一種新型超矮組合結構
——鋼-UHPC組合梁受力性能探析

顧進友

(廣東省冶金建筑設計研究院有限公司 廣東廣州 510080)

0 引言

橋梁建設過程經常受地址環境的限制，梁高限制便是其中一種，為了減小梁高，增強結構強度、減小結構重度成為首選。鋼-UHPC橋面板作為一種新型的組合梁構造，有效解決了普通混凝土橋面板自重過大，抗拉強度低的問題，充分發揮了UHPC抗壓強度高，鋼材抗壓抗拉強度高的優勢[1]。其中UHPC材料強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，從而達到減小自重的目的，同時有減小梁高的效果[2]。

田壯[3]根據栓釘簡化模型分析了滑移效應對主梁受力性能影響，并進一步驗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撓的結論。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行了研究，公式的可靠度能達到95%。在疲勞性能研究方面，裴必達[5]以實橋為研究對象，研究了鋪裝UHPC橋面板前后疲勞細節的情況，UHPC層對細節應力降幅的貢獻明顯增大。

以上綜述可見，鋼-UHPC橋面板相結合的理論研究比較豐富，該結構形式在承載力及疲勞性能方面性能優越，但均以理論研究和試驗為主，工程實例研究相對匱乏。因此，本文結合某超矮梁橋鋼-UHPC組合梁橋工程實例，提出一種I字鋼與UHPC組合的新型結構，并對該橋進行受力性能分析，為該類橋型的工程應用和設計提供參考。

1 設計概況

該工程位于廣州市海珠區東北部琶洲互聯網創新集聚區內，項目為區域路網，路網整體北接閱江西路，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，立面圖如圖2所示。全橋共由7片全預制鋼-UHPC組合梁組成。近跨中左右5.5 m范圍內梁高為96 cm，梁端梁高為146 cm，單片預制梁采用2片工字鋼梁組合，單片梁標準寬度為2.7 m～2.75 m。UHPC橋面板厚14 cm，跨中左右3 m范圍內工字梁高82 cm，支點工字梁高132 cm。UHPC橋面板和鋼主梁通過剪力釘連接，跨中設置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，模型采用梁格法，共595個單元，1077個節點。有限元模型圖4所示。為簡化計算分析過程，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；未考慮橋梁縱坡及橫坡影響。設計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《城市橋梁設計規范》(CJJ 11-2011)規定選取。同時，本橋UHPC橋面板采用蒸養施工，蒸養結束，后期收縮幾乎為零，徐變系數終值取0.2。對于汽車制動力，按《公路橋涵設計通用規范》第4.3.6條取值。整體溫度差按整體升溫25℃，整體降溫-25℃計算。升、降溫梯度模式按照《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)中4.3.10條規定。不均勻沉降取值為5 mm。

圖4 有限元分析模型

為了準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 組合梁受力計算

3.1 抗彎承載力計算

負彎矩區接縫斷面的承載能力計算中，考慮橋面板內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的折減系數考慮，鋼梁受壓區面積為29 793 mm2，支點處截面最大負彎矩為2662 kN·m。承載能力驗算如下：

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

3.2 豎向抗剪承載力計算

規范要求組合梁截面的剪應力應全部由鋼梁腹板承擔，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計值為703.4 kN。鋼腹板面積為25 652 mm2，抗剪強度設計值為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

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

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

3.3 整體穩定計算

項目施工方法為在工廠整體預制鋼-UHPC輕型組合梁，然后再運至現場裝配施工。在負彎矩區域，均設有可靠的UHPC橫隔板進行橫向約束。規范規定可不進行施工階段穩定性驗算、正彎矩區整體穩定性驗算和負彎矩區側扭穩定性驗算。

此外，由于是組合結構，整體穩定性問題只存在于鋼梁下緣，且鋼梁下緣只在支點附近受壓，因此只進行支點位置處鋼梁下緣的整體穩定性驗算。其中l1/b1=5.2/0.5=10.4≤13.0，故不需計算整體穩定。

3.4 局部穩定計算

規范要求不設置橫向加勁肋及縱向加勁肋時，腹板最小厚度要求為ηhw/60，本橋腹板設置有三種厚度規格。最小腹板厚度計算如表1所示，本橋腹板厚度設置滿足規范要求。

表1 最小腹板厚度 mm

3.5 裂縫計算

頻遇組合下，UHPC橋面板縱橋向最大拉應力約為8.0 MPa。偏安全地按軸心受拉構件計算，得到支點負彎矩截面的裂縫寬度為0.03 mm<0.05 mm，滿足規范要求。

3.6 撓度計算

根據《鋼-混凝土組合橋梁設計規范》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(頻遇值系數取為1.0)，并按結構力學的方法計算豎向撓度。車載下的最大撓度為15 mm

4 鋼梁受力計算

4.1 短暫狀況應力計算

根據《鋼-混凝土組合橋梁設計規范》并結合本項目實際情況，控制施工階段鋼梁應力不大于80%強度設計值，計算結果如表2所示，均滿足要求。

表2 鋼梁跨中短暫狀況正應力 MPa

4.2 持久狀況應力計算

控制標準組合下鋼結構應力不大于75%強度設計值，計算結果如表3所示，均滿足要求。

表3 鋼梁跨中持久狀況正應力 MPa

4.3 抗彎承載力計算

基本組合下UHPC橋面板上緣最大壓應力為23.4 MPa，鋼梁底板下緣最大拉應力為173.7 MPa。根據《公路鋼混組合橋梁設計與施工》，結構重要性系數取1.1，UHPC橋面板和鋼梁的跨中正彎矩抗彎承載能力計算如表4所示，均滿足規范要求。

表4 抗彎承載力 MPa

4.4 疲勞計算

根據《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64-2015)第5.5.2條，采用疲勞荷載計算模型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級車道荷載標準取值；考慮多車道的影響，橫向車道布載系數應按《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60)選用。

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

表5 鋼梁疲勞

5 橋面板計算

5.1 應力計算

UHPC橋面板為鋼筋混凝土結構，模型中并未考慮鋼筋的作用，因而只計算UHPC橋面板壓應力。二期鋪裝完成后，橋面板最大壓應力為8.4 MPa，小于規范要求84.0 MPa，滿足要求。成橋后標準組合下，UHPC橋面板最大壓應力為19.5 MPa，小于規范要求52.5 MPa，橋面板應力計算滿足《技術規程》要求。

5.2 抗剪承載力計算

根據《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》第6.3.1條，應對鋼-混凝土組合梁承托及橋面板縱向抗剪承載力進行計算。針對本橋主要計算a-a、b-b兩個縱向受剪界面，計算位置如圖5所示。

圖5 UHPC橋面板縱向受剪界面計算位置

規范第6.3.3條規定，鋼-混凝土組合梁承托及橋面板縱向界面抗剪承載力計算應符合。橋面板縱向抗剪承載力計算如表6所示，均滿足規范要求。

表6 橋面板抗剪承載力 N/mm

6 抗剪連接件計算

6.1 承載力計算

該項目采用M19×80規格的圓柱頭栓釘，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算時，取最不利荷載工況作用下的剪力設計值最大的主梁進行計算。邊支點負彎矩區剪跨區段內的縱向剪力2238 kN，中跨跨中正彎矩區剪跨區段內的縱向剪力14 175 kN，根據剪力計算連接件的數量如表7所示。綜合可知，抗剪連接件的承載力均滿足規范要求。

表7 抗剪連接件承載力 個

6.2 滑移計算

正常使用極限狀態下，結合面的滑移限值slim取0.2 mm。根據《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》第9.3.2條，計算單個焊釘的抗剪剛度519 317 N/mm，焊釘連接件的結合面最大滑移值計算如表8所示，均滿足規范要求。

表8 抗剪連接件滑移 mm

6.3 疲勞計算

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，疲勞荷載分項系數取1.0，疲勞抗力分項系數取1.35，尺寸效應折減系數取1.0。

根據《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64-2015)附錄C中表C.0.2，得到剪力連接件的剪應力疲勞計算截面的細節類別為90MPa。根據《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64-2015)第5.5.8條規定，得到該細節類別的剪應力幅疲勞截止限為55 MPa。計算連接件的疲勞應力是38.4 MPa，小于規范允許值40.7 MPa，滿足要求。

7 結論

本文進行了某新型超矮組合結構——鋼-UHPC組合梁橋的實例設計分析、結構力學性能計算分析和計算，主要得出以下結論：

(1)鋼-UHPC組合梁作為一種新型的組合結構形式，該結構承載能力高且梁高要求低，是梁高條件限制時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、穩定性、裂縫寬度及下撓計算，值均滿足驗算要求，特別是有效減小橋梁的下撓。

(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性能進行計算，結果均滿足相關規范設計要求，表明該橋結構設計合理，力學性能良好。