GFRP-混凝土-鋼組合連續梁橋設計

何曉暉，代 亮，陳宜言

（深圳市市政設計研究院有限公司，廣東 深圳 518029）

1 概述

合肥市郎溪路工程段E匝道第二聯橋跨徑組合為（25+35+25）m，該橋上部結構采用GFRP-混凝土-鋼組合結構，橋梁立面布置如圖1所示。該橋是國內首次采用GFRP-混凝土組合橋面板作為鋼-混凝土組合梁橋橋面板的橋梁結構。在施工階段，GFRP板作為永久性模板使用；在使用階段，GFRP板可部分代替橋面板底層橫向鋼筋承受橋上活載作用。在結構受力方面，對于橫橋向正彎矩區，GFRP板位于底層受拉區，混凝土位于頂部受壓區，充分發揮了兩種材料的受力優點。在耐久性方面，處于橋面板底層以及側壁的GFRP板將對混凝土起到保護作用，避免混凝土碳化和鋼筋銹蝕作用，提高混凝土橋面板的疲勞性能，進而提高橋面板結構的耐久性，并間接提升組合梁橋的有效服務壽命。此外，在縱橋向混凝土與鋼梁通過栓釘連接，形成組合作用，鋼梁以受拉為主，GFRP-混凝土橋面板以受壓為主，受力明確。整個結構具有新穎性和創新性。

橋面寬度8.5 m，具體布置為0.5 m（護欄）+3.75 m（車道）+3.75 m（車道）+0.5 m（護欄）。橋梁的截面形式為GFRP+混凝土+鋼梁的形式，箱梁截面如圖2所示，GFRP板如圖3所示。

2 全橋整體計算分析

2.1 整體模型

采用midas/Civil軟件建立全橋整體模型，根據荷載工況組合以確定組合橋面板最不利受力截面位置，建模時考慮以下五個施工階段：

（1）建立臨時支撐和永久支撐，架設鋼梁。

（2）澆筑混凝土。

（3）混凝土達到強度后進行預應力張拉。

（4）拆除臨時支撐。

（5）施加二期恒載。

整體模型如圖4所示。

2.2 恒載

橋梁一期恒載為橋梁自重，橋面板采用C50無收縮混凝土，鋼梁材質為Q345C，GFRP板的厚度為6 mm。橋梁每延米質量為9.624 t。二期恒載包括鋪裝層和護欄，鋪裝層厚度為0.22 m，護欄按照15 kN/m計算。

2.3 活載

荷載等級：公路-Ⅰ級。活載最不利布載位置包含兩部分內容：第一部分為橋梁縱向最不利布載位置；第二部分為橋梁橫向最不利布載位置。橋面板橫向最不利布載又細分為兩種工況：一種為橋面板箱梁頂板跨中正彎矩的最不利布載；另一種為懸臂板根部的負彎矩最不利布載。

2.4 荷載組合

荷載組合取標準組合，即1.0×一期恒載+1.0×二期恒載+1.0×預應力+1.0×車輛荷載（考慮車輛沖擊），選取彎矩圖如圖5所示。

圖1 橋梁立面構造圖（單位：mm）

圖2 標準橫截面圖（單位：mm）

圖3 GFRP板構造圖（單位：mm）

圖4 全橋整體模型

圖5 標準組合彎矩圖（單位：kN·m）

3 實體有限元局部分析

3.1 節段選取

分別選取中跨跨中處和中支點處，中跨跨中是最大正彎矩段，中支點為最大負彎矩段。根據整體模型的計算結果，擬定局部模型長度尺寸。跨中段選取25 m長度，可以布置整車模型，其中實體板殼單元模型長度為9 m。中支點段選取10.2 m長度，其中實體板殼單元模型長度為10 m，如圖6所示。局部模型所用到的邊界條件選用整體計算模型中的幾何邊界條件和內力邊界條件。

圖6 局部模型示意圖（單位：cm）

3.2 局部模型建立

局部模型采用ANSYS有限元軟件建模分析，混凝土橋面板采用Solid65實體單元，鋼梁采用Shell43殼單元，GFRP槽板采用Shell181殼單元，不考慮材料非線性的影響。

提取整體模型相應節段端部的內力結果（軸力、剪力、彎矩等）和幾何邊界條件（位移、轉角等）。整體模型中的內力值是針對截面形心處的內力，該內力值無法直接施加于板殼實體模型截斷處，必須采用等效靜力的原則施加。為此板殼實體模型斷面形心處建立與該截面相同的梁單元，并將梁單元的一端節點與板殼實體模型截斷面處的所有節點耦合，在該梁單元的另一端節點施加從全橋模型提取出的內力結果（見圖7）。

圖7 局部實體計算模型

3.3 組合梁控制截面車輛布載

局部模型荷載組合選用荷載標準組合，車輛布載按照最不利情況布載，具體描述見表1。

表1 控制截面車輛布載情況匯總

3.4 主要計算結果

根據圣維南原理，計算結果提取局部模型控制截面1～3 m范圍處的數據，中跨跨中選取3 m長度和中支點選取2 m長度。計算結果負值為壓應力，正值為拉應力。

3.4.1 中跨跨中箱梁頂板跨中計算結果

混凝土板底面的橫向應力最大值為-0.21 MPa，混凝土橋面板頂面的橫向應力最大值為-4.99 MPa（見圖 8）。

圖8 中跨跨中橋面板橫向應力圖（單位：Pa）

3.4.2 中跨跨中懸臂根部計算結果

混凝土板底面的橫向應力最大值為0.16 MPa，混凝土板頂面的橫向應力最大值為-4.44 MPa（見圖 9）。

圖9 中跨跨中懸臂根部橫向應力圖（單位：Pa）

3.4.3 中支點段箱梁頂板跨中計算結果

混凝土板底面的橫向應力最大值為0.78 MPa，混凝土板頂面的橫向應力最大值為-4.12 MPa（見圖 10）。

圖10 中支點橋面板橫向應力圖（單位：Pa）

3.4.4 中支點段懸臂根部計算結果

混凝土板底面的橫向應力最大值為-4.49 MPa，混凝土板頂面的橫向應力最大值為1.74 MPa（見圖 11）。

圖11 中支點段混凝土橫向應力圖（單位：Pa）

由上述分析可知，橋面板的橫向受力受到結構空間效應和邊界條件的影響：

（1）結構空間效應。箱室內的橫隔板讓橋面板表現出雙向板的受力性質，橫向受力后，不僅橫向板條分擔彎矩，而且縱向板條也要分擔相當比例的彎矩；同樣，縱向受力后，橫向和縱向板條共同分擔彎矩。

（2）邊界條件。鋼箱梁下方設置支座，相當于加強了橋面板的豎向約束，橋面板更多地承受橫向受力。在沒有設置支座的節段，橋面板和鋼箱梁作為整體協同受力，橋面板的橫向受力是兩者疊加的結果。以橋面板承受對稱荷載為例，說明箱梁頂板的受力表現在中跨中段，GFRP-混凝土-鋼組合梁作為整體承受橫向力，GFRP-混凝土組合橋面板承受壓應力，鋼箱梁承受拉應力。中支點處存在底部支座，橋面板的豎向約束加強，因此橋面板頂部承受壓應力，底部承受拉應力。

4 結語

（1）GFRP-混凝土組合橋面板具有良好的抗疲勞性，可以有效抵抗受拉引起的疲勞問題。從橋梁的控制斷面應力分析來看，橋面板會承受拉應力。實橋的橋面板底部應力數值遠小于試件疲勞加載下限應力，可有效抵抗橋面板受拉循環引起的疲勞問題。

（2）GFRP作為底板可以提高橋面板的耐久性。在中支點附近施加車輛荷載后，傳統橋面板下部的混凝土會出現開裂風險。使用GFRP板作為底板后，可以包裹住混凝土，使得鋼筋和混凝土免受侵蝕，有效提高橋梁的耐久性。

（3）GFRP-混凝土-鋼組合連續梁結構具有自重輕、抗震性能好、結構抗裂性和整體性能優異的優點，具備很好的應用前景和推廣價值。