橫向聯系對UHPC組合鋼板梁受力性能的影響研究

文章通過有限元模擬分析了不同橫向連接形式和數量對多主梁UHPC組合鋼板梁整體受力性能、鋼主梁局部受力性能、橋面板受力性能和穩定性的影響，結果表明：不同橫向聯系形式下UHPC組合鋼板梁的屈曲模態均為鋼主梁的扭轉失穩，且鋼主梁的扭轉變形呈現出關于跨中截面反對稱分布的特點；橫向聯系所在位置會影響鋼主梁的局部受力。此外，利用主梁最不利位置施加偏心和對稱車輛荷載，研究橫向連接系對主梁的受力的影響，可知在少橫梁的主梁中應采取混凝土板抗裂措施防止拉應力超限。

橋梁工程；組合梁；橫向聯系；受力性能

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作者簡介：

劉鑠龍（1992—），工程師，主要從事高速公路建設管理工作。

0" 引言

UHPC組合鋼板梁是由UHPC橋面板與工字型鋼主梁連接而成，這種高性能組合結構近年來得到了高度關注和研究［1-2］。在采用組合鋼板梁作為主梁的過程中，為了滿足交通需求，需要更寬的橋面，因此多主梁形式的組合鋼板梁應運而生［3］。在不同主梁數量的UHPC組合鋼板梁施工階段，鋼梁上翼緣在未與混凝土橋面板采用剪力連接鍵連接時，沒受到橋面板的約束，此時鋼主梁需要承受橋面板濕重和施工荷載的作用，容易發生整體失穩。因此，為確保施工階段主梁與梁組成的梁格結構不受失穩破壞，不同的橫向聯系應運而生，其作用在于抵抗鋼主梁的側彎和扭轉變形。橫向聯系不僅在施工階段對橋面板起到支撐作用，分配橫向荷載，而且在橋梁使用階段，也能起到分配橫向荷載的作用［4-5］。由于橫向聯系的形式和數量有差異，組合梁橋在建造和使用過程中的受力行為也存在顯著差異。目前，缺乏關于橫向聯系對UHPC組合鋼板梁受力性能的影響的研究，且UHPC作為橋面板的組合梁的相關研究較少。因此，本文重點探討雙主梁和四主梁UHPC組合鋼板梁在不同橫向連接形式下結構的應力、撓度、穩定性等受力性能。

1" 橫向聯系形式

在UHPC組合鋼板梁中，常見的橫向聯系形式有桁架式和實腹式。桁架式橫向聯系與實腹式相比具有自重輕的特點，兩種橫向聯系形式都利于荷載的橫向分配。桁架式的桿件數量相比實腹式要多一些，剛度較小，因此為了達到荷載更均勻分配的目的，同樣荷載分布效果下，桁架式需要設置較多的橫向聯系桿件。

本文將進行實腹式橫向聯系和桁架式橫向聯系對主梁受力性能的影響研究，采用的橫向連接形式包括三種：（1）如圖1（a）右側所示的橫梁與橋面板連接的實腹式橫向聯系，本文簡稱A橫向聯系；（2）不與橋面板連接，不支撐橋面板的橫向聯系，本文簡稱B橫向聯系，如圖1（a）左側所示；（3）如圖1（b）所示為桁架式橫梁。

（a）實腹式橫梁

（b）桁架式橫梁

2" 建立UHPC組合鋼板梁有限元模型

采用大型有限元軟件建立有限元模型如圖2所示，雙工字鋼組合梁模型由鋼主梁、橫向聯系及混凝土板組成，組合梁長6 m，橋面寬2.6 m。主梁、橫梁、加勁肋、混凝土板和栓釘采用C3D8R建模。鋼筋和預應力鋼絞線用T3D2定義。在精細化有限元模型中，使用多線性模型來模擬鋼梁，網格大小為50 mm以確保計算精度。

本文的有限元模型借助文獻［6］中試驗梁的試驗結果驗證本文建模方法的可行性，荷載位移曲線和橋面板應變曲線對比結果如圖3、圖4所示，從圖中可看出在彈塑性受力全過程的有限元模擬中，本文模型對組合梁的實際行為能夠準確模擬。

橫向聯系對UHPC組合鋼板梁受力性能的影響研究/劉鑠龍

3" 橫向聯系對靜力性能的影響

采用本文的建模方法，與某40 m跨徑的雙鋼主梁和四鋼主梁的UHPC組合鋼板梁橋標準圖進行對比，對多主梁UHPC組合鋼板梁在不同橫向連接形式和數量下的靜力性能進行變參分析，分別從結構整體受力、鋼梁局部受力性能及對橋面板受力性能3個方面進行橫向聯系的影響研究。

本文在有限元模型中對結構施加偏心荷載，以分析橫向聯系的傳力效果。不同橫向聯系類型UHPC組合鋼板梁跨中截面撓度及應力分布如圖5所示。

（a）撓度

（b）應力

圖5給出了不同橫向連結系類型的四主梁組合梁橋跨中截面的撓度和應力分布情況，4根鋼主梁編號分別為1～4號。在有限元模型荷載施加時，1號主梁位置偏載，4號主梁位置沒有偏載。從圖5可以看出，標準圖設計方案主梁的撓度比桁架式的撓度增大了5%，比實腹式增大了7%，標準圖設計方案主梁應力比起桁架式橫向聯系和實腹式橫向聯系分別增加了6%和10%。因此，標準圖橫梁形式比起桁架式和實腹式最為不利。

橫向聯系對鋼梁局部受力性能影響的研究中對于雙工字鋼組合梁采用前文說明的A型、B型兩種橫向聯系。圖6給出了不同橫梁形式以及不同鋼主梁數量的主梁的局部應力分布圖。對于四主梁的組合梁，其橫向連接系采用桁架式、實腹式和圖6（c）中所示的標準圖中的橫向連接形式。

由圖6可知，在車輛荷載作用下，連接板件靠近主梁受壓翼緣處、A型橫向聯系腹板和連接板件接縫處以及B型橫向聯系靠近鋼主梁上翼緣處有應力集中。此外，四主梁也表現出在鋼主梁與橫向聯系連接處應力集中的現象。這些應力集中的位置和現象可能與車輛荷載作用下的動載效應有關。

假設相鄰主梁中心間距為dm，應力計算位置到主梁中心線的距離為dz，dm/dz為應變計算點在橫橋向的相對位置。不同橫向聯系形式和橫向聯系數量的縱橋向應變分布如圖7所示。

（a）雙主梁和四主梁不同橫向聯系形式縱橋向應變

（b）雙主梁不同橫向聯系數量縱橋向應變

（c）四主梁不同橫向聯系數量縱橋向應變

如圖7所示，在車輛荷載作用下，四主梁兩種橫向聯系類型的混凝土板下表面的應變為壓應變。其中，實腹式的應變小于桁架式，因此橫梁的形式影響主梁的應變分布和大小。具體表現為，當雙主梁中橫向聯系數量從總數11減少為7根的時候，混凝土板下表面縱向應變呈現出先增后減的規律；當橫梁數量為5時，混凝土板下表面的縱向應變最大，與此同時，橋面板橫向應變隨橫向聯系數量的減少而增加，因此橫梁可以減小截面的應力。此外，5橫梁混凝土板下表面的最大縱向應變比3橫梁的最大縱向應變降低了6.7%，但是當橫梁數量為3根和5根時，混凝土板的應變值均超過了混凝土的開裂應變。綜上所述，橫梁可以讓截面受力更加均勻，增大截面剛度。

4" 穩定性影響分析

本文通過詳細分析不同橫向聯系數量、橫向聯系形式以及有無臨時支撐等條件下雙工字鋼主梁的穩定性參數變化，揭示了雙主梁梁格結構在屈曲模態上的共性特征即屈曲模態相同。無臨時支撐時，鋼主梁發生彎扭失穩；而當有臨時支承時，失穩模態則轉變為鋼主梁的側彎失穩。圖8展示了不同橫向聯系形式組合梁的屈曲模態，為理解雙工字鋼主梁的穩定性提供了有力支持。通過有限元分析，發現橫向聯系數量的增加可以顯著提高雙工字鋼主梁的穩定性，而不同的橫向聯系形式對穩定性也有著不同程度的影響。此外，有無臨時支撐也是影響雙工字鋼主梁穩定性的重要因素之一。這些發現對于優化雙工字鋼主梁的設計和施工具有重要的指導意義。

（a）無臨時支撐

（b）臨時支撐

圖9顯示了不同橫向聯系類型的四主梁在橋面板施工階段的屈曲模態，這三種梁格模型的屈曲模態均表現為鋼主梁的扭轉失穩。鋼主梁的扭轉變形呈現出關于跨中截面反對稱分布的特點，這種特定的屈曲模態在橋梁施工中具有重要意義，因為其可能影響施工過程的穩定性和安全性。

（a）標準圖設計

（b）實腹式橫向聯系

（c）桁架式橫向聯系

5" 結語

（1）在本文的四主梁標準圖中，荷載橫向分布情況更不均勻，因此其相較于桁架式和實腹式受力較為不理想。

（2）不同橫向聯系形式的四主梁UHPC組合鋼板梁在橫向聯系與主梁連接的位置都出現了應力集中，其中雙主梁B型橫向聯系的應力集中出現在靠近主梁上翼緣處。

（3）橫向聯系數量的變化對組合梁混凝土板的應力分布和大小影響顯著。當橫向聯系數量較少時，組合梁混凝土板中的最大拉應力會超過混凝土抗拉強度設計值，此時需采取混凝土板抗裂措施防止拉應力超限。

（4）根據鋼梁屈曲模態分析，得到所有橫向聯系類型主梁的屈曲模態都是主梁扭轉失穩，且扭轉變形關于跨中截面呈反對稱分布。

［1］Yoo D Y，Banthia N，Yoon Y S.Recent development of innovative steel fibers for ultra-high-performance concrete（UHPC）：A critical review［J］.Cement and Concrete Composites，2023，145（1）：105359.

［2］Du W，Yu F，Qiu L，et al.Effect of Steel Fibers on Tensile Properties of Ultra-High-Performance Concrete：A Review［J］.materials，2024，17（5）：1 108.

［3］聶建國，余志武.鋼-混凝土組合梁在我國的研究及應用［J］.土木工程學報，1999（2）：3-8.

［4］國明超，吳振聲，朱聘儒.鋼-混凝土組合梁在我國的研究和應用［J］.工業建筑，1992（2）：3-5.

［5］陳寶春，牟廷敏，陳宜言，等.我國鋼-混凝土組合結構橋梁研究進展及工程應用［J］.建筑結構學報，2013，34（1）：1-107.

［6］李法雄.組合梁斜拉橋空間受力行為及時變效應［D］.北京：清華大學，2011.

20240410