“鋼-UHPC”結構在疊合梁鋼便橋上的應用分析

張斌，趙金偉，梅培紅，羅平 （中交水利水電建設有限公司，浙江 寧波 315200）

“鋼材+混凝土”的材料組合形式在力學性能上可以被理解為復合材料優勢的一種體現。“鋼混疊合梁”結構與純鋼梁或者純混凝土梁（一般很少見）相比而言，中和軸高度更大，抗彎的截面內力臂更大，從而保證截面在抗彎承載力以及抗彎剛度方面得到更好的表現。

傳統意義上的鋼混組合梁與一般鋼結構梁而言有諸多優勢，但是在工程實踐中也發現了一些問題：

第一，對于連續組合梁橋，由于負彎矩作用，容易導致混凝土出現開裂破壞的情況，薄壁結構出現壓屈失穩導致結構失效的情況；

第二，對于“鋼混疊合梁”而言，其橋面板開裂也是一個比較常見且主要的問題。

“鋼-UHPC”疊合梁是將鋼結構梁與UHPC（超高性能混凝土）通過剪力釘進行有效組合，由于UHPC的抗壓能力、抗裂能力以及拉彎性能要遠遠高于一般的混凝土，而且超高性能混凝土的孔隙率低，收縮徐變變形小。因此，較一般常規鋼混組合橋梁面板，其開裂問題顯著改善，橋梁的耐久性及使用安全性明顯提升。

圖1 鋼便橋施工地理位置平面

圖2 鋼便橋立面圖

圖3 鋼便橋斷面圖

1 工程概況

西洪大橋及接線工程施工Ⅳ標段，本工程鋼便橋橋梁布置采用一孔多片式的新型“鋼-UHPC”簡支疊合梁，單跨長度為20m，橋梁橫向寬度為14m，共由7片“π”型疊合梁拼裝組成。每片鋼橋面UHPC鋪裝之間采用1cm橡膠材料分隔開，UHPC鋪裝厚12cm。

2 “鋼-UHPC”鋼疊合梁的結構力學分析

2.1 鋼便橋幾何模型

2.1.1 幾何參數說明

保通鋼便橋幾何參數如表1所示。

UHPC與普通鋼筋混凝土材料的力學性能對比分析表 表1

2.1.2 材料參數

本工程鋼便橋，鋼材型號為Q345，楊氏模量取為2.04×105MPa，泊松比取為0.2，密度取為7.85×103kg/m3。

根據相關文獻，橋面板所采用的UHPC材料，彈性模量取為4.26×104MPa，泊松比取為0.2，密度取為2.7×103kg/m3。

在整體建模計算中，考慮混凝土進入塑性性質。

2.2 有限元數值模擬

2.2.1 有限元模型

采用Midas Civil通用有限元軟件對鋼便橋全橋建立有限元分析模型，如圖4所示。縱向主梁和橫向次梁均用梁單元模擬。縱向主梁為工字型截面，共有三種截面尺寸，在實際工程中截面變化有一段過渡，但是在有限元模型中，為簡單起見未考慮，這樣的處理方式僅對變截面附近的局部應力應變有影響，不影響整體結構力學響應。橫向次梁為工字型截面，共有兩種截面尺寸，分別為端部次梁和中部次梁。在設置截面尺寸時，對不同的截面設置不同的幾何偏心，以保證有限元模型中主梁次梁的相對位置關系與實際工程相一致。

圖4 鋼便橋有限元模型

此外，實際工程中在主梁次梁相交處設置隔板，其目的是防止結構構件局部失穩，對鋼便橋的強度方面的整體受力性能影響不大，故在靜強度分析時，主次梁中的隔板不建立對應的模型，僅僅按其重量施加對應的等效荷載。

對鋼便橋的UHPC橋面，采用板單元進行模擬。在實際工程中截面變化有一段過渡，但是在有限元模型中，為簡單起見未考慮。

2.2.2 荷載工況

本章的靜強度計算分析主要依據《公路橋涵設計通用規范》（JT6-D60-2015）對鋼便橋進行承載力極限狀態的計算分析，主要考慮的荷載工況有恒載、車道活載、人群活載、溫度荷載四種。

①恒載

主體結構恒載：UHPC混凝土橋面板容重為28kN/m3，主梁和次梁的鋼材容重為78.5kN/m3；

橋梁鋪面結構恒載：鋼橋面的鋪裝結構由上至下依次為4cm瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA-13，SBS改性）、熱熔顆粒（0.7kg/m2）和無溶劑環氧樹脂涂層（0.5kg/m2），單位面積容重分別為0.8kN/m2、0.007kN/m2和 0.005kN/m2，合計為0.8kN/m2。

②車道荷載

根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）要求，對于公路一級車道荷載，車道荷載的均布荷載標準值為qk=10.5kN/m，集中荷載的標準值Pk按內插法求得車道集中荷載的標準值為Pk=240kN。

保通鋼便橋主要設計參數統計表 表2

不同荷載組合系數 表3

③人群活載

根據規范，本工程中鋼便橋的人群活荷載取值為3.0 kN/m2。

④溫度荷載

本文鋼便橋在計算中所施加的溫度荷載為：整體結構溫度升高25℃，整體結構溫度降低28℃。溫度梯度按照《公路橋涵設計通用規范》中4.3.10條對帶有混凝土面板的鋼混組合結構的規定取值：正溫差T1=20℃，T2=6.7℃；負溫差T1=-10℃，T2=-3.35℃。

2.2.3 恒載作用

在恒載作用下，橋梁的變形（豎向撓度）位移云圖如圖5所示。可以看出橋梁跨中節點的最大撓度為9.6mm，小于L/400=50mm的規范值，滿足規范設計要求。

圖5 恒載作用下橋梁變形云圖（mm）

恒載作用下主梁的上翼緣主要受壓，最大壓應力為-17.4MPa，最大拉應力為10.8MPa。主梁的下翼緣主要受拉，最大拉應力為30.4MPa，最大壓應力為-1.5MPa。值得注意的是，這里的應力均是組合應力。

恒載作用下UHPC橋面板板頂的最大壓應力為-2.8MPa，最大拉應力為0.68MPa；UHPC混凝土橋面板板底的最大壓應力為-1.0MPa，最大拉應力為0.07MPa。拉應力遠小于UHPC混凝土的抗拉強度，壓應力則遠小于UHPC混凝土的抗壓強度。

2.2.4 結構縱向影響線

本文中所計算的鋼便橋從邊界條件上來說是兩端簡支梁。因此，在Midas?Civil有限元計算軟件中建立一個虛擬簡支梁，按照規范定義車輛、車道后，可以得到簡支單梁跨中彎矩和位移的影響線，如圖6、圖7所示。

圖6 簡支梁跨中彎矩影響線分析圖

圖7 簡支梁跨中豎向撓度影響線分析圖

因此，根據上述影響線，可知導致主梁出現最大位移和最大彎矩的最不利車道荷載布置方式為：將集中荷載布置在橋梁跨中位置，將均布荷載在橋梁全跨滿布。

不同荷載組合下的截面最不利應力 表4

2.2.5 車道荷載作用（車道線分析）

①車道荷載下的位移分析

車道荷載作用下，橋梁跨中節點的最大撓度為12.1mm，小于 L/400=50mm的規范值，滿足規范設計要求。

②車道荷載下的內力分析

在車道荷載作用下，主梁的軸力、彎矩和剪力包絡圖如圖8、圖9和圖10所示。

圖8 主梁軸力包絡圖（N）

圖9 主梁彎矩包絡圖

圖10 主梁剪力包絡圖（N）

主梁被次梁分為若干跨，中間兩跨的跨中主梁的彎矩最大，在次梁位置處，主梁受到的剪力最大。UHPC混凝土面板在車道所在的位置出現最大的內力。

2.2.6 人群活載作用

圖11 UHPC橋面板x方向內力云圖

圖12 人群活荷載作用下橋梁豎向位移云圖（mm）

人群活荷載作用下橋梁最大位移為1.6mm。工字鋼上翼緣最大壓應力為3.75MPa，工字鋼下翼緣最大拉應力為6.75MPa。

2.2.7 溫度荷載作用

設計中考慮了均勻溫度變化對橋梁整體結構帶來的影響，有限元模型中，在升溫荷載作用下，橋梁豎向最大位移為-3.5mm，縱向最大位移為 6.0mm；在降溫荷載作用下，橋梁豎向最大位移為 3.9mm，縱向最大位移為-6.7mm。可以看出，在升溫或降溫荷載作用下，縱向位移比豎向位移要大，由于鋼便橋是簡支梁，在縱向沒有變形約束，所以可以減小溫度荷載效應在主梁中產生的應力。

2.2.8 荷載組合計算

通過對全橋的有限元建模計算得到鋼便橋在多種荷載（恒載、車道荷載、人群活載、溫度荷載）作用下的應力數值分析。根據《公路橋涵設計通用規范》（JT?GD60-2015）的規定，對鋼便橋的設計主要考慮承載能力極限狀態設計和正常使用極限狀態的幾種荷載組合，并得到各種荷載組合下的最不利荷載效應。

3 結論

目前常規的“鋼混疊合梁”與鋼筋混凝土梁相比，具有結構自重更輕的優勢，與純鋼梁相比又具備一定的經濟性。但是仍然存在著橋面板易開裂和自重較大的不足。目前興起的輕鋼-UHPC疊合構能夠在很大程度上保留傳統鋼-混組合結構的優勢，又盡可能規避其劣勢，具有較大的應用前景。

本文首先對西洪大橋保通鋼便橋工程做了簡要介紹。重點利用有限元軟件MidasCivil對鋼便橋結構進行了四種主要荷載工況下整體結構的靜力學分析，驗證了運用該種組合結構形式后，鋼便橋的位移、內力和應力等各種力學響應滿足工程結構受力性能要求。