倒T型鋼+UHPC橋面結構研究

黎棟家，楊盼杰，曾有鳳

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

隨著我國道路建設的蓬勃發展，國內拱橋應用越來越廣泛，主梁橋面板作為主要結構，目前主流形式有3種：(1)預制鋼筋混凝土橋面板結構；(2)鋼-混凝土組合橋面板結構[1]；(3)正交異性鋼橋面板。

預制鋼筋混凝土橋面板結構厚度大、自重大、現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裂縫，影響結構耐久性。鋼-混凝土組合橋面板相對于預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，但現澆層內普通鋼筋密布，PBL剪力鍵穿鋼筋較麻煩，且梁頂負彎矩區混凝土開裂問題也仍然存在。正交異性鋼橋面板優點突出，但其存在結構局部剛度不足、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重，顯著增加結構的全壽命周期成本，嚴重影響結構的使用性能和服役質量[2]。

本文針對目前拱橋橋面結構存在的以上問題，在拱橋傳統格子梁體系基礎上提出倒T型鋼+UHPC組合橋面結構，通過有限元模擬分析其靜荷載作用下受力最不利點的極限承載能力，以及動荷載作用下的抗疲勞能力，并進行了綜合比選分析，可為類似橋面結構設計提供參考。

1 結構概況

以某大橋為例，主橋為計算跨徑325 m的中承式鋼管混凝土有推力拱橋，橋面標準橫斷面寬度為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，在主橫梁對應位置設置吊桿，主橫梁間設置3道次橫梁，次橫梁間距為3.05 m，對應吊桿位置設置主縱梁，主縱梁間設置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-混組合結構，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，設計詳見下頁圖2(a)。

(a)格子梁標準斷面

(b)格子梁標準平面

原方案橋面板現澆層內的PBL剪力鍵穿鋼筋的工序較為繁瑣，梁頂負彎矩區混凝土存在開裂等問題，嚴重影響拱橋的正常運行。對此，本文提出了一種基于UHPC的具有更高強度、更輕、施工更便捷的鋼混組合橋面板結構，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10 mm厚鋼底模，兩者進行全熔透焊接。鑒于UHPC橋面板具有較強的跨越能力，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吊桿梁段橋面結構建立ANSYS有限元模型，共計48.8 m長，橫橋向采用了全幅結構。

模型的邊界條件：在端截面處，約束格子梁的縱向平動自由度(DX)和繞豎軸(RZ)與橫軸(RY)的轉動自由度，以近似反映該格子梁梁段為橋跨內的梁段；在有吊索位置的底板約束其豎向平動自由度(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型鋼等鋼結構部分均采用板殼單元SHELL181單元模擬，UHPC采用實體單元SOLID185單元模擬。計算模型如圖3所示，材料取值如表1所示。

圖3 ANSYS有限元模型圖

表1 材料參數取值表

2.2 荷載工況

靜力荷載計算工況縱橋向按跨主橫梁、跨次橫梁、橫梁間3個工況布置，橫橋向除按規范輪距要求從最外側護欄50 cm起進行橋面左側偏載、橋面右側偏載、橋面對稱加載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。荷載僅考慮結構自重和車輛荷載，按標準組合進行計算。

2.3 UHPC和鋼結構應力

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

表2 各工況UHPC拉應力計算結果匯總表

(a)UHPC橫向最大應力

(b)UHPC縱向最大應力

(a)鋼格子梁Von Mises應力

(b)倒T肋Von Mises應力

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

由圖5可知，鋼格子梁最大應力為110.8 MPa，橋面板TN175 mm×175 mm型鋼最大應力為49.8 MPa，遠小于設計極限應力，承載能力滿足設計要求。該橋面結構大幅提升了橋面極限承載能力。

2.4 局部變形

針對《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64-2015)(以下簡稱《規范》)中第8.2.5條，對橋面板進行局部剛度驗算。結合表2應力和計算應力工況時位移結果可知，騎小縱梁工況下，橋面板撓度最大，故僅需對此工況進行計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，每個工況取4個典型斷面進行計算，結果如表3所示。

由表3可知，所有計算工況下，主梁的撓度均滿足設計要求。倒T型鋼+UHPC作為結構層，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，能夠限制橋面結構的變形。

表3 橋面板撓跨比驗算結果匯總表

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，分別計算騎T肋間1、跨T肋、騎T肋間2這3種荷載工況。縱橋向依據吊桿處腹板和普通橫梁腹板，分別計算普通隔板格子間、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12種工況，以確定各疲勞細節的最不利布載位置。

選取結構受力薄弱細節點進行分析，如圖6所示：細節點1位于鋼頂板與縱向型鋼焊縫鋼頂板位置；細節點2位于鋼頂板與縱向型鋼焊縫縱向型鋼位置；細節點3位于縱向型鋼腹板與底翼緣板交界縱向腹板位置；細節點4位于縱向型鋼腹板與底翼緣板交界底翼緣板位置。

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

圖6 構造細節位置示意圖

本文疲勞計算采用名義應力法[4-5]，一般情況下取距熱點處1.0t節點作為研究對象，t為板厚。

從下頁表4、表5可以看出，倒T型鋼+UHPC結構可提升結構剛度，使橋梁整體共振減弱，結構性整體性更強，故疲勞細節點1至疲勞細節點4在加載車作用下應力幅值遠小于500萬次疲勞荷載作用下的應力幅限值，滿足規范要求。

表4 工況1～12各結構細節疲勞應力計算結果匯總表

表5 各結構細節疲勞應力幅匯總表

2.6 綜合比較

由表6進行橋面系結構優劣勢對比可知，與鋼-混凝土組合橋面板相比，倒T型鋼+UHPC組合橋面系造價稍高，但UHPC橋面板受力性能更優，施工便利，工期較短，耐久性好；結構的抗疲勞性能較傳統的鋼-混凝土組合橋面板結構好，后期運營構件養護費用更低[6]。綜合考慮，倒T型鋼+UHPC組合橋面結構更節約造價。

表6 綜合比較分析表

3 結語

本文以某大跨徑拱橋橋面板為例，提出倒T型鋼+UHPC組合橋面結構，通過有限元計算分析其力學承載特性及耐疲勞性，與鋼-混凝土組合橋面板進行綜合性能對比，得出以下結論：

(1)倒T型鋼+UHPC的組合橋面結構的整體剛度更高，可限制橋面下緣開裂，其設計荷載作用下結構拉應力為極限拉應力的54%，承載能力大幅提升。

(2)通過在受力薄弱點布置細節監測點，對橋梁的疲勞狀態進行分析可知，倒T型鋼+UHPC組合橋面板體系提升了結構整體剛性，抑制結構的振動，應力最大幅值下降50%以上，從而提升了橋面結構的抗疲勞性能。

(3)與鋼-混凝土組合橋面板相比，倒T型鋼+UHPC組合橋面板結構更輕，耐久性更好，可現澆、可預制，施工更便捷；其橋面板結構造價雖然稍高于鋼-混凝土組合橋面板結構，但從后期維護費用考慮，該橋面結構經濟性更好。