李志全

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司， 北京 100088）

0 引言

近年來，我國已建成的多座采用柔性鋪裝方案（SMA、澆筑式瀝青以及環(huán)氧鋪裝）的大跨徑正交異性鋼橋面橋梁，除少數(shù)橋梁橋面鋪裝的運(yùn)營狀況良好以外，大部分橋梁的橋面鋪裝層都陸續(xù)出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)疲勞開裂和鋪裝層開裂、擁包、脫層等病害，嚴(yán)重影響橋梁的通行能力及結(jié)構(gòu)安全[1-4]。

隨著新材料、新工藝的不斷發(fā)展，混凝土強(qiáng)度等級(jí)也不斷提高，超高性能混凝土(UHPC)以其超高的力學(xué)性能、超高耐久性、優(yōu)良的耐磨和抗爆性能以及抗沖擊性能等特點(diǎn)，在越來越多的橋梁工程中得到應(yīng)用[5-7]。通過對(duì)某在建UHPC組合橋面鋼箱梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，進(jìn)一步論述 UHPC在鋼橋面鋪裝中應(yīng)用的優(yōu)越性，研究結(jié)果可為其他工程應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

以一座在建跨長(zhǎng)江大堤橋梁為工程背景，橋跨布置為 70+97+70=237m，上部結(jié)構(gòu)采用超高強(qiáng)度混凝土組合橋面板鋼箱梁結(jié)構(gòu)。橋梁全寬為33.5m（含中央分隔帶），鋼箱梁為單箱單室截面，梁高3.6m。鋼箱梁?jiǎn)畏簩?6.73m，箱體寬度7.5m。各梁段頂板厚度均為14mm，頂板采用U肋加勁，厚度均為8mm。底板在順橋向不同區(qū)段采用了20mm、25mm、30mm三種不同的板厚，為便于施工，底板下緣保持平齊。橋面鋪裝層采用6.0cm厚超高性能混凝土（UHPC）+防水層+4.0cm瀝青混凝土鋪裝。箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置如圖1所示：

圖1 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置圖（單位：mm）

2 模型有限元分析

基于ANSYS軟件平臺(tái)建立典型梁段（墩頂梁段）有限元模型，鋼箱部分單元類型采用SHELL63模擬，橋面超高性能混凝土部分單元類型采用SOLID45模擬?？傮w坐標(biāo)系方向定義為：縱橋向?yàn)閄軸，豎向?yàn)閅軸，橫橋向?yàn)閆軸。邊界條件為梁段兩端采用固定約束，約束所有節(jié)點(diǎn)的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)。分析模型考慮的荷載主要有恒載、活載以及溫度荷載。

圖2 ANSYS 幾何模型

為便于分析比較 UHPC對(duì)鋼箱梁各部位受力狀況的作用效果，分別對(duì)采用普通柔性鋪裝方案（不考慮其對(duì)鋼箱梁剛度的影響，僅以二期荷載方式作用于鋼箱梁）以及采用UHPC鋪裝方案的鋼箱梁頂板、底板、腹板、頂板加勁肋等主要構(gòu)件進(jìn)行ANSYS有限元分析。

考慮不同荷載工況組合，鋼箱梁主要受力構(gòu)件在采用普通柔性鋪裝方案及采用UHPC鋪裝方案作用下，Von Mises應(yīng)力對(duì)比如表2所示。

表2 鋼箱梁主要構(gòu)件受力分析

通過表2可以看出，相對(duì)傳統(tǒng)柔性鋪裝方案，采用UHPC鋪裝可以明顯改善鋼箱梁頂板及頂板加勁肋的受力情況，Von Mises應(yīng)力減幅超過30%，對(duì)其他部位應(yīng)力改善效果并不明顯。

3 結(jié)論

隨著新材料、新工藝的快速發(fā)展，混凝土強(qiáng)度越來越高，繼高強(qiáng)、高性能混凝土之后，超高性能混凝土(UHPC)應(yīng)運(yùn)而生。UHPC以其優(yōu)異的力學(xué)性能、超高耐久性、優(yōu)良的耐磨和抗爆性能以及抗沖擊性能等特點(diǎn)，在橋梁工程中得到越來越多的應(yīng)用。

本文通過對(duì)某在建UHPC組合橋面鋼箱梁結(jié)構(gòu)的ANSYS有限元分析，比較采用傳統(tǒng)柔性鋪裝方案及采用 UHPC鋪裝方案鋼箱梁各主要受力構(gòu)件的應(yīng)力狀況，進(jìn)一步論證了 UHPC在鋼橋面鋪裝中應(yīng)用的優(yōu)越性。分析結(jié)果表明，UHPC較傳統(tǒng)柔性鋪裝方案，對(duì)改善正交異性鋼橋面頂板及頂板加勁肋受力情況效果明顯，Von Mises應(yīng)力減幅超過30%，研究結(jié)果可為其他工程應(yīng)用提供參考。