超高性能混凝土(UHPC)在鋼橋面鋪裝的應用與分析

李志全

（中交公路規劃設計院有限公司， 北京 100088）

0 引言

近年來，我國已建成的多座采用柔性鋪裝方案（SMA、澆筑式瀝青以及環氧鋪裝）的大跨徑正交異性鋼橋面橋梁，除少數橋梁橋面鋪裝的運營狀況良好以外，大部分橋梁的橋面鋪裝層都陸續出現鋼結構疲勞開裂和鋪裝層開裂、擁包、脫層等病害，嚴重影響橋梁的通行能力及結構安全[1-4]。

隨著新材料、新工藝的不斷發展，混凝土強度等級也不斷提高，超高性能混凝土(UHPC)以其超高的力學性能、超高耐久性、優良的耐磨和抗爆性能以及抗沖擊性能等特點，在越來越多的橋梁工程中得到應用[5-7]。通過對某在建UHPC組合橋面鋼箱梁結構的力學分析，進一步論述 UHPC在鋼橋面鋪裝中應用的優越性，研究結果可為其他工程應用提供參考。

1 工程概況

以一座在建跨長江大堤橋梁為工程背景，橋跨布置為 70+97+70=237m，上部結構采用超高強度混凝土組合橋面板鋼箱梁結構。橋梁全寬為33.5m（含中央分隔帶），鋼箱梁為單箱單室截面，梁高3.6m。鋼箱梁單幅梁寬16.73m，箱體寬度7.5m。各梁段頂板厚度均為14mm，頂板采用U肋加勁，厚度均為8mm。底板在順橋向不同區段采用了20mm、25mm、30mm三種不同的板厚，為便于施工，底板下緣保持平齊。橋面鋪裝層采用6.0cm厚超高性能混凝土（UHPC）+防水層+4.0cm瀝青混凝土鋪裝。箱梁標準橫斷面布置如圖1所示：

圖1 標準橫斷面布置圖（單位：mm）

2 模型有限元分析

基于ANSYS軟件平臺建立典型梁段（墩頂梁段）有限元模型，鋼箱部分單元類型采用SHELL63模擬，橋面超高性能混凝土部分單元類型采用SOLID45模擬。總體坐標系方向定義為：縱橋向為X軸，豎向為Y軸，橫橋向為Z軸。邊界條件為梁段兩端采用固定約束，約束所有節點的位移和轉動。分析模型考慮的荷載主要有恒載、活載以及溫度荷載。

圖2 ANSYS 幾何模型

為便于分析比較 UHPC對鋼箱梁各部位受力狀況的作用效果，分別對采用普通柔性鋪裝方案（不考慮其對鋼箱梁剛度的影響，僅以二期荷載方式作用于鋼箱梁）以及采用UHPC鋪裝方案的鋼箱梁頂板、底板、腹板、頂板加勁肋等主要構件進行ANSYS有限元分析。

考慮不同荷載工況組合，鋼箱梁主要受力構件在采用普通柔性鋪裝方案及采用UHPC鋪裝方案作用下，Von Mises應力對比如表2所示。

表2 鋼箱梁主要構件受力分析

通過表2可以看出，相對傳統柔性鋪裝方案，采用UHPC鋪裝可以明顯改善鋼箱梁頂板及頂板加勁肋的受力情況，Von Mises應力減幅超過30%，對其他部位應力改善效果并不明顯。

3 結論

隨著新材料、新工藝的快速發展，混凝土強度越來越高，繼高強、高性能混凝土之后，超高性能混凝土(UHPC)應運而生。UHPC以其優異的力學性能、超高耐久性、優良的耐磨和抗爆性能以及抗沖擊性能等特點，在橋梁工程中得到越來越多的應用。

本文通過對某在建UHPC組合橋面鋼箱梁結構的ANSYS有限元分析，比較采用傳統柔性鋪裝方案及采用 UHPC鋪裝方案鋼箱梁各主要受力構件的應力狀況，進一步論證了 UHPC在鋼橋面鋪裝中應用的優越性。分析結果表明，UHPC較傳統柔性鋪裝方案，對改善正交異性鋼橋面頂板及頂板加勁肋受力情況效果明顯，Von Mises應力減幅超過30%，研究結果可為其他工程應用提供參考。