熊 偉 唐文元 聶立力

(中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司 武漢 430010)

裝配式組合橋梁結(jié)構(gòu)是我國橋梁建設(shè)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，其中裝配式鋼-混凝土組合梁可充分利用鋼材受拉的性能、混凝土受壓的性能[1-3]。但在負(fù)彎矩區(qū)域會產(chǎn)生混凝土受拉、鋼梁受壓的不利情況。由于混凝土材料抗拉強(qiáng)度低，墩頂負(fù)彎矩區(qū)橋面板在荷載作用下開裂風(fēng)險高，成為連續(xù)組合梁橋中最薄弱的部位，是影響組合梁橋耐久性、限制組合梁橋推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難題。

為解決這一技術(shù)難題，國內(nèi)外學(xué)者對此開展了一系列的研究，主要從提高橋面板配筋率以限制裂縫、施加縱向預(yù)應(yīng)力或體外預(yù)應(yīng)力以提高負(fù)彎矩區(qū)混凝土的抗裂性、調(diào)整混凝土澆筑順序以減小混凝土橋面板的拉應(yīng)力、采用抗拔不抗剪栓釘技術(shù)降低混凝土板的拉應(yīng)力，以及施工時頂落支點(diǎn)以施加部分預(yù)應(yīng)力等方面來降低負(fù)彎矩區(qū)混凝土板開裂風(fēng)險。

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)作為一種新型水泥基復(fù)合材料,近年來在橋梁工程領(lǐng)域得到快速推廣[4-7]。利用最大堆積密度和摻入纖維使得UHPC具備超高抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度[8-10]，這些優(yōu)越的力學(xué)性能為消除鋼-混組合連續(xù)梁橋中墩墩頂負(fù)彎矩區(qū)混凝土的開裂風(fēng)險提供了可能性[11]。以UHPC為基礎(chǔ)，本文提出了一種簡支變連續(xù)組合梁墩頂負(fù)彎矩區(qū)UHPC“T形”接縫方案。介紹負(fù)彎矩區(qū)接縫的構(gòu)造方案比選和UHPC“T形”接縫設(shè)計，利用midas軟件建立鋼-混組合小箱梁全橋梁格模型，并進(jìn)行1∶2的縮尺模型縱向抗彎性能試驗。

1 工程背景

107國道武漢市東西湖段快速化改造工程K22+900-K29+617標(biāo)準(zhǔn)跨徑30 m主梁采用鋼-混疊合小箱梁，四跨一聯(lián)，先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)體系。主梁采用鋼-混組合小箱梁，為多片鋼槽梁與混凝土板組合結(jié)構(gòu)，橫向共設(shè)10片鋼槽梁，鋼槽梁橫向間距3.3 m。運(yùn)輸、吊裝便捷，鋼槽梁之間只在橋墩位置設(shè)置橫向聯(lián)系隔板，增強(qiáng)整體性，其余位置不設(shè)置橫向聯(lián)系，只依靠混凝土橋面板來橫向分配荷載。

2 UHPC“T形”接縫

2.1 接縫構(gòu)造方案比選

目前，鋼-混組合梁負(fù)彎矩區(qū)常規(guī)處理方案包括施加預(yù)應(yīng)力和加密配筋，以使混凝土板在負(fù)彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力狀態(tài)下裂縫寬度控制在可接受范圍內(nèi)。表1列舉了預(yù)應(yīng)力組合梁、普通組合梁和采用UHPC等3種方案在安全性、經(jīng)濟(jì)性、耐久性，以及施工難易程度方面的對比。UHPC材料性能優(yōu)異，若在連續(xù)組合梁橋負(fù)彎矩區(qū)應(yīng)用UHPC，可縮減接縫寬度并取消現(xiàn)場鋼筋焊接；提高負(fù)彎矩區(qū)橋面板的抗裂性能；此外，簡化現(xiàn)場施工工藝和減小現(xiàn)場作業(yè)量；UHPC耐久性較好，基本無后期維護(hù)成本。

表1 負(fù)彎矩區(qū)方案對比

2.2 新型接縫構(gòu)造設(shè)計

結(jié)合背景工程鋼-混組合小箱梁的構(gòu)造特點(diǎn)，為消除墩頂負(fù)彎矩區(qū)混凝土的開裂風(fēng)險，提高連續(xù)組合結(jié)構(gòu)橋梁的耐久性，本文提出了一種鋼-混組合小箱梁負(fù)彎矩區(qū)“T形” UHPC濕接縫構(gòu)造方案(見圖1)，“T形”接縫下臺階寬為a，上臺階寬延伸至b。

設(shè)置“T形”接縫的主要目的有2個：①通過T形接縫上臺階將UHPC纖維不連續(xù)的薄弱面及普通混凝土板區(qū)域置于低拉應(yīng)力區(qū)甚至是無拉應(yīng)力區(qū)；②通過預(yù)制普通混凝土橋面板的槽口構(gòu)造阻滯現(xiàn)澆UHPC收縮，避免新舊混凝土界面出現(xiàn)收縮裂縫。

圖1 組合梁墩頂負(fù)彎矩區(qū)構(gòu)造示意

利用橋梁計算軟件midas Civil對未設(shè)UHPC接縫的初步設(shè)計結(jié)構(gòu)建立有限元整體計算模型，得到頻遇組合下負(fù)彎矩區(qū)的墩頂及距墩頂1～4 m處截面的彎矩值和軸力值，見表2。

表2 負(fù)彎矩區(qū)不同截面的內(nèi)力

利用JTG 3362-2018 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》以及NF P 18-710 2016 《法國UHPC結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，對C50接縫方案和UHPC接縫構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計與定性分析。

1) C50接縫方案。接縫采用C50混凝土，橋面板厚度為22 cm，負(fù)彎矩區(qū)采用普通栓釘，上、下層縱向鋼筋保護(hù)層厚46 mm，C50接縫方案不同配筋下的裂縫寬度見表3。

表3 C50接縫的裂縫寬度 mm

2) UHPC接縫方案。接縫采用UHPC材料，28 d立方體抗壓強(qiáng)度為119.4 MPa，抗折強(qiáng)度為20.2 MPa。橋面板厚度為22 cm，負(fù)彎矩區(qū)為8 cm UHPC+14 cm C50，a=2.0 m，b=6.0 m，負(fù)彎矩區(qū)采用普通栓釘，上、下層縱向鋼筋保護(hù)層厚46 mm。UHPC接縫方案不同配筋下的裂縫寬度見表4。

表4 UHPC接縫的裂縫寬度 mm

根據(jù)表3和表4結(jié)果表明，與C50接縫相比，“T形”UHPC接縫具有明顯的優(yōu)勢，可以更好地控制裂縫寬度，較少使用鋼筋用量。綜合考慮結(jié)構(gòu)安全性與經(jīng)濟(jì)性，將“T形”UHPC接縫中的槽口的關(guān)鍵尺寸初步擬定為：a=2.0 m，b=6.0 m，負(fù)彎矩區(qū)UHPC厚8 cm；鋼筋上層28 mm，下層25 mm方案，間距100 mm。

對鋼-混組合小箱梁負(fù)彎矩區(qū)橫向接縫的鋼筋進(jìn)行初步布置，上層采用28 mm鋼筋，下層采用25 mm鋼筋，間距與混凝土板內(nèi)鋼筋一致，橫向采用雙層16 mm配筋，間距100 mm，橫向鋼筋布置于縱向鋼筋外側(cè)，上、下層橫向鋼筋凈保護(hù)層厚30 mm。上述鋼筋均為HRB400鋼筋。

根據(jù)上述初步擬定的“T形”接縫構(gòu)造和縱向鋼筋的布置，同時結(jié)合全橋整體有限元計算結(jié)果，計算得到正常使用極限狀態(tài)下各關(guān)鍵截面的UHPC和C50橋面板的裂縫寬度，具體計算結(jié)果見表5。

表5 各截面有限元計算結(jié)果

由表5可見，本文提出的鋼-混組合小箱梁負(fù)彎矩區(qū)“T形”UHPC接縫構(gòu)造方案，能滿足在正常使用極限狀態(tài)下規(guī)范對結(jié)構(gòu)裂縫寬度的要求。

前述計算結(jié)果僅能表明提出的鋼-混組合小箱梁負(fù)彎矩區(qū)UHPC濕接縫滿足規(guī)范對結(jié)構(gòu)在正常使用極限狀態(tài)裂縫寬度的要求，但“T形”UHPC濕接縫應(yīng)用于采用簡支變連續(xù)體系的鋼-混組合小箱梁，尚屬首次，需對提出的“T形”UHPC濕接縫構(gòu)造在荷載作用下的抗彎、抗剪性能、荷載傳遞機(jī)制、破壞模式、裂縫發(fā)展規(guī)律和分布情況、墩頂負(fù)彎矩區(qū)UHPC和C50橋面板的抗裂性能等進(jìn)行全面研究。以下利用midas對鋼-混組合小箱梁建立模型進(jìn)行整體受力分析，并根據(jù)所提出的鋼-混組合小箱梁負(fù)彎矩區(qū)UHPC濕接縫構(gòu)造設(shè)計試驗?zāi)Ｐ停M(jìn)行試驗研究。

3 鋼-混組合小箱梁整體受力分析

3.1 模型建立

本橋為4×30 m變截面鋼-混組合梁，根據(jù)設(shè)計圖紙的結(jié)構(gòu)布置和施工方法，采用橋梁專用有限元計算軟件midas Civil建立全橋整體有限元模型，模型采用梁格法，共1 630個單元、1 070個節(jié)點(diǎn)，有限元模型見圖2。為了使得墩頂負(fù)彎矩區(qū)的彎矩計算結(jié)果更加準(zhǔn)確，建模時將墩頂負(fù)彎矩區(qū)的單元劃分得更密集。

圖2 鋼-混組合梁有限元模型

濕接縫UHPC采用U120，鋼材采用Q345D。UHPC容重取27 kN/m3，鋼材容重取78.5 kN/m3。橋面鋪裝層僅作為恒載考慮。

有限元模型按照實(shí)際約束的方式考慮，單個支點(diǎn)采用彈性連接形式施加于支座位置，有限元模型約束布置見圖3。

圖3 有限元模型約束布置

3.2 施工過程模擬

有限元模型的施工階段定義應(yīng)模擬實(shí)際的施工過程，其階段劃分見表6。

表6 施工階段劃分

4 計算結(jié)果分析

4.1 基本組合

基本組合下結(jié)構(gòu)內(nèi)力、應(yīng)力結(jié)果見圖4～圖7。在基本組合下，墩頂負(fù)彎矩區(qū)最大彎矩為11 615.53 kN·m，最大剪力為2 135 kN，墩頂混凝土橋面板最大拉應(yīng)力為18 MPa，墩頂鋼梁最大壓應(yīng)力為201.8 MPa，跨中最大拉應(yīng)力為151.3 MPa。

圖4 基本組合彎矩包絡(luò)圖 (單位:kN·m)

圖5 基本組合剪力包絡(luò)圖 (單位:kN)

圖6 基本組合UHPC橋面板應(yīng)力包絡(luò)圖 (單位:MPa)

圖7 基本組合鋼梁應(yīng)力包絡(luò)圖 (單位:MPa)

4.2 頻遇組合

頻遇組合下結(jié)構(gòu)內(nèi)力、應(yīng)力結(jié)果見圖8～圖11。在頻遇組合下，墩頂負(fù)彎矩區(qū)最大彎矩為9 310.8 kN·m，最大剪力為1 490 kN，墩頂混凝土橋面板最大拉應(yīng)力為13.9 MPa，墩頂鋼梁最大壓應(yīng)力為160.5 MPa，跨中最大拉應(yīng)力為97.2 MPa。

圖8 頻遇組合彎矩包絡(luò)圖 (單位:kN·m)

圖9 頻遇組合剪力包絡(luò)圖 (單位:kN)

圖10 頻遇組合UHPC橋面板應(yīng)力包絡(luò)圖 (單位:MPa)

圖11 頻遇組合鋼梁應(yīng)力包絡(luò)圖 (單位:MPa)

4.3 標(biāo)準(zhǔn)組合

標(biāo)準(zhǔn)組合下結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果見圖12、圖13。在標(biāo)準(zhǔn)組合下，墩頂混凝土橋面板最大拉應(yīng)力為15.3 MPa，墩頂鋼梁最大壓應(yīng)力為167.8 MPa，跨中最大拉應(yīng)力為110.4 MPa。

圖12 標(biāo)準(zhǔn)組合UHPC橋面板應(yīng)力包絡(luò)圖 (單位:MPa)

圖13 標(biāo)準(zhǔn)組合鋼梁應(yīng)力包絡(luò)圖 (單位:MPa)

由上述結(jié)果可見，結(jié)構(gòu)在墩頂存在著較大的負(fù)彎矩，且高拉應(yīng)力區(qū)較大，采用新型的UHPC “T形”接縫可以將負(fù)彎矩作用不強(qiáng)的鋼-NC截面放置在低拉應(yīng)力區(qū)，利用UHPC優(yōu)異的抗拉性能抵抗負(fù)彎矩。同時，“T形”接縫上、下2層臺階的設(shè)置增大了設(shè)計的自由度，可以根據(jù)實(shí)際計算結(jié)果調(diào)整上、下臺階的寬度與厚度。

5 縮尺模型試驗

為驗證依托工程鋼-混組合小箱梁負(fù)彎矩區(qū)“T形”UHPC濕接縫構(gòu)造方案的抗彎性能，按照規(guī)范對T形濕接縫各項參數(shù)進(jìn)行初步設(shè)計，并根據(jù)設(shè)計結(jié)果按照等效應(yīng)力原則進(jìn)行1∶2的縮尺模型縱向抗彎性能試驗?？s尺模型試件見圖14，試驗梁全長5.8 m，混凝土面板寬0.825 m，試件由普通混凝土組合梁預(yù)制段及UHPC“T”形現(xiàn)澆接縫段兩部分組成。

圖14 試件三維示意圖(單位：mm)

試件與實(shí)橋在相應(yīng)關(guān)注位置滿足應(yīng)力相似性，故可將試驗值與設(shè)計值進(jìn)行對比，驗證新型UHPC濕接縫結(jié)構(gòu)的安全性，結(jié)果見表7。對比結(jié)果可知，正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)的試驗值均大于設(shè)計值，說明了鋼-混組合梁負(fù)彎矩區(qū)UHPC接縫結(jié)構(gòu)滿足工程要求。

表7 接縫界面的名義應(yīng)力對比

6 結(jié)語

本文利用midas Civil軟件建立了對武漢市東西湖段快速化改造工程組合梁橋的整體有限元模型，對組合梁進(jìn)行整體計算和分析，還進(jìn)行了1∶2縮尺模型負(fù)彎矩加載試驗研究，主要結(jié)論如下。

1) 鋼-混組合小箱梁負(fù)彎矩區(qū)UHPC“T形”接縫構(gòu)造方案滿足在正常使用極限狀態(tài)下規(guī)范對結(jié)構(gòu)裂縫寬度的要求。

2) 采用新型的UHPC “T形”接縫可以將負(fù)彎矩作用不強(qiáng)的鋼-NC截面放置在低拉應(yīng)力區(qū)，利用UHPC優(yōu)異的抗拉性能抵抗負(fù)彎矩。

3) 接縫界面的名義應(yīng)力在正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)的試驗值均大于設(shè)計值，鋼-混組合梁負(fù)彎矩區(qū)UHPC接縫結(jié)構(gòu)滿足工程要求。