UHPC應(yīng)用于大跨徑柔性橋梁的組合優(yōu)化研究

張曉戰(zhàn)

(安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 市政與交通工程學(xué)院，合肥 230601)

正交異性鋼板適用于強(qiáng)震區(qū)橋梁、城市橋梁、大跨徑橋梁的橋面。常見(jiàn)的正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)形式包括開(kāi)口型和閉口型縱肋截面形式[1]。但這種橋面存在鋼結(jié)構(gòu)容易疲勞開(kāi)裂和鋪裝非常容易遭到破壞的問(wèn)題，將直接影響橋梁的使用周期和安全性能。針對(duì)鋼橋面鋪裝層出現(xiàn)破損問(wèn)題，目前常見(jiàn)的解決措施主要為優(yōu)化鋪裝材料性能和鋪裝層的厚度，但這些方法不能從根本上避免鋪裝層出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象[2]。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)最常見(jiàn)的疲勞開(kāi)裂問(wèn)題，使用最多的解決方式為優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造細(xì)節(jié)以及增加面板厚度的，但仍然沒(méi)有從根本上杜絕疲勞開(kāi)裂現(xiàn)象。超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete，UHPC)具備超高強(qiáng)度的抗壓能力，被廣泛應(yīng)用于各類建筑工程材料中，該材料能夠顯著降低材料內(nèi)部的微縫隙或者孔隙等缺陷[3]。針對(duì)這些問(wèn)題，研究提出應(yīng)用UHPC進(jìn)行大跨徑柔性橋梁的組合優(yōu)化。

1 組合橋面有限元模型的建立

1.1 組合橋面疲勞設(shè)計(jì)

UHPC是一類具有超強(qiáng)韌性和極高耐久性的水泥基復(fù)合材料，它主要通過(guò)鋼纖維、減水劑、細(xì)骨料、硅灰、水泥等成分構(gòu)成。

普通混凝土和UHPC的主要耐久性和力學(xué)指標(biāo)情況如表1所示。UHPC材料的抗壓強(qiáng)度范圍為150～230 MPa，它約是普通混凝土的3.5倍。UHPC材料的電阻率為1 126 kΩ·cm，它約是普通混凝土的123.5倍。UHPC材料的抗折強(qiáng)度范圍為30～60 MPa，約是普通混凝土的12.5倍。UHPC材料的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為<0.01×10-11m2/s，是普通混凝土的1/100。UHPC材料的彈性模量范圍為40～60 GPa，約是普通混凝土的1.2倍。

表1 普通混凝土和UHPC的力學(xué)指標(biāo)情況

鋼-UHPC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)首先經(jīng)過(guò)栓釘連接好適用于鋼橋面的UHPC層和鋼橋面，然后完成UHPC層頂端瀝青鋪裝層的鋪設(shè)。鋪裝層和UHPC層的厚度范圍分別為6～40 mm和35～60 mm。相較于傳統(tǒng)鋼橋面，鋼-UHPC輕型組合橋面能夠明顯降低輪載環(huán)境下的鋼橋面的疲勞應(yīng)力，從而從根本上防止鋪裝層出現(xiàn)破損狀況[4-5]。在前人對(duì)鋼橋面的疲勞計(jì)算的基礎(chǔ)上，研究首先確定正交異性鋼橋面板典型的①～⑥6種疲勞細(xì)節(jié)。①是指U肋焊縫處頂板與面板縱向的裂縫；②是指面板焊縫和U肋的縱向裂縫；③是指橫隔板交叉位置與U肋的縱肋腹肋的裂縫；④是指橫隔板交叉位置和U肋的橫隔板裂紋；⑤是指弧形切口位置的裂紋；⑥是指U肋下方位置和焊縫交叉位置的裂縫。

圖1 鋼-UHPC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)示意圖

目前的鋼橋面的疲勞驗(yàn)算方法主要有利用線性彈性斷裂力學(xué)和面向Miner準(zhǔn)則的S-N曲線的2種分析方法，但后者應(yīng)用相對(duì)較少，研究選用前者。該分析方法主要涉及熱點(diǎn)應(yīng)力法和名義應(yīng)力法。熱點(diǎn)應(yīng)力法通過(guò)疲勞裂紋發(fā)生點(diǎn)完成疲勞試驗(yàn)和細(xì)節(jié)評(píng)定，具備以下3大特點(diǎn)。S-N曲線數(shù)目和接頭類型比較少，計(jì)算結(jié)果更為精準(zhǔn)，不用依據(jù)焊趾的幾何尺寸進(jìn)行分析。名義應(yīng)力法是一種目前國(guó)內(nèi)外規(guī)范鋼結(jié)構(gòu)橋梁的普遍適用性方法，此方法通過(guò)對(duì)比結(jié)構(gòu)承受的等效名義應(yīng)力幅和該類接頭的S-N曲線，從而判斷結(jié)構(gòu)構(gòu)造的疲勞性能。研究采用的名義應(yīng)力法，設(shè)置疲勞抗力分項(xiàng)系數(shù)為1.1，參照鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范最終得到疲勞強(qiáng)度。鋼橋面6個(gè)連接細(xì)節(jié)疲勞等級(jí)均為200萬(wàn)次，60.87 MPa，常幅疲勞極限均為500萬(wàn)次，44.35 MPa。

1.2 組合橋面有限元模型建立

研究以某大橋?yàn)槔?，該橋梁鋼箱梁高和寬分別為3.01 m和35.6 m，U型肋縱厚度和高度分別為8 mm和262 mm，開(kāi)口寬度314 mm。斜腹板和底板厚度為10 mm，頂板厚度為12 mm。鋼箱梁每4 m設(shè)置一個(gè)橫隔板，板厚8 mm，橫隔板處有吊索橋則橫隔板厚度為10 mm。研究利用鋼-UHPC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)重新構(gòu)建大橋模型，相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案如下所示。第一步清除鋪裝層；第二步焊接短剪力釘；第三步固定縱、橫向鋼筋并澆筑UHPC層。鋼-UHPC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。鋼橋面橋梁通常分為3大體系，主梁體系、正交異性鋼橋面板、蓋板。第一體系中橋梁主梁的上翼緣為正交異性鋼橋面，承擔(dān)橋梁車輛的運(yùn)營(yíng)的荷載；第二體系承擔(dān)橋面車輪荷載；第三體系承擔(dān)車輪的局部荷載。鋼橋的第一體系對(duì)鋼橋疲勞細(xì)節(jié)①～⑤的影響可以忽略不計(jì)，研究?jī)H考慮后兩者對(duì)疲勞細(xì)節(jié)的效果。研究選用ANSYS有限元軟件創(chuàng)建局部有限元分析模型。在完成建模的整個(gè)階段中，吊索區(qū)段均向每邊縱向伸長(zhǎng)1個(gè)橫隔板長(zhǎng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)橫隔板模型構(gòu)建。與此同時(shí)，模型橫向利用半幅箱梁結(jié)構(gòu)，忽略人洞風(fēng)嘴等次要結(jié)構(gòu)的影響，減少運(yùn)算量，進(jìn)而提高有限元分析速度。

圖2 鋼-UHPC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)有限元模型

ANSYS網(wǎng)格劃分方法有常見(jiàn)的有映射和自由網(wǎng)格兩種。研究選取前者，映射網(wǎng)格劃分方法所獲得的網(wǎng)格質(zhì)量較好。針對(duì)所構(gòu)建的模型擁有較大的規(guī)模，因此該模型通過(guò)細(xì)致化網(wǎng)格劃分中車道區(qū)域，且通過(guò)粗糙網(wǎng)格劃分其他區(qū)域[6-7]。中車道區(qū)域6個(gè)疲勞細(xì)節(jié)尺寸依次為6 mm、4 mm、4 mm、5 mm、10 mm、100 mm。UHPC厚度為0 mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)分別為1 161 717和1 171 430。UHPC厚度為45 mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)分別為2 060 034和1 785 312。UHPC厚度為60 mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)分別為2 060 034和1 785 312。依據(jù)第四版歐洲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)得到栓釘抗剪剛度，獲取該短剪力栓釘?shù)目辜魟偠仁?20 kN/mm。利用CONBIN單元建模并設(shè)置彈簧單元的橫縱向剛度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)橫和縱橋向的抗剪性能。在UHPC下表面和豎向耦合鋼面板兩者節(jié)點(diǎn)處，完成鋼面板和UHPC有效的有效連接。

有限元模型邊界條件設(shè)置如下，在道路中心線截面處，設(shè)置X向?yàn)閷?duì)稱約束。在端橫隔板截面處，設(shè)置Z向(縱向)和Y向(豎向)以及X向(橫向)為平動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。在吊索位置，設(shè)置腹部端部為平動(dòng)自由度。車道位置情況如圖3(a)所示。疲勞荷載利用標(biāo)準(zhǔn)疲勞車型Ⅲ，如圖3(b)所示。每軸質(zhì)量為120 kN，且局部性鋼橋面板應(yīng)力分布較強(qiáng)，橫縱向影響線有限，所以可以不計(jì)算多車輛效應(yīng)。除此之外，標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛前后軸間距較大，所以研究忽視疊加效應(yīng)，僅考慮后軸進(jìn)行疲勞荷載[8-9]。依據(jù)正交異性鋼橋面板的幾何特性，荷載工況驗(yàn)算確定情況分為細(xì)節(jié)橫向和縱向位置確定2個(gè)方面。對(duì)于細(xì)節(jié)橫向位置確定的驗(yàn)算，細(xì)節(jié)的橫橋向可以分為U形肋間、騎U形肋、正U形肋3種加載方式，縱橋向存在跨中和橫隔板上方2種形式，車輪橫向加載如圖4(a)所示。分析6種荷載加載方式能夠判斷出各疲勞細(xì)節(jié)的最不利橫向位置，為后續(xù)橋梁設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

(a)車道位置

(b)標(biāo)準(zhǔn)疲勞車型圖3 車道位置和標(biāo)準(zhǔn)疲勞車型Ⅲ示意圖

對(duì)于細(xì)節(jié)縱向位置確定的驗(yàn)算如，在橫隔板U形肋交互處和弧形切口的細(xì)節(jié)，3#橫隔板是最不利位置。在蓋板和U形肋交互處等細(xì)節(jié)，跨中有比較大的可能是最不利位置。在最大應(yīng)力幅的情況下，設(shè)置跨中到縱向兩端距離為0.1 m、0.2 m、0.4 m、0.7 m、1.0 m、2.0 m、4.0 m、6.0 m，總共17個(gè)典型截面完成加載，如圖4(b)所示。同時(shí)，在距離3#橫隔板距離也為0.1 m、0.2 m、0.4 m、0.7 m、1.0 m、2.0 m、4.0 m、6.0 m的17處典型截面完成負(fù)荷加載，如圖4(c)所示。依據(jù)縱橫向加載位置完成沿中車道的雙聯(lián)軸疲勞加載，最終依據(jù)泄水法獲得UHPC不同厚度下6個(gè)細(xì)節(jié)的最大應(yīng)力幅[10]。

(a)車輪橫向位置示意圖

(b)從跨中向西兩側(cè)逐漸稀疏布載的車輪縱向加載位置

(c)從3#橫隔板向兩側(cè)逐漸稀疏布載的車輪縱向加載位置圖4 車輪橫向和縱向加載位置示意圖

2 組合橋面參數(shù)分析

依據(jù)最大應(yīng)力幅和6個(gè)典型疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力計(jì)算方法，實(shí)驗(yàn)依次分析UHPC層厚度、剪力矩間距、橫隔板厚度3個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的組合橋面結(jié)構(gòu)的疲勞性能情況。選取0 mm、45 mm、60 mm 3個(gè)類型的UHPC層厚度，設(shè)置10 mm、14 mm、16 mm 3個(gè)梯度的橫隔板厚度，設(shè)置150 mm×150 mm和200 mm×200 mm 2種類型的剪力釘間距。鋼材和UHPC層均按照線性彈性計(jì)算，鋼材和UHPC的彈性模量設(shè)置為210 000 MPa和42 600 MPa，泊松比設(shè)置為0.3和0.2，密度設(shè)置為7 850和2 700。3種參數(shù)下疲勞細(xì)節(jié)1～6的最大應(yīng)力幅度值如圖5(a)、5(b)、6(a)、6(b)、7(a)、7(b)所示。

(a)不同參數(shù)下疲勞細(xì)節(jié)1最大應(yīng)力幅度值

(b)不同參數(shù)下疲勞細(xì)節(jié)2最大應(yīng)力幅度值圖5 不同參數(shù)下疲勞細(xì)節(jié)1和2的最大應(yīng)力幅度值

(a)不同參數(shù)下疲勞細(xì)節(jié)1最大應(yīng)力幅度值

(b)不同參數(shù)下疲勞細(xì)節(jié)2最大應(yīng)力幅度值圖6 不同參數(shù)下疲勞細(xì)節(jié)3和4的最大應(yīng)力幅度值

(a)不同參數(shù)下疲勞細(xì)節(jié)1最大應(yīng)力幅度值

(b)不同參數(shù)下疲勞細(xì)節(jié)2最大應(yīng)力幅度值圖7 不同參數(shù)下疲勞細(xì)節(jié)5和6的最大應(yīng)力幅度值

隨著，鋼橋面局部和整體剛度隨著UHPC厚度的增加而不斷增加。60 mm UHPC層鋼橋面6大疲勞細(xì)節(jié)下降幅度相對(duì)于45 mm UHPC層更為顯著下降趨勢(shì)，依次約為25%、18%、18%、16.5%、10.8%、15%。這可能是因?yàn)樵黾覷HPC的同時(shí)，大跨徑柔性橋梁鋼-UHPC輕型組合橋面的整體和局部剛度得到對(duì)應(yīng)的提高，進(jìn)而也降低同等負(fù)荷載重下6個(gè)疲勞細(xì)節(jié)的應(yīng)力幅。同時(shí)，橫隔板自身剛度和整體結(jié)構(gòu)的剛度隨著橫隔板厚度的增加而呈現(xiàn)不斷增加趨勢(shì)。橫隔板厚度從10 mm增厚到14 mm以及16 mm，疲勞細(xì)節(jié)4和5的應(yīng)力幅下降范圍在20%～29%，細(xì)節(jié)3最大應(yīng)力幅增加幅度范圍在5%～8%。優(yōu)于疲勞細(xì)節(jié)4和5可能是位于橫隔板上的細(xì)節(jié)，隨著橫隔板厚度的增加而應(yīng)力幅會(huì)降低。同時(shí)疲勞細(xì)節(jié)3位于橫隔板和縱肋交互處的縱肋腹板中，應(yīng)力幅隨著橫隔板的增加而增加。

相對(duì)于細(xì)節(jié)1和細(xì)節(jié)2，逐漸增加橫隔板厚度，相應(yīng)的應(yīng)力幅幅度變化范圍分別約為5%～10%、1%。橋面局部剛度在輕型組合橋面結(jié)構(gòu)優(yōu)化后明顯增加，但細(xì)節(jié)1和2的應(yīng)力幅變化值非常小，波動(dòng)范圍為0.03～1.12 MPa。同時(shí)，疲勞細(xì)節(jié)6的應(yīng)力幅隨著橫隔板厚度的增加緩慢降低，降低范圍為0.27～2.79 MPa。橫隔板厚度從10 mm增加至14 mm、16 mm，改變程度在1%左右。因此，細(xì)節(jié)6的疲勞性能可以不受到橫隔板厚度的影響。

栓釘?shù)氖杳艹潭葘?huì)引起鋼橋面疲勞細(xì)節(jié)的應(yīng)力和應(yīng)力幅的變化。當(dāng)栓釘間距從150 mm增加至200 mm后，疲勞細(xì)節(jié)3、4、5的應(yīng)力幅表現(xiàn)出明顯增加的趨勢(shì)，變化范圍為9.21～23.41 MPa，增幅為22.01%～27.96%。而疲勞細(xì)節(jié)1、2、6的應(yīng)力幅增加幅度非常低，可以完全忽視栓釘變疏對(duì)應(yīng)力幅的影響。

3 結(jié)論

大型跨徑柔性鋼橋由于具備工期短、強(qiáng)度高、自重輕等特點(diǎn)受到廣泛的應(yīng)用，但隨著使用期限的延長(zhǎng)容易出現(xiàn)2大類典型的病害現(xiàn)象。聯(lián)合UHPC分析其對(duì)大跨徑柔性橋梁的組合優(yōu)化下效果，同時(shí)建立6種疲勞細(xì)節(jié)下的有限元分析模型。通過(guò)鋼-UHPC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，1和2細(xì)節(jié)的應(yīng)力幅下降幅度為51%～91%，而其他細(xì)節(jié)為20%～57%。有7種鋼-UHPC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)方案的所有疲勞細(xì)節(jié)符合疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)需求。所有方案的細(xì)節(jié)1、2、6的最大應(yīng)力幅均低于常幅疲勞極限，細(xì)節(jié)3、4、5的最大應(yīng)力幅很難符合常幅疲勞極限。當(dāng)UHPC層厚度、剪力矩間距、橫隔板厚度分別為60 mm、150 mm×150 mm、16 mm，鋼-UHPC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)中所有疲勞細(xì)節(jié)的最大疲勞應(yīng)力幅均符合要求。受限于研究環(huán)境，后續(xù)需要針對(duì)具體病害完善有限元模型，以期達(dá)到更可行和實(shí)用的目的。