裝配式鋼-UHPC輕型組合梁設計和整體受力分析

李志鋒,何湘峰,趙旭東,胡偉業,邵旭東

(1. 廣東省路橋建設發展有限公司，廣東 廣州 510635；2. 湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

0 引言

采用高性能、高強度材料和高性能復合材料，以延長壽命，提高耐久性，是世界大橋的未來趨勢之一[1]。合理利用高性能材料，形成新的廣義組合結構，并在深入研究廣義組合結構的原理與特性的基礎上建立新的設計概念和方法，使現代廣義組合結構的設計更趨于合理、可靠、經濟、耐久[2]。而超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，簡稱UHPC) 作為具有超高強度、超高韌性和超長耐久性等優異性能的新型水泥基復合材料，其構件具有結構自重較小、設計自由度大、韌性好、耐久性高、符合可持續發展等優點[3-7]，在土木工程中應用廣泛。

惠清高速公路麻埔停車區跨線橋為國內外首座全預制裝配式鋼-UHPC組合梁橋。本文首先介紹了其設計要點、技術先進性和經濟性，再利用Midas軟件建立鋼-UHPC輕型組合梁全橋梁格模型，分析其受力特性。

1 工程背景

1.1 工程概況

惠清高速公路屬于汕(頭)湛(江)高速公路的其中一段，全長126.243 km，路線起于惠州市龍門縣龍華鎮，接廣河高速公路，分別與大廣、京珠、廣樂、清連等高速公路交叉，止于清遠市清新區太和鎮，順接汕湛高速公路清遠至云浮段，計劃工期4 a。

麻埔停車區天橋為跨越惠清高速主線的一座跨線橋，該橋對改善交通條件、解決停車區間的聯系具有重要作用。該橋跨徑布置為4×25 m，設計汽車荷載等級為公路Ⅰ級，設計基準期為100 a，標準橫斷面布置為0.5 m(防撞護欄)+7.5 m(機動車道)+ 0.5 m(防撞護欄)，設計安全等級為一級。

1.2 上部結構設計

上部結構橋寬8.5 m，采用先簡支后結構連續鋼-UHPC輕型組合梁。全橋橫向布置三片π型組合梁，間距2.8 m，梁高100 cm，其中UHPC橋面板采用UHPC150(設計參數取值如表 1所示)，板厚12 cm，工字梁高88 cm，標準斷面如圖 1所示。UHPC橋面板和鋼主梁通過剪力釘連接。工字鋼梁采用Q345D鋼，上翼緣寬280 mm，厚12 mm；腹板高840～848 mm，厚16 mm；下翼緣寬500 mm，厚20 mm。

圖1 鋼-UHPC輕型組合梁標準斷面圖(單位：cm)

表1 UHPC150主要設計參數取值Table 1 The main design parameters of UHPC150立方體抗壓強度標準值fcu,k /MPa軸心抗壓強度/MPa軸心抗拉強度/MPa標準值fck設計值fcd標準值ftk設計值ftd彈性模量Ec/GPa150105758.0ftk/(Kγcf)42.1注:① 泊松比:0.2;線膨脹系數:1.1×10-5 /℃;容重:配筋后27 kN/m3;② 高溫蒸養后,徐變系數:0.2,收縮應變:0;③ K為纖維取向系數,整體纖維取向系數取1.25,局部纖維取向系數取1.75;材料分項系數γcf取1.45。

先簡支后結構連續梁橋墩頂負彎矩區承擔巨大的剪力與彎矩，是確保結構安全的關鍵構造，且組合梁負彎矩處上緣混凝土板易開裂，影響結構的安全性和耐久性。本項目結合UHPC特點，采用如圖 2所示的負彎矩“T”形接縫方案，可簡化結構構造，實現現場零焊接。該構造具有如下特點：① 上緣帶槽口的“T”接縫，其中設置槽口的目的主要是將纖維不連續的薄弱面設置在低拉應力區，并通過槽口阻滯現澆UHPC的收縮；② 通過嵌入式的鋼板和剪力釘增強現澆UHPC與預制鋼梁的連接作用，可有效傳遞墩頂負彎矩區的彎矩和剪力。

圖2 組合梁墩頂負彎矩區構造示意圖

1.3 上部結構施工要點

鋼-UHPC組合梁為預制構件，通過吊裝設備現場安裝，先簡支后結構連續。上部結構預制及安裝流程如下。

a.鋼梁節段在鋼結構加工廠內由頂板、底板和腹板焊接成工字型主梁，并運至組合梁預制場；

b.在組合梁預制場完成鋼梁節段的拼接，焊接兩工字鋼梁之間的橫向聯系和工字鋼梁頂板的剪力釘；

c.在組合梁預制場臺座和鋼梁上搭設橋面板的模板，安裝橋面板鋼筋，澆筑橋面板UHPC，并根據設計要求進行保濕養護和蒸汽養護，形成鋼-UHPC組合梁預制單元，并對局部損傷的涂層進行處理；

d.采用運梁車等運輸設備將鋼-UHPC組合梁預制單元運抵至橋位，并采用汽車吊等吊裝設備整孔吊裝就位；

e.現場綁扎簡易連接鋼筋，并澆筑橋面板縱向濕接縫和墩頂簡支變結構連續濕接縫，完成體系轉換；

f.待濕接縫UHPC的強度和彈性模量達到設計要求，對UHPC橋面板進行刻槽糙化，安裝防撞護欄，施工附屬工程。

1.4 技術先進性和經濟性

a.技術先進性。

預應力混凝土梁(空心板、T梁、小箱梁)現場施工需要綁扎和焊接濕接縫鋼筋，現場焊接作業量大，裝配化率有待提高；當采用較大跨徑時，梁體高、自重大，并不利于結構運輸及吊裝；先簡支后結構連續預應力混凝土梁負彎矩區需張拉墩頂預應力，現場施工繁瑣，且預應力張拉空間有限，施工較困難。

裝配式鋼-UHPC輕型組合π梁的鋼主梁與UHPC橋面板均在工廠預制，一次成型，吊裝重量輕，現場僅需澆筑縱、橫向濕接縫，便于進行快速化施工。UHPC中，鋼筋設計錨固長度可降低至10倍鋼筋直徑，可取消現場濕接縫鋼筋焊接工作，可利用優異的UHPC抗拉性能抵抗墩頂負彎矩區拉應力，取消墩頂預應力，簡化現場施工、實現快速化施工。以跨徑為25 m為例，單片預應力混凝土小箱梁的吊裝重量約為80 t；而全預制的鋼-UHPC 組合梁吊裝重量約為36 t，吊裝重量可減少55%。

根據已有工程實踐表明，預應力混凝土梁(空心板、T梁、小箱梁)橫向連接節點屬于薄弱環節，易失效開裂導致單梁(板)受力，且易出現滲漏等技術難題，影響結構安全性和耐久性。UHPC 材料基于最大密實度理論構建，材料內部結構十分致密，外界有害物質難以滲入，具有優異的耐久性指標，而且徐變系數遠小于普通混凝土，蒸養后的UHPC 材料收縮基本為零，長期性能優良。而鋼結構的防腐技術發展到今天，技術已經相對成熟，防護相對容易，質量更容易控制。

由此可見，與預應力混凝土梁相比，裝配式鋼-UHPC組合梁具有吊裝重量輕、現場施工作業量少、施工簡化和耐久性優異等優勢，技術先進性較顯著。

b.經濟性。

對相同跨徑、技術標準、安全儲備的預應力混凝土小箱梁和鋼-UHPC輕型組合梁方案的經濟性進行分析：預應力混凝土小箱梁方案上部結構單價1 800元/m2，下部結構單價1 700元/m2，上下部合計3 500元/m2；鋼-UHPC輕型組合梁方案上部結構單價2 600元/m2，優化后下部結構單價1 200元/m2，上下部合計3 800元/m2。由此可見，與預應力混凝土小箱梁方案相比，鋼-UHPC輕型組合梁方案上部結構單價增加約44%，但由于上部結構自重減輕，可對下部結構進行適當優化，優化后鋼-UHPC輕型組合梁方案上下部合計單價與預應力混凝土小箱梁方案基本相當。由此可見，鋼-UHPC組合梁方案具有良好的經濟優勢。

2 鋼-UHPC輕型組合梁有限元模型

2.1 模型建立

為了驗證鋼-UHPC組合梁受力是否要求，本文根據設計圖紙的結構布置和施工方法，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(如圖 3所示)，模型采用梁格法建立，主梁采用梁單元模擬，主梁與支座通過剛臂連接，共1 889個單元，2 270個節點。

圖3 鋼-UHPC輕型組合梁有限元模型

2.2 施工過程模擬

有限元模型的施工階段定義應模擬實際的施工過程，有限元模型的施工階段劃分如表 2所示。

表2 施工階段劃分Table 2 The division of construction stages編號施工階段1吊裝預制主梁2現澆接縫3體系轉換4二期恒載5十年收縮徐變

3 計算結果分析

3.1 鋼梁應力分析

根據有限元計算結果，施工階段鋼梁下緣最大拉應力出現在二期恒載作用后邊跨跨中位置[如圖 4(a)所示]，為69.86 MPa，上緣最大壓應力為24.38 MPa[如圖 4(b)所示]，計算結果均小于規范值80%強度設計值fd，即216 MPa，滿足要求。

(a) 下緣應力圖

鋼梁在成橋運營階段即持久狀況下下緣最大應力出現在邊跨跨中位置[如圖 5(a)所示]，為177.15 MPa，上緣最大壓應力為57.64 MPa[如圖 5(b)所示]，計算結果均小于規范值75%強度設計值fd，即202.5 MPa，滿足要求。

(a) 下緣應力包絡圖

3.2 UHPC橋面板應力分析

(a) 二期鋪裝完成后應力包絡圖

3.3 組合梁穩定性分析

鋼梁橫向支撐點間下緣的長寬比為25.0，大于規范值13.0，故需驗算組合梁的整體穩定性。依據《公路鋼混橋規》[10]，計算得到組合梁側向抗扭屈曲彎矩為2 602.0 kN·m，根據有限元計算結果，基本組合下組合梁的最大負彎矩為2 078.25 kN·m，考慮結構重要性系數并取1.1，則組合梁最大彎矩設計值為2 286.1 kN·m，小于組合梁側向抗扭屈曲彎矩，故組合梁負彎矩區鋼梁側扭穩定性滿足規范要求。按照《公路鋼橋規范》[10]第5.3.3條進行驗算，腹板高厚比滿足規范局部穩定要求。

3.4 組合梁承載能力極限狀態分析

根據有限元計算結果，由圖 7可知，基本組合下，跨中最大正彎矩為2 740.56 kN·m，支點最大負彎矩為2 078.25 kN·m；基本組合下UHPC橋面板上緣最大壓應力為23.00 MPa，鋼梁下緣最大拉應力為230.10 MPa，結構重要性系數取1.1，則對于UHPC，上緣最大壓應力計算值為25.30 MPa，小于UHPC的軸心抗壓強度設計值75 MPa，對于鋼梁，下緣最大拉應力計算值為253.11 MPa，小于Q345鋼材的設計強度270 MPa，故UHPC和鋼梁的跨中正彎矩抗彎承載能力滿足要求。

圖7 基本組合下組合梁彎矩包絡圖(單位: kN·m)

支點負彎矩區接縫斷面的承載能力計算時考慮橋面板內縱向鋼筋的抗拉作用，T型翼板UHPC的抗拉作用偏安全的按0.5的折減系數考慮，由此計算得到負彎矩區接縫斷面的抗彎承載能力為2 933.58 kN·m，大于考慮1.1的結構重要性系數的組合梁最大負彎矩設計值2 286.08 kN·m，故組合梁內支點負彎矩抗彎承載能力滿足規范要求。

基本組合作用下組合梁最大剪力如圖 8所示，為741.18 kN，考慮1.1的結構重要性系數，則組合梁的最大剪力設計值為815.30 kN，同時計算得到組合梁的豎向承載力為2 170.88 kN，大于組合梁的剪力設計值，故組合梁的豎向抗剪承載力滿足要求。

圖8 基本組合下組合梁剪力包絡圖(單位: kN)

3.5 組合梁正常使用極限狀態分析

頻遇組合下，UHPC橋面板縱橋向應力分布如圖 9所示，UHPC橋面板縱橋向最大拉應力約為9.00 MPa，在計算裂縫寬度時，偏安全地按軸心受拉構件計算，計算得到墩頂截面的裂縫寬度為0.029 mm，小于規范要求的0.05 mm，滿足要求。

圖9 頻遇組合下UHPC橋面板應力包絡圖(單位: MPa)

根據《公路鋼混橋規》[10]規定，公路組合梁橋應采用不計沖擊系數的汽車車道荷載頻遇值(頻遇值系數取1.0)，并按結構力學的方法計算豎向撓度。根據有限元計算結果，汽車荷載頻遇值作用下組合梁的最大撓度為31.33 mm，小于規范規定的組合梁跨徑的1/500即50 mm，所以組合梁的撓度驗算滿足要求。

4 結論

本文介紹了采用裝配式鋼-UHPC輕型組合梁方案的麻埔停車區跨線橋的工程背景、設計和施工要點、技術和經濟先進性，并利用Midas軟件建立了全橋整體有限元模型，對組合梁進行整體計算和分析，得到的主要結論如下：

a.采用裝配式鋼-UHPC輕型組合梁方案的麻埔停車區跨線橋的裝配化率高，具有良好的技術先進性和經濟性。

b.裝配式鋼-UHPC輕型組合梁的各項驗算滿足規范要求，UHPC可很好地適用于組合結構，形成的鋼-UHPC輕型組合梁可滿足工程設計要求。

c.裝配式鋼-UHPC輕型組合梁結構自重小，用鋼量少，經濟性好，耐久性好，在中小跨徑橋梁中有良好的應用前景，同時能很好地推動我國橋梁的裝配化建設。