装配式钢-UHPC轻型组合梁设计和整体受力分析

李志锋,何湘峰,赵旭东,胡伟业,邵旭东

(1. 广东省路桥建设发展有限公司，广东 广州 510635；2. 湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082)

0 引言

采用高性能、高强度材料和高性能复合材料，以延长寿命，提高耐久性，是世界大桥的未来趋势之一[1]。合理利用高性能材料，形成新的广义组合结构，并在深入研究广义组合结构的原理与特性的基础上建立新的设计概念和方法，使现代广义组合结构的设计更趋于合理、可靠、经济、耐久[2]。而超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，简称UHPC) 作为具有超高强度、超高韧性和超长耐久性等优异性能的新型水泥基复合材料，其构件具有结构自重较小、设计自由度大、韧性好、耐久性高、符合可持续发展等优点[3-7]，在土木工程中应用广泛。

惠清高速公路麻埔停车区跨线桥为国内外首座全预制装配式钢-UHPC组合梁桥。本文首先介绍了其设计要点、技术先进性和经济性，再利用Midas软件建立钢-UHPC轻型组合梁全桥梁格模型，分析其受力特性。

1 工程背景

1.1 工程概况

惠清高速公路属于汕(头)湛(江)高速公路的其中一段，全长126.243 km，路线起于惠州市龙门县龙华镇，接广河高速公路，分别与大广、京珠、广乐、清连等高速公路交叉，止于清远市清新区太和镇，顺接汕湛高速公路清远至云浮段，计划工期4 a。

麻埔停车区天桥为跨越惠清高速主线的一座跨线桥，该桥对改善交通条件、解决停车区间的联系具有重要作用。该桥跨径布置为4×25 m，设计汽车荷载等级为公路Ⅰ级，设计基准期为100 a，标准横断面布置为0.5 m(防撞护栏)+7.5 m(机动车道)+ 0.5 m(防撞护栏)，设计安全等级为一级。

1.2 上部结构设计

上部结构桥宽8.5 m，采用先简支后结构连续钢-UHPC轻型组合梁。全桥横向布置三片π型组合梁，间距2.8 m，梁高100 cm，其中UHPC桥面板采用UHPC150(设计参数取值如表 1所示)，板厚12 cm，工字梁高88 cm，标准断面如图 1所示。UHPC桥面板和钢主梁通过剪力钉连接。工字钢梁采用Q345D钢，上翼缘宽280 mm，厚12 mm；腹板高840～848 mm，厚16 mm；下翼缘宽500 mm，厚20 mm。

图1 钢-UHPC轻型组合梁标准断面图(单位：cm)

表1 UHPC150主要设计参数取值Table 1 The main design parameters of UHPC150立方体抗压强度标准值fcu,k /MPa轴心抗压强度/MPa轴心抗拉强度/MPa标准值fck设计值fcd标准值ftk设计值ftd弹性模量Ec/GPa150105758.0ftk/(Kγcf)42.1注:① 泊松比:0.2;线膨胀系数:1.1×10-5 /℃;容重:配筋后27 kN/m3;② 高温蒸养后,徐变系数:0.2,收缩应变:0;③ K为纤维取向系数,整体纤维取向系数取1.25,局部纤维取向系数取1.75;材料分项系数γcf取1.45。

先简支后结构连续梁桥墩顶负弯矩区承担巨大的剪力与弯矩，是确保结构安全的关键构造，且组合梁负弯矩处上缘混凝土板易开裂，影响结构的安全性和耐久性。本项目结合UHPC特点，采用如图 2所示的负弯矩“T”形接缝方案，可简化结构构造，实现现场零焊接。该构造具有如下特点：① 上缘带槽口的“T”接缝，其中设置槽口的目的主要是将纤维不连续的薄弱面设置在低拉应力区，并通过槽口阻滞现浇UHPC的收缩；② 通过嵌入式的钢板和剪力钉增强现浇UHPC与预制钢梁的连接作用，可有效传递墩顶负弯矩区的弯矩和剪力。

图2 组合梁墩顶负弯矩区构造示意图

1.3 上部结构施工要点

钢-UHPC组合梁为预制构件，通过吊装设备现场安装，先简支后结构连续。上部结构预制及安装流程如下。

a.钢梁节段在钢结构加工厂内由顶板、底板和腹板焊接成工字型主梁，并运至组合梁预制场；

b.在组合梁预制场完成钢梁节段的拼接，焊接两工字钢梁之间的横向联系和工字钢梁顶板的剪力钉；

c.在组合梁预制场台座和钢梁上搭设桥面板的模板，安装桥面板钢筋，浇筑桥面板UHPC，并根据设计要求进行保湿养护和蒸汽养护，形成钢-UHPC组合梁预制单元，并对局部损伤的涂层进行处理；

d.采用运梁车等运输设备将钢-UHPC组合梁预制单元运抵至桥位，并采用汽车吊等吊装设备整孔吊装就位；

e.现场绑扎简易连接钢筋，并浇筑桥面板纵向湿接缝和墩顶简支变结构连续湿接缝，完成体系转换；

f.待湿接缝UHPC的强度和弹性模量达到设计要求，对UHPC桥面板进行刻槽糙化，安装防撞护栏，施工附属工程。

1.4 技术先进性和经济性

a.技术先进性。

预应力混凝土梁(空心板、T梁、小箱梁)现场施工需要绑扎和焊接湿接缝钢筋，现场焊接作业量大，装配化率有待提高；当采用较大跨径时，梁体高、自重大，并不利于结构运输及吊装；先简支后结构连续预应力混凝土梁负弯矩区需张拉墩顶预应力，现场施工繁琐，且预应力张拉空间有限，施工较困难。

装配式钢-UHPC轻型组合π梁的钢主梁与UHPC桥面板均在工厂预制，一次成型，吊装重量轻，现场仅需浇筑纵、横向湿接缝，便于进行快速化施工。UHPC中，钢筋设计锚固长度可降低至10倍钢筋直径，可取消现场湿接缝钢筋焊接工作，可利用优异的UHPC抗拉性能抵抗墩顶负弯矩区拉应力，取消墩顶预应力，简化现场施工、实现快速化施工。以跨径为25 m为例，单片预应力混凝土小箱梁的吊装重量约为80 t；而全预制的钢-UHPC 组合梁吊装重量约为36 t，吊装重量可减少55%。

根据已有工程实践表明，预应力混凝土梁(空心板、T梁、小箱梁)横向连接节点属于薄弱环节，易失效开裂导致单梁(板)受力，且易出现渗漏等技术难题，影响结构安全性和耐久性。UHPC 材料基于最大密实度理论构建，材料内部结构十分致密，外界有害物质难以渗入，具有优异的耐久性指标，而且徐变系数远小于普通混凝土，蒸养后的UHPC 材料收缩基本为零，长期性能优良。而钢结构的防腐技术发展到今天，技术已经相对成熟，防护相对容易，质量更容易控制。

由此可见，与预应力混凝土梁相比，装配式钢-UHPC组合梁具有吊装重量轻、现场施工作业量少、施工简化和耐久性优异等优势，技术先进性较显著。

b.经济性。

对相同跨径、技术标准、安全储备的预应力混凝土小箱梁和钢-UHPC轻型组合梁方案的经济性进行分析：预应力混凝土小箱梁方案上部结构单价1 800元/m2，下部结构单价1 700元/m2，上下部合计3 500元/m2；钢-UHPC轻型组合梁方案上部结构单价2 600元/m2，优化后下部结构单价1 200元/m2，上下部合计3 800元/m2。由此可见，与预应力混凝土小箱梁方案相比，钢-UHPC轻型组合梁方案上部结构单价增加约44%，但由于上部结构自重减轻，可对下部结构进行适当优化，优化后钢-UHPC轻型组合梁方案上下部合计单价与预应力混凝土小箱梁方案基本相当。由此可见，钢-UHPC组合梁方案具有良好的经济优势。

2 钢-UHPC轻型组合梁有限元模型

2.1 模型建立

为了验证钢-UHPC组合梁受力是否要求，本文根据设计图纸的结构布置和施工方法，采用桥梁专用有限元计算软件Midas Civil建立全桥整体有限元模型(如图 3所示)，模型采用梁格法建立，主梁采用梁单元模拟，主梁与支座通过刚臂连接，共1 889个单元，2 270个节点。

图3 钢-UHPC轻型组合梁有限元模型

2.2 施工过程模拟

有限元模型的施工阶段定义应模拟实际的施工过程，有限元模型的施工阶段划分如表 2所示。

表2 施工阶段划分Table 2 The division of construction stages编号施工阶段1吊装预制主梁2现浇接缝3体系转换4二期恒载5十年收缩徐变

3 计算结果分析

3.1 钢梁应力分析

根据有限元计算结果，施工阶段钢梁下缘最大拉应力出现在二期恒载作用后边跨跨中位置[如图 4(a)所示]，为69.86 MPa，上缘最大压应力为24.38 MPa[如图 4(b)所示]，计算结果均小于规范值80%强度设计值fd，即216 MPa，满足要求。

(a) 下缘应力图

钢梁在成桥运营阶段即持久状况下下缘最大应力出现在边跨跨中位置[如图 5(a)所示]，为177.15 MPa，上缘最大压应力为57.64 MPa[如图 5(b)所示]，计算结果均小于规范值75%强度设计值fd，即202.5 MPa，满足要求。

(a) 下缘应力包络图

3.2 UHPC桥面板应力分析

(a) 二期铺装完成后应力包络图

3.3 组合梁稳定性分析

钢梁横向支撑点间下缘的长宽比为25.0，大于规范值13.0，故需验算组合梁的整体稳定性。依据《公路钢混桥规》[10]，计算得到组合梁侧向抗扭屈曲弯矩为2 602.0 kN·m，根据有限元计算结果，基本组合下组合梁的最大负弯矩为2 078.25 kN·m，考虑结构重要性系数并取1.1，则组合梁最大弯矩设计值为2 286.1 kN·m，小于组合梁侧向抗扭屈曲弯矩，故组合梁负弯矩区钢梁侧扭稳定性满足规范要求。按照《公路钢桥规范》[10]第5.3.3条进行验算，腹板高厚比满足规范局部稳定要求。

3.4 组合梁承载能力极限状态分析

根据有限元计算结果，由图 7可知，基本组合下，跨中最大正弯矩为2 740.56 kN·m，支点最大负弯矩为2 078.25 kN·m；基本组合下UHPC桥面板上缘最大压应力为23.00 MPa，钢梁下缘最大拉应力为230.10 MPa，结构重要性系数取1.1，则对于UHPC，上缘最大压应力计算值为25.30 MPa，小于UHPC的轴心抗压强度设计值75 MPa，对于钢梁，下缘最大拉应力计算值为253.11 MPa，小于Q345钢材的设计强度270 MPa，故UHPC和钢梁的跨中正弯矩抗弯承载能力满足要求。

图7 基本组合下组合梁弯矩包络图(单位: kN·m)

支点负弯矩区接缝断面的承载能力计算时考虑桥面板内纵向钢筋的抗拉作用，T型翼板UHPC的抗拉作用偏安全的按0.5的折减系数考虑，由此计算得到负弯矩区接缝断面的抗弯承载能力为2 933.58 kN·m，大于考虑1.1的结构重要性系数的组合梁最大负弯矩设计值2 286.08 kN·m，故组合梁内支点负弯矩抗弯承载能力满足规范要求。

基本组合作用下组合梁最大剪力如图 8所示，为741.18 kN，考虑1.1的结构重要性系数，则组合梁的最大剪力设计值为815.30 kN，同时计算得到组合梁的竖向承载力为2 170.88 kN，大于组合梁的剪力设计值，故组合梁的竖向抗剪承载力满足要求。

图8 基本组合下组合梁剪力包络图(单位: kN)

3.5 组合梁正常使用极限状态分析

频遇组合下，UHPC桥面板纵桥向应力分布如图 9所示，UHPC桥面板纵桥向最大拉应力约为9.00 MPa，在计算裂缝宽度时，偏安全地按轴心受拉构件计算，计算得到墩顶截面的裂缝宽度为0.029 mm，小于规范要求的0.05 mm，满足要求。

图9 频遇组合下UHPC桥面板应力包络图(单位: MPa)

根据《公路钢混桥规》[10]规定，公路组合梁桥应采用不计冲击系数的汽车车道荷载频遇值(频遇值系数取1.0)，并按结构力学的方法计算竖向挠度。根据有限元计算结果，汽车荷载频遇值作用下组合梁的最大挠度为31.33 mm，小于规范规定的组合梁跨径的1/500即50 mm，所以组合梁的挠度验算满足要求。

4 结论

本文介绍了采用装配式钢-UHPC轻型组合梁方案的麻埔停车区跨线桥的工程背景、设计和施工要点、技术和经济先进性，并利用Midas软件建立了全桥整体有限元模型，对组合梁进行整体计算和分析，得到的主要结论如下：

a.采用装配式钢-UHPC轻型组合梁方案的麻埔停车区跨线桥的装配化率高，具有良好的技术先进性和经济性。

b.装配式钢-UHPC轻型组合梁的各项验算满足规范要求，UHPC可很好地适用于组合结构，形成的钢-UHPC轻型组合梁可满足工程设计要求。

c.装配式钢-UHPC轻型组合梁结构自重小，用钢量少，经济性好，耐久性好，在中小跨径桥梁中有良好的应用前景，同时能很好地推动我国桥梁的装配化建设。