應(yīng) 立，伍曉孟*

（中鐵長江交通設(shè)計集團(tuán)有限公司，重慶）

引言

20 世紀(jì)60 年代，隨著歐美各國和日本橋梁建設(shè)的黃金時期，組合結(jié)構(gòu)以其整體受力的經(jīng)濟(jì)性、發(fā)揮兩種材料各自優(yōu)勢的合理性以及便于施工的突出優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。橋梁采用混凝土與鋼結(jié)構(gòu)上下結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式由來已久。國內(nèi)學(xué)者對UHPC 材料進(jìn)行了眾多研究[1-5]。

在組合梁橋中，橋面板通過設(shè)在鋼梁上翼緣板的連接件與鋼梁結(jié)合，共同承擔(dān)多種荷載作用。橋面附屬（鋪裝、人行道、護(hù)欄等）的重量與交通荷載作用均通過橋面板傳遞到組合鋼梁。目前根據(jù)橋面板的應(yīng)用情況，常用橋面板的形式主要有現(xiàn)澆橋面板、預(yù)制橋面板和組合橋面板三種主要類型。以上三種橋面板通常設(shè)計為橫向承重板，橋面板的構(gòu)造在鋼梁處厚度大于板中間的厚度，以適應(yīng)橫向受力變化。隨著超高性能混凝土材料的成熟，已經(jīng)具備了改善橋面設(shè)計施工的條件。部分學(xué)者已經(jīng)對UHPC 橋面板進(jìn)行了試驗與力學(xué)性能分析[6-7]。相較于普通混凝土，超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，簡稱UHPC）的抗拉強(qiáng)度約為其4 倍，力學(xué)性能更加優(yōu)異[8]。邵旭東等[9]通過對UHPC 組合板的抗彎性能進(jìn)行試驗研究，通過分析試驗結(jié)果中的裂縫發(fā)展規(guī)律，提出了適用于該結(jié)構(gòu)的裂縫寬度計算公式。翁雪微等[10]對直徑為13 mm 的短栓釘和普通栓釘連接件進(jìn)行有限元分析，研究結(jié)果表明，短栓釘?shù)淖冃魏蛻?yīng)力分布與普通栓釘連接件基本一致，且抗剪承載力滿足要求。

本文通過研究鋼筋混凝土橋面板與超高性能混凝土橋面板的結(jié)構(gòu)性能對比，通過設(shè)置加勁底模板的提高了UHPC 橋面的剛度性能，為組合橋面板設(shè)計提供參考和借鑒。

1 UHPC 超高性能混凝土材料

UHPC 超高性能混凝土，抗壓強(qiáng)度大于150 MPa，具有超高韌性、超長耐久性的水泥基復(fù)合材料。內(nèi)部摻有亂向分布的短鋼纖維的新型水泥基復(fù)合材料，根據(jù)斷裂力學(xué)原理，鋼纖維能夠有效地阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展及宏觀裂縫的形成。國內(nèi)學(xué)者研究成果已經(jīng)證明UHPC 超高性能混凝土材料相比普通混凝土具有更好的抗拉、抗彎、抗沖擊及抗疲勞性能以及延性。

UHPC 材料組分內(nèi)不包含粗骨料，顆粒粒徑一般小于1 mm，因高度的致密性而具有超高強(qiáng)度及優(yōu)異的耐久性。研究表明，UHPC 抗壓強(qiáng)度可達(dá)200 MPa以上。不同材料同等抗彎強(qiáng)度的尺寸見圖1。

圖1 不同材料同等抗彎強(qiáng)度的尺寸對比圖

相比普通混凝土的的強(qiáng)度，UHPC 混凝土的強(qiáng)度大幅提高，而彈性模量提高幅度相對較小。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中如果因為新材料強(qiáng)度高而過分減少UHPC橋面板的厚度，預(yù)計將會造成結(jié)構(gòu)剛度不足的缺陷。

2 橋面板數(shù)值模擬分析

經(jīng)過對UHPC 混凝土材料的對比分析可知，我們在設(shè)計UHPC 混凝土橋面板時，因為材料本身強(qiáng)度特點，結(jié)構(gòu)橫橋向可設(shè)置為等高板，同時不再需要設(shè)置鋼筋或預(yù)應(yīng)力，由此大幅提高橋面板的施工建造速度，更利于山區(qū)橋梁橋面板的建造。但UHPC 混凝土性能本身價格比普通混凝土更高，過分減小尺寸將帶來剛度低的缺陷，因此，本文對鋼筋混凝土橋面板、UHPC 混凝土橋面板、UHPC 組合結(jié)構(gòu)橋面板進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，以期尋找到合理的解決方案。

2.1 單元類型與UHPC 本構(gòu)關(guān)系

基于Abaqus 軟件，用C3D8R 實體單元模擬混凝土、超高性能混凝土結(jié)構(gòu)，T3D2 行架單元模擬鋼筋骨架。鋼材采用S4R 殼單元模擬。

模型中UHPC 混凝土材料本構(gòu)采用Abaqus 軟件中混凝土塑性損傷模型[11]。參數(shù)取值為：剪切角為36°，偏心率為0.1，雙軸與單軸抗壓強(qiáng)度比值為1.16，Kc 值為0.666 7，黏性系數(shù)為0.000 5[12]。UHPC 受拉本構(gòu)采用雙線性應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系[13]，如式（1）所示：

式中：fct為應(yīng)變硬化階段平均應(yīng)力，即抗拉強(qiáng)度；εca為彈性階段峰值應(yīng)變，取200×10-6；εpc為極限拉應(yīng)變，取2 000×10-6。

UHPC 受壓本構(gòu)的應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系，如式（2）所示：

式中：fc為圓柱體抗壓強(qiáng)度；ξ 為應(yīng)變比，ξ=ε/ε0，ε0為受壓峰值應(yīng)變，取3 500×10-6；a 為切線模量與峰值割線模量的比值。

2.2 普通鋼筋混凝土橋面板數(shù)值模擬

利用嵌入約束模擬鋼筋骨架與混凝土結(jié)構(gòu)的約束作用。橋面板橫橋向長10 m，跨中厚度0.25 m，支點處厚度0.4 m。結(jié)構(gòu)模型見圖2 和圖3。

圖2 混凝土結(jié)構(gòu)模型

圖3 鋼筋骨架模型

加載所用荷載采用JTG D60-2015 《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)重車，輪壓尺度橫橋向長600 mm，縱橋向長200 mm。將輪壓加載至橋面板跨中位置。

經(jīng)計算分析，在單個輪壓作用下跨中最大位移為1.12 mm，混凝土最大應(yīng)力為8.65 MPa，鋼筋最大應(yīng)力為17.3 MPa。鋼筋混凝土橋面板最大豎向位移見圖4。

圖4 鋼筋混凝土橋面板最大豎向位移云圖

2.3 UHPC 橋面板數(shù)值模擬

混凝土結(jié)構(gòu)單元采用情況與普通鋼筋混凝土橋面板模型一致，不在設(shè)置鋼筋，橋面板厚度為等高20 cm。加載情況同上述模型一致。UHPC 混凝土彈性模量參數(shù)為普通鋼筋混凝土彈性模量的1.7 倍。

經(jīng)計算分析，在單個輪壓作用下跨中最大位移為2.3 mm，混凝土最大應(yīng)力為7.31 MPa。與第一類模型結(jié)果對比，跨中最大位移增加了約2 倍。UHPC 橋面板最大豎向位移見圖5。

圖5 UHPC 橋面板最大豎向位移云圖

2.4 UHPC 組合橋面板數(shù)值模擬

UHPC 組合橋面板數(shù)值模型在UHPC 橋面板數(shù)值模型的基礎(chǔ)上為了提高UHPC 橋面板的材料性能，在UHPC 材料實體單元底部設(shè)置一層鋼板，鋼板朝上方設(shè)置三道加勁肋?；炷两Y(jié)構(gòu)單元采用情況與普通鋼筋混凝土橋面板模型一致，同樣不在設(shè)置鋼筋，橋面板厚度為等高20 cm。加載情況同上述模型一致。UHPC 混凝土彈性模量參數(shù)為普通鋼筋混凝土彈性模量的1.7 倍。結(jié)構(gòu)模型見圖6。

圖6 加勁底模板模型

在有限元模型中栓釘、鋼板與UHPC 相互接觸部分，兩兩建立接觸對。并在接觸面法向設(shè)置為“硬接觸”，切向設(shè)置為罰函數(shù)接觸，摩擦系數(shù)為0.5[11]。

經(jīng)計算分析，在設(shè)置加勁底模板后，在單個輪壓作用下跨中最大位移為0.8 mm，混凝土最大應(yīng)力為7.32 MPa。UHPC 組合橋面板最大豎向位移見圖7。與普通鋼筋混凝土橋面板、UHPC 橋面板模型結(jié)果對比，跨中最大位移為最小值，相比UHPC 橋面板模型混凝土本身的應(yīng)力并未增大。

圖7 UHPC 組合橋面板最大豎向位移云圖

3 結(jié)論

（1） 運(yùn)用Abaqus 建立有限元模型對普通鋼筋混凝土橋面板、UHPC 橋面板、UHPC 組合板進(jìn)行仿真計算。對比發(fā)現(xiàn)，鋼筋普通混凝土橋面板中的普通混凝土被置換為UHPC，去除傳統(tǒng)的鋼筋骨架，UHPC 橋面板本身的強(qiáng)度和抗裂性能均優(yōu)于鋼筋混凝土橋面板，橋面板的剛度減小。

（2） 通過設(shè)置加勁底模板形成UHPC 組合板，結(jié)果證明可有效提升UHPC 橋面板的剛度性能，同時底模板可以作為山區(qū)橋梁建設(shè)時的施工模板，提升了結(jié)構(gòu)受力性能，減少了鋼筋等結(jié)構(gòu)的施工工序，減輕了混凝土重量，降低了施工難度。在組合梁橋發(fā)展中，UHPC 材料的運(yùn)用將帶來結(jié)構(gòu)設(shè)計更大的革新。

（3） 對于組合梁中鋼板與UHPC 之間的連接作用，在本次數(shù)值模擬通過Abaqus 軟件中嵌入約束、面面接觸的功能模擬鋼筋與混凝土、鋼板與混凝土的連接作用。數(shù)值計算結(jié)果展示了在連接鍵良好的前提下三種橋面板的結(jié)構(gòu)性能，而實際效果還受栓釘連接件的影響，在UHPC 組合橋面板的實際應(yīng)用中，栓釘連接件的研究和設(shè)計尤其重要。