王 新，李國(guó)鵬，趙卓顯

(中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024)

0 前 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也提出了更高的要求。一方面，城市對(duì)橋梁提出了更多的功能要求；另一方面，城市橋梁除提供交通功能外，美觀性也愈發(fā)被重視。這便促使一些特殊橋梁應(yīng)運(yùn)而生，例如，開啟式橋梁[1]既滿足航運(yùn)的水位要求，又因常采用輕質(zhì)美觀的鋼結(jié)構(gòu)、開啟或閉合的過程更易吸引人們的關(guān)注等原因，而具有很好的景觀性[2]。

鋼-普通混凝土橋面板是通過抗剪連接件將鋼梁和混凝土板組合而成，充分利用混凝土高強(qiáng)的抗壓性和鋼材良好的抗拉性，具有結(jié)構(gòu)受力合理的特點(diǎn)，在特殊橋梁工程中廣泛應(yīng)用。但同時(shí)也存在自重大、負(fù)彎矩區(qū)域混凝土易開裂等缺陷，影響了結(jié)構(gòu)的耐久性和經(jīng)濟(jì)性[3]。

隨著科技的快速發(fā)展，混凝土強(qiáng)度越來越高，超高性能混凝土(UHPC) 應(yīng)運(yùn)而生[4]。與普通混凝土相比，UHPC以細(xì)砂為骨料，摻入大量硅灰等礦物摻合料、高效減水劑和微細(xì)鋼纖維，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)到200 MPa，抗彎拉強(qiáng)度可達(dá)到20 MPa。

為改變上述鋼-普通混凝土組合梁的不足，可采用超高性能混凝土(UHPC)替代普通混凝土，形成鋼-UHPC組合橋面板。由于UHPC優(yōu)良的材料性能非常適合應(yīng)用于橋梁工程中，目前全世界已建成的UHPC橋梁有200多座[5]，但應(yīng)用鋼-UHPC組合結(jié)構(gòu)的卻很少。對(duì)于鋼-UHPC組合結(jié)構(gòu)的理論研究，國(guó)內(nèi)已經(jīng)開展了一些[6-7]。根據(jù)這些研究結(jié)果可以得到一個(gè)結(jié)論：采用UHPC板替代傳統(tǒng)鋼-混凝土組合梁中的普通混凝土，形成鋼-UHPC組合梁，在橋梁工程中具有良好的應(yīng)用前景[8]。

為深入探究鋼-UHPC組合橋面板的受力特性，本文結(jié)合工程實(shí)例研究不同混凝土厚度、約束方式與加勁肋形式對(duì)其的影響，得出的相關(guān)結(jié)果可為其他工程提供參考。

1 橋面板精細(xì)化模型與邊界約束對(duì)橋面板的影響

1.1 橋面板設(shè)計(jì)方案

本文以通州某開啟橋?yàn)檠芯繉?duì)象，因橋臺(tái)需設(shè)置機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、動(dòng)力系統(tǒng)及定期檢修通道等，0號(hào)橋臺(tái)設(shè)計(jì)為較大空間的箱室結(jié)構(gòu)。為防護(hù)機(jī)械裝置、保障結(jié)構(gòu)安全性及橋梁美觀性，本橋需在橋臺(tái)處布置一塊較大跨徑的鋼-UHPC組合橋面板，同時(shí)也作為箱室橋臺(tái)的頂板，詳見圖1。該橋面板具有以下特點(diǎn)：

(1)受機(jī)械裝置影響，板的幾何形式較為復(fù)雜。

(2)轉(zhuǎn)軸側(cè)板邊不受約束，其余三側(cè)均約束在橋臺(tái)處。

(3)板頂高程需滿足橋面高程要求，板底不得侵占配重空間，因此組合板厚度受到限制。具體設(shè)計(jì)方案為UHPC混凝土、Q420鋼板和縱橫方向加勁肋三者的組合結(jié)構(gòu)。橋梁開啟狀態(tài)下，該橋面板僅有自重和溫度荷載，荷載標(biāo)準(zhǔn)組合=1.0×自重+1.0×溫度荷載(整體降溫20 ℃)。橋面板平面設(shè)計(jì)示意見圖2，橋面板立面設(shè)計(jì)及材料剖面示意見圖3。

(a)平面 (b)立面

1.2 精細(xì)化設(shè)計(jì)模型與固定約束對(duì)比模型

約束方式對(duì)于橋面板的受力響應(yīng)至關(guān)重要。設(shè)計(jì)方案采用搭接支承的方式，即在重力方向限制節(jié)點(diǎn)向下移動(dòng)，不限制節(jié)點(diǎn)向上移動(dòng)。為準(zhǔn)確模擬搭接支承，模型在搭接處增加僅能承壓、不承拉的大剛度虛擬接觸桿單元。所以，依據(jù)設(shè)計(jì)方案，采用上述模擬方法，建立了精細(xì)化模型。

圖2 橋面板平面設(shè)計(jì)(單位：mm)

圖3 橋面板立面設(shè)計(jì)及材料剖面示意(單位：mm)

此外，鋼結(jié)構(gòu)施工中常常還采用螺栓、焊接等固定約束的方式。因此，在不改變其他任何參數(shù)的前提下，本節(jié)通過建立固定約束的對(duì)比模型，探究約束方式對(duì)于橋面板受力特性的影響。模型參數(shù)詳見表1。

表1 模型對(duì)比

1.3 結(jié)果對(duì)比分析

設(shè)計(jì)模型與對(duì)比模型的主要計(jì)算結(jié)果如圖4～11所示。

通過撓度云圖對(duì)比可知，設(shè)計(jì)模型混凝土撓度最大為2.3 cm，而對(duì)比模型最大撓度為1.1 cm。應(yīng)力云圖對(duì)比可知，設(shè)計(jì)模型的各材料應(yīng)力分布變化平緩，而對(duì)比模型在靠近約束區(qū)域內(nèi)存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，混凝土與鋼材應(yīng)力均很大。顯然，相比固定約束，搭接支承的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大撓度，但能夠有效避免支撐范圍內(nèi)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使橋面板應(yīng)力分布變化更加平緩。

圖4 設(shè)計(jì)模型混凝土撓度云圖 圖5 對(duì)比模型混凝土撓度云圖

圖6 設(shè)計(jì)模型混凝土主壓應(yīng)力云圖 圖7 對(duì)比模型混凝土主壓應(yīng)力云圖

圖8 設(shè)計(jì)模型橋面鋼板米塞斯應(yīng)力云圖 圖9 對(duì)比模型橋面鋼板米塞斯應(yīng)力云圖

圖10 設(shè)計(jì)模型T肋米塞斯應(yīng)力云圖 圖11 對(duì)比模型T肋米塞斯應(yīng)力云圖

2 混凝土厚度對(duì)橋面板的影響

2.1 不同參數(shù)的對(duì)比模型

受橋面高程和配重構(gòu)件的影響，本橋面板總厚度不能超過250 mm。所以在總厚度不變的前提下，本節(jié)通過建立不同厚度混凝土的橋面板模型，探究混凝土厚度對(duì)于橋面板力學(xué)特性的影響，模型參數(shù)詳見表2。

2.2 撓度結(jié)果對(duì)比分析

各模型計(jì)算結(jié)果的撓度云圖如圖12所示。

最大撓度出現(xiàn)在懸臂側(cè)，提取各模型懸臂側(cè)的撓度計(jì)算結(jié)果并形成撓度對(duì)比(見圖13)。Y軸為撓度計(jì)算值，X軸為沿線位置坐標(biāo)，即未支承側(cè)邊上任意點(diǎn)沿邊線到最左側(cè)端點(diǎn)的距離。

表2 模型參數(shù) mm

圖12 各模型撓度云圖對(duì)比

圖13 撓度對(duì)比

可見，混凝土厚度的變化對(duì)于橋面板撓度影響很小。

2.3 混凝土壓應(yīng)力結(jié)果對(duì)比分析

提取各模型懸臂側(cè)混凝土主壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，并形成混凝土主壓應(yīng)力對(duì)比圖(見圖14)。Y軸為應(yīng)力值，X軸為沿線位置坐標(biāo)，即懸臂側(cè)邊上任意點(diǎn)沿邊線到最左側(cè)端點(diǎn)的距離。各模型混凝土主壓應(yīng)力云圖如圖15所示。

根據(jù)結(jié)果可知：隨著混凝土厚度由4 cm增大到6 cm，跨中區(qū)域的混凝土最大壓應(yīng)力由約6 MPa逐漸減少至約3 MPa；混凝土厚度由8 cm增大到10 cm，跨中區(qū)域的混凝土最大主壓應(yīng)力由約3 MPa逐漸增大到約7 MPa ；在橋面板幾何變化區(qū)域內(nèi)，混凝土出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且隨著混凝土厚度的增大，最大應(yīng)力也逐漸增大。

圖14 混凝土主壓應(yīng)力對(duì)比

2.4 鋼材應(yīng)力結(jié)果對(duì)比分析

各模型計(jì)算結(jié)果的鋼材米塞斯應(yīng)力云圖如圖16所示。

最大應(yīng)力出現(xiàn)在靠近懸臂側(cè)加勁肋上，提取該加勁肋各位置處米塞斯應(yīng)力，并形成對(duì)比圖(見圖17)。Y坐標(biāo)是應(yīng)力值，X坐標(biāo)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)沿線位置坐標(biāo)，即加勁肋上任意點(diǎn)沿橫橋向到肋端點(diǎn)的距離。

分析可知，隨著混凝土厚度由4 cm增大到10 cm，加勁肋的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在兩側(cè)幾何變化的區(qū)域內(nèi)，基本維持在50 MPa左右。

圖15 各模型混凝土主壓應(yīng)力對(duì)比云圖

圖16 各模型鋼材應(yīng)力對(duì)比云圖

圖17 鋼材應(yīng)力對(duì)比

2.5 小 結(jié)

根據(jù)上述分析，得出以下三點(diǎn)結(jié)論：

(1)混凝土厚度的變化對(duì)橋面板的撓度幾乎無影響。

(2)隨著混凝土厚度由4 cm增加到10 cm，跨中混凝土壓應(yīng)力先遞減后遞增。當(dāng)厚度在6～8 cm范圍內(nèi)時(shí)，跨中混凝土壓應(yīng)力最小。

(3)橋面板兩側(cè)幾何變化區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3 加勁肋形式對(duì)橋面板力學(xué)特性的影響

為增加鋼結(jié)構(gòu)剛度及避免結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，組合橋面板需要設(shè)置加勁肋。加勁肋的形式主要有T型加勁肋與U型加勁肋。工程實(shí)踐中，受到施工技術(shù)、材料工藝、力學(xué)特性等因素的影響，鋼結(jié)構(gòu)會(huì)相應(yīng)選取適當(dāng)形式的加勁肋。本節(jié)通過設(shè)計(jì)模型與U型加勁肋模型的對(duì)比分析，探究加勁肋形式對(duì)于鋼-UHPC 組合橋面板力學(xué)特性的影響。

3.1 U型加勁肋的對(duì)比模型

設(shè)計(jì)方案采用高度170 mm的T型加勁肋。在設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，對(duì)比方案將所有軸向?yàn)闄M橋向的T型加勁肋改為U型，且兩種方案的高度、厚度及橫斷面面積保持一致，具體參數(shù)如圖18～19所示。

3.2 結(jié)果對(duì)比分析

設(shè)計(jì)模型與U肋對(duì)比模型的計(jì)算結(jié)果如圖20～25所示。

通過撓度云圖的對(duì)比可知：T肋橋面板最大撓度為2.3 cm，混凝土最大壓應(yīng)力為10.8 MPa，靠近懸臂側(cè)的加勁肋在中間區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了最大米塞斯應(yīng)力為49.2 MPa。U肋橋面板最大撓度為2.1 cm，混凝土最大壓應(yīng)力為14 MPa，鋼材最大米塞斯應(yīng)力為93.0 MPa，且鋼材最大應(yīng)力均出現(xiàn)在橋面板幾何變化區(qū)域的外側(cè)加勁肋上。顯然，在肋高、肋板厚度與工程量相同的前提下，U肋橋面板撓度要小于T肋橋面板，但T肋更能夠減輕橋面板兩側(cè)幾何變化區(qū)域內(nèi)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

圖18 設(shè)計(jì)方案剖面示意

圖19 U肋對(duì)比方案剖面示意

圖20 設(shè)計(jì)方案撓度云圖

圖像21 U肋對(duì)比方案撓度云圖

圖22 設(shè)計(jì)方案混凝土壓應(yīng)力云圖

圖23 U肋對(duì)比方案混凝土壓應(yīng)力云圖

圖24 設(shè)計(jì)方案鋼結(jié)構(gòu)米塞斯應(yīng)力云圖

圖25 U肋對(duì)比方案鋼結(jié)構(gòu)米塞斯應(yīng)力云圖

4 總 結(jié)

根據(jù)本文分析討論，可以得出以下結(jié)論：

(1)相對(duì)于固定的約束方式，在撓度能夠滿足要求的前提下，采用搭接支承的方式能夠有效避免鋼-UHPC 組合橋面板支承范圍內(nèi)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2)當(dāng)混凝土厚度在6～8 cm之間時(shí)，鋼-UHPC組合橋面板跨中混凝土壓應(yīng)力最小。

(3)鋼-UHPC組合橋面板在兩側(cè)幾何變化區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。相對(duì)于U型加勁肋， T型加勁肋橋面板雖然撓度較大，但能夠有效減輕橋面板幾何變化區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。