超高性能混凝土与三维CAE仿真分析在特殊桥梁工程中的运用

2020-06-29李国鹏赵卓显

水电站设计 2020年2期

王新，李国鹏，赵卓显

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024)

0 前言

随着我国经济快速发展，对基础设施建设也提出了更高的要求。一方面，城市对桥梁提出了更多的功能要求；另一方面，城市桥梁除提供交通功能外，美观性也愈发被重视。这便促使一些特殊桥梁应运而生，例如，开启式桥梁[1]既满足航运的水位要求，又因常采用轻质美观的钢结构、开启或闭合的过程更易吸引人们的关注等原因，而具有很好的景观性[2]。

钢-普通混凝土桥面板是通过抗剪连接件将钢梁和混凝土板组合而成，充分利用混凝土高强的抗压性和钢材良好的抗拉性，具有结构受力合理的特点，在特殊桥梁工程中广泛应用。但同时也存在自重大、负弯矩区域混凝土易开裂等缺陷，影响了结构的耐久性和经济性[3]。

随着科技的快速发展，混凝土强度越来越高，超高性能混凝土(UHPC) 应运而生[4]。与普通混凝土相比，UHPC以细砂为骨料，掺入大量硅灰等矿物掺合料、高效减水剂和微细钢纤维，其抗压强度可达到200 MPa，抗弯拉强度可达到20 MPa。

为改变上述钢-普通混凝土组合梁的不足，可采用超高性能混凝土(UHPC)替代普通混凝土，形成钢-UHPC组合桥面板。由于UHPC优良的材料性能非常适合应用于桥梁工程中，目前全世界已建成的UHPC桥梁有200多座[5]，但应用钢-UHPC组合结构的却很少。对于钢-UHPC组合结构的理论研究，国内已经开展了一些[6-7]。根据这些研究结果可以得到一个结论：采用UHPC板替代传统钢-混凝土组合梁中的普通混凝土，形成钢-UHPC组合梁，在桥梁工程中具有良好的应用前景[8]。

为深入探究钢-UHPC组合桥面板的受力特性，本文结合工程实例研究不同混凝土厚度、约束方式与加劲肋形式对其的影响，得出的相关结果可为其他工程提供参考。

1 桥面板精细化模型与边界约束对桥面板的影响

1.1 桥面板设计方案

本文以通州某开启桥为研究对象，因桥台需设置机械转动装置、动力系统及定期检修通道等，0号桥台设计为较大空间的箱室结构。为防护机械装置、保障结构安全性及桥梁美观性，本桥需在桥台处布置一块较大跨径的钢-UHPC组合桥面板，同时也作为箱室桥台的顶板，详见图1。该桥面板具有以下特点：

(1)受机械装置影响，板的几何形式较为复杂。

(2)转轴侧板边不受约束，其余三侧均约束在桥台处。

(3)板顶高程需满足桥面高程要求，板底不得侵占配重空间，因此组合板厚度受到限制。具体设计方案为UHPC混凝土、Q420钢板和纵横方向加劲肋三者的组合结构。桥梁开启状态下，该桥面板仅有自重和温度荷载，荷载标准组合=1.0×自重+1.0×温度荷载(整体降温20 ℃)。桥面板平面设计示意见图2，桥面板立面设计及材料剖面示意见图3。

(a)平面 (b)立面

1.2 精细化设计模型与固定约束对比模型

约束方式对于桥面板的受力响应至关重要。设计方案采用搭接支承的方式，即在重力方向限制节点向下移动，不限制节点向上移动。为准确模拟搭接支承，模型在搭接处增加仅能承压、不承拉的大刚度虚拟接触杆单元。所以，依据设计方案，采用上述模拟方法，建立了精细化模型。

图2 桥面板平面设计(单位：mm)

图3 桥面板立面设计及材料剖面示意(单位：mm)

此外，钢结构施工中常常还采用螺栓、焊接等固定约束的方式。因此，在不改变其他任何参数的前提下，本节通过建立固定约束的对比模型，探究约束方式对于桥面板受力特性的影响。模型参数详见表1。

表1 模型对比

1.3 结果对比分析

设计模型与对比模型的主要计算结果如图4～11所示。

通过挠度云图对比可知，设计模型混凝土挠度最大为2.3 cm，而对比模型最大挠度为1.1 cm。应力云图对比可知，设计模型的各材料应力分布变化平缓，而对比模型在靠近约束区域内存在明显的应力集中现象，混凝土与钢材应力均很大。显然，相比固定约束，搭接支承的结构产生较大挠度，但能够有效避免支撑范围内的应力集中现象，使桥面板应力分布变化更加平缓。

图4 设计模型混凝土挠度云图图5 对比模型混凝土挠度云图

图6 设计模型混凝土主压应力云图图7 对比模型混凝土主压应力云图

图8 设计模型桥面钢板米塞斯应力云图图9 对比模型桥面钢板米塞斯应力云图

图10 设计模型T肋米塞斯应力云图图11 对比模型T肋米塞斯应力云图

2 混凝土厚度对桥面板的影响

2.1 不同参数的对比模型

受桥面高程和配重构件的影响，本桥面板总厚度不能超过250 mm。所以在总厚度不变的前提下，本节通过建立不同厚度混凝土的桥面板模型，探究混凝土厚度对于桥面板力学特性的影响，模型参数详见表2。

2.2 挠度结果对比分析

各模型计算结果的挠度云图如图12所示。

最大挠度出现在悬臂侧，提取各模型悬臂侧的挠度计算结果并形成挠度对比(见图13)。Y轴为挠度计算值，X轴为沿线位置坐标，即未支承侧边上任意点沿边线到最左侧端点的距离。

表2 模型参数 mm

图12 各模型挠度云图对比

图13 挠度对比

可见，混凝土厚度的变化对于桥面板挠度影响很小。

2.3 混凝土压应力结果对比分析

提取各模型悬臂侧混凝土主压应力计算结果，并形成混凝土主压应力对比图(见图14)。Y轴为应力值，X轴为沿线位置坐标，即悬臂侧边上任意点沿边线到最左侧端点的距离。各模型混凝土主压应力云图如图15所示。

根据结果可知：随着混凝土厚度由4 cm增大到6 cm，跨中区域的混凝土最大压应力由约6 MPa逐渐减少至约3 MPa；混凝土厚度由8 cm增大到10 cm，跨中区域的混凝土最大主压应力由约3 MPa逐渐增大到约7 MPa ；在桥面板几何变化区域内，混凝土出现应力集中现象，且随着混凝土厚度的增大，最大应力也逐渐增大。

图14 混凝土主压应力对比

2.4 钢材应力结果对比分析

各模型计算结果的钢材米塞斯应力云图如图16所示。

最大应力出现在靠近悬臂侧加劲肋上，提取该加劲肋各位置处米塞斯应力，并形成对比图(见图17)。Y坐标是应力值，X坐标对应节点沿线位置坐标，即加劲肋上任意点沿横桥向到肋端点的距离。

分析可知，随着混凝土厚度由4 cm增大到10 cm，加劲肋的最大应力均出现在两侧几何变化的区域内，基本维持在50 MPa左右。

图15 各模型混凝土主压应力对比云图

图16 各模型钢材应力对比云图

图17 钢材应力对比

2.5 小结

根据上述分析，得出以下三点结论：

(1)混凝土厚度的变化对桥面板的挠度几乎无影响。

(2)随着混凝土厚度由4 cm增加到10 cm，跨中混凝土压应力先递减后递增。当厚度在6～8 cm范围内时，跨中混凝土压应力最小。

(3)桥面板两侧几何变化区域出现应力集中现象。

3 加劲肋形式对桥面板力学特性的影响

为增加钢结构刚度及避免结构失稳，组合桥面板需要设置加劲肋。加劲肋的形式主要有T型加劲肋与U型加劲肋。工程实践中，受到施工技术、材料工艺、力学特性等因素的影响，钢结构会相应选取适当形式的加劲肋。本节通过设计模型与U型加劲肋模型的对比分析，探究加劲肋形式对于钢-UHPC 组合桥面板力学特性的影响。

3.1 U型加劲肋的对比模型

设计方案采用高度170 mm的T型加劲肋。在设计方案基础上，对比方案将所有轴向为横桥向的T型加劲肋改为U型，且两种方案的高度、厚度及横断面面积保持一致，具体参数如图18～19所示。

3.2 结果对比分析

设计模型与U肋对比模型的计算结果如图20～25所示。

通过挠度云图的对比可知：T肋桥面板最大挠度为2.3 cm，混凝土最大压应力为10.8 MPa，靠近悬臂侧的加劲肋在中间区域内出现了最大米塞斯应力为49.2 MPa。U肋桥面板最大挠度为2.1 cm，混凝土最大压应力为14 MPa，钢材最大米塞斯应力为93.0 MPa，且钢材最大应力均出现在桥面板几何变化区域的外侧加劲肋上。显然，在肋高、肋板厚度与工程量相同的前提下，U肋桥面板挠度要小于T肋桥面板，但T肋更能够减轻桥面板两侧几何变化区域内应力集中的现象。