倒T型鋼+UHPC橋面結(jié)構(gòu)研究

黎棟家，楊盼杰，曾有鳳

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

隨著我國(guó)道路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，國(guó)內(nèi)拱橋應(yīng)用越來越廣泛，主梁橋面板作為主要結(jié)構(gòu)，目前主流形式有3種：(1)預(yù)制鋼筋混凝土橋面板結(jié)構(gòu)；(2)鋼-混凝土組合橋面板結(jié)構(gòu)[1]；(3)正交異性鋼橋面板。

預(yù)制鋼筋混凝土橋面板結(jié)構(gòu)厚度大、自重大、現(xiàn)澆濕接縫鋼筋焊接量大、施工不便捷，且跨中及梁頂都易出現(xiàn)裂縫，影響結(jié)構(gòu)耐久性。鋼-混凝土組合橋面板相對(duì)于預(yù)制鋼筋混凝土橋面板，板厚大幅度減小、自重輕、整體澆筑、整體性好，但現(xiàn)澆層內(nèi)普通鋼筋密布，PBL剪力鍵穿鋼筋較麻煩，且梁頂負(fù)彎矩區(qū)混凝土開裂問題也仍然存在。正交異性鋼橋面板優(yōu)點(diǎn)突出，但其存在結(jié)構(gòu)局部剛度不足、幾何線性不平順、焊接缺陷以及制造加工問題等，鋪裝病害和疲勞開裂病害嚴(yán)重，顯著增加結(jié)構(gòu)的全壽命周期成本，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的使用性能和服役質(zhì)量[2]。

本文針對(duì)目前拱橋橋面結(jié)構(gòu)存在的以上問題，在拱橋傳統(tǒng)格子梁體系基礎(chǔ)上提出倒T型鋼+UHPC組合橋面結(jié)構(gòu)，通過有限元模擬分析其靜荷載作用下受力最不利點(diǎn)的極限承載能力，以及動(dòng)荷載作用下的抗疲勞能力，并進(jìn)行了綜合比選分析，可為類似橋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 結(jié)構(gòu)概況

以某大橋?yàn)槔鳂驗(yàn)橛?jì)算跨徑325 m的中承式鋼管混凝土有推力拱橋，橋面標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度為20.4 m，橋面系采用格子梁+鋼-混凝土組合橋面板體系，總體布置詳見圖1。其吊桿間距為12.2 m，在主橫梁對(duì)應(yīng)位置設(shè)置吊桿，主橫梁間設(shè)置3道次橫梁，次橫梁間距為3.05 m，對(duì)應(yīng)吊桿位置設(shè)置主縱梁，主縱梁間設(shè)置3道次縱梁，縱梁和橫梁均采用工字型截面。橋面板采用普通混凝土鋼-混組合結(jié)構(gòu)，在行車道范圍縱梁和橫梁上翼緣焊接厚8 mm的鋼板作為底模，底模頂面焊接PBL剪力鍵，整體現(xiàn)澆厚15 cm的C40鋼纖維混凝土板，形成鋼-混凝土組合橋面板，設(shè)計(jì)詳見下頁圖2(a)。

(a)格子梁標(biāo)準(zhǔn)斷面

(b)格子梁標(biāo)準(zhǔn)平面

原方案橋面板現(xiàn)澆層內(nèi)的PBL剪力鍵穿鋼筋的工序較為繁瑣，梁頂負(fù)彎矩區(qū)混凝土存在開裂等問題，嚴(yán)重影響拱橋的正常運(yùn)行。對(duì)此，本文提出了一種基于UHPC的具有更高強(qiáng)度、更輕、施工更便捷的鋼混組合橋面板結(jié)構(gòu)，即倒T型鋼+UHPC組合橋面板方案，詳見圖2(b)。該組合橋面板頂部為厚65 mm的UHPC層，底部以TN175 mm×175 mm的T型鋼作為縱肋，T型鋼倒置，翼緣朝下，橫向間距為600 mm，T型鋼與UHPC層間設(shè)10 mm厚鋼底模，兩者進(jìn)行全熔透焊接。鑒于UHPC橋面板具有較強(qiáng)的跨越能力，次橫梁由原來的3道減為2道，橫梁間距為4.06m。

(a)普通混凝土組合橋面板

(b)倒T型鋼+UHPC組合橋面板

2 倒T型鋼+UHPC組合橋面系分析

2.1 模型的建立

為研究倒T型鋼+UHPC組合橋面板的受力狀況，取縱向格子梁相鄰四個(gè)吊桿梁段橋面結(jié)構(gòu)建立ANSYS有限元模型，共計(jì)48.8 m長(zhǎng)，橫橋向采用了全幅結(jié)構(gòu)。

模型的邊界條件：在端截面處，約束格子梁的縱向平動(dòng)自由度(DX)和繞豎軸(RZ)與橫軸(RY)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，以近似反映該格子梁梁段為橋跨內(nèi)的梁段；在有吊索位置的底板約束其豎向平動(dòng)自由度(DZ)，以近似反映吊索的約束作用。模型中的格子梁、橋面鋼底板、T型鋼等鋼結(jié)構(gòu)部分均采用板殼單元SHELL181單元模擬，UHPC采用實(shí)體單元SOLID185單元模擬。計(jì)算模型如圖3所示，材料取值如表1所示。

圖3 ANSYS有限元模型圖

表1 材料參數(shù)取值表

2.2 荷載工況

靜力荷載計(jì)算工況縱橋向按跨主橫梁、跨次橫梁、橫梁間3個(gè)工況布置，橫橋向除按規(guī)范輪距要求從最外側(cè)護(hù)欄50 cm起進(jìn)行橋面左側(cè)偏載、橋面右側(cè)偏載、橋面對(duì)稱加載3種工況布置外，還考慮了跨小縱梁布置1種工況，騎小縱梁布置兩種工況、跨倒T縱肋布置兩種工況、騎倒T縱肋布置兩種工況、縱橋向和橫橋向工況組合共形成30種工況。荷載僅考慮結(jié)構(gòu)自重和車輛荷載，按標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行計(jì)算。

2.3 UHPC和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力

考慮到工況較多，本文僅列出每種橫橋向工況中計(jì)算結(jié)果的最大值見表2和圖4～5。

表2 各工況UHPC拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總表

(a)UHPC橫向最大應(yīng)力

(b)UHPC縱向最大應(yīng)力

(a)鋼格子梁Von Mises應(yīng)力

(b)倒T肋Von Mises應(yīng)力

由表2和圖4可知，UHPC層的橫橋向最大拉應(yīng)力為10.54 MPa，縱橋向最大拉應(yīng)力為7.64 MPa；若沖擊系數(shù)μ取0.3，則橫橋向最大拉應(yīng)力為10.54 MPa×(1+0.3)=13.7 MPa，橫橋向拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值25.4 MPa[3]，滿足要求。

由圖5可知，鋼格子梁最大應(yīng)力為110.8 MPa，橋面板TN175 mm×175 mm型鋼最大應(yīng)力為49.8 MPa，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)極限應(yīng)力，承載能力滿足設(shè)計(jì)要求。該橋面結(jié)構(gòu)大幅提升了橋面極限承載能力。

2.4 局部變形

針對(duì)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64-2015)(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)中第8.2.5條，對(duì)橋面板進(jìn)行局部剛度驗(yàn)算。結(jié)合表2應(yīng)力和計(jì)算應(yīng)力工況時(shí)位移結(jié)果可知，騎小縱梁工況下，橋面板撓度最大，故僅需對(duì)此工況進(jìn)行計(jì)算就能代表鋼橋面最大撓跨比。

騎小縱梁工況具體分為3個(gè)，每個(gè)工況取4個(gè)典型斷面進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，所有計(jì)算工況下，主梁的撓度均滿足設(shè)計(jì)要求。倒T型鋼+UHPC作為結(jié)構(gòu)層，和鋼頂板一同提高了提供主梁的整體剛度，具有很好的抗裂性能，能夠限制橋面結(jié)構(gòu)的變形。

表3 橋面板撓跨比驗(yàn)算結(jié)果匯總表

2.5 疲勞分析

橫橋向考慮到橋面板鋼底板倒角處受力較大，故選取倒T肋作為分界點(diǎn)，分別計(jì)算騎T肋間1、跨T肋、騎T肋間2這3種荷載工況。縱橋向依據(jù)吊桿處腹板和普通橫梁腹板，分別計(jì)算普通隔板格子間、跨普通隔板、普通隔板-吊桿隔板格子間、跨吊桿隔板共4種工況。橫橋向3種工況×縱橋向4種工況，共計(jì)12種工況，以確定各疲勞細(xì)節(jié)的最不利布載位置。

選取結(jié)構(gòu)受力薄弱細(xì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，如圖6所示：細(xì)節(jié)點(diǎn)1位于鋼頂板與縱向型鋼焊縫鋼頂板位置；細(xì)節(jié)點(diǎn)2位于鋼頂板與縱向型鋼焊縫縱向型鋼位置；細(xì)節(jié)點(diǎn)3位于縱向型鋼腹板與底翼緣板交界縱向腹板位置；細(xì)節(jié)點(diǎn)4位于縱向型鋼腹板與底翼緣板交界底翼緣板位置。

計(jì)算中的加載車采用《規(guī)范》規(guī)定的疲勞荷載模型Ⅲ。由于標(biāo)準(zhǔn)重車的中后軸相距6 m，縱向間距較大，可不考慮中后軸之間的疊加效應(yīng)[4-5]，計(jì)算時(shí)僅考慮后軸的雙軸作用，且加載軸中每個(gè)車輪作用面積為200 mm×600 mm (縱橋向×橫橋向)，不考慮沖擊系數(shù)。

圖6 構(gòu)造細(xì)節(jié)位置示意圖

本文疲勞計(jì)算采用名義應(yīng)力法[4-5]，一般情況下取距熱點(diǎn)處1.0t節(jié)點(diǎn)作為研究對(duì)象，t為板厚。

從下頁表4、表5可以看出，倒T型鋼+UHPC結(jié)構(gòu)可提升結(jié)構(gòu)剛度，使橋梁整體共振減弱，結(jié)構(gòu)性整體性更強(qiáng)，故疲勞細(xì)節(jié)點(diǎn)1至疲勞細(xì)節(jié)點(diǎn)4在加載車作用下應(yīng)力幅值遠(yuǎn)小于500萬次疲勞荷載作用下的應(yīng)力幅限值，滿足規(guī)范要求。

表4 工況1～12各結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總表

表5 各結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力幅匯總表

2.6 綜合比較

由表6進(jìn)行橋面系結(jié)構(gòu)優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比可知，與鋼-混凝土組合橋面板相比，倒T型鋼+UHPC組合橋面系造價(jià)稍高，但UHPC橋面板受力性能更優(yōu)，施工便利，工期較短，耐久性好；結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能較傳統(tǒng)的鋼-混凝土組合橋面板結(jié)構(gòu)好，后期運(yùn)營(yíng)構(gòu)件養(yǎng)護(hù)費(fèi)用更低[6]。綜合考慮，倒T型鋼+UHPC組合橋面結(jié)構(gòu)更節(jié)約造價(jià)。

表6 綜合比較分析表

3 結(jié)語

本文以某大跨徑拱橋橋面板為例，提出倒T型鋼+UHPC組合橋面結(jié)構(gòu)，通過有限元計(jì)算分析其力學(xué)承載特性及耐疲勞性，與鋼-混凝土組合橋面板進(jìn)行綜合性能對(duì)比，得出以下結(jié)論：

(1)倒T型鋼+UHPC的組合橋面結(jié)構(gòu)的整體剛度更高，可限制橋面下緣開裂，其設(shè)計(jì)荷載作用下結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力為極限拉應(yīng)力的54%，承載能力大幅提升。

(2)通過在受力薄弱點(diǎn)布置細(xì)節(jié)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)橋梁的疲勞狀態(tài)進(jìn)行分析可知，倒T型鋼+UHPC組合橋面板體系提升了結(jié)構(gòu)整體剛性，抑制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，應(yīng)力最大幅值下降50%以上，從而提升了橋面結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能。

(3)與鋼-混凝土組合橋面板相比，倒T型鋼+UHPC組合橋面板結(jié)構(gòu)更輕，耐久性更好，可現(xiàn)澆、可預(yù)制，施工更便捷；其橋面板結(jié)構(gòu)造價(jià)雖然稍高于鋼-混凝土組合橋面板結(jié)構(gòu)，但從后期維護(hù)費(fèi)用考慮，該橋面結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性更好。