朱三平， 胡偉業(yè)

(1.溫州市交通發(fā)展集團有限公司， 浙江 溫州 325003； 2.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司， 杭州 310030)

鋼-混凝土組合梁因可充分發(fā)揮鋼材受拉、混凝土受壓的優(yōu)勢而得以發(fā)展，具有強度高、塑性好、剛度大及經(jīng)濟適用等特點[1-2]。其中，鋼板組合梁構(gòu)造簡單、制造方便、用鋼量省、全壽命周期性能優(yōu)異、綠色環(huán)保，可有效提升公路橋梁的建設品質(zhì)，在中小跨徑橋梁中應用廣泛，但存在負彎矩區(qū)混凝土板易開裂的難題。目前常用的改善技術措施包括：加密鋼筋、采用抗裂混凝土、縱向預應力技術、頂升支點、優(yōu)化施工工藝、中跨壓重等，但上述措施仍存在如對鋼主梁造成不利影響、降低混凝土澆筑質(zhì)量、增大現(xiàn)場施工作業(yè)量及成本等[3]一些不足。

隨著新材料的不斷涌現(xiàn)、發(fā)展、應用，為雙主梁組合梁負彎矩區(qū)橋面板的開裂控制提供了新的解決思路。超高性能混凝土UHPC是一種新型材料，通常指抗壓強度大于120 MPa的纖維水泥基復合材料，主材由硅灰、水泥、細集料及鋼纖維等組成，并按最大密實度理論，使得組合后的新材料內(nèi)部的缺陷(孔隙與微裂縫)減至最小而形成的復合材料。因其具有超高強度、超高韌性和超長耐久性等優(yōu)異性能[4-7]，在國內(nèi)外橋梁工程領域逐漸得到推廣應用。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止2019年底，全球約有1 000座橋梁的主結(jié)構(gòu)或部分結(jié)構(gòu)采用了UHPC材料。

針對組合梁負彎矩區(qū)橋面板易開裂的頑疾，采用UHPC材料的濕接縫方案，旨在實現(xiàn)下列工程目標：1) 通過UHPC強化組合梁連接節(jié)點，將普通混凝土NC(Normal Concrete)橫向濕接縫變?yōu)閁HPC濕接縫，利用UHPC優(yōu)異的抗拉性能，使負彎矩混凝土配筋實現(xiàn)與正彎矩混凝土相同，以期大幅降低配筋率；2) 利用UHPC與鋼筋優(yōu)異的粘結(jié)性能，濕接縫鋼筋僅需滿足4倍鋼筋直徑的錨固長度即可[8]，無需環(huán)形鋼筋，無需焊接，只需搭接即可，節(jié)約工時；3) UHPC與NC粘結(jié)性能良好，二者界面粘接強度高[9]，界面不易出現(xiàn)開裂、滲水等病害。

本文結(jié)合瑞蒼高速公路龍港西互通主線橋工程實踐，對鋼板組合梁橋負彎矩區(qū)UHPC接縫方案的設計要點及其受力性能進行分析，旨在為該工程的實踐提供技術支持。

1 UHPC接縫方案設計

1.1 工程概況

瑞蒼高速公路(龍麗溫至甬臺溫復線聯(lián)絡線工程)位于浙江省溫州市，起點于瑞安市高樓鎮(zhèn)，接龍麗溫高速公路文瑞段，向東南經(jīng)瑞安、平陽、龍港、蒼南4個縣市，終點為蒼南縣錢庫鎮(zhèn)，在尤家園設樞紐與甬臺溫復線高速公路相接，主線全長約52.569 km。

龍港西互通主線橋全長1 318 m，第17聯(lián)擬采用雙主梁體系鋼板組合連續(xù)梁方案，如圖1所示?？鐝讲贾脼?×35 m，設計汽車荷載等級為公路-Ⅰ級，設計基準期為100年，設計速度為100 km/h，設計安全等級為一級。橋?qū)?×12.5 m，橋梁按整體式設計，單幅橋?qū)?2.5 m。

(a) 縱向布置

(b) 標準橫斷面

組合梁采用預制混凝土橋面板，橫向采用全寬預制。橋面板上預留挖槽，在挖槽處的鋼梁上翼緣和濕接縫處設置剪力釘，通過后澆混凝土與鋼梁連接。橋面板橫向變厚度，支點處混凝土橋面板厚0.40 m，懸臂處板厚為0.25 m，鋼梁之間板厚0.25 m。下部鋼主梁采用Q345D工字形直腹板鋼梁，高為175 cm，主梁間距6.75 m。主梁之間采用橫梁加強橫向聯(lián)系，跨內(nèi)中橫梁為小橫梁，支點中橫梁為加強小橫梁，支點端橫梁為大橫梁。

1.2 接縫方案設計

1) UHPC接縫方案

從國內(nèi)外研究來看，組合梁負彎矩區(qū)UHPC濕接縫技術較新穎，材料指標較好，可解決組合梁負彎矩區(qū)混凝土開裂問題。UHPC理論研究基本成熟，國外應用較多，國內(nèi)基本具備工程可行性。

組合梁負彎矩區(qū)現(xiàn)澆UHPC濕接縫采用“T型”結(jié)構(gòu)方案，如圖2(a)所示?！癟型”接縫現(xiàn)澆UHPC，上部縱橋向長度為7 m，高度為0.1 m，單層縱向鋼筋直徑20 mm，橫向間距12 cm，搭接長度為0.5 m，采用綁扎接頭；下部縱橋向長度為0.35 m，高度為0.15 m～0.3 m，單層縱向鋼筋直徑20 mm，橫向間隔6 cm交錯布置，重疊長度為0.25 m。接縫UHPC材料的組分為：水泥、石英砂、石英粉、硅灰、粉煤灰、鋼纖維、高效減水劑等。水膠比為0.2，鋼纖維采用直徑0.12 mm、長度8 mm的直線型纖維，體積摻量為2.5%。

2) NC濕接縫方案

常規(guī)的微膨脹NC濕接縫方案(簡稱“常規(guī)方案”)如圖2(b)所示。在中墩頂預制橋面板之間設置0.35 m的橫向濕接縫，澆筑C50微膨脹混凝土。接縫中間隔12 cm布設直徑25 mm縱向環(huán)形鋼筋，均采用焊接。

3) 2種方案對比分析

(1) 使用耐久性：已有試驗及工程實踐表明[9-10]，UHPC耐久性較好，與NC界面粘接強度高，基本無后期維護成本；常規(guī)方案中微膨脹NC相較UHPC，抗拉強度較低，耐久性較差，后期需維護[4,11]。(2) 施工難易性：UHPC層內(nèi)鋼筋僅需綁扎，無焊接量，且UHPC早期強度高，可實現(xiàn)快速化施工；常規(guī)方案縱向環(huán)形鋼筋均需焊接，單幅橋單個墩頂焊接量總計62.4 m，現(xiàn)場施工復雜，施工速度較慢。

(1) C大樣圖(接縫上層縱向鋼筋布置示意)

(2) D大樣圖(接縫下層縱向鋼筋布置示意)

(b) 常規(guī)NC接縫方案

綜上分析，UHPC濕接縫方案較常規(guī)方案的耐久性好、現(xiàn)場無需焊接、施工便捷。

2 靜力計算分析

為驗證雙主梁組合梁負彎矩區(qū)UHPC接縫的受力性能是否滿足工程要求，采用Midas有限元軟件建立全橋梁格模型，組合梁截面形成過程采用施工階段聯(lián)合截面模擬。

2.1 材料參數(shù)及荷載取值

根據(jù)規(guī)范及文獻[12-14]，模型各材料取值見表1。

表1 各材料參數(shù)取值

荷載考慮自重、二期恒載、汽車荷載、溫度荷載、支座沉降及收縮徐變等，并按規(guī)范[15]進行取值及荷載組合。

2.2 建立有限元模型

全橋梁格模型共238個單元及158個節(jié)點，有限元模型如圖3所示。采用一般支承模擬實橋的邊界條件，5號支座約束三向線位移；6號支座約束縱向、豎向線位移；1、3、7、9號支座約束橫向、豎向線位移；2、4、8、10號支座約束豎向線位移。有限元模型中各材料只定義彈性段的“應力-應變”本構(gòu)關系，參數(shù)取值見表1。根據(jù)實際施工過程進行施工階段定義，具體步驟為：1) 架設4跨鋼主梁，形成鋼梁的連續(xù)體系；2) 架設混凝土橋面板，此時混凝土橋面板作為荷載，不參與受力；3) 混凝土橋面板與鋼梁結(jié)合，形成組合梁；4) 施工二期鋪裝及護欄；5) 10年收縮徐變。

圖3 整體計算有限元模型

2.3 計算結(jié)果分析

1) 支點負彎矩區(qū)抗彎承載能力

(1) 鋼梁應力驗算

承載能力極限狀態(tài)基本組合下，鋼梁上翼緣最大拉應力、下翼緣最大壓應力如圖4所示，負彎矩區(qū)最大拉應力為211.6 MPa，最大壓應力為224.5 MPa，考慮1.1倍結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)后均小于規(guī)范限值270 MPa[12]，故負彎矩區(qū)鋼梁的抗彎承載能力滿足要求。

(a) 鋼梁上翼緣最大拉應力

(b) 鋼梁下翼緣最大壓應力

(2) 鋼筋應力驗算

基本組合作用下，負彎矩區(qū)鋼筋拉應力可根據(jù)規(guī)范[16]，由公式(1)計算可得。

(1)

式中：σ0為鋼筋應力；M為基本組合下截面彎矩，取28 135.9 kN·m；yr為縱向鋼筋形心距開裂截面中性軸距離，取884.4 mm；Icr為開裂截面慣性矩，取 1.51×1011mm4。需要說明的是，實際應用中UHPC開裂后仍參與受力，可減小鋼筋應力，計算中若偏保守，可不考慮UHPC開裂后的受拉作用。

由式(1)計算得出負彎矩區(qū)鋼筋的最大拉應力為164.8 MPa，考慮1.1倍結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)后小于允許應力330 MPa[13]，滿足設計要求。

2) 橋面板抗裂驗算

全橋有限元計算可得頻遇組合下圖2(a)截面A、B處負彎矩大小分別為21 174.2 kN·m、17 008.1 kN·m。UHPC-NC交界面截面B橋面板按全NC型式計算，可根據(jù)我國規(guī)范[13,16]，由式(1)、(2)計算B處NC裂縫寬度。墩頂截面A橋面板按全UHPC型式計算，可根據(jù)法國UHPC結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[17]，由式(3)計算A處UHPC裂縫寬度。

(2)

ωt=Sr,max,f(εsm,f-εcm,f)

(3)

式中：C1為鋼筋表面形狀系數(shù)，取1；C2為長期效應影響系數(shù)，取1.5；C3為構(gòu)件受力性質(zhì)相關系數(shù)，取1.2；Es為鋼筋彈性模量，取200 GPa；c為保護層厚度，取30 mm；d為鋼筋直徑，取20 mm；ρtc為配筋率，取0.035；Sr,max,f為最大裂縫間距；εsm,f-εcm,f為裂縫間鋼筋與UHPC的應變差。

C50裂縫寬度按0.2 mm控制[13]，UHPC裂縫寬度按0.05 mm控制[18]。由表2可知，裂縫寬度均小于限值，抗裂性能滿足要求。

表2 關鍵截面裂縫寬度計算結(jié)果

3 UHPC橋面板疲勞驗算

根據(jù)《超高性能輕型組合橋面結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》(GDJTG/T A02—2015)[19](簡稱《技術規(guī)程》)第5.4.1條及5.4.5條規(guī)定，對負彎矩區(qū)UHPC現(xiàn)澆接縫進行疲勞驗算時，應采用名義應力法，應力按彈性狀態(tài)計算。

3.1 疲勞荷載計算模型

為精細化驗算雙主梁組合梁UHPC接縫的實際疲勞性能，建立全橋有限元模型，該模型NC預制橋面板及UHPC現(xiàn)澆接縫采用實體單元，鋼梁采用殼單元。有限元模型如圖5所示。模型采用映射網(wǎng)格劃分，材料參數(shù)按表1選取，有限元模型邊界條件與全橋Midas模型相同。

圖5 UHPC接縫疲勞分析有限元模型

汽車輪載加載模式參照《技術規(guī)程》[19]中的單輛車荷載進行，沖擊系數(shù)為1.3。由于兩中軸間的距離為6 m，前后二軸間的荷載相互疊加效應可忽略，在加載時僅取用2根后軸進行加載。不考慮10 cm瀝青鋪裝層按45°角對車輪荷載的擴散作用，車輪荷載施加到橋面板頂面的寬度和長度按0.6 m×0.2 m取值。橫向輪載布置考慮2種工況：1) 左右車輪關于單個鋼主梁腹板對稱(記為工況1)；2) 左右車輪關于橋面板中心對稱(記為工況2)。

3.2 疲勞驗算結(jié)果

1) 規(guī)范法

根據(jù)《技術規(guī)程》[19]，UHPC橋面板的疲勞強度應符合以下規(guī)定：

UHPC橋面板(含接縫)的疲勞強度以容許等效最大應力水平定義，其中容許等效最大應力水平是指UHPC橋面板的等效最大名義應力與其靜力名義彎拉應力容許值之比。200萬次疲勞壽命時UHPC的容許等效最大應力水平為0.51。疲勞驗算時，UHPC的設計等效最大應力水平應按照下式計算：

(4)

式中：UHPC中的最大應力水平Smax=σmax/fflexure,d；UHPC中的最小應力水平Smin=σmin/fflexure,d；fflexure,d為配筋UHPC的名義疲勞彎拉應力允許值。

配筋UHPC接縫的名義疲勞彎拉應力允許值fflexure,d可通過式(5)計算得到。

fflexure,d=a×[σ]

(5)

式中：a為容許等效最大應力水平，根據(jù)《技術規(guī)程》[19]取0.51；[σ]為配筋UHPC接縫的靜力名義彎拉應力容許值。

根據(jù)法國UHPC結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[17]，可計算得到裂縫寬度0.05 mm對應的UHPC接縫橋面板的名義彎拉應力為10.6 MPa，為本節(jié)配筋UHPC接縫的的靜力名義彎拉應力容許值[σ]，則配筋UHPC的名義疲勞彎拉應力允許值fflexure,d=0.51×10.6=5.406 MPa。

2) 有限元法

在上述2種工況下，數(shù)值計算結(jié)果如圖6所示。輪載作用下，UHPC接縫頂面出現(xiàn)縱向拉應力。工況1，最大縱向拉應力為1.921 MPa，位于鋼主梁腹板處的橋面板頂面；工況2，最大縱向拉應力出現(xiàn)在關于道路中心線對稱的橋面板頂面，為2.526 MPa，故UHPC接縫最大縱向拉應力為2.526 MPa。

(a) 工況1

(b) 工況2

負彎矩區(qū)UHPC接縫中的最大應力水平Smax：

設計等效最大應力水平小于《技術規(guī)程》[19]的容許值0.51，故UHPC接縫的疲勞驗算滿足設計要求。

4 結(jié)論

1) UHPC現(xiàn)澆接縫方案為解決雙主梁組合梁負彎矩區(qū)橋面板開裂問題提供了新思路，技術可行。

2) 負彎矩區(qū)橋面板內(nèi)可與正彎矩區(qū)配置直徑20 mm的同種縱向主筋、UHPC接縫內(nèi)鋼筋綁扎連接即可，利于裝配化快速施工，節(jié)約了工期。

3) 雙主梁組合梁UHPC接縫的承載能力、抗裂性能及UHPC橋面板疲勞性能均可滿足規(guī)范要求，安全性能良好。