一種新型超矮組合結(jié)構(gòu)
——鋼-UHPC組合梁受力性能探析

顧進(jìn)友

(廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣東廣州 510080)

0 引言

橋梁建設(shè)過程經(jīng)常受地址環(huán)境的限制，梁高限制便是其中一種，為了減小梁高，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、減小結(jié)構(gòu)重度成為首選。鋼-UHPC橋面板作為一種新型的組合梁構(gòu)造，有效解決了普通混凝土橋面板自重過大，抗拉強(qiáng)度低的問題，充分發(fā)揮了UHPC抗壓強(qiáng)度高，鋼材抗壓抗拉強(qiáng)度高的優(yōu)勢[1]。其中UHPC材料強(qiáng)度跟普通混凝土材料相比，在相同承載要求的條件下可以制作較薄的梁截面，從而達(dá)到減小自重的目的，同時(shí)有減小梁高的效果[2]。

田壯[3]根據(jù)栓釘簡化模型分析了滑移效應(yīng)對主梁受力性能影響，并進(jìn)一步驗(yàn)證了栓釘簡化的有效性，也得到UHPC橋面板能有效改善梁體下?lián)系慕Y(jié)論。羅軍[4]對鋼-UHPC組合箱梁的橫向彎矩性能及裂縫寬度的理論公式進(jìn)行了研究，公式的可靠度能達(dá)到95%。在疲勞性能研究方面，裴必達(dá)[5]以實(shí)橋?yàn)檠芯繉ο螅芯苛虽佈bUHPC橋面板前后疲勞細(xì)節(jié)的情況，UHPC層對細(xì)節(jié)應(yīng)力降幅的貢獻(xiàn)明顯增大。

以上綜述可見，鋼-UHPC橋面板相結(jié)合的理論研究比較豐富，該結(jié)構(gòu)形式在承載力及疲勞性能方面性能優(yōu)越，但均以理論研究和試驗(yàn)為主，工程實(shí)例研究相對匱乏。因此，本文結(jié)合某超矮梁橋鋼-UHPC組合梁橋工程實(shí)例，提出一種I字鋼與UHPC組合的新型結(jié)構(gòu)，并對該橋進(jìn)行受力性能分析，為該類橋型的工程應(yīng)用和設(shè)計(jì)提供參考。

1 設(shè)計(jì)概況

該工程位于廣州市海珠區(qū)東北部琶洲互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新集聚區(qū)內(nèi)，項(xiàng)目為區(qū)域路網(wǎng)，路網(wǎng)整體北接閱江西路，東臨華南快速和會展公園，南接琶洲大道，西接海洲路。橋梁凈空受限，經(jīng)方案比選后，最終該橋采用新型超矮梁橋——鋼-UHPC組合梁，如圖1所示。

圖1 鋼-UHPC輕型組合梁效果圖

該橋跨徑布置為31.0 m，橋面寬度為19 m，梁端固結(jié)，立面圖如圖2所示。全橋共由7片全預(yù)制鋼-UHPC組合梁組成。近跨中左右5.5 m范圍內(nèi)梁高為96 cm，梁端梁高為146 cm，單片預(yù)制梁采用2片工字鋼梁組合，單片梁標(biāo)準(zhǔn)寬度為2.7 m～2.75 m。UHPC橋面板厚14 cm，跨中左右3 m范圍內(nèi)工字梁高82 cm，支點(diǎn)工字梁高132 cm。UHPC橋面板和鋼主梁通過剪力釘連接，跨中設(shè)置H形斷面小橫梁。工字鋼梁采用Q345qC鋼，上翼緣寬280 mm，厚14 mm；腹板高781 mm～1286 mm，厚16 mm～22 mm；下翼緣寬500 mm，厚20 mm～25mm，跨中斷面如圖3所示。

圖2 立面圖(單位：cm)

圖3 跨中斷面圖(單位:cm)

2 有限元模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的結(jié)構(gòu)布置和施工方法，采用橋梁專用有限元計(jì)算軟件Midas Civil，建立全橋整體有限元模型，模型采用梁格法，共595個單元，1077個節(jié)點(diǎn)。有限元模型圖4所示。為簡化計(jì)算分析過程，假定鋼材與UHPC均視為理想線彈性材料，符合平截面假定；忽略UHPC板與鋼材之間的滑移作用，兩者視為剛性粘結(jié)；未考慮橋梁縱坡及橫坡影響。設(shè)計(jì)荷載考慮恒載包括主梁自重和二期恒載。汽車荷載等級為城-B級，車道采用4車道，其荷載按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 11-2011)規(guī)定選取。同時(shí)，本橋UHPC橋面板采用蒸養(yǎng)施工，蒸養(yǎng)結(jié)束，后期收縮幾乎為零，徐變系數(shù)終值取0.2。對于汽車制動力，按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》第4.3.6條取值。整體溫度差按整體升溫25℃，整體降溫-25℃計(jì)算。升、降溫梯度模式按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)中4.3.10條規(guī)定。不均勻沉降取值為5 mm。

圖4 有限元分析模型

為了準(zhǔn)確模擬拱橋施工階段受力情況，本模型施工階段按如下步驟劃分：①吊裝預(yù)制主梁；②現(xiàn)澆接縫；③體系轉(zhuǎn)換；④二期恒載；⑤十年收縮徐變。

3 組合梁受力計(jì)算

3.1 抗彎承載力計(jì)算

負(fù)彎矩區(qū)接縫斷面的承載能力計(jì)算中，考慮橋面板內(nèi)上緣的縱向鋼筋抗拉，T型翼板的UHPC的抗拉作用偏安全地按0.5的折減系數(shù)考慮，鋼梁受壓區(qū)面積為29 793 mm2，支點(diǎn)處截面最大負(fù)彎矩為2662 kN·m。承載能力驗(yàn)算如下：

Mu=3264.8 kN·m>1.1×2662=2928.2 kN·m，滿足規(guī)范要求。

3.2 豎向抗剪承載力計(jì)算

規(guī)范要求組合梁截面的剪應(yīng)力應(yīng)全部由鋼梁腹板承擔(dān)，不考慮UHPC板的抗剪作用，基本組合作用下組合梁截面最大剪力設(shè)計(jì)值為703.4 kN。鋼腹板面積為25 652 mm2，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為fvd=160 MPa，則組合梁豎向抗剪承載力為：

Vvu=fvdAw=160×25652=4101 kN

而γ0Vvd=1.1×703.4=773.7kN

規(guī)范要求組合梁承受彎矩和剪力共同作用時(shí)，應(yīng)考慮兩者耦合的影響，支點(diǎn)處為最不利位置，此處剪應(yīng)力為27.4 MPa，鋼梁下緣最大壓應(yīng)力100.1 MPa，則腹板最大折算應(yīng)力：

(100.12+3×27.42)0.5=110.8<γ0fd=1.1×270=297 MPa故鋼梁腹板折算應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

3.3 整體穩(wěn)定計(jì)算

項(xiàng)目施工方法為在工廠整體預(yù)制鋼-UHPC輕型組合梁，然后再運(yùn)至現(xiàn)場裝配施工。在負(fù)彎矩區(qū)域，均設(shè)有可靠的UHPC橫隔板進(jìn)行橫向約束。規(guī)范規(guī)定可不進(jìn)行施工階段穩(wěn)定性驗(yàn)算、正彎矩區(qū)整體穩(wěn)定性驗(yàn)算和負(fù)彎矩區(qū)側(cè)扭穩(wěn)定性驗(yàn)算。

此外，由于是組合結(jié)構(gòu)，整體穩(wěn)定性問題只存在于鋼梁下緣，且鋼梁下緣只在支點(diǎn)附近受壓，因此只進(jìn)行支點(diǎn)位置處鋼梁下緣的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算。其中l(wèi)1/b1=5.2/0.5=10.4≤13.0，故不需計(jì)算整體穩(wěn)定。

3.4 局部穩(wěn)定計(jì)算

規(guī)范要求不設(shè)置橫向加勁肋及縱向加勁肋時(shí)，腹板最小厚度要求為ηhw/60，本橋腹板設(shè)置有三種厚度規(guī)格。最小腹板厚度計(jì)算如表1所示，本橋腹板厚度設(shè)置滿足規(guī)范要求。

表1 最小腹板厚度 mm

3.5 裂縫計(jì)算

頻遇組合下，UHPC橋面板縱橋向最大拉應(yīng)力約為8.0 MPa。偏安全地按軸心受拉構(gòu)件計(jì)算，得到支點(diǎn)負(fù)彎矩截面的裂縫寬度為0.03 mm<0.05 mm，滿足規(guī)范要求。

3.6 撓度計(jì)算

根據(jù)《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，公路組合梁橋應(yīng)采用不計(jì)沖擊系數(shù)的汽車車道荷載頻遇值(頻遇值系數(shù)取為1.0)，并按結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計(jì)算豎向撓度。車載下的最大撓度為15 mm

4 鋼梁受力計(jì)算

4.1 短暫狀況應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》并結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際情況，控制施工階段鋼梁應(yīng)力不大于80%強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，計(jì)算結(jié)果如表2所示，均滿足要求。

表2 鋼梁跨中短暫狀況正應(yīng)力 MPa

4.2 持久狀況應(yīng)力計(jì)算

控制標(biāo)準(zhǔn)組合下鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力不大于75%強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，計(jì)算結(jié)果如表3所示，均滿足要求。

表3 鋼梁跨中持久狀況正應(yīng)力 MPa

4.3 抗彎承載力計(jì)算

基本組合下UHPC橋面板上緣最大壓應(yīng)力為23.4 MPa，鋼梁底板下緣最大拉應(yīng)力為173.7 MPa。根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工》，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1，UHPC橋面板和鋼梁的跨中正彎矩抗彎承載能力計(jì)算如表4所示，均滿足規(guī)范要求。

表4 抗彎承載力 MPa

4.4 疲勞計(jì)算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64-2015)第5.5.2條，采用疲勞荷載計(jì)算模型Ⅰ，即采用等效的車道荷載，集中荷載為0.7Pk，均布荷載為0.3qk。Pk和qk按公路-Ⅰ級車道荷載標(biāo)準(zhǔn)取值；考慮多車道的影響，橫向車道布載系數(shù)應(yīng)按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60)選用。

疲勞荷載計(jì)算模型Ⅰ作用下的鋼梁上緣最小應(yīng)力為-10 MPa，對應(yīng)截面的最大應(yīng)力為0 MPa，下緣最小應(yīng)力為0 MPa，對應(yīng)截面的最大應(yīng)力為28 MPa。鋼梁正應(yīng)力幅疲勞計(jì)算截面取跨中附近截面，即疲勞驗(yàn)算截面距伸縮縫的距離均大于6 m，故放大系數(shù)取0。疲勞荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.0，疲勞抗力分項(xiàng)系數(shù)對于重要構(gòu)件取1.35，尺寸效應(yīng)折減系數(shù)取1.0。鋼梁是在工廠焊接的，正應(yīng)力疲勞計(jì)算截面的細(xì)節(jié)類別為110 MPa，正應(yīng)力常幅疲勞極限為109.20 MPa。鋼箱梁上下緣的疲勞驗(yàn)算如表5所示，均滿足規(guī)范要求。

表5 鋼梁疲勞

5 橋面板計(jì)算

5.1 應(yīng)力計(jì)算

UHPC橋面板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，模型中并未考慮鋼筋的作用，因而只計(jì)算UHPC橋面板壓應(yīng)力。二期鋪裝完成后，橋面板最大壓應(yīng)力為8.4 MPa，小于規(guī)范要求84.0 MPa，滿足要求。成橋后標(biāo)準(zhǔn)組合下，UHPC橋面板最大壓應(yīng)力為19.5 MPa，小于規(guī)范要求52.5 MPa，橋面板應(yīng)力計(jì)算滿足《技術(shù)規(guī)程》要求。

5.2 抗剪承載力計(jì)算

根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》第6.3.1條，應(yīng)對鋼-混凝土組合梁承托及橋面板縱向抗剪承載力進(jìn)行計(jì)算。針對本橋主要計(jì)算a-a、b-b兩個縱向受剪界面，計(jì)算位置如圖5所示。

圖5 UHPC橋面板縱向受剪界面計(jì)算位置

規(guī)范第6.3.3條規(guī)定，鋼-混凝土組合梁承托及橋面板縱向界面抗剪承載力計(jì)算應(yīng)符合。橋面板縱向抗剪承載力計(jì)算如表6所示，均滿足規(guī)范要求。

表6 橋面板抗剪承載力 N/mm

6 抗剪連接件計(jì)算

6.1 承載力計(jì)算

該項(xiàng)目采用M19×80規(guī)格的圓柱頭栓釘，栓釘材料為ML-15Al鋼材，單個栓釘連接件的抗剪承載力79.3 kN。

抗剪連接件承載力計(jì)算時(shí)，取最不利荷載工況作用下的剪力設(shè)計(jì)值最大的主梁進(jìn)行計(jì)算。邊支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)剪跨區(qū)段內(nèi)的縱向剪力2238 kN，中跨跨中正彎矩區(qū)剪跨區(qū)段內(nèi)的縱向剪力14 175 kN，根據(jù)剪力計(jì)算連接件的數(shù)量如表7所示。綜合可知，抗剪連接件的承載力均滿足規(guī)范要求。

表7 抗剪連接件承載力 個

6.2 滑移計(jì)算

正常使用極限狀態(tài)下，結(jié)合面的滑移限值slim取0.2 mm。根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》第9.3.2條，計(jì)算單個焊釘?shù)目辜魟偠?19 317 N/mm，焊釘連接件的結(jié)合面最大滑移值計(jì)算如表8所示，均滿足規(guī)范要求。

表8 抗剪連接件滑移 mm

6.3 疲勞計(jì)算

疲勞荷載模型Ⅰ作用下，最大豎向剪力為147 kN，最小豎向剪力為-7kN。栓釘采用M19×80 mm，間距為150 mm×150 mm，疲勞荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.0，疲勞抗力分項(xiàng)系數(shù)取1.35，尺寸效應(yīng)折減系數(shù)取1.0。

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64-2015)附錄C中表C.0.2，得到剪力連接件的剪應(yīng)力疲勞計(jì)算截面的細(xì)節(jié)類別為90MPa。根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64-2015)第5.5.8條規(guī)定，得到該細(xì)節(jié)類別的剪應(yīng)力幅疲勞截止限為55 MPa。計(jì)算連接件的疲勞應(yīng)力是38.4 MPa，小于規(guī)范允許值40.7 MPa，滿足要求。

7 結(jié)論

本文進(jìn)行了某新型超矮組合結(jié)構(gòu)——鋼-UHPC組合梁橋的實(shí)例設(shè)計(jì)分析、結(jié)構(gòu)力學(xué)性能計(jì)算分析和計(jì)算，主要得出以下結(jié)論：

(1)鋼-UHPC組合梁作為一種新型的組合結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)承載能力高且梁高要求低，是梁高條件限制時(shí)一種可選的新型橋型。

(2)該鋼-UHPC組合梁的抗彎承載力、抗剪承載力、穩(wěn)定性、裂縫寬度及下?lián)嫌?jì)算，值均滿足驗(yàn)算要求，特別是有效減小橋梁的下?lián)稀?/p>

(3)針對該鋼-UHPC組合梁橋的組合梁、鋼梁、UHPC橋面板及剪力連接件的力學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果均滿足相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)要求，表明該橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，力學(xué)性能良好。