橫向聯(lián)系對(duì)UHPC組合鋼板梁受力性能的影響研究

文章通過有限元模擬分析了不同橫向連接形式和數(shù)量對(duì)多主梁UHPC組合鋼板梁整體受力性能、鋼主梁局部受力性能、橋面板受力性能和穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明：不同橫向聯(lián)系形式下UHPC組合鋼板梁的屈曲模態(tài)均為鋼主梁的扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，且鋼主梁的扭轉(zhuǎn)變形呈現(xiàn)出關(guān)于跨中截面反對(duì)稱分布的特點(diǎn)；橫向聯(lián)系所在位置會(huì)影響鋼主梁的局部受力。此外，利用主梁最不利位置施加偏心和對(duì)稱車輛荷載，研究橫向連接系對(duì)主梁的受力的影響，可知在少橫梁的主梁中應(yīng)采取混凝土板抗裂措施防止拉應(yīng)力超限。

橋梁工程；組合梁；橫向聯(lián)系；受力性能

U441+.5A331064

作者簡(jiǎn)介：

劉鑠龍（1992—），工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作。

0" 引言

UHPC組合鋼板梁是由UHPC橋面板與工字型鋼主梁連接而成，這種高性能組合結(jié)構(gòu)近年來得到了高度關(guān)注和研究［1-2］。在采用組合鋼板梁作為主梁的過程中，為了滿足交通需求，需要更寬的橋面，因此多主梁形式的組合鋼板梁應(yīng)運(yùn)而生［3］。在不同主梁數(shù)量的UHPC組合鋼板梁施工階段，鋼梁上翼緣在未與混凝土橋面板采用剪力連接鍵連接時(shí)，沒受到橋面板的約束，此時(shí)鋼主梁需要承受橋面板濕重和施工荷載的作用，容易發(fā)生整體失穩(wěn)。因此，為確保施工階段主梁與梁組成的梁格結(jié)構(gòu)不受失穩(wěn)破壞，不同的橫向聯(lián)系應(yīng)運(yùn)而生，其作用在于抵抗鋼主梁的側(cè)彎和扭轉(zhuǎn)變形。橫向聯(lián)系不僅在施工階段對(duì)橋面板起到支撐作用，分配橫向荷載，而且在橋梁使用階段，也能起到分配橫向荷載的作用［4-5］。由于橫向聯(lián)系的形式和數(shù)量有差異，組合梁橋在建造和使用過程中的受力行為也存在顯著差異。目前，缺乏關(guān)于橫向聯(lián)系對(duì)UHPC組合鋼板梁受力性能的影響的研究，且UHPC作為橋面板的組合梁的相關(guān)研究較少。因此，本文重點(diǎn)探討雙主梁和四主梁UHPC組合鋼板梁在不同橫向連接形式下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、撓度、穩(wěn)定性等受力性能。

1" 橫向聯(lián)系形式

在UHPC組合鋼板梁中，常見的橫向聯(lián)系形式有桁架式和實(shí)腹式。桁架式橫向聯(lián)系與實(shí)腹式相比具有自重輕的特點(diǎn)，兩種橫向聯(lián)系形式都利于荷載的橫向分配。桁架式的桿件數(shù)量相比實(shí)腹式要多一些，剛度較小，因此為了達(dá)到荷載更均勻分配的目的，同樣荷載分布效果下，桁架式需要設(shè)置較多的橫向聯(lián)系桿件。

本文將進(jìn)行實(shí)腹式橫向聯(lián)系和桁架式橫向聯(lián)系對(duì)主梁受力性能的影響研究，采用的橫向連接形式包括三種：（1）如圖1（a）右側(cè)所示的橫梁與橋面板連接的實(shí)腹式橫向聯(lián)系，本文簡(jiǎn)稱A橫向聯(lián)系；（2）不與橋面板連接，不支撐橋面板的橫向聯(lián)系，本文簡(jiǎn)稱B橫向聯(lián)系，如圖1（a）左側(cè)所示；（3）如圖1（b）所示為桁架式橫梁。

（a）實(shí)腹式橫梁

（b）桁架式橫梁

2" 建立UHPC組合鋼板梁有限元模型

采用大型有限元軟件建立有限元模型如圖2所示，雙工字鋼組合梁模型由鋼主梁、橫向聯(lián)系及混凝土板組成，組合梁長(zhǎng)6 m，橋面寬2.6 m。主梁、橫梁、加勁肋、混凝土板和栓釘采用C3D8R建模。鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼絞線用T3D2定義。在精細(xì)化有限元模型中，使用多線性模型來模擬鋼梁，網(wǎng)格大小為50 mm以確保計(jì)算精度。

本文的有限元模型借助文獻(xiàn)［6］中試驗(yàn)梁的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證本文建模方法的可行性，荷載位移曲線和橋面板應(yīng)變曲線對(duì)比結(jié)果如圖3、圖4所示，從圖中可看出在彈塑性受力全過程的有限元模擬中，本文模型對(duì)組合梁的實(shí)際行為能夠準(zhǔn)確模擬。

橫向聯(lián)系對(duì)UHPC組合鋼板梁受力性能的影響研究/劉鑠龍

3" 橫向聯(lián)系對(duì)靜力性能的影響

采用本文的建模方法，與某40 m跨徑的雙鋼主梁和四鋼主梁的UHPC組合鋼板梁橋標(biāo)準(zhǔn)圖進(jìn)行對(duì)比，對(duì)多主梁UHPC組合鋼板梁在不同橫向連接形式和數(shù)量下的靜力性能進(jìn)行變參分析，分別從結(jié)構(gòu)整體受力、鋼梁局部受力性能及對(duì)橋面板受力性能3個(gè)方面進(jìn)行橫向聯(lián)系的影響研究。

本文在有限元模型中對(duì)結(jié)構(gòu)施加偏心荷載，以分析橫向聯(lián)系的傳力效果。不同橫向聯(lián)系類型UHPC組合鋼板梁跨中截面撓度及應(yīng)力分布如圖5所示。

（a）撓度

（b）應(yīng)力

圖5給出了不同橫向連結(jié)系類型的四主梁組合梁橋跨中截面的撓度和應(yīng)力分布情況，4根鋼主梁編號(hào)分別為1～4號(hào)。在有限元模型荷載施加時(shí)，1號(hào)主梁位置偏載，4號(hào)主梁位置沒有偏載。從圖5可以看出，標(biāo)準(zhǔn)圖設(shè)計(jì)方案主梁的撓度比桁架式的撓度增大了5%，比實(shí)腹式增大了7%，標(biāo)準(zhǔn)圖設(shè)計(jì)方案主梁應(yīng)力比起桁架式橫向聯(lián)系和實(shí)腹式橫向聯(lián)系分別增加了6%和10%。因此，標(biāo)準(zhǔn)圖橫梁形式比起桁架式和實(shí)腹式最為不利。

橫向聯(lián)系對(duì)鋼梁局部受力性能影響的研究中對(duì)于雙工字鋼組合梁采用前文說明的A型、B型兩種橫向聯(lián)系。圖6給出了不同橫梁形式以及不同鋼主梁數(shù)量的主梁的局部應(yīng)力分布圖。對(duì)于四主梁的組合梁，其橫向連接系采用桁架式、實(shí)腹式和圖6（c）中所示的標(biāo)準(zhǔn)圖中的橫向連接形式。

由圖6可知，在車輛荷載作用下，連接板件靠近主梁受壓翼緣處、A型橫向聯(lián)系腹板和連接板件接縫處以及B型橫向聯(lián)系靠近鋼主梁上翼緣處有應(yīng)力集中。此外，四主梁也表現(xiàn)出在鋼主梁與橫向聯(lián)系連接處應(yīng)力集中的現(xiàn)象。這些應(yīng)力集中的位置和現(xiàn)象可能與車輛荷載作用下的動(dòng)載效應(yīng)有關(guān)。

假設(shè)相鄰主梁中心間距為dm，應(yīng)力計(jì)算位置到主梁中心線的距離為dz，dm/dz為應(yīng)變計(jì)算點(diǎn)在橫橋向的相對(duì)位置。不同橫向聯(lián)系形式和橫向聯(lián)系數(shù)量的縱橋向應(yīng)變分布如圖7所示。

（a）雙主梁和四主梁不同橫向聯(lián)系形式縱橋向應(yīng)變

（b）雙主梁不同橫向聯(lián)系數(shù)量縱橋向應(yīng)變

（c）四主梁不同橫向聯(lián)系數(shù)量縱橋向應(yīng)變

如圖7所示，在車輛荷載作用下，四主梁兩種橫向聯(lián)系類型的混凝土板下表面的應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變。其中，實(shí)腹式的應(yīng)變小于桁架式，因此橫梁的形式影響主梁的應(yīng)變分布和大小。具體表現(xiàn)為，當(dāng)雙主梁中橫向聯(lián)系數(shù)量從總數(shù)11減少為7根的時(shí)候，混凝土板下表面縱向應(yīng)變呈現(xiàn)出先增后減的規(guī)律；當(dāng)橫梁數(shù)量為5時(shí)，混凝土板下表面的縱向應(yīng)變最大，與此同時(shí)，橋面板橫向應(yīng)變隨橫向聯(lián)系數(shù)量的減少而增加，因此橫梁可以減小截面的應(yīng)力。此外，5橫梁混凝土板下表面的最大縱向應(yīng)變比3橫梁的最大縱向應(yīng)變降低了6.7%，但是當(dāng)橫梁數(shù)量為3根和5根時(shí)，混凝土板的應(yīng)變值均超過了混凝土的開裂應(yīng)變。綜上所述，橫梁可以讓截面受力更加均勻，增大截面剛度。

4" 穩(wěn)定性影響分析

本文通過詳細(xì)分析不同橫向聯(lián)系數(shù)量、橫向聯(lián)系形式以及有無臨時(shí)支撐等條件下雙工字鋼主梁的穩(wěn)定性參數(shù)變化，揭示了雙主梁梁格結(jié)構(gòu)在屈曲模態(tài)上的共性特征即屈曲模態(tài)相同。無臨時(shí)支撐時(shí)，鋼主梁發(fā)生彎扭失穩(wěn)；而當(dāng)有臨時(shí)支承時(shí)，失穩(wěn)模態(tài)則轉(zhuǎn)變?yōu)殇撝髁旱膫?cè)彎失穩(wěn)。圖8展示了不同橫向聯(lián)系形式組合梁的屈曲模態(tài)，為理解雙工字鋼主梁的穩(wěn)定性提供了有力支持。通過有限元分析，發(fā)現(xiàn)橫向聯(lián)系數(shù)量的增加可以顯著提高雙工字鋼主梁的穩(wěn)定性，而不同的橫向聯(lián)系形式對(duì)穩(wěn)定性也有著不同程度的影響。此外，有無臨時(shí)支撐也是影響雙工字鋼主梁穩(wěn)定性的重要因素之一。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于優(yōu)化雙工字鋼主梁的設(shè)計(jì)和施工具有重要的指導(dǎo)意義。

（a）無臨時(shí)支撐

（b）臨時(shí)支撐

圖9顯示了不同橫向聯(lián)系類型的四主梁在橋面板施工階段的屈曲模態(tài)，這三種梁格模型的屈曲模態(tài)均表現(xiàn)為鋼主梁的扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)。鋼主梁的扭轉(zhuǎn)變形呈現(xiàn)出關(guān)于跨中截面反對(duì)稱分布的特點(diǎn)，這種特定的屈曲模態(tài)在橋梁施工中具有重要意義，因?yàn)槠淇赡苡绊懯┕み^程的穩(wěn)定性和安全性。

（a）標(biāo)準(zhǔn)圖設(shè)計(jì)

（b）實(shí)腹式橫向聯(lián)系

（c）桁架式橫向聯(lián)系

5" 結(jié)語

（1）在本文的四主梁標(biāo)準(zhǔn)圖中，荷載橫向分布情況更不均勻，因此其相較于桁架式和實(shí)腹式受力較為不理想。

（2）不同橫向聯(lián)系形式的四主梁UHPC組合鋼板梁在橫向聯(lián)系與主梁連接的位置都出現(xiàn)了應(yīng)力集中，其中雙主梁B型橫向聯(lián)系的應(yīng)力集中出現(xiàn)在靠近主梁上翼緣處。

（3）橫向聯(lián)系數(shù)量的變化對(duì)組合梁混凝土板的應(yīng)力分布和大小影響顯著。當(dāng)橫向聯(lián)系數(shù)量較少時(shí)，組合梁混凝土板中的最大拉應(yīng)力會(huì)超過混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，此時(shí)需采取混凝土板抗裂措施防止拉應(yīng)力超限。

（4）根據(jù)鋼梁屈曲模態(tài)分析，得到所有橫向聯(lián)系類型主梁的屈曲模態(tài)都是主梁扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，且扭轉(zhuǎn)變形關(guān)于跨中截面呈反對(duì)稱分布。

［1］Yoo D Y，Banthia N，Yoon Y S.Recent development of innovative steel fibers for ultra-high-performance concrete（UHPC）：A critical review［J］.Cement and Concrete Composites，2023，145（1）：105359.

［2］Du W，Yu F，Qiu L，et al.Effect of Steel Fibers on Tensile Properties of Ultra-High-Performance Concrete：A Review［J］.materials，2024，17（5）：1 108.

［3］聶建國，余志武.鋼-混凝土組合梁在我國的研究及應(yīng)用［J］.土木工程學(xué)報(bào)，1999（2）：3-8.

［4］國明超，吳振聲，朱聘儒.鋼-混凝土組合梁在我國的研究和應(yīng)用［J］.工業(yè)建筑，1992（2）：3-5.

［5］陳寶春，牟廷敏，陳宜言，等.我國鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁研究進(jìn)展及工程應(yīng)用［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2013，34（1）：1-107.

［6］李法雄.組合梁斜拉橋空間受力行為及時(shí)變效應(yīng)［D］.北京：清華大學(xué)，2011.

20240410