圖23 U肋對比方案混凝土壓應力云圖

圖24 設計方案鋼結(jié)構(gòu)米塞斯應力云圖

圖25 U肋對比方案鋼結(jié)構(gòu)米塞斯應力云圖

4 總 結(jié)

根據(jù)本文分析討論，可以得出以下結(jié)論：

(1)相對于固定的約束方式，在撓度能夠滿足要求的前提下，采用搭接支承的方式能夠有效避免鋼-UHPC 組合橋面板支承范圍內(nèi)的應力集中現(xiàn)象。

(2)當混凝土厚度在6～8 cm之間時，鋼-UHPC組合橋面板跨中混凝土壓應力最小。

(3)鋼-UHPC組合橋面板在兩側(cè)幾何變化區(qū)域出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。相對于U型加勁肋， T型加勁肋橋面板雖然撓度較大，但能夠有效減輕橋面板幾何變化區(qū)域內(nèi)的應力集中現(xiàn)象。