負彎矩區采用UHPC的鋼-混組合小箱梁力學性能研究

熊 偉 唐文元 聶立力

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司 武漢 430010)

裝配式組合橋梁結構是我國橋梁建設領域的重要發展方向，其中裝配式鋼-混凝土組合梁可充分利用鋼材受拉的性能、混凝土受壓的性能[1-3]。但在負彎矩區域會產生混凝土受拉、鋼梁受壓的不利情況。由于混凝土材料抗拉強度低，墩頂負彎矩區橋面板在荷載作用下開裂風險高，成為連續組合梁橋中最薄弱的部位，是影響組合梁橋耐久性、限制組合梁橋推廣應用的關鍵技術難題。

為解決這一技術難題，國內外學者對此開展了一系列的研究，主要從提高橋面板配筋率以限制裂縫、施加縱向預應力或體外預應力以提高負彎矩區混凝土的抗裂性、調整混凝土澆筑順序以減小混凝土橋面板的拉應力、采用抗拔不抗剪栓釘技術降低混凝土板的拉應力，以及施工時頂落支點以施加部分預應力等方面來降低負彎矩區混凝土板開裂風險。

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)作為一種新型水泥基復合材料,近年來在橋梁工程領域得到快速推廣[4-7]。利用最大堆積密度和摻入纖維使得UHPC具備超高抗壓強度和抗拉強度[8-10]，這些優越的力學性能為消除鋼-混組合連續梁橋中墩墩頂負彎矩區混凝土的開裂風險提供了可能性[11]。以UHPC為基礎，本文提出了一種簡支變連續組合梁墩頂負彎矩區UHPC“T形”接縫方案。介紹負彎矩區接縫的構造方案比選和UHPC“T形”接縫設計，利用midas軟件建立鋼-混組合小箱梁全橋梁格模型，并進行1∶2的縮尺模型縱向抗彎性能試驗。

1 工程背景

107國道武漢市東西湖段快速化改造工程K22+900-K29+617標準跨徑30 m主梁采用鋼-混疊合小箱梁，四跨一聯，先簡支后結構連續體系。主梁采用鋼-混組合小箱梁，為多片鋼槽梁與混凝土板組合結構，橫向共設10片鋼槽梁，鋼槽梁橫向間距3.3 m。運輸、吊裝便捷，鋼槽梁之間只在橋墩位置設置橫向聯系隔板，增強整體性，其余位置不設置橫向聯系，只依靠混凝土橋面板來橫向分配荷載。

2 UHPC“T形”接縫

2.1 接縫構造方案比選

目前，鋼-混組合梁負彎矩區常規處理方案包括施加預應力和加密配筋，以使混凝土板在負彎矩產生的拉應力狀態下裂縫寬度控制在可接受范圍內。表1列舉了預應力組合梁、普通組合梁和采用UHPC等3種方案在安全性、經濟性、耐久性，以及施工難易程度方面的對比。UHPC材料性能優異，若在連續組合梁橋負彎矩區應用UHPC，可縮減接縫寬度并取消現場鋼筋焊接；提高負彎矩區橋面板的抗裂性能；此外，簡化現場施工工藝和減小現場作業量；UHPC耐久性較好，基本無后期維護成本。

表1 負彎矩區方案對比

2.2 新型接縫構造設計

結合背景工程鋼-混組合小箱梁的構造特點，為消除墩頂負彎矩區混凝土的開裂風險，提高連續組合結構橋梁的耐久性，本文提出了一種鋼-混組合小箱梁負彎矩區“T形” UHPC濕接縫構造方案(見圖1)，“T形”接縫下臺階寬為a，上臺階寬延伸至b。

設置“T形”接縫的主要目的有2個：①通過T形接縫上臺階將UHPC纖維不連續的薄弱面及普通混凝土板區域置于低拉應力區甚至是無拉應力區；②通過預制普通混凝土橋面板的槽口構造阻滯現澆UHPC收縮，避免新舊混凝土界面出現收縮裂縫。

圖1 組合梁墩頂負彎矩區構造示意

利用橋梁計算軟件midas Civil對未設UHPC接縫的初步設計結構建立有限元整體計算模型，得到頻遇組合下負彎矩區的墩頂及距墩頂1～4 m處截面的彎矩值和軸力值，見表2。

表2 負彎矩區不同截面的內力

利用JTG 3362-2018 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》以及NF P 18-710 2016 《法國UHPC結構設計規范》，對C50接縫方案和UHPC接縫構造進行設計與定性分析。

1) C50接縫方案。接縫采用C50混凝土，橋面板厚度為22 cm，負彎矩區采用普通栓釘，上、下層縱向鋼筋保護層厚46 mm，C50接縫方案不同配筋下的裂縫寬度見表3。

表3 C50接縫的裂縫寬度 mm

2) UHPC接縫方案。接縫采用UHPC材料，28 d立方體抗壓強度為119.4 MPa，抗折強度為20.2 MPa。橋面板厚度為22 cm，負彎矩區為8 cm UHPC+14 cm C50，a=2.0 m，b=6.0 m，負彎矩區采用普通栓釘，上、下層縱向鋼筋保護層厚46 mm。UHPC接縫方案不同配筋下的裂縫寬度見表4。

表4 UHPC接縫的裂縫寬度 mm

根據表3和表4結果表明，與C50接縫相比，“T形”UHPC接縫具有明顯的優勢，可以更好地控制裂縫寬度，較少使用鋼筋用量。綜合考慮結構安全性與經濟性，將“T形”UHPC接縫中的槽口的關鍵尺寸初步擬定為：a=2.0 m，b=6.0 m，負彎矩區UHPC厚8 cm；鋼筋上層28 mm，下層25 mm方案，間距100 mm。

對鋼-混組合小箱梁負彎矩區橫向接縫的鋼筋進行初步布置，上層采用28 mm鋼筋，下層采用25 mm鋼筋，間距與混凝土板內鋼筋一致，橫向采用雙層16 mm配筋，間距100 mm，橫向鋼筋布置于縱向鋼筋外側，上、下層橫向鋼筋凈保護層厚30 mm。上述鋼筋均為HRB400鋼筋。

根據上述初步擬定的“T形”接縫構造和縱向鋼筋的布置，同時結合全橋整體有限元計算結果，計算得到正常使用極限狀態下各關鍵截面的UHPC和C50橋面板的裂縫寬度，具體計算結果見表5。

表5 各截面有限元計算結果

由表5可見，本文提出的鋼-混組合小箱梁負彎矩區“T形”UHPC接縫構造方案，能滿足在正常使用極限狀態下規范對結構裂縫寬度的要求。

前述計算結果僅能表明提出的鋼-混組合小箱梁負彎矩區UHPC濕接縫滿足規范對結構在正常使用極限狀態裂縫寬度的要求，但“T形”UHPC濕接縫應用于采用簡支變連續體系的鋼-混組合小箱梁，尚屬首次，需對提出的“T形”UHPC濕接縫構造在荷載作用下的抗彎、抗剪性能、荷載傳遞機制、破壞模式、裂縫發展規律和分布情況、墩頂負彎矩區UHPC和C50橋面板的抗裂性能等進行全面研究。以下利用midas對鋼-混組合小箱梁建立模型進行整體受力分析，并根據所提出的鋼-混組合小箱梁負彎矩區UHPC濕接縫構造設計試驗模型，進行試驗研究。

3 鋼-混組合小箱梁整體受力分析

3.1 模型建立

本橋為4×30 m變截面鋼-混組合梁，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1 630個單元、1 070個節點，有限元模型見圖2。為了使得墩頂負彎矩區的彎矩計算結果更加準確，建模時將墩頂負彎矩區的單元劃分得更密集。

圖2 鋼-混組合梁有限元模型

濕接縫UHPC采用U120，鋼材采用Q345D。UHPC容重取27 kN/m3，鋼材容重取78.5 kN/m3。橋面鋪裝層僅作為恒載考慮。

有限元模型按照實際約束的方式考慮，單個支點采用彈性連接形式施加于支座位置，有限元模型約束布置見圖3。

圖3 有限元模型約束布置

3.2 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，其階段劃分見表6。

表6 施工階段劃分

4 計算結果分析

4.1 基本組合

基本組合下結構內力、應力結果見圖4～圖7。在基本組合下，墩頂負彎矩區最大彎矩為11 615.53 kN·m，最大剪力為2 135 kN，墩頂混凝土橋面板最大拉應力為18 MPa，墩頂鋼梁最大壓應力為201.8 MPa，跨中最大拉應力為151.3 MPa。

圖4 基本組合彎矩包絡圖 (單位:kN·m)

圖5 基本組合剪力包絡圖 (單位:kN)

圖6 基本組合UHPC橋面板應力包絡圖 (單位:MPa)

圖7 基本組合鋼梁應力包絡圖 (單位:MPa)

4.2 頻遇組合

頻遇組合下結構內力、應力結果見圖8～圖11。在頻遇組合下，墩頂負彎矩區最大彎矩為9 310.8 kN·m，最大剪力為1 490 kN，墩頂混凝土橋面板最大拉應力為13.9 MPa，墩頂鋼梁最大壓應力為160.5 MPa，跨中最大拉應力為97.2 MPa。

圖8 頻遇組合彎矩包絡圖 (單位:kN·m)

圖9 頻遇組合剪力包絡圖 (單位:kN)

圖10 頻遇組合UHPC橋面板應力包絡圖 (單位:MPa)

圖11 頻遇組合鋼梁應力包絡圖 (單位:MPa)

4.3 標準組合

標準組合下結構應力結果見圖12、圖13。在標準組合下，墩頂混凝土橋面板最大拉應力為15.3 MPa，墩頂鋼梁最大壓應力為167.8 MPa，跨中最大拉應力為110.4 MPa。

圖12 標準組合UHPC橋面板應力包絡圖 (單位:MPa)

圖13 標準組合鋼梁應力包絡圖 (單位:MPa)

由上述結果可見，結構在墩頂存在著較大的負彎矩，且高拉應力區較大，采用新型的UHPC “T形”接縫可以將負彎矩作用不強的鋼-NC截面放置在低拉應力區，利用UHPC優異的抗拉性能抵抗負彎矩。同時，“T形”接縫上、下2層臺階的設置增大了設計的自由度，可以根據實際計算結果調整上、下臺階的寬度與厚度。

5 縮尺模型試驗

為驗證依托工程鋼-混組合小箱梁負彎矩區“T形”UHPC濕接縫構造方案的抗彎性能，按照規范對T形濕接縫各項參數進行初步設計，并根據設計結果按照等效應力原則進行1∶2的縮尺模型縱向抗彎性能試驗。縮尺模型試件見圖14，試驗梁全長5.8 m，混凝土面板寬0.825 m，試件由普通混凝土組合梁預制段及UHPC“T”形現澆接縫段兩部分組成。

圖14 試件三維示意圖(單位：mm)

試件與實橋在相應關注位置滿足應力相似性，故可將試驗值與設計值進行對比，驗證新型UHPC濕接縫結構的安全性，結果見表7。對比結果可知，正常使用極限狀態和承載能力極限狀態的試驗值均大于設計值，說明了鋼-混組合梁負彎矩區UHPC接縫結構滿足工程要求。

表7 接縫界面的名義應力對比

6 結語

本文利用midas Civil軟件建立了對武漢市東西湖段快速化改造工程組合梁橋的整體有限元模型，對組合梁進行整體計算和分析，還進行了1∶2縮尺模型負彎矩加載試驗研究，主要結論如下。

1) 鋼-混組合小箱梁負彎矩區UHPC“T形”接縫構造方案滿足在正常使用極限狀態下規范對結構裂縫寬度的要求。

2) 采用新型的UHPC “T形”接縫可以將負彎矩作用不強的鋼-NC截面放置在低拉應力區，利用UHPC優異的抗拉性能抵抗負彎矩。

3) 接縫界面的名義應力在正常使用極限狀態和承載能力極限狀態的試驗值均大于設計值，鋼-混組合梁負彎矩區UHPC接縫結構滿足工程要求。