鋼-UHTCC組合橋面板彎曲承載性能研究*

李懷峰，劉 鑫，賀 攀，李慶華，童精中，徐世烺

(1.山東省交通規劃設計院集團有限公司，山東 濟南 250031；2.浙江大學高性能建筑結構與材料研究所，浙江 杭州 310058)

0 引言

鋼結構具有自重輕和抗拉強度高的特點，但容易存在受壓失穩及疲勞問題，因此適合做受拉構件。混凝土具有自重大、造價低、抗拉強度低和抗壓強度大的特點，一般無需考慮失穩問題，適合做受壓構件[1]。橋面板作為橋梁體系結構的重要組成部分，直接承受車輪荷載并將荷載傳遞至下部結構[2]。相較于傳統的以瀝青為鋪裝層的正交異性橋面板結構，鋼-混凝土組合橋面板通過栓釘等剪力連接件將混凝土和正交異性鋼橋面板連接成一個整體結構從而共同受力，讓混凝土在荷載作用下受壓，讓鋼結構部分受拉，充分發揮了兩種材料各自的優勢[3]。

鋼橋面板多采用正交異性板，其構造復雜，縱橫向加勁肋多，從而導致整個橋面板中的焊縫數量較多[4]，而焊縫中往往存在著夾渣、咬邊等微觀缺陷，在疲勞荷載下，容易從這些微觀缺陷處衍生出裂紋，從而發生疲勞開裂現象[5]。采用混凝土作為鋪裝層，能夠增加整體結構的剛度，降低應力幅，從而有效降低疲勞開裂的風險。采用混凝土作為鋪裝層還能夠避免鋪裝層和面板之間發生脫層、推移、擁包的破壞[6]。

鋼-UHTCC組合橋面板作為一種具有發展前景的新型組合橋面板結構，對其受力性能的研究至關重要，進行工程試驗是研究組合結構的一種良好方法，但是成本太高[7]。因此本文利用ABAQUS有限元軟件進行建模，對鋼-UHTCC組合橋面板進行縱向正彎矩受力性能分析，并提出一種正彎矩作用下組合結構的承載力理論計算公式。

1 組合橋面板結構構造

新型組合橋面板結構如圖1所示，由鋪裝層、橋面板和板式加勁肋組成，鋪裝層與鋼橋面板之間通過剪力釘連接。鋪裝層采用UHTCC材料，UHTCC是一種超高韌性水泥基材料，其拉伸應變可穩定地達到3%，甚至高達6%，是普通混凝土的200～700倍，是鋼筋屈服應變的10～20倍[8]。鋼材采用Q355鋼，UHTCC材料的力學性能參考前人研究[9]，如表1所示，鋼材力學性能如表2所示。

圖1 新型橋面板構造

表1 UHTCC力學性能參數

表2 鋼材力學性能參數

考慮到UHTCC主要受壓，而受拉主要由鋼結構部分承擔，鋼筋對組合結構的承載力和剛度較小，因此為了簡化計算，忽略鋼筋的作用[10]。結合實際工程可以將鋪裝層和鋼橋面板之間視為完全連接，因此可以將圖1的結構構造簡化成如圖2所示。這樣一來影響結構承載力的設計參數包括：UHTCC層厚度tc，板肋個數nf，板肋厚度tf，板肋高度hf，橋面板寬度b。考慮到板肋寬厚比的限定，設置寬厚比hf/tf為13，因此將6個設計參數縮小成5個設計參數。

圖2 組合橋面板橫截面示意

2 理論極限承載力計算

正彎矩作用下，組合橋面的承載力計算遵循如下假設。

1)UHTCC與鋼橋面板之間不存在滑移或滑移很小，符合平截面假定。

2)試件破壞時全截面受力且處于塑性狀態。

由于中和軸位置隨著設計參數的改變而改變，因此需要分成3種情況討論：中和軸在UHTCC層中，中和軸在鋼橋面板中，中和軸在板肋層中。

2.1 中和軸在UHTCC層中

中和軸在UHTCC層中的情況如圖3所示，由于UHTCC具有應變硬化現象，因此假設UHTCC開裂仍不退出工作。

圖3 中和軸在UHTCC層中的應力分布

由平衡方程：

σccb(tc-h0)=σctbh0+σstbts+σstnftfhf

(1)

得到：

(2)

從而得到極限彎矩：

(3)

式中：σcc和σct分別為UHTCC材料的抗壓強度和抗拉強度；σst為鋼材的抗拉強度。

2.2 中和軸在鋼橋面板層中

中和軸在鋼橋面板層中的情況如圖4所示。

圖4 中和軸在面板層中的應力分布

由平衡方程：

σccbtc+σscb(ts-h0)=σstbh0+σstnftfhf

(4)

得到：

(5)

從而得到極限彎矩：

(6)

式中：σsc為鋼材的抗壓強度。

2.3 中和軸在板肋層中

中和軸在板肋層中的情況如圖5所示。

圖5 中和軸在板肋層中的應力分布

由平衡方程：

σccbtc+σscbts+σscnftfh0=σstnftf(hf-h0)

(7)

得到：

(8)

從而得到極限彎矩：

(9)

2.4 極限承載力修正

在實際工程結構中，由于鋪裝層和鋼橋面板層之間的栓釘連接難以做到完全剪力連接，因此極限承載力需要做出一定修正，結合前人的試驗研究[7,10]以及有限元結果，考慮對理論承載力進行折減，折減系數取為0.9，得出實際極限承載力為

Mu，0=0.9Mu

(10)

3 理論剛度計算

剛度計算也要考慮中和軸的不同位置而分為3種情況討論，且需滿足平截面假定。

3.1 中和軸在UHTCC層中

中和軸在UHTCC層中的情況如圖6所示。

圖6 中和軸在UHTCC層中的截面應變

由平衡方程：

(11)

得到：

(12)

從而得到：

(13)

式中：Ec和Es分別為UHTCC和鋼材的彈性模量；αc為Ec/Es。

3.2 中和軸在鋼橋面板層中

中性軸在鋼橋面板層中的應變分布如圖7所示。

圖7 中和軸在橋面板層中的截面應變

由應力平衡方程：

(14)

得到：

(15)

從而得到：

(16)

3.3 中和軸在板肋層中

中性軸在板肋層中的情況如圖8所示。

圖8 中和軸在板肋層中的截面應變

由應力平衡方程：

(17)

得到：

(18)

從而得到：

(19)

4 有限元模擬

利用ABAQUS建立有限元模型，模型的總長為3.2m，寬為0.5m，如圖9所示。

圖9 有限元模型

模型包括UHTCC層，栓釘和下部鋼結構部分，其中UHTCC層和栓釘都采用實體單元C3D8R，橋面板及板肋采用殼單元S4R。接觸方式定義為：栓釘上部嵌入UHTCC層中，底面與鋼橋面板采用綁定約束，UHTCC底面與橋面板設置法向硬接觸，切向摩擦系數設為0.2[11-12]。加載方式采用四點彎加載，兩邊設置簡支約束，具體的加載形式如圖10所示。

圖10 四點彎加載示意

設置的模型組如表3所示。

表3 模型對照組

有限元計算得到的荷載位移曲線如圖11所示，荷載為單個加載點的荷載，位移為跨中位移，由于理論計算值使用的是截面剛度EI，荷載位移曲線得到的是原點切線的斜率，也即荷載與位移的比值，因此需要根據如下的簡支梁跨中撓度曲線公式進行轉換：

圖11 有限元計算荷載位移曲線

(20)

式中：l和a分別為簡支梁凈跨和加載點距離支座的距離。

根據圖10可以得到理論承載力F和Mu的關系：

Mu,0=F

(21)

理論計算值和有限元計算結果如表4所示。從表4可以看出，有限元計算結果和理論公式計算結果誤差不大，有限元計算得到的承載力與理論公式誤差均在10%以內，有限元計算得到的剛度與理論公式計算得到的剛度吻合程度都在95%以上，這驗證了理論公式計算結果的正確性和適用性。

表4 計算結果

5 結語

基于破壞狀態下全截面處于塑性狀態的假定以及平截面假定，本文針對UHTCC-鋼新型組合橋面板結構進行了正彎矩作用下承載力和剛度的理論公式推導，并與有限元計算結果進行了比較。結果表明，本文提出的理論公式計算結果與有限元計算結果基本吻合，理論計算的承載力與有限元計算結果誤差均在10%以內，有限元計算得到的剛度與理論公式計算得到的剛度吻合程度都在95%以上，說明了這種計算方法的可靠性。