張斌，趙金偉，梅培紅，羅平 （中交水利水電建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315200）

“鋼材+混凝土”的材料組合形式在力學性能上可以被理解為復合材料優(yōu)勢的一種體現(xiàn)。“鋼混疊合梁”結(jié)構(gòu)與純鋼梁或者純混凝土梁（一般很少見）相比而言，中和軸高度更大，抗彎的截面內(nèi)力臂更大，從而保證截面在抗彎承載力以及抗彎剛度方面得到更好的表現(xiàn)。

傳統(tǒng)意義上的鋼混組合梁與一般鋼結(jié)構(gòu)梁而言有諸多優(yōu)勢，但是在工程實踐中也發(fā)現(xiàn)了一些問題：

第一，對于連續(xù)組合梁橋，由于負彎矩作用，容易導致混凝土出現(xiàn)開裂破壞的情況，薄壁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)壓屈失穩(wěn)導致結(jié)構(gòu)失效的情況；

第二，對于“鋼混疊合梁”而言，其橋面板開裂也是一個比較常見且主要的問題。

“鋼-UHPC”疊合梁是將鋼結(jié)構(gòu)梁與UHPC（超高性能混凝土）通過剪力釘進行有效組合，由于UHPC的抗壓能力、抗裂能力以及拉彎性能要遠遠高于一般的混凝土，而且超高性能混凝土的孔隙率低，收縮徐變變形小。因此，較一般常規(guī)鋼混組合橋梁面板，其開裂問題顯著改善，橋梁的耐久性及使用安全性明顯提升。

圖1 鋼便橋施工地理位置平面

圖2 鋼便橋立面圖

圖3 鋼便橋斷面圖

1 工程概況

西洪大橋及接線工程施工Ⅳ標段，本工程鋼便橋橋梁布置采用一孔多片式的新型“鋼-UHPC”簡支疊合梁，單跨長度為20m，橋梁橫向?qū)挾葹?4m，共由7片“π”型疊合梁拼裝組成。每片鋼橋面UHPC鋪裝之間采用1cm橡膠材料分隔開，UHPC鋪裝厚12cm。

2 “鋼-UHPC”鋼疊合梁的結(jié)構(gòu)力學分析

2.1 鋼便橋幾何模型

2.1.1 幾何參數(shù)說明

保通鋼便橋幾何參數(shù)如表1所示。

UHPC與普通鋼筋混凝土材料的力學性能對比分析表 表1

2.1.2 材料參數(shù)

本工程鋼便橋，鋼材型號為Q345，楊氏模量取為2.04×105MPa，泊松比取為0.2，密度取為7.85×103kg/m3。

根據(jù)相關(guān)文獻，橋面板所采用的UHPC材料，彈性模量取為4.26×104MPa，泊松比取為0.2，密度取為2.7×103kg/m3。

在整體建模計算中，考慮混凝土進入塑性性質(zhì)。

2.2 有限元數(shù)值模擬

2.2.1 有限元模型

采用Midas Civil通用有限元軟件對鋼便橋全橋建立有限元分析模型，如圖4所示?？v向主梁和橫向次梁均用梁單元模擬?？v向主梁為工字型截面，共有三種截面尺寸，在實際工程中截面變化有一段過渡，但是在有限元模型中，為簡單起見未考慮，這樣的處理方式僅對變截面附近的局部應力應變有影響，不影響整體結(jié)構(gòu)力學響應。橫向次梁為工字型截面，共有兩種截面尺寸，分別為端部次梁和中部次梁。在設(shè)置截面尺寸時，對不同的截面設(shè)置不同的幾何偏心，以保證有限元模型中主梁次梁的相對位置關(guān)系與實際工程相一致。

圖4 鋼便橋有限元模型

此外，實際工程中在主梁次梁相交處設(shè)置隔板，其目的是防止結(jié)構(gòu)構(gòu)件局部失穩(wěn)，對鋼便橋的強度方面的整體受力性能影響不大，故在靜強度分析時，主次梁中的隔板不建立對應的模型，僅僅按其重量施加對應的等效荷載。

對鋼便橋的UHPC橋面，采用板單元進行模擬。在實際工程中截面變化有一段過渡，但是在有限元模型中，為簡單起見未考慮。

2.2.2 荷載工況

本章的靜強度計算分析主要依據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JT6-D60-2015）對鋼便橋進行承載力極限狀態(tài)的計算分析，主要考慮的荷載工況有恒載、車道活載、人群活載、溫度荷載四種。

①恒載

主體結(jié)構(gòu)恒載：UHPC混凝土橋面板容重為28kN/m3，主梁和次梁的鋼材容重為78.5kN/m3；

橋梁鋪面結(jié)構(gòu)恒載：鋼橋面的鋪裝結(jié)構(gòu)由上至下依次為4cm瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA-13，SBS改性）、熱熔顆粒（0.7kg/m2）和無溶劑環(huán)氧樹脂涂層（0.5kg/m2），單位面積容重分別為0.8kN/m2、0.007kN/m2和 0.005kN/m2，合計為0.8kN/m2。

②車道荷載

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）要求，對于公路一級車道荷載，車道荷載的均布荷載標準值為qk=10.5kN/m，集中荷載的標準值Pk按內(nèi)插法求得車道集中荷載的標準值為Pk=240kN。

保通鋼便橋主要設(shè)計參數(shù)統(tǒng)計表 表2

不同荷載組合系數(shù) 表3

③人群活載

根據(jù)規(guī)范，本工程中鋼便橋的人群活荷載取值為3.0 kN/m2。

④溫度荷載

本文鋼便橋在計算中所施加的溫度荷載為：整體結(jié)構(gòu)溫度升高25℃，整體結(jié)構(gòu)溫度降低28℃。溫度梯度按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中4.3.10條對帶有混凝土面板的鋼混組合結(jié)構(gòu)的規(guī)定取值：正溫差T1=20℃，T2=6.7℃；負溫差T1=-10℃，T2=-3.35℃。

2.2.3 恒載作用

在恒載作用下，橋梁的變形（豎向撓度）位移云圖如圖5所示。可以看出橋梁跨中節(jié)點的最大撓度為9.6mm，小于L/400=50mm的規(guī)范值，滿足規(guī)范設(shè)計要求。

圖5 恒載作用下橋梁變形云圖（mm）

恒載作用下主梁的上翼緣主要受壓，最大壓應力為-17.4MPa，最大拉應力為10.8MPa。主梁的下翼緣主要受拉，最大拉應力為30.4MPa，最大壓應力為-1.5MPa。值得注意的是，這里的應力均是組合應力。

恒載作用下UHPC橋面板板頂?shù)淖畲髩簯?2.8MPa，最大拉應力為0.68MPa；UHPC混凝土橋面板板底的最大壓應力為-1.0MPa，最大拉應力為0.07MPa。拉應力遠小于UHPC混凝土的抗拉強度，壓應力則遠小于UHPC混凝土的抗壓強度。

2.2.4 結(jié)構(gòu)縱向影響線

本文中所計算的鋼便橋從邊界條件上來說是兩端簡支梁。因此，在Midas?Civil有限元計算軟件中建立一個虛擬簡支梁，按照規(guī)范定義車輛、車道后，可以得到簡支單梁跨中彎矩和位移的影響線，如圖6、圖7所示。

圖6 簡支梁跨中彎矩影響線分析圖

圖7 簡支梁跨中豎向撓度影響線分析圖

因此，根據(jù)上述影響線，可知導致主梁出現(xiàn)最大位移和最大彎矩的最不利車道荷載布置方式為：將集中荷載布置在橋梁跨中位置，將均布荷載在橋梁全跨滿布。

不同荷載組合下的截面最不利應力 表4

2.2.5 車道荷載作用（車道線分析）

①車道荷載下的位移分析

車道荷載作用下，橋梁跨中節(jié)點的最大撓度為12.1mm，小于 L/400=50mm的規(guī)范值，滿足規(guī)范設(shè)計要求。

②車道荷載下的內(nèi)力分析

在車道荷載作用下，主梁的軸力、彎矩和剪力包絡(luò)圖如圖8、圖9和圖10所示。

圖8 主梁軸力包絡(luò)圖（N）

圖9 主梁彎矩包絡(luò)圖

圖10 主梁剪力包絡(luò)圖（N）

主梁被次梁分為若干跨，中間兩跨的跨中主梁的彎矩最大，在次梁位置處，主梁受到的剪力最大。UHPC混凝土面板在車道所在的位置出現(xiàn)最大的內(nèi)力。

2.2.6 人群活載作用

圖11 UHPC橋面板x方向內(nèi)力云圖

圖12 人群活荷載作用下橋梁豎向位移云圖（mm）

人群活荷載作用下橋梁最大位移為1.6mm。工字鋼上翼緣最大壓應力為3.75MPa，工字鋼下翼緣最大拉應力為6.75MPa。

2.2.7 溫度荷載作用

設(shè)計中考慮了均勻溫度變化對橋梁整體結(jié)構(gòu)帶來的影響，有限元模型中，在升溫荷載作用下，橋梁豎向最大位移為-3.5mm，縱向最大位移為 6.0mm；在降溫荷載作用下，橋梁豎向最大位移為 3.9mm，縱向最大位移為-6.7mm?？梢钥闯?，在升溫或降溫荷載作用下，縱向位移比豎向位移要大，由于鋼便橋是簡支梁，在縱向沒有變形約束，所以可以減小溫度荷載效應在主梁中產(chǎn)生的應力。

2.2.8 荷載組合計算

通過對全橋的有限元建模計算得到鋼便橋在多種荷載（恒載、車道荷載、人群活載、溫度荷載）作用下的應力數(shù)值分析。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JT?GD60-2015）的規(guī)定，對鋼便橋的設(shè)計主要考慮承載能力極限狀態(tài)設(shè)計和正常使用極限狀態(tài)的幾種荷載組合，并得到各種荷載組合下的最不利荷載效應。

3 結(jié)論

目前常規(guī)的“鋼混疊合梁”與鋼筋混凝土梁相比，具有結(jié)構(gòu)自重更輕的優(yōu)勢，與純鋼梁相比又具備一定的經(jīng)濟性。但是仍然存在著橋面板易開裂和自重較大的不足。目前興起的輕鋼-UHPC疊合構(gòu)能夠在很大程度上保留傳統(tǒng)鋼-混組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，又盡可能規(guī)避其劣勢，具有較大的應用前景。

本文首先對西洪大橋保通鋼便橋工程做了簡要介紹。重點利用有限元軟件MidasCivil對鋼便橋結(jié)構(gòu)進行了四種主要荷載工況下整體結(jié)構(gòu)的靜力學分析，驗證了運用該種組合結(jié)構(gòu)形式后，鋼便橋的位移、內(nèi)力和應力等各種力學響應滿足工程結(jié)構(gòu)受力性能要求。