石柱, 項(xiàng)超群,2*, 上官興,2, 郭文華

(1.湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司, 湖南 長沙 410004；2.湖南聯(lián)智橋隧技術(shù)有限公司；3.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院)

鋼桁梁以其構(gòu)件質(zhì)量輕、運(yùn)輸架設(shè)方便、施工周期短和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，在大跨度橋梁中得到了廣泛的應(yīng)用。鋼桁梁橋面系主要有以下兩種形式：① 縱向小工字鋼上架設(shè)混凝土預(yù)制板，在工字鋼上翼緣焊接栓釘再現(xiàn)澆混凝土濕接縫。該種橋面系恒載大，主纜、主塔和錨碇工程量都會(huì)增加。在已經(jīng)運(yùn)營的該類橋面系中，混凝土板、工字鋼之間易出現(xiàn)裂縫，耐久性難以保證；② 正交異性鋼橋面板上瀝青混凝土鋪裝，其質(zhì)量約為混凝土橋面板的1/2～1/3，能有效地減少上部恒載，但在運(yùn)營中，鋼橋面系普遍出現(xiàn)了兩大頑疾，即正交異性鋼橋面板疲勞開裂和瀝青混凝土鋪裝層使用壽命偏短，易出現(xiàn)開裂、車轍、擁包等病害。如中國武漢白沙洲長江大橋，10年內(nèi)橋面維修24次，廣東虎門大橋幾乎每年維修一個(gè)車道。

波形鋼腹板具有抗剪強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、自重輕、抗震性能好等優(yōu)良性能，目前的研究應(yīng)用主要集中在波形鋼腹板PC組合箱梁中用于取代混凝土腹板?；钚苑勰┗炷?RPC)具有強(qiáng)度高、韌性大、耐久性好等特點(diǎn)，其優(yōu)異的力學(xué)及物理性能是普通混凝土甚至其他高性能混凝土都無法相比的。該文充分利用波形鋼腹板和RPC的優(yōu)勢，提出一種能適用于大跨徑鋼桁梁橋的新型波形鋼-RPC組合橋面板，基于Ansys 14.0建立有限元模型，對Ansys模型參數(shù)、橋面板的幾何和材料參數(shù)進(jìn)行研究，旨在為大跨徑鋼桁梁懸索橋提供一種全新的橋面系方案。

1 波形鋼-RPC組合橋面板結(jié)構(gòu)

波形鋼-RPC組合橋面板利用波形鋼腹板、鋼頂板、鋼底板組成波腹工梁，在鋼頂板上焊接橫波形鋼板，作為RPC施工時(shí)的底模板，RPC強(qiáng)度形成后和波腹工梁、橫波形鋼板組成鋼混組合橋面板，幾何參數(shù)見圖1。波形鋼-RPC組合橋面板在橫橋向分為多片，通過先焊接或螺栓連接翼緣板下橫波形鋼板，然后澆筑濕接縫，進(jìn)而組成鋼混組合截面在橫橋向成為整體。

2 波形鋼-RPC組合橋面板有限元模型

2.1 組合橋面板有限元基本參數(shù)

波形鋼-RPC組合橋面板有限元模型中，波腹工梁和橫波形鋼板采用4節(jié)點(diǎn)有限應(yīng)變殼單元Shell181，通過實(shí)常數(shù)控制殼單元的厚度，波腹工梁有限元模型見圖2。

鋼筋活性粉末混凝土采用分離式模型，把鋼筋和RPC作為不同的單元來處理，不考慮鋼筋的滑移，二者之間通過共用節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)耦合。鋼筋采用3D桿單元Link8，屈服強(qiáng)度Fy=300 MPa，彈性模量Es=2.06×105MPa，泊松比υs=0.3。RPC采用3D混凝土實(shí)體單元Solid65，單軸抗壓強(qiáng)度fc=102.28 MPa，單軸抗拉強(qiáng)度ft=10.19 MPa，泊松比υs=0.22，RPC應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖1 新型波形鋼-RPC組合橋面板(單位：mm)

圖2 波腹工梁有限元模型

圖3 RPC應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在橋面板兩端橫隔板下緣施加約束，形成簡支體系。為避免荷載直接施加在RPC上造成應(yīng)力集中，在跨中RPC頂板上橋面板長度方向40 cm、寬度方向120 cm范圍內(nèi)設(shè)置5 cm厚度的鋼墊板，鋼墊板與RPC橋面板節(jié)點(diǎn)通過CP命令耦合自由度，在鋼墊板上施加均布面荷載。分析中關(guān)閉壓碎選項(xiàng)，采用位移收斂準(zhǔn)則，收斂條件設(shè)為5%。打開自動(dòng)時(shí)間步控制、線性搜索和預(yù)測器以加快收斂速度。

該文主要研究波形鋼-RPC組合橋面板縱向受力特性，下文中波腹工梁鋼底板應(yīng)力是指跨中位置波腹工梁鋼底板的縱橋向應(yīng)力，頂板RPC應(yīng)力是指跨中位置RPC頂板上緣的縱橋向應(yīng)力，頂板鋼筋應(yīng)力是指跨中位置RPC頂板中上層縱橋向鋼筋的應(yīng)力，撓度指跨中截面鋼底板下?lián)现怠?/p>

2.2 Solid65單元剪力傳遞系數(shù)選取

在波形鋼-RPC組合橋面板跨中施加1 000 kN荷載，研究剪力傳遞系數(shù)與撓度、鋼底板應(yīng)力、RPC應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力4個(gè)指標(biāo)的關(guān)系。取閉合裂縫的剪力傳遞系數(shù)βc=0.95，張開裂縫的剪力傳遞系數(shù)βt=0.1～0.9，以βt=0.1時(shí)各指標(biāo)的結(jié)果為基準(zhǔn)值，分別得到其他βt各指標(biāo)結(jié)果與基準(zhǔn)值的比值，結(jié)果如圖4(a)。取βt=0.5，βc=0.1～1.0進(jìn)行計(jì)算，以βc=0.1時(shí)各指標(biāo)的結(jié)果為基準(zhǔn)值，分別得到其他βc各指標(biāo)結(jié)果與基準(zhǔn)值的比值，結(jié)果見圖4(b)所示。研究表明：裂縫剪力傳遞系數(shù)對各指標(biāo)結(jié)果影響不大，撓度和頂板RPC應(yīng)力隨著βt的增大略有減小，頂板鋼筋應(yīng)力隨著βc的增大而略有減小，其他指標(biāo)隨剪力傳遞系數(shù)的變化更小。結(jié)合相關(guān)資料后續(xù)研究中取βt=0.5，βc=0.95。

圖4 裂縫剪力傳遞系數(shù)-組合橋面板計(jì)算結(jié)果比例系數(shù)曲線

2.3 Solid65單元形函數(shù)附加項(xiàng)選取

計(jì)算了計(jì)入形函數(shù)附加項(xiàng)和不計(jì)形函數(shù)附加項(xiàng)兩種情況下組合橋面板跨中在荷載1 000 kN作用下的撓度、波腹工梁鋼底板應(yīng)力、頂板RPC應(yīng)力和頂板鋼筋應(yīng)力(圖5)。由圖5可知：① 對于撓度、頂板RPC應(yīng)力和頂板鋼筋應(yīng)力在線彈性范圍內(nèi)時(shí)，形函數(shù)附加項(xiàng)影響不大，但結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段后，形函數(shù)附加項(xiàng)的作用逐漸增大，在荷載1 000 kN時(shí)，不計(jì)形函數(shù)附加項(xiàng)結(jié)果偏小10%～17%；② RPC實(shí)體單元Solid65形函數(shù)附加項(xiàng)對波腹工梁鋼底板應(yīng)力影響較小，計(jì)算范圍內(nèi)兩者差值均在3%以內(nèi)。

圖5 形函數(shù)附加項(xiàng)對組合橋面板計(jì)算結(jié)果的影響

2.4 材料本構(gòu)關(guān)系

鋼材彈塑性模型包括雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型BKIN和雙線性等向強(qiáng)化模型BISO，其中BKIN模型采用Mises屈服準(zhǔn)則和隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則，BISO采用等向強(qiáng)化的Mises屈服準(zhǔn)則。RPC采用多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型MKIN和多線性等向強(qiáng)化模型MISO。同時(shí)，作為對比計(jì)算了鋼材和RPC均為線彈性材料工況。在波形鋼-RPC組合橋面板跨中施加1 000 kN荷載，共計(jì)算了9種工況(表1)。組合橋面板撓度、波腹工梁鋼底板應(yīng)力和頂板RPC應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖6。

表1 RPC和鋼材本構(gòu)關(guān)系組合計(jì)算工況

由圖6可知：

(1)荷載較小時(shí)，鋼材和RPC按線彈性材料計(jì)算結(jié)果是可靠的；隨著荷載的增大，鋼材的材料非線性對結(jié)果影響逐漸增大，按線彈性材料計(jì)算的結(jié)果將偏于不安全，RPC的材料非線性略有影響，其主要原因是模型中RPC設(shè)計(jì)的安全富余量很高。

(2)在荷載800 kN以前，考慮材料非線性的撓度值同線彈性撓度值基本吻合，但荷載超過800 kN后考慮鋼材非線性的撓度值迅速增長，在1 000 kN時(shí)撓度值同線彈性結(jié)果相差3倍，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的塑性變形。

(3)在荷載800 kN以前，考慮材料非線性的波腹工梁鋼底板應(yīng)力同線彈性結(jié)果基本吻合，荷載超過800 kN后考慮鋼材非線性時(shí)拉應(yīng)力大于線彈性結(jié)果，但荷載超過900 kN后，非線性的拉應(yīng)力幾乎不再增長，而線彈性拉應(yīng)力一直增加。

(4)在荷載800 kN以前，考慮材料非線性的頂板RPC應(yīng)力同線彈性結(jié)果基本吻合，之后考慮鋼材非線性時(shí)壓應(yīng)力迅速增大，在1 000 kN時(shí)RPC應(yīng)力值相差兩倍。鋼材為線彈性時(shí)，考慮RPC的材料非線性時(shí)RPC應(yīng)力略大于線彈性應(yīng)力結(jié)果。

圖6 材料本構(gòu)關(guān)系對組合橋面板的影響

在該文后續(xù)的研究中RPC選用MISO模型，鋼材選用BISO模型。

3 組合橋面板結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

3.1 波形鋼腹板厚度

取波形鋼腹板厚度為8、12、16、20 mm，分別計(jì)算組合橋面板跨中截面撓度、波腹工梁鋼底板應(yīng)力、頂板RPC應(yīng)力和頂板鋼筋應(yīng)力(圖7)。由圖7可知：① 隨著波形鋼腹板厚度的增加，撓度、頂板RPC應(yīng)力和頂板鋼筋應(yīng)力均得到了明顯的減小，以20 mm和8 mm兩個(gè)計(jì)算工況對比，在荷載1 000 kN時(shí)分別相差30%、24%和22%；② 波形鋼腹板厚度對波腹工梁鋼底板應(yīng)力影響很小，在荷載1 000 kN時(shí)4種不同厚度下鋼底板應(yīng)力差值在3%以內(nèi)；③ 波形鋼腹板厚度對結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性變形階段的臨界荷載影響很小，4種不同厚度下均在荷載達(dá)到850 kN后變形和應(yīng)力急劇增大。

3.2 波形鋼腹板高度

取波腹工梁的波形鋼腹板高度為516、566和616 mm，分別計(jì)算組合橋面板跨中截面撓度、波腹工梁鋼底板應(yīng)力、頂板RPC應(yīng)力和頂板鋼筋應(yīng)力(圖8)。

圖7 波形鋼腹板厚度對組合橋面板的影響

圖8 波形鋼腹板高度對組合橋面板的影響

由圖8可知：① 隨波形鋼腹板高度的增加組合橋面板跨中截面撓度、波腹工梁鋼底板應(yīng)力、頂板RPC應(yīng)力和頂板鋼筋應(yīng)力均得到了顯著的減小，如高度516 mm和616 mm兩個(gè)計(jì)算工況，在荷載1 000 kN時(shí)撓度相差65%；② 隨波形鋼腹板高度的增加結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段的荷載值得到了有效提高。從撓度曲線分析，波形鋼腹板高度516 mm時(shí)荷載784 kN結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑形變形階段，波形鋼腹板高度616 mm時(shí)荷載增大到884 kN結(jié)構(gòu)才進(jìn)入塑形變形階段。

3.3 波腹工梁鋼底板厚度

取波腹工梁鋼底板厚度為10、15、20、25和30 mm，分別計(jì)算組合橋面板跨中截面撓度、波腹工梁鋼底板應(yīng)力和頂板RPC應(yīng)力(圖9)。頂板鋼筋應(yīng)力和RPC應(yīng)力變化規(guī)律相似，下面的分析中不再單獨(dú)列出。由圖9可知：波腹工梁鋼底板厚度對組合橋面板受力有重要影響，鋼底板厚度為10 mm時(shí)，在荷載達(dá)到440 kN時(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段，變形開始急劇增加，將鋼底板厚度增加到20 mm時(shí)進(jìn)入塑性變形的荷載增大90%。

3.4 波腹工梁鋼頂板厚度

取波腹工梁鋼頂板厚度為10、14、18和22 mm，計(jì)算組合橋面板跨中截面撓度、波腹工梁鋼底板應(yīng)力和頂板RPC應(yīng)力(圖10)。圖10表明：波腹工梁鋼頂板厚度對組合橋面板受力影響較小，其原因主要是鋼頂板離中性軸較近，對截面抗彎慣性矩的作用不大。

圖9 波腹工梁鋼底板厚度對組合橋面板的影響

圖10 波腹工梁鋼頂板厚度對組合橋面板的影響

3.5 RPC頂板厚度

取組合橋面板的RPC頂板厚度為5、7、9和11 cm，計(jì)算組合橋面板跨中截面撓度、波腹工梁鋼底板應(yīng)力和頂板RPC應(yīng)力(圖11)。圖11表明：① RPC頂板厚度對組合橋面板進(jìn)入變形急劇增大的塑性階段臨界荷載有一定影響，頂板11 cm相比5 cm臨界荷載增大了10%；② 相比組合橋面板處于線彈性階段，RPC頂板厚度對組合橋面板跨中截面撓度和頂板RPC應(yīng)力在結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性變形后影響更大。

3.6 RPC單軸抗壓強(qiáng)度

取RPC單軸抗壓強(qiáng)度為60、80和102.28 MPa，RPC本構(gòu)關(guān)系中的應(yīng)力根據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度按比例進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，計(jì)算組合橋面板跨中截面撓度、波腹工梁鋼底板應(yīng)力和頂板RPC應(yīng)力(圖12)。由圖12可知：① RPC單軸抗壓強(qiáng)度對組合橋面板跨中撓度在彈性階段的影響不大，隨著荷載的進(jìn)一步增大，影響逐漸增大，在荷載1 000 kN時(shí)，60 MPa的撓度值比102.28 MPa增大30%；② RPC單軸抗壓強(qiáng)度對其自身的應(yīng)力影響較大，在荷載1 000 kN時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度60 MPa的應(yīng)力值比102.28 MPa的低22%；③ RPC單軸抗壓強(qiáng)度對波腹工梁鋼底板應(yīng)力影響較小，計(jì)算范圍內(nèi)，最大差值小于3%。

圖11 RPC頂板厚度對組合橋面板的影響

4 結(jié)論

(1)在荷載小于820 kN時(shí)，鋼材和RPC按線彈性材料計(jì)算結(jié)果是可靠的。隨著荷載的增大，RPC的材料非線性效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，鋼材的材料非線性對組合橋面板承載性能影響尤其明顯，按線彈性材料計(jì)算的結(jié)果偏于不安全，因此當(dāng)荷載大于820 kN時(shí)應(yīng)考慮材料非線性。

(2)Solid65單元剪力傳遞系數(shù)取值對組合橋面板計(jì)算結(jié)果影響很?。挥?jì)算時(shí)宜考慮Solid65單元形函數(shù)附加項(xiàng)，尤其在荷載大于820 kN結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段后考慮形函數(shù)附加項(xiàng)荷載效應(yīng)更大。

圖12 RPC單軸抗壓強(qiáng)度對組合橋面板的影響

(3)在新型波形鋼-RPC組合橋面板中，波形鋼腹板高度和波腹工梁鋼底板厚度對結(jié)構(gòu)承載性能影響最大；波腹工梁鋼頂板離截面中性軸較近，對抗彎慣性矩的作用不大，因此其厚度對結(jié)構(gòu)承載性能的影響較?。籖PC強(qiáng)度很高，安全富余量很足，研究中對組合橋面板承載性能影響比波腹工梁小，在后續(xù)的研究中應(yīng)對RPC板厚進(jìn)行優(yōu)化。