裝配式UHPC箱型拱橋連接節(jié)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(huán)保性等突出優(yōu)點1，其抗壓強度約為普通混凝土的3倍2，應(yīng)用于拱橋?qū)@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(fā)展提供了新思路。目前國內(nèi)外學(xué)者對UHPC拱橋開展了相關(guān)研究。邵旭東等3對鋼-UHPC組合桁式拱橋拱肋與腹桿節(jié)點性能試驗進(jìn)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(jié)點連接構(gòu)造，研究表明UHPC拱肋節(jié)點連接牢固，抗裂性高，且具有優(yōu)異的抗剪和抗拔性能。張光迎4進(jìn)行了全國首座UHPC箱型拱橋一八丘田車行天橋的相關(guān)研究，系統(tǒng)介紹了UHPC拱肋翻轉(zhuǎn)吊裝及合龍施工等關(guān)鍵工藝，結(jié)果表明，UHPC拱肋翻轉(zhuǎn)吊裝合龍施工技術(shù)可以有效解決節(jié)段架設(shè)和索力計算問題，保障拱橋的施工質(zhì)量。杜任遠(yuǎn)等[5]對兩根活性混凝土（RPC）模型拱 L/4 處單點加載的面內(nèi)受力全過程進(jìn)行試驗，結(jié)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(shè)計建造了我國第一座UHPC拱橋，研究結(jié)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(xué)性能進(jìn)行了受力分析，對基礎(chǔ)變形和整體降溫等因素進(jìn)行探討，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)自重小且力學(xué)性能優(yōu)異。

連接節(jié)點是裝配式拱橋受力的關(guān)鍵區(qū)域，但目前在該方面的研究尚少，節(jié)點受力大且復(fù)雜[8，成為裝配式拱橋設(shè)計的難點。因此，亟需對裝配式UHPC拱橋的關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行計算分析，明確其傳力機理和受力狀態(tài)。

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(shè)計方案。為探明該結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點的受力性能，分別對該UHPC拱橋的三類關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行局部受力分析，即拱肋節(jié)段拼接縫、拱頂合龍段節(jié)點、拱肋一立柱連接節(jié)點。通過計算分析，探明了三類關(guān)鍵節(jié)點的應(yīng)力分布特性，驗證了節(jié)點應(yīng)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(shè)計建造提供參考。

1工程背景

1.1 局部設(shè)計

結(jié)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(shè)計方案。其技術(shù)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(yù)制節(jié)段，拱肋高度和寬度均為1.5m ，標(biāo)準(zhǔn)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(yù)制場完成1/4拱肋節(jié)段的預(yù)制，然后運輸?shù)浆F(xiàn)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(jìn)行拱肋吊裝、合龍，形成兩鉸拱，體系轉(zhuǎn)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(shè)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(huán)境的不利影響。施工過程見圖1。

1.2連接節(jié)點構(gòu)造

UHPC箱型拱橋擬采用裝配化施工工藝，結(jié)構(gòu)中涉及三種關(guān)鍵的連接節(jié)點，如圖2所示。

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

（2）拱頂合龍段節(jié)點，如圖4所示。其構(gòu)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(jié)點，如圖5所示。其構(gòu)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(yù)埋承壓板 + 抗剪焊釘?shù)倪B接形式，而基座與立柱的連接采用立柱鋼筋深入基座內(nèi) 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(guān)鍵節(jié)點的受力特性，分別對拱肋節(jié)段拼接縫、拱頂合龍段節(jié)點、拱肋一立柱連接節(jié)點等進(jìn)行局部受力計算分析。

2UHPC箱型拱橋關(guān)鍵節(jié)點受力分析模型

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

各節(jié)點在ABAQUS軟件中模擬的關(guān)鍵思路如下：

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

（2）拱頂合龍段節(jié)點。法蘭盤內(nèi)置于整個節(jié)段模型內(nèi)部，且左右兩側(cè)法蘭盤的接觸面采用綁定約束。

（3）拱肋-立柱連接節(jié)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(shù)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(jié)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(shù)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(shù) α_c 取為 。根據(jù)在編的交通運輸部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路橋涵超高性能混凝土應(yīng)用規(guī)范》，主要材料參數(shù)取值見表1。

3計算結(jié)果分析

3.1承載能力極限狀態(tài)

本節(jié)對三種類型節(jié)點進(jìn)行了承載力驗算，分析了三種類型節(jié)點在承載能力極限狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況。

3.1.1拱肋節(jié)段拼接縫

拱肋節(jié)段拼接縫的承載能力極限狀態(tài)下的應(yīng)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(jié)段拼接縫的應(yīng)力沿全截面均受壓，最大主壓應(yīng)力為39.37 MPa ，小于其強度設(shè)計值60 MPa ，滿足規(guī)范的設(shè)計要求。

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

3.1.2拱頂合龍段節(jié)點

拱頂合龍段節(jié)點的承載能力極限狀態(tài)下的應(yīng)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(jié)點的最大主壓應(yīng)力為40. 14MPa ；由圖10可知，在最大彎矩工況下，拱頂合龍段節(jié)點的最大主壓應(yīng)力為56.31 MPa 。兩種工況的最大主壓應(yīng)力均小于強度限值60MPa ，滿足規(guī)范的設(shè)計要求。由圖11可知，法蘭盤的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在最大彎矩工況作用下，最大主拉應(yīng)力為102.10 MPa ，最大主壓應(yīng)力為63. 52MPa ，遠(yuǎn)低于鋼材的屈服強度。

3.1.3拱肋-立柱連接節(jié)點

如圖12所示，在最大軸力工況中，拱肋-立柱連接節(jié)點的最大壓應(yīng)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(jié)點的最大壓應(yīng)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(yīng)力峰值，驗算UHPC拱肋是否達(dá)到規(guī)范抗裂性的設(shè)計要求。表2列舉了頻遇組合下三種節(jié)點的拉應(yīng)力峰值，并判斷是否滿足規(guī)范的設(shè)計要求。

對于拱肋節(jié)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(yīng)力分別為1.10和0.85 MPa 未發(fā)生開裂現(xiàn)象。

對于拱頂合龍段節(jié)點，最大軸力和最大彎矩作用下的最大拉應(yīng)力分別為1.24和2.38 MPa ，遠(yuǎn)低于強度限制7. 2MPa ，不需要進(jìn)行裂縫寬度驗算。

對于立柱-拱肋節(jié)點，最大軸力和最大彎矩作用下的最大拉應(yīng)力分別為5.45和 3.71MPa ，低于強度限制7.2MPa ，不需要進(jìn)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(jié)點的最大拉應(yīng)力均小于強度限制。

4結(jié)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(tǒng)分析了三類關(guān)鍵節(jié)點的局部受力行為。主要結(jié)論如下：

（1）本文提出的UHPC拱肋及節(jié)點能夠充分發(fā)揮UHPC的抗壓性能，在最大軸力和最大彎矩工況下，三類節(jié)點模型的最大壓應(yīng)力均小于抗壓強度設(shè)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(jié)構(gòu)承載力，降低了自重和節(jié)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(yīng)力出現(xiàn)在最大彎矩工況作用下，最大主拉應(yīng)力為102.10 MPa ，最大主壓應(yīng)力為63.52 MPa ，遠(yuǎn)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(jié)點的最大拉應(yīng)力均小于強度限制，滿足規(guī)范的設(shè)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(jié)構(gòu)抗裂性，提高結(jié)構(gòu)耐久性，有效提高橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用壽命。

綜上所述，UHPC拱橋在關(guān)鍵節(jié)點處受力結(jié)果理想，對比原使用普通鋼筋混凝土的設(shè)計方案，采用UHPC箱型肋拱橋的方案可以使結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的承載力、抗裂性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)

[1]丁鵬.超高性能混凝土箱形拱穩(wěn)定承載力研究[D]重慶：重慶交通大學(xué)，2018

[2]曹君輝，樊偉，李立峰，等.基于UHPC的高性能橋梁結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用[J].湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2022，49（11）：1-32

[3]邵旭東，陳玉寶，何廣，等.鋼-UHPC組合桁式拱橋拱肋與腹桿節(jié)點性能試驗研究[J].土木工程學(xué)報，2022，55（5）：54-66

[4]張光迎.UHPC拱肋翻轉(zhuǎn)吊裝合龍施工技術(shù)在八丘田車行天橋的應(yīng)用[J].西部交通科技，2022（3）：109-11.

[5]杜任遠(yuǎn)，陳寶春.活性粉末混凝土拱極限承載力試驗研究[J].工程力學(xué)，2013，30（5）：42-8.

[6]陳寶春，黃卿維，王遠(yuǎn)洋，等.中國第一座超高性能混凝土（UHPC）拱橋的設(shè)計與施工[J.中外公路，2016，36（1）：67-71.

[7張陽，唐重璽.裝配式UHPC拱橋結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析[J」.中外公路，2016，36（2）：125-30.

[8陳玉寶.鋼-UHPC組合桁式拱橋拱肋與腹桿節(jié)點受力性能研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2021.