何曉暉，代 亮，陳宜言

（深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518029）

1 概述

合肥市郎溪路工程段E匝道第二聯(lián)橋跨徑組合為（25+35+25）m，該橋上部結(jié)構(gòu)采用GFRP-混凝土-鋼組合結(jié)構(gòu)，橋梁立面布置如圖1所示。該橋是國(guó)內(nèi)首次采用GFRP-混凝土組合橋面板作為鋼-混凝土組合梁橋橋面板的橋梁結(jié)構(gòu)。在施工階段，GFRP板作為永久性模板使用；在使用階段，GFRP板可部分代替橋面板底層橫向鋼筋承受橋上活載作用。在結(jié)構(gòu)受力方面，對(duì)于橫橋向正彎矩區(qū)，GFRP板位于底層受拉區(qū)，混凝土位于頂部受壓區(qū)，充分發(fā)揮了兩種材料的受力優(yōu)點(diǎn)。在耐久性方面，處于橋面板底層以及側(cè)壁的GFRP板將對(duì)混凝土起到保護(hù)作用，避免混凝土碳化和鋼筋銹蝕作用，提高混凝土橋面板的疲勞性能，進(jìn)而提高橋面板結(jié)構(gòu)的耐久性，并間接提升組合梁橋的有效服務(wù)壽命。此外，在縱橋向混凝土與鋼梁通過(guò)栓釘連接，形成組合作用，鋼梁以受拉為主，GFRP-混凝土橋面板以受壓為主，受力明確。整個(gè)結(jié)構(gòu)具有新穎性和創(chuàng)新性。

橋面寬度8.5 m，具體布置為0.5 m（護(hù)欄）+3.75 m（車道）+3.75 m（車道）+0.5 m（護(hù)欄）。橋梁的截面形式為GFRP+混凝土+鋼梁的形式，箱梁截面如圖2所示，GFRP板如圖3所示。

2 全橋整體計(jì)算分析

2.1 整體模型

采用midas/Civil軟件建立全橋整體模型，根據(jù)荷載工況組合以確定組合橋面板最不利受力截面位置，建模時(shí)考慮以下五個(gè)施工階段：

（1）建立臨時(shí)支撐和永久支撐，架設(shè)鋼梁。

（2）澆筑混凝土。

（3）混凝土達(dá)到強(qiáng)度后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉。

（4）拆除臨時(shí)支撐。

（5）施加二期恒載。

整體模型如圖4所示。

2.2 恒載

橋梁一期恒載為橋梁自重，橋面板采用C50無(wú)收縮混凝土，鋼梁材質(zhì)為Q345C，GFRP板的厚度為6 mm。橋梁每延米質(zhì)量為9.624 t。二期恒載包括鋪裝層和護(hù)欄，鋪裝層厚度為0.22 m，護(hù)欄按照15 kN/m計(jì)算。

2.3 活載

荷載等級(jí)：公路-Ⅰ級(jí)?；钶d最不利布載位置包含兩部分內(nèi)容：第一部分為橋梁縱向最不利布載位置；第二部分為橋梁橫向最不利布載位置。橋面板橫向最不利布載又細(xì)分為兩種工況：一種為橋面板箱梁頂板跨中正彎矩的最不利布載；另一種為懸臂板根部的負(fù)彎矩最不利布載。

2.4 荷載組合

荷載組合取標(biāo)準(zhǔn)組合，即1.0×一期恒載+1.0×二期恒載+1.0×預(yù)應(yīng)力+1.0×車輛荷載（考慮車輛沖擊），選取彎矩圖如圖5所示。

圖1 橋梁立面構(gòu)造圖（單位：mm）

圖2 標(biāo)準(zhǔn)橫截面圖（單位：mm）

圖3 GFRP板構(gòu)造圖（單位：mm）

圖4 全橋整體模型

圖5 標(biāo)準(zhǔn)組合彎矩圖（單位：kN·m）

3 實(shí)體有限元局部分析

3.1 節(jié)段選取

分別選取中跨跨中處和中支點(diǎn)處，中跨跨中是最大正彎矩段，中支點(diǎn)為最大負(fù)彎矩段。根據(jù)整體模型的計(jì)算結(jié)果，擬定局部模型長(zhǎng)度尺寸?？缰卸芜x取25 m長(zhǎng)度，可以布置整車模型，其中實(shí)體板殼單元模型長(zhǎng)度為9 m。中支點(diǎn)段選取10.2 m長(zhǎng)度，其中實(shí)體板殼單元模型長(zhǎng)度為10 m，如圖6所示。局部模型所用到的邊界條件選用整體計(jì)算模型中的幾何邊界條件和內(nèi)力邊界條件。

圖6 局部模型示意圖（單位：cm）

3.2 局部模型建立

局部模型采用ANSYS有限元軟件建模分析，混凝土橋面板采用Solid65實(shí)體單元，鋼梁采用Shell43殼單元，GFRP槽板采用Shell181殼單元，不考慮材料非線性的影響。

提取整體模型相應(yīng)節(jié)段端部的內(nèi)力結(jié)果（軸力、剪力、彎矩等）和幾何邊界條件（位移、轉(zhuǎn)角等）。整體模型中的內(nèi)力值是針對(duì)截面形心處的內(nèi)力，該內(nèi)力值無(wú)法直接施加于板殼實(shí)體模型截?cái)嗵?，必須采用等效靜力的原則施加。為此板殼實(shí)體模型斷面形心處建立與該截面相同的梁?jiǎn)卧?，并將梁?jiǎn)卧囊欢斯?jié)點(diǎn)與板殼實(shí)體模型截?cái)嗝嫣幍乃泄?jié)點(diǎn)耦合，在該梁?jiǎn)卧牧硪欢斯?jié)點(diǎn)施加從全橋模型提取出的內(nèi)力結(jié)果（見(jiàn)圖7）。

圖7 局部實(shí)體計(jì)算模型

3.3 組合梁控制截面車輛布載

局部模型荷載組合選用荷載標(biāo)準(zhǔn)組合，車輛布載按照最不利情況布載，具體描述見(jiàn)表1。

表1 控制截面車輛布載情況匯總

3.4 主要計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圣維南原理，計(jì)算結(jié)果提取局部模型控制截面1～3 m范圍處的數(shù)據(jù)，中跨跨中選取3 m長(zhǎng)度和中支點(diǎn)選取2 m長(zhǎng)度。計(jì)算結(jié)果負(fù)值為壓應(yīng)力，正值為拉應(yīng)力。

3.4.1 中跨跨中箱梁頂板跨中計(jì)算結(jié)果

混凝土板底面的橫向應(yīng)力最大值為-0.21 MPa，混凝土橋面板頂面的橫向應(yīng)力最大值為-4.99 MPa（見(jiàn)圖 8）。

圖8 中跨跨中橋面板橫向應(yīng)力圖（單位：Pa）

3.4.2 中跨跨中懸臂根部計(jì)算結(jié)果

混凝土板底面的橫向應(yīng)力最大值為0.16 MPa，混凝土板頂面的橫向應(yīng)力最大值為-4.44 MPa（見(jiàn)圖 9）。

圖9 中跨跨中懸臂根部橫向應(yīng)力圖（單位：Pa）

3.4.3 中支點(diǎn)段箱梁頂板跨中計(jì)算結(jié)果

混凝土板底面的橫向應(yīng)力最大值為0.78 MPa，混凝土板頂面的橫向應(yīng)力最大值為-4.12 MPa（見(jiàn)圖 10）。

圖10 中支點(diǎn)橋面板橫向應(yīng)力圖（單位：Pa）

3.4.4 中支點(diǎn)段懸臂根部計(jì)算結(jié)果

混凝土板底面的橫向應(yīng)力最大值為-4.49 MPa，混凝土板頂面的橫向應(yīng)力最大值為1.74 MPa（見(jiàn)圖 11）。

圖11 中支點(diǎn)段混凝土橫向應(yīng)力圖（單位：Pa）

由上述分析可知，橋面板的橫向受力受到結(jié)構(gòu)空間效應(yīng)和邊界條件的影響：

（1）結(jié)構(gòu)空間效應(yīng)。箱室內(nèi)的橫隔板讓橋面板表現(xiàn)出雙向板的受力性質(zhì)，橫向受力后，不僅橫向板條分擔(dān)彎矩，而且縱向板條也要分擔(dān)相當(dāng)比例的彎矩；同樣，縱向受力后，橫向和縱向板條共同分擔(dān)彎矩。

（2）邊界條件。鋼箱梁下方設(shè)置支座，相當(dāng)于加強(qiáng)了橋面板的豎向約束，橋面板更多地承受橫向受力。在沒(méi)有設(shè)置支座的節(jié)段，橋面板和鋼箱梁作為整體協(xié)同受力，橋面板的橫向受力是兩者疊加的結(jié)果。以橋面板承受對(duì)稱荷載為例，說(shuō)明箱梁頂板的受力表現(xiàn)在中跨中段，GFRP-混凝土-鋼組合梁作為整體承受橫向力，GFRP-混凝土組合橋面板承受壓應(yīng)力，鋼箱梁承受拉應(yīng)力。中支點(diǎn)處存在底部支座，橋面板的豎向約束加強(qiáng)，因此橋面板頂部承受壓應(yīng)力，底部承受拉應(yīng)力。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）GFRP-混凝土組合橋面板具有良好的抗疲勞性，可以有效抵抗受拉引起的疲勞問(wèn)題。從橋梁的控制斷面應(yīng)力分析來(lái)看，橋面板會(huì)承受拉應(yīng)力。實(shí)橋的橋面板底部應(yīng)力數(shù)值遠(yuǎn)小于試件疲勞加載下限應(yīng)力，可有效抵抗橋面板受拉循環(huán)引起的疲勞問(wèn)題。

（2）GFRP作為底板可以提高橋面板的耐久性。在中支點(diǎn)附近施加車輛荷載后，傳統(tǒng)橋面板下部的混凝土?xí)霈F(xiàn)開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。使用GFRP板作為底板后，可以包裹住混凝土，使得鋼筋和混凝土免受侵蝕，有效提高橋梁的耐久性。

（3）GFRP-混凝土-鋼組合連續(xù)梁結(jié)構(gòu)具有自重輕、抗震性能好、結(jié)構(gòu)抗裂性和整體性能優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)，具備很好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。