大跨徑波形鋼腹板－ＵＨＰＣ組合連續(xù)箱梁橋力學(xué)性能分析

　　[摘要]在波形鋼腹板-PC組合箱梁基礎(chǔ)上，利用高強(qiáng)UHPC材料替換混凝土翼緣板以構(gòu)建新型的波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋。基于珠海前山河大橋設(shè)計(jì)原型，設(shè)計(jì)波形鋼腹板-UHPC組合連續(xù)箱梁橋，對其力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，并與實(shí)橋原型設(shè)計(jì)和PC箱梁方案對比分析。研究表明：(1)波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋可大幅降低結(jié)構(gòu)自重，最大懸臂狀態(tài)下內(nèi)力大幅降低，作用組合下應(yīng)力驗(yàn)算滿足規(guī)范要求，跨中最大撓度小于規(guī)范容許值;(2)波形鋼腹板的局部屈曲穩(wěn)定、整體屈曲穩(wěn)定和組合屈曲穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，連接件受剪承載力亦滿足要求;(3)構(gòu)造優(yōu)化后技術(shù)方案綜合單價(jià)比原型設(shè)計(jì)和PC箱梁橋分別降低169%和578%;波形鋼腹板-UHPC組合連續(xù)箱梁橋整體受力性能、局部受力性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良，有望成為大跨連續(xù)梁橋有競爭力的橋型。

　　石云岡; 邵旭東; 侍永生， 公路工程 發(fā)表時間：2021-08-27 13:43 期刊

　　[關(guān)鍵詞]超高性能混凝土;波形鋼腹板;組合箱梁;連續(xù)梁橋;力學(xué)性能;經(jīng)濟(jì)分析

　　0　引言

　　預(yù)應(yīng)力混凝土(PrestressConcrete，PC)箱型截面橋梁因結(jié)構(gòu)抗扭剛度大、施工穩(wěn)定性強(qiáng)，可有效承受正負(fù)彎矩等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于橋梁工程領(lǐng)域中，已成為大跨橋梁主要的結(jié)構(gòu)形式之一。然而，傳統(tǒng)PC連續(xù)箱梁橋仍普遍存在梁體裂縫嚴(yán)重及跨中過度下?lián)系炔『Α＝雮€世紀(jì)來，為改善PC連續(xù)箱梁橋的病害，各國橋梁工程師提出了兩種有效的方法：(I)改進(jìn)混凝土材料自身特性，為降低結(jié)構(gòu)自重大跨徑箱梁橋跨中采用高強(qiáng)輕質(zhì)類的建筑材料[1];(II)改進(jìn)混凝土箱梁的構(gòu)造，采用輕質(zhì)高強(qiáng)的波形鋼板置換混凝土腹板，構(gòu)成波形鋼腹板-PC組合連續(xù)箱梁[2]。

　　雖然波形鋼腹板可減輕箱型主梁部分重量，但隨著連續(xù)體系橋梁跨徑的進(jìn)一步增長(150m以上)，若箱梁翼緣板采用普通混凝土仍使橋梁的自重較大，這成為了制約波形鋼腹板-PC組合箱梁橋大跨化的技術(shù)瓶頸之一[1]。此外，普通混凝土材料具有較大的長期時變性能(收縮和徐變特性)，使得大跨連續(xù)梁橋過度下?lián)系牟『o法從根本上得到有效解決。

　　超高性能混凝土(UltraHighPerformanceConcrete，UHPC)是一種新型水泥基復(fù)合材料，具有優(yōu)異的力學(xué)與耐久性能，尤其基體內(nèi)大量各向分布的鋼纖維使其呈現(xiàn)特殊的初裂后拉伸延性(應(yīng)變硬化特性)，抗拉強(qiáng)度可達(dá)8MPa以上，抗彎折強(qiáng)度甚至可達(dá)30-50MPa[3]。UHPC材料優(yōu)異的強(qiáng)度與韌性特征，實(shí)現(xiàn)了土木工程材料性能的大跨越[4，5]，促進(jìn)了土木工程結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展。據(jù)文獻(xiàn)資料統(tǒng)計(jì)，截至2019年底，世界范圍內(nèi)UHPC橋梁工程應(yīng)用600余座，其中至少有160座橋梁以UHPC材料為主要承載構(gòu)件[6]。

　　為減輕大跨徑箱梁橋的自重，促進(jìn)混凝土橋梁的大跨化、輕型化、節(jié)約建材環(huán)保化及外形美觀輕盈化，一直是橋梁工程師持之以恒的奮斗目標(biāo)[7]。針對波形鋼腹板-PC組合連續(xù)箱梁橋，利用高強(qiáng)輕質(zhì)的UHPC板置換厚重的普通混凝土翼緣板，以此構(gòu)建新型的波形鋼腹板-UHPC組合連續(xù)箱梁橋，可更進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)自重，實(shí)現(xiàn)混凝土橋梁的大跨與輕型化[8，9]。再者，UHPC材料經(jīng)蒸汽養(yǎng)護(hù)處理后的收縮變形幾乎可忽略不計(jì)，徐變系數(shù)也大幅降低，可以從根源上改善大跨橋梁跨中過度下?lián)系念B疾。新型的組合連續(xù)橋梁有望突破傳統(tǒng)波形鋼腹板組合箱梁橋的技術(shù)瓶頸，為混凝土連續(xù)箱梁橋的大跨輕型化提供有競爭力的結(jié)構(gòu)選型。

　　本文基于UHPC材料優(yōu)異的力學(xué)性能，以珠海前山河特大橋?yàn)閷?shí)橋設(shè)計(jì)原型，設(shè)計(jì)波形鋼腹板-UHPC組合連續(xù)箱梁橋方案，采用有限元分析軟件對波形鋼腹板-UHPC組合連續(xù)箱梁橋進(jìn)行整體受力及局部受力分析，同時與實(shí)橋原型設(shè)計(jì)方案和PC箱梁橋方案進(jìn)行計(jì)算對比，并對三種橋型設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)整體受力、局部受力及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較分析，以此探討本文設(shè)計(jì)方案在大跨梁橋上應(yīng)用的可行性，以期為該橋型的設(shè)計(jì)與建造提供技術(shù)參考。

　　1　波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　1、1　實(shí)橋設(shè)計(jì)方案

　　珠海前山河特大橋位于港珠澳大橋連接線，主橋采用90+160+90m波形鋼腹板-PC組合連續(xù)梁，主跨160m在波形鋼腹板-PC組合連續(xù)梁中位居世界前列，是2018年前國內(nèi)最大主跨的該類橋梁。主梁采用分幅設(shè)計(jì)，全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，公路-I級荷載。中支點(diǎn)梁高95m，跨中及邊支點(diǎn)梁高4m，其余梁高按18次拋物線變化，立面布置如圖1所示。主梁單箱單室截面，頂板寬1575m，翼緣板寬3375m，箱室頂寬9m，典型截面圖如圖2所示。

　　采用1600型波形鋼板，模壓法成形，波形鋼腹板跨中、中墩厚度采用22mm和25mm。預(yù)應(yīng)力束采用1860MPa的高強(qiáng)鋼絞線，主梁邊中墩上截面及標(biāo)準(zhǔn)組合截面的頂?shù)装宀捎肅55混凝土。

　　1、2　波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋方案

　　基于原橋設(shè)計(jì)方案，本文設(shè)計(jì)波形鋼腹板-UHPC組合連續(xù)箱梁方案，其主橋立面圖如圖1所示。波形鋼腹板-UHPC組合箱梁典型截面如圖3所示。組合箱梁UHPC頂板寬1575m，其中外伸懸臂板寬3375m。腹板間UHPC頂板采用縱向加勁肋的矮肋板，未加勁部分高12cm，加勁縱肋平均寬度18cm，厚度18cm，縱肋間距取70cm。華夫型UHPC頂板間隔32m設(shè)置高12m、厚12cm的橫隔板。UHPC底板寬90m，厚度跨中和中支點(diǎn)處分別取22cm和50cm，兩者之間隨梁高按18次拋物線變化。

　　腹板采用1600型波形鋼板，Q345qC鋼材，其細(xì)部構(gòu)造尺寸如圖4所示。鋼腹板的高度隨梁高呈18次拋物線變化，波形鋼腹板跨中、中墩厚度采用22mm和25mm。波形鋼腹板-UHPC組合連續(xù)箱梁橋的主梁采用掛籃對稱懸臂澆筑施工，分段長度同原橋設(shè)計(jì)方案，單側(cè)設(shè)17個懸澆節(jié)段，零號塊長128m，1號～6號塊長32m，7號～17號塊長48m，合攏段取32m，滿堂支架現(xiàn)澆邊跨段為84m，主梁節(jié)段劃分如圖5所示。

　　縱向預(yù)應(yīng)力采用體內(nèi)、體外混合配束，兩端張拉，布置如圖6、圖7所示。其中體內(nèi)束類似于傳統(tǒng)PC箱梁而僅不含腹板鋼束，體外鋼束主要為作用類似于腹板束的懸澆段體外束(TW類)。

　　1、3　PC連續(xù)箱梁橋方案

　　為與波形鋼腹板-UHPC組合連續(xù)箱梁橋設(shè)計(jì)方案對比，本文設(shè)計(jì)相同跨徑布置的PC連續(xù)箱梁橋方案。主梁中墩支點(diǎn)梁高為95m，跨中及邊支點(diǎn)梁高4m。

　　基于同等橋梁跨徑、橋?qū)挕蜗鋯问也贾靡约敖Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性能的目標(biāo)原則，PC連續(xù)箱梁橋的結(jié)構(gòu)尺寸與實(shí)橋原型設(shè)計(jì)方案大致一致，僅箱梁腹板厚度及預(yù)應(yīng)力布置與原型設(shè)計(jì)方案有較大差異。PC連續(xù)箱梁橋的混凝土腹板厚度由跨中的075m線性變化為支點(diǎn)的145m。典型截面的斷面圖如圖8所示。

　　2　整體有限元結(jié)構(gòu)分析

　　2、1　結(jié)構(gòu)內(nèi)力

　　2、1、1　最不利施工階段

　　從表1中可得，在施工階段最大懸臂狀態(tài)下，相比于波形鋼腹板-PC組合連續(xù)箱梁橋和PC連續(xù)箱梁橋，波形鋼腹板-UHPC組合連續(xù)箱梁橋的最大負(fù)彎矩可分別減少439%和61%;同理，最大剪力可分別降低459%和649%。因此，波形鋼腹板-UHPC組合連續(xù)箱梁橋的施工安全性及穩(wěn)定性大幅提高。

　　2、1、2結(jié)構(gòu)自重內(nèi)力

　　從表2中可得，波形鋼腹板-UHPC組合連續(xù)箱梁得益于的結(jié)構(gòu)自重的降低，其結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的彎矩和剪力亦大幅度少于波形鋼腹板-PC組合連續(xù)箱梁和PC連續(xù)箱梁。

　　2、2　結(jié)構(gòu)應(yīng)力

　　2、2、1　正截面抗裂驗(yàn)算

　　根據(jù)公混橋規(guī)[11]，在作用短期效應(yīng)組合下，全預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆構(gòu)件應(yīng)滿足下式要求：σst-08σpr≤0(1)抗裂驗(yàn)算計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

　　從上圖可見，波形鋼腹板-UHPC組合箱梁的截面上下緣亦均未產(chǎn)生拉應(yīng)力，最小壓應(yīng)力01MPa產(chǎn)生于邊支點(diǎn)處上緣。

　　2、2、2　主壓應(yīng)力驗(yàn)算

　　根據(jù)公混橋規(guī)[11]，全預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件，使用階段正截面壓應(yīng)力應(yīng)符合以下規(guī)定：σkc+σpt≤05fck(2)主壓應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果如圖10所示。

　　計(jì)算結(jié)果表明，波形鋼腹板-UHPC組合連續(xù)箱梁在荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合下的主壓應(yīng)力均未超限，上緣最大壓應(yīng)力419MPa和下緣最大壓應(yīng)力227MPa均未超過的UHPC材料抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的05倍(42MPa)。

　　2、3　結(jié)構(gòu)變形

　　根據(jù)公混橋規(guī)[11]，汽車活載作用下的長期撓度值不應(yīng)超過主跨徑的1/600。表3中可得，汽車荷載工況下，波形鋼腹板-UHPC組合箱梁方案的跨中豎向最大撓度值(6346mm)，考慮長期增長系數(shù)14后(6346mm×14=878mm)，仍遠(yuǎn)小于規(guī)范容許值1/600×160m=267mm，即汽車活載下的撓度滿足規(guī)范要求。

　　3　局部受力分析

　　3、1　波形鋼腹板受剪承載力分析

　　3、1、1　波形鋼腹板抗剪強(qiáng)度分析

　　圖11中可得，全橋波形鋼腹板的抗剪強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。波形鋼腹板最大剪應(yīng)力(758MPa)出現(xiàn)在支點(diǎn)UHPC節(jié)段與波形鋼腹板-UHPC組合節(jié)段相交處。在承載能力極限狀態(tài)下波形鋼腹板承受的剪應(yīng)力僅約為其抗剪強(qiáng)度的50%，局部抗剪性能較好。

　　3、1、2　波形鋼腹板屈曲穩(wěn)定性分析

　　由圖12可得，波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋在承載能力極限狀態(tài)下波形鋼腹板的局部屈曲穩(wěn)定、整體屈曲穩(wěn)定和組合屈曲穩(wěn)定均能滿足規(guī)范[10]要求，且剪應(yīng)力設(shè)計(jì)值τmax(75.8MPa)僅占相應(yīng)截面位置波形鋼腹板組合屈曲剪應(yīng)力τcr(121.4MPa)的62.4%，表明波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋具有很高的鋼腹板穩(wěn)定性。

　　3、2　剪力連接件水平受剪承載力分析

　　栓釘連接件受剪承載力的計(jì)算結(jié)果如圖13所示。圖中可見，承載能力極限狀態(tài)下栓釘連接件受剪承載力均滿足規(guī)范要求，且栓釘承載力(2578N/mm)約為栓釘所承受最大剪應(yīng)力(1174N/mm)的2、2倍。

　　4　經(jīng)濟(jì)性分析與構(gòu)造優(yōu)化

　　4、1　技術(shù)方案經(jīng)濟(jì)性分析

　　表4中可得，波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋的上部結(jié)構(gòu)綜合單價(jià)比實(shí)橋設(shè)計(jì)方案增加了15.5%，但比PC連續(xù)箱梁橋的綜合單價(jià)低11.3%。盡管如此，由于波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋結(jié)構(gòu)自重的大幅降低使得主梁運(yùn)輸?shù)跹b費(fèi)用降低，而且下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)工程的材料用量也相應(yīng)降低。經(jīng)綜合對比計(jì)算，波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋方案的綜合單價(jià)相比實(shí)橋設(shè)計(jì)方案和PC連續(xù)箱梁橋分別降低了5.3%和39.4%，且波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋耐久性能更為優(yōu)良。綜上所述，波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋的初期建筑成本及全壽命周期成本上均具有一定的競爭力。

　　4、2　構(gòu)造優(yōu)化

　　4、2、1　主梁梁高優(yōu)化

　　從表5可得，隨著中支點(diǎn)梁高及主跨跨中梁高的降低，波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋的主跨跨中最大撓度不斷增加。當(dāng)中支點(diǎn)梁高取值6.5m和跨中梁高取值2.5m時，汽車活載作用下跨中最大撓度154.7mm為撓度限值1907mm(267mm/14)的1/123，表明主梁剛度良好。根據(jù)整體有限元結(jié)構(gòu)分析及局部受力分析，正常使用極限狀態(tài)下波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋承受頻遇荷載組合作用的主拉應(yīng)力為-04MPa(壓應(yīng)力)，若繼續(xù)減小梁高尺寸將使得支點(diǎn)處UHPC節(jié)段截面出現(xiàn)拉應(yīng)力，對于設(shè)計(jì)目標(biāo)為全預(yù)應(yīng)力的橋梁結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)方案的正截面抗裂將無法滿足規(guī)范要求。因此，主跨160m的波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化后梁高組合為：中支點(diǎn)梁高取值6.5m，跨中梁高2.5m。

　　4、2、2　支點(diǎn)UHPC節(jié)段腹板厚度優(yōu)化

　　選取中支點(diǎn)UHPC節(jié)段腹板厚度和邊支點(diǎn)UHPC節(jié)段腹板厚度為可變參數(shù)，采用MidasCivil軟件進(jìn)行整體有限元結(jié)構(gòu)分析。隨著中支點(diǎn)UHPC節(jié)段腹板厚度和邊支點(diǎn)UHPC節(jié)段腹板厚度降低，波形鋼腹板-UHPC組合連續(xù)箱梁橋的整體剛度下降，但整體剛度降幅較小。波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化支點(diǎn)腹板厚度組合為：中支點(diǎn)UHPC腹板厚0.5m，邊支點(diǎn)UHPC腹板厚0.3m。相比于中支點(diǎn)腹板厚度0.8m和邊支點(diǎn)腹板厚度0.5m，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的腹板厚度已減少35%以上。UHPC腹板厚度減小對結(jié)構(gòu)剛度影響有限，但可有效降低UHPC材料消耗量及工程造價(jià)，即減薄UHPC節(jié)段腹板厚度可在不顯著降低波形鋼腹板-UHPC組合連續(xù)箱梁橋整體力學(xué)性能情況下減少UHPC材料的用量，提高設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性。

　　取優(yōu)化后的模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，中支點(diǎn)梁高為6.5m，跨中梁高為2.5m，中支點(diǎn)UHPC腹板厚0.5m，邊支點(diǎn)UHPC板厚0.3m，建立有限元模型并進(jìn)行整體受力驗(yàn)算和局部受力驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果見下表6所示。表中整體受力驗(yàn)算的σ1表示參與頻遇組合作用下正截面抗裂驗(yàn)算的最小壓應(yīng)力(拉正壓負(fù));σ2為最大壓應(yīng)力;τd，max、fvd和τcr為波形鋼板的最大剪應(yīng)力、抗剪強(qiáng)度及組合屈曲臨界剪應(yīng)力。

　　從表7可得，相比于整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的波形鋼腹板-UHPC組合連續(xù)箱梁橋，構(gòu)造尺寸優(yōu)化后上部結(jié)構(gòu)的綜合單價(jià)可降低7.9%，總建安造價(jià)降低8.3%，尺寸優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案的綜合單價(jià)相比原型設(shè)計(jì)方案和PC連續(xù)箱梁橋分別降低了16.9%和57.8%，構(gòu)造優(yōu)化后的波形鋼腹板-UHPC組合連續(xù)箱梁橋設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性較大提升，使得波形鋼腹板-UHPC組合連續(xù)箱梁橋型更具競爭力。

　　5　結(jié)論

　　a.相比實(shí)橋設(shè)計(jì)方案和PC箱梁橋，波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋可大幅度降低施工階段最大懸臂狀態(tài)下內(nèi)力和結(jié)構(gòu)自重內(nèi)力。在各種組合作用下，波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋的應(yīng)力滿足規(guī)范要求，跨中撓度遠(yuǎn)小于規(guī)范容許值;波形鋼腹板抗剪強(qiáng)度和穩(wěn)定性及栓釘連接件受剪承載力均滿足規(guī)范要求，且安全儲備較大。

　　b.相比實(shí)橋設(shè)計(jì)方案和PC箱梁橋，波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋初期成本及全壽命成本均具有一定的競爭力，隨著構(gòu)造優(yōu)化，降低梁高，減小UHPC腹板厚度，整體綜合單價(jià)相比實(shí)橋設(shè)計(jì)方案和PC箱梁橋分別降低16.9%和57.8%。

　　波形鋼腹板-UHPC組合連續(xù)箱梁橋具有優(yōu)良的整體受力性能、局部受力性能和施工便捷性，有望成為大跨連續(xù)梁橋的競爭橋型方案。