裝配式鋼-UHPC輕型組合梁設(shè)計(jì)和整體受力分析

李志鋒,何湘峰,趙旭東,胡偉業(yè),邵旭東

(1. 廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510635；2. 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

0 引言

采用高性能、高強(qiáng)度材料和高性能復(fù)合材料，以延長(zhǎng)壽命，提高耐久性，是世界大橋的未來(lái)趨勢(shì)之一[1]。合理利用高性能材料，形成新的廣義組合結(jié)構(gòu)，并在深入研究廣義組合結(jié)構(gòu)的原理與特性的基礎(chǔ)上建立新的設(shè)計(jì)概念和方法，使現(xiàn)代廣義組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更趨于合理、可靠、經(jīng)濟(jì)、耐久[2]。而超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，簡(jiǎn)稱UHPC) 作為具有超高強(qiáng)度、超高韌性和超長(zhǎng)耐久性等優(yōu)異性能的新型水泥基復(fù)合材料，其構(gòu)件具有結(jié)構(gòu)自重較小、設(shè)計(jì)自由度大、韌性好、耐久性高、符合可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)[3-7]，在土木工程中應(yīng)用廣泛。

惠清高速公路麻埔停車區(qū)跨線橋?yàn)閲?guó)內(nèi)外首座全預(yù)制裝配式鋼-UHPC組合梁橋。本文首先介紹了其設(shè)計(jì)要點(diǎn)、技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性，再利用Midas軟件建立鋼-UHPC輕型組合梁全橋梁格模型，分析其受力特性。

1 工程背景

1.1 工程概況

惠清高速公路屬于汕(頭)湛(江)高速公路的其中一段，全長(zhǎng)126.243 km，路線起于惠州市龍門縣龍華鎮(zhèn)，接廣河高速公路，分別與大廣、京珠、廣樂、清連等高速公路交叉，止于清遠(yuǎn)市清新區(qū)太和鎮(zhèn)，順接汕湛高速公路清遠(yuǎn)至云浮段，計(jì)劃工期4 a。

麻埔停車區(qū)天橋?yàn)榭缭交萸甯咚僦骶€的一座跨線橋，該橋?qū)Ω纳平煌l件、解決停車區(qū)間的聯(lián)系具有重要作用。該橋跨徑布置為4×25 m，設(shè)計(jì)汽車荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100 a，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置為0.5 m(防撞護(hù)欄)+7.5 m(機(jī)動(dòng)車道)+ 0.5 m(防撞護(hù)欄)，設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)。

1.2 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上部結(jié)構(gòu)橋?qū)?.5 m，采用先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)鋼-UHPC輕型組合梁。全橋橫向布置三片π型組合梁，間距2.8 m，梁高100 cm，其中UHPC橋面板采用UHPC150(設(shè)計(jì)參數(shù)取值如表 1所示)，板厚12 cm，工字梁高88 cm，標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖 1所示。UHPC橋面板和鋼主梁通過(guò)剪力釘連接。工字鋼梁采用Q345D鋼，上翼緣寬280 mm，厚12 mm；腹板高840～848 mm，厚16 mm；下翼緣寬500 mm，厚20 mm。

圖1 鋼-UHPC輕型組合梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位：cm)

表1 UHPC150主要設(shè)計(jì)參數(shù)取值Table 1 The main design parameters of UHPC150立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu,k /MPa軸心抗壓強(qiáng)度/MPa軸心抗拉強(qiáng)度/MPa標(biāo)準(zhǔn)值fck設(shè)計(jì)值fcd標(biāo)準(zhǔn)值ftk設(shè)計(jì)值ftd彈性模量Ec/GPa150105758.0ftk/(Kγcf)42.1注:① 泊松比:0.2;線膨脹系數(shù):1.1×10-5 /℃;容重:配筋后27 kN/m3;② 高溫蒸養(yǎng)后,徐變系數(shù):0.2,收縮應(yīng)變:0;③ K為纖維取向系數(shù),整體纖維取向系數(shù)取1.25,局部纖維取向系數(shù)取1.75;材料分項(xiàng)系數(shù)γcf取1.45。

先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)梁橋墩頂負(fù)彎矩區(qū)承擔(dān)巨大的剪力與彎矩，是確保結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵構(gòu)造，且組合梁負(fù)彎矩處上緣混凝土板易開裂，影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。本項(xiàng)目結(jié)合UHPC特點(diǎn)，采用如圖 2所示的負(fù)彎矩“T”形接縫方案，可簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)零焊接。該構(gòu)造具有如下特點(diǎn)：① 上緣帶槽口的“T”接縫，其中設(shè)置槽口的目的主要是將纖維不連續(xù)的薄弱面設(shè)置在低拉應(yīng)力區(qū)，并通過(guò)槽口阻滯現(xiàn)澆UHPC的收縮；② 通過(guò)嵌入式的鋼板和剪力釘增強(qiáng)現(xiàn)澆UHPC與預(yù)制鋼梁的連接作用，可有效傳遞墩頂負(fù)彎矩區(qū)的彎矩和剪力。

圖2 組合梁墩頂負(fù)彎矩區(qū)構(gòu)造示意圖

1.3 上部結(jié)構(gòu)施工要點(diǎn)

鋼-UHPC組合梁為預(yù)制構(gòu)件，通過(guò)吊裝設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝，先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)。上部結(jié)構(gòu)預(yù)制及安裝流程如下。

a.鋼梁節(jié)段在鋼結(jié)構(gòu)加工廠內(nèi)由頂板、底板和腹板焊接成工字型主梁，并運(yùn)至組合梁預(yù)制場(chǎng)；

b.在組合梁預(yù)制場(chǎng)完成鋼梁節(jié)段的拼接，焊接兩工字鋼梁之間的橫向聯(lián)系和工字鋼梁頂板的剪力釘；

c.在組合梁預(yù)制場(chǎng)臺(tái)座和鋼梁上搭設(shè)橋面板的模板，安裝橋面板鋼筋，澆筑橋面板UHPC，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)，形成鋼-UHPC組合梁預(yù)制單元，并對(duì)局部損傷的涂層進(jìn)行處理；

d.采用運(yùn)梁車等運(yùn)輸設(shè)備將鋼-UHPC組合梁預(yù)制單元運(yùn)抵至橋位，并采用汽車吊等吊裝設(shè)備整孔吊裝就位；

e.現(xiàn)場(chǎng)綁扎簡(jiǎn)易連接鋼筋，并澆筑橋面板縱向濕接縫和墩頂簡(jiǎn)支變結(jié)構(gòu)連續(xù)濕接縫，完成體系轉(zhuǎn)換；

f.待濕接縫UHPC的強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)UHPC橋面板進(jìn)行刻槽糙化，安裝防撞護(hù)欄，施工附屬工程。

1.4 技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性

a.技術(shù)先進(jìn)性。

預(yù)應(yīng)力混凝土梁(空心板、T梁、小箱梁)現(xiàn)場(chǎng)施工需要綁扎和焊接濕接縫鋼筋，現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)量大，裝配化率有待提高；當(dāng)采用較大跨徑時(shí)，梁體高、自重大，并不利于結(jié)構(gòu)運(yùn)輸及吊裝；先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土梁負(fù)彎矩區(qū)需張拉墩頂預(yù)應(yīng)力，現(xiàn)場(chǎng)施工繁瑣，且預(yù)應(yīng)力張拉空間有限，施工較困難。

裝配式鋼-UHPC輕型組合π梁的鋼主梁與UHPC橋面板均在工廠預(yù)制，一次成型，吊裝重量輕，現(xiàn)場(chǎng)僅需澆筑縱、橫向濕接縫，便于進(jìn)行快速化施工。UHPC中，鋼筋設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度可降低至10倍鋼筋直徑，可取消現(xiàn)場(chǎng)濕接縫鋼筋焊接工作，可利用優(yōu)異的UHPC抗拉性能抵抗墩頂負(fù)彎矩區(qū)拉應(yīng)力，取消墩頂預(yù)應(yīng)力，簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)施工、實(shí)現(xiàn)快速化施工。以跨徑為25 m為例，單片預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁的吊裝重量約為80 t；而全預(yù)制的鋼-UHPC 組合梁吊裝重量約為36 t，吊裝重量可減少55%。

根據(jù)已有工程實(shí)踐表明，預(yù)應(yīng)力混凝土梁(空心板、T梁、小箱梁)橫向連接節(jié)點(diǎn)屬于薄弱環(huán)節(jié)，易失效開裂導(dǎo)致單梁(板)受力，且易出現(xiàn)滲漏等技術(shù)難題，影響結(jié)構(gòu)安全性和耐久性。UHPC 材料基于最大密實(shí)度理論構(gòu)建，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分致密，外界有害物質(zhì)難以滲入，具有優(yōu)異的耐久性指標(biāo)，而且徐變系數(shù)遠(yuǎn)小于普通混凝土，蒸養(yǎng)后的UHPC 材料收縮基本為零，長(zhǎng)期性能優(yōu)良。而鋼結(jié)構(gòu)的防腐技術(shù)發(fā)展到今天，技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，防護(hù)相對(duì)容易，質(zhì)量更容易控制。

由此可見，與預(yù)應(yīng)力混凝土梁相比，裝配式鋼-UHPC組合梁具有吊裝重量輕、現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)量少、施工簡(jiǎn)化和耐久性優(yōu)異等優(yōu)勢(shì)，技術(shù)先進(jìn)性較顯著。

b.經(jīng)濟(jì)性。

對(duì)相同跨徑、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、安全儲(chǔ)備的預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁和鋼-UHPC輕型組合梁方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析：預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁方案上部結(jié)構(gòu)單價(jià)1 800元/m2，下部結(jié)構(gòu)單價(jià)1 700元/m2，上下部合計(jì)3 500元/m2；鋼-UHPC輕型組合梁方案上部結(jié)構(gòu)單價(jià)2 600元/m2，優(yōu)化后下部結(jié)構(gòu)單價(jià)1 200元/m2，上下部合計(jì)3 800元/m2。由此可見，與預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁方案相比，鋼-UHPC輕型組合梁方案上部結(jié)構(gòu)單價(jià)增加約44%，但由于上部結(jié)構(gòu)自重減輕，可對(duì)下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，優(yōu)化后鋼-UHPC輕型組合梁方案上下部合計(jì)單價(jià)與預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁方案基本相當(dāng)。由此可見，鋼-UHPC組合梁方案具有良好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

2 鋼-UHPC輕型組合梁有限元模型

2.1 模型建立

為了驗(yàn)證鋼-UHPC組合梁受力是否要求，本文根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的結(jié)構(gòu)布置和施工方法，采用橋梁專用有限元計(jì)算軟件Midas Civil建立全橋整體有限元模型(如圖 3所示)，模型采用梁格法建立，主梁采用梁?jiǎn)卧M，主梁與支座通過(guò)剛臂連接，共1 889個(gè)單元，2 270個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 鋼-UHPC輕型組合梁有限元模型

2.2 施工過(guò)程模擬

有限元模型的施工階段定義應(yīng)模擬實(shí)際的施工過(guò)程，有限元模型的施工階段劃分如表 2所示。

表2 施工階段劃分Table 2 The division of construction stages編號(hào)施工階段1吊裝預(yù)制主梁2現(xiàn)澆接縫3體系轉(zhuǎn)換4二期恒載5十年收縮徐變

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 鋼梁應(yīng)力分析

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，施工階段鋼梁下緣最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在二期恒載作用后邊跨跨中位置[如圖 4(a)所示]，為69.86 MPa，上緣最大壓應(yīng)力為24.38 MPa[如圖 4(b)所示]，計(jì)算結(jié)果均小于規(guī)范值80%強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fd，即216 MPa，滿足要求。

(a) 下緣應(yīng)力圖

鋼梁在成橋運(yùn)營(yíng)階段即持久狀況下下緣最大應(yīng)力出現(xiàn)在邊跨跨中位置[如圖 5(a)所示]，為177.15 MPa，上緣最大壓應(yīng)力為57.64 MPa[如圖 5(b)所示]，計(jì)算結(jié)果均小于規(guī)范值75%強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fd，即202.5 MPa，滿足要求。

(a) 下緣應(yīng)力包絡(luò)圖

3.2 UHPC橋面板應(yīng)力分析

(a) 二期鋪裝完成后應(yīng)力包絡(luò)圖

3.3 組合梁穩(wěn)定性分析

鋼梁橫向支撐點(diǎn)間下緣的長(zhǎng)寬比為25.0，大于規(guī)范值13.0，故需驗(yàn)算組合梁的整體穩(wěn)定性。依據(jù)《公路鋼混橋規(guī)》[10]，計(jì)算得到組合梁側(cè)向抗扭屈曲彎矩為2 602.0 kN·m，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，基本組合下組合梁的最大負(fù)彎矩為2 078.25 kN·m，考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)并取1.1，則組合梁最大彎矩設(shè)計(jì)值為2 286.1 kN·m，小于組合梁側(cè)向抗扭屈曲彎矩，故組合梁負(fù)彎矩區(qū)鋼梁側(cè)扭穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。按照《公路鋼橋規(guī)范》[10]第5.3.3條進(jìn)行驗(yàn)算，腹板高厚比滿足規(guī)范局部穩(wěn)定要求。

3.4 組合梁承載能力極限狀態(tài)分析

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，由圖 7可知，基本組合下，跨中最大正彎矩為2 740.56 kN·m，支點(diǎn)最大負(fù)彎矩為2 078.25 kN·m；基本組合下UHPC橋面板上緣最大壓應(yīng)力為23.00 MPa，鋼梁下緣最大拉應(yīng)力為230.10 MPa，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1，則對(duì)于UHPC，上緣最大壓應(yīng)力計(jì)算值為25.30 MPa，小于UHPC的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值75 MPa，對(duì)于鋼梁，下緣最大拉應(yīng)力計(jì)算值為253.11 MPa，小于Q345鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度270 MPa，故UHPC和鋼梁的跨中正彎矩抗彎承載能力滿足要求。

圖7 基本組合下組合梁彎矩包絡(luò)圖(單位: kN·m)

支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)接縫斷面的承載能力計(jì)算時(shí)考慮橋面板內(nèi)縱向鋼筋的抗拉作用，T型翼板UHPC的抗拉作用偏安全的按0.5的折減系數(shù)考慮，由此計(jì)算得到負(fù)彎矩區(qū)接縫斷面的抗彎承載能力為2 933.58 kN·m，大于考慮1.1的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)的組合梁最大負(fù)彎矩設(shè)計(jì)值2 286.08 kN·m，故組合梁內(nèi)支點(diǎn)負(fù)彎矩抗彎承載能力滿足規(guī)范要求。

基本組合作用下組合梁最大剪力如圖 8所示，為741.18 kN，考慮1.1的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，則組合梁的最大剪力設(shè)計(jì)值為815.30 kN，同時(shí)計(jì)算得到組合梁的豎向承載力為2 170.88 kN，大于組合梁的剪力設(shè)計(jì)值，故組合梁的豎向抗剪承載力滿足要求。

圖8 基本組合下組合梁剪力包絡(luò)圖(單位: kN)

3.5 組合梁正常使用極限狀態(tài)分析

頻遇組合下，UHPC橋面板縱橋向應(yīng)力分布如圖 9所示，UHPC橋面板縱橋向最大拉應(yīng)力約為9.00 MPa，在計(jì)算裂縫寬度時(shí)，偏安全地按軸心受拉構(gòu)件計(jì)算，計(jì)算得到墩頂截面的裂縫寬度為0.029 mm，小于規(guī)范要求的0.05 mm，滿足要求。

圖9 頻遇組合下UHPC橋面板應(yīng)力包絡(luò)圖(單位: MPa)

根據(jù)《公路鋼混橋規(guī)》[10]規(guī)定，公路組合梁橋應(yīng)采用不計(jì)沖擊系數(shù)的汽車車道荷載頻遇值(頻遇值系數(shù)取1.0)，并按結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計(jì)算豎向撓度。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，汽車荷載頻遇值作用下組合梁的最大撓度為31.33 mm，小于規(guī)范規(guī)定的組合梁跨徑的1/500即50 mm，所以組合梁的撓度驗(yàn)算滿足要求。

4 結(jié)論

本文介紹了采用裝配式鋼-UHPC輕型組合梁方案的麻埔停車區(qū)跨線橋的工程背景、設(shè)計(jì)和施工要點(diǎn)、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)先進(jìn)性，并利用Midas軟件建立了全橋整體有限元模型，對(duì)組合梁進(jìn)行整體計(jì)算和分析，得到的主要結(jié)論如下：

a.采用裝配式鋼-UHPC輕型組合梁方案的麻埔停車區(qū)跨線橋的裝配化率高，具有良好的技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性。

b.裝配式鋼-UHPC輕型組合梁的各項(xiàng)驗(yàn)算滿足規(guī)范要求，UHPC可很好地適用于組合結(jié)構(gòu)，形成的鋼-UHPC輕型組合梁可滿足工程設(shè)計(jì)要求。

c.裝配式鋼-UHPC輕型組合梁結(jié)構(gòu)自重小，用鋼量少，經(jīng)濟(jì)性好，耐久性好，在中小跨徑橋梁中有良好的應(yīng)用前景，同時(shí)能很好地推動(dòng)我國(guó)橋梁的裝配化建設(shè)。