裝配式UHPC箱型拱橋連接節點受力特性計算研究

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）具有高強度、高韌性、長耐久性、高環保性等突出優點1，其抗壓強度約為普通混凝土的3倍2，應用于拱橋將顯著降低拱肋自重，且能夠提升裝配化施工效率，為裝配式混凝土拱橋的發展提供了新思路。目前國內外學者對UHPC拱橋開展了相關研究。邵旭東等3對鋼-UHPC組合桁式拱橋拱肋與腹桿節點性能試驗進行研究，提出了一種帶混合連接件鋼接頭的UHPC箱型拱肋與鋼腹桿新型節點連接構造，研究表明UHPC拱肋節點連接牢固，抗裂性高，且具有優異的抗剪和抗拔性能。張光迎4進行了全國首座UHPC箱型拱橋一八丘田車行天橋的相關研究，系統介紹了UHPC拱肋翻轉吊裝及合龍施工等關鍵工藝，結果表明，UHPC拱肋翻轉吊裝合龍施工技術可以有效解決節段架設和索力計算問題，保障拱橋的施工質量。杜任遠等[5]對兩根活性混凝土（RPC）模型拱 L/4 處單點加載的面內受力全過程進行試驗，結果表明RPC的開裂荷載和極限承載能力更高，而拱的截面面積和自重更小，可以提高拱橋的跨越能力。陳寶春等設計建造了我國第一座UHPC拱橋，研究結果表明，UHPC在提高拱橋強度和跨徑等方面具有潛力。張陽等用有限元軟件對裝配式UHPC拱橋力學性能進行了受力分析，對基礎變形和整體降溫等因素進行探討，結果表明該結構自重小且力學性能優異。

連接節點是裝配式拱橋受力的關鍵區域，但目前在該方面的研究尚少，節點受力大且復雜[8，成為裝配式拱橋設計的難點。因此，亟需對裝配式UHPC拱橋的關鍵節點進行計算分析，明確其傳力機理和受力狀態。

本文以廣西某涉海大橋擴建工程為背景，提出了擴建橋梁采用裝配式UHPC箱型拱橋的設計方案。為探明該結構關鍵節點的受力性能，分別對該UHPC拱橋的三類關鍵節點進行局部受力分析，即拱肋節段拼接縫、拱頂合龍段節點、拱肋一立柱連接節點。通過計算分析，探明了三類關鍵節點的應力分布特性，驗證了節點應用于背景工程的可行性，以期為今后類似裝配式UHPC箱型拱橋的設計建造提供參考。

1工程背景

1.1 局部設計

結合廣西防城港市某涉海大橋擴建需求，提出新建橋梁采用裝配式UHPC箱型拱橋的設計方案。其技術特點為：新建拱橋均包含3條UHPC箱型拱肋，每條UHPC拱肋沿縱橋向分為4個預制節段，拱肋高度和寬度均為1.5m ，標準段拱肋壁厚 100mm ，且在拱腳及接縫位置局部加厚壁厚。施工時，先在預制場完成1/4拱肋節段的預制，然后運輸到現狀橋梁的橋面上拼裝成1/2拱，隨后利用布置在新橋橋臺的大型履帶吊車進行拱肋吊裝、合龍，形成兩鉸拱，體系轉化后形成無鉸拱，最后施工立柱和橋面板。該方法無須在海域中搭設棧橋和支架，施工效率大大提升，且減小了大橋施工對橋下海域環境的不利影響。施工過程見圖1。

1.2連接節點構造

UHPC箱型拱橋擬采用裝配化施工工藝，結構中涉及三種關鍵的連接節點，如圖2所示。

（1）拱肋節段拼接縫，如圖3所示。其構造特點為：根據現場運輸條件，將每條拱肋分成4段運輸至舊橋橋面進行拼接，其中1/4跨附近為接縫；待拱肋節段現場定位調整到位后，通過澆筑UHPC形成濕接縫。

（2）拱頂合龍段節點，如圖4所示。其構造特點為：拱頂1/2跨位置采用濕接縫，兩個半拱先通過法蘭盤臨時鎖定，然后澆筑拱頂接縫，完成拱肋合龍。

（3）拱肋-立柱連接節點，如圖5所示。其構造特點為：立柱和拱肋通過拱上基座相連，基座與拱肋之間采用預埋承壓板 + 抗剪焊釘的連接形式，而基座與立柱的連接采用立柱鋼筋深入基座內 30cm ，再后澆UHPC混凝土基座，完成立柱與拱肋連接。

因此，為探明上述三類關鍵節點的受力特性，分別對拱肋節段拼接縫、拱頂合龍段節點、拱肋一立柱連接節點等進行局部受力計算分析。

2UHPC箱型拱橋關鍵節點受力分析模型

利用ABAQUS有限元軟件對大橋的關鍵節點建立局部有限元模型。各關鍵節點構造均采用三維實體線性縮減積分單元（C3D8R）模擬，單元網格尺寸為 75mm 且考慮配筋。各節點模型細節如圖6所示。

各節點在ABAQUS軟件中模擬的關鍵思路如下：

（1）拱肋節段拼接縫。拱肋節段和濕接縫界面間采用面一面接觸，摩擦系數取為 0.6

（2）拱頂合龍段節點。法蘭盤內置于整個節段模型內部，且左右兩側法蘭盤的接觸面采用綁定約束。

（3）拱肋-立柱連接節點。立柱底面的連接件鋼板與拱肋、基座界面均采用面一面接觸，摩擦系數取0.4；連接件鋼板與剪力釘合并為一個整體，且剪力釘通過嵌入到拱肋與基座中；基座與立柱間采用綁定連接；鋼筋則分別嵌入到拱肋和立柱中。將加載點與模型斷面節點耦合，并對加載點施加集中力和彎矩。

各模型中的全部材料均考慮為彈性材料。其中UHPC拱肋所采用的強度等級為UHPC120，即立方體抗壓強度為120 MPa_c ，主要材料參數為：材料容重取為 ，彈性模量取為 4.53×10⁴MPa ，泊松比取為0.2，線膨脹系數 α_c 取為 。根據在編的交通運輸部行業標準《公路橋涵超高性能混凝土應用規范》，主要材料參數取值見表1。

3計算結果分析

3.1承載能力極限狀態

本節對三種類型節點進行了承載力驗算，分析了三種類型節點在承載能力極限狀態下的應力分布情況。

3.1.1拱肋節段拼接縫

拱肋節段拼接縫的承載能力極限狀態下的應力分布如圖7和圖8所示。

由圖7可知，在最大軸力工況下，拱肋節段拼接縫的應力沿全截面均受壓，最大主壓應力為39.37 MPa ，小于其強度設計值60 MPa ，滿足規范的設計要求。

由圖8可知，在最大彎矩工況下，拱肋節段拼接縫的縱向應力為全截面受壓，最大主壓應力為36.57 MPa ，小于強度允許值60 MPa ，滿足規范的設計要求。

3.1.2拱頂合龍段節點

拱頂合龍段節點的承載能力極限狀態下的應力分布如圖9至圖11所示。

由圖9可知，在最大軸力工況下，UHPC拱頂合龍段節點的最大主壓應力為40. 14MPa ；由圖10可知，在最大彎矩工況下，拱頂合龍段節點的最大主壓應力為56.31 MPa 。兩種工況的最大主壓應力均小于強度限值60MPa ，滿足規范的設計要求。由圖11可知，法蘭盤的最大拉應力出現在最大彎矩工況作用下，最大主拉應力為102.10 MPa ，最大主壓應力為63. 52MPa ，遠低于鋼材的屈服強度。

3.1.3拱肋-立柱連接節點

如圖12所示，在最大軸力工況中，拱肋-立柱連接節點的最大壓應力為43.68 MPa， 。如圖13所示，在最大彎矩工況中，拱肋一立柱連接節點的最大壓應力為52.60 MPa_c

3.2 抗裂性能

通過頻遇組合的最大軸力和最大彎矩工況，分析拱肋的拉應力峰值，驗算UHPC拱肋是否達到規范抗裂性的設計要求。表2列舉了頻遇組合下三種節點的拉應力峰值，并判斷是否滿足規范的設計要求。

對于拱肋節段拼接縫，最大軸力和最大彎矩工況下均為全截面受壓，最小壓應力分別為1.10和0.85 MPa 未發生開裂現象。

對于拱頂合龍段節點，最大軸力和最大彎矩作用下的最大拉應力分別為1.24和2.38 MPa ，遠低于強度限制7. 2MPa ，不需要進行裂縫寬度驗算。

對于立柱-拱肋節點，最大軸力和最大彎矩作用下的最大拉應力分別為5.45和 3.71MPa ，低于強度限制7.2MPa ，不需要進行裂縫寬度驗算。

綜上所述，UHPC拱肋具有較好的抗裂性能，三種類型節點的最大拉應力均小于強度限制。

4結語

本文利用ABAQUS有限元軟件，對裝配式UHPC箱型拱橋建立了局部計算模型，系統分析了三類關鍵節點的局部受力行為。主要結論如下：

（1）本文提出的UHPC拱肋及節點能夠充分發揮UHPC的抗壓性能，在最大軸力和最大彎矩工況下，三類節點模型的最大壓應力均小于抗壓強度設計值，滿足受力要求。因此對比使用普通鋼筋混凝土的方案，使用

UHPC提高了結構承載力，降低了自重和節約混凝土用量，降低了 22% 的工程造價（使用普通鋼筋混凝土造價為1450萬元，使用UHPC造價為1124萬元）。

（2）拱頂合龍段法蘭盤的最大拉應力出現在最大彎矩工況作用下，最大主拉應力為102.10 MPa ，最大主壓應力為63.52 MPa ，遠低于鋼材的屈服強度。

（3）UHPC拱肋具有較好的抗裂性能，三種類型節點的最大拉應力均小于強度限制，滿足規范的設計要求。因此對比使用普通鋼筋混凝土的方案，使用UHPC可以提高結構抗裂性，提高結構耐久性，有效提高橋梁結構的正常使用壽命。

綜上所述，UHPC拱橋在關鍵節點處受力結果理想，對比原使用普通鋼筋混凝土的設計方案，采用UHPC箱型肋拱橋的方案可以使結構更為合理，充分利用了UHPC的高強度、高抗裂的受力性能，顯著提高了結構的承載力、抗裂性、耐久性和經濟性。

參考文獻

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