钢-UHPC-NC组合梁结构设计与受力分析

贺国栋, 李 瑜, 周 旋, 曾满良

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司, 湖南 长沙 410200)

1 概述

钢混组合结构由钢梁和混凝土桥面板组成，该结构可以充分发挥混凝土材料受压性能好、钢材受拉性能好的特点，具有良好的受力性能和经济性，从而在桥梁工程中得到越来越广泛的应用[1]。钢混组合结构应用于连续梁桥主要存在负弯矩区桥面板易开裂的问题，桥面板开裂后组合梁的刚度减弱，裂缝较大时有害介质会通过裂缝渗入混凝土中，严重腐蚀混凝土，锈蚀钢筋，降低了组合梁的耐久性，增加维护养护工作的困难[2]。因此，如何处理中支点负弯矩区的设计和施工，成为钢混组合连续梁桥工程实践中的关键问题。

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、超长耐久性等优异性能的新型水泥基复合材料，其构件具有强度高、抗裂性能好、韧性高、耐久性高等优点，在土木工程中应用广泛[3]。

为提高组合梁负弯矩区桥面板抗裂性能，提高结构耐久性，本文提出一种钢-UHPC-NC组合梁结构形式，即在传统钢混组合梁的基础上，负弯矩区域采用薄层超高性能混凝土(UHPC)替代部分普通混凝土(NC)。以主跨80 m钢混组合梁桥为背景，介绍了钢-UHPC-NC组合梁的构造特征，并借助有限元软件对该桥梁进行结构计算，重点分析了钢梁和桥面板在施工阶段及运营阶段的受力性能，为今后同类桥梁设计提供技术支持。

2 钢-UHPC-NC组合梁结构设计

2.1 工程概况

佛山市塘西大道三期(桃园路-S263广云路段)整体呈北-南走向，起点接塘西三期公路建设工程设计终点，往南依次上跨桃园西路、下穿广佛肇城轨、上跨西南涌、与规划翠云路相交，上跨广三高速、终于塘西三期南延线(广海大道-进港路)，路线全长4.18 km。项目采用的主要设计标准为：①道路等级：一级公路标准兼顾城市道路功能；②设计车速：80 km/h；③设计荷载：公路-I级；④桥梁宽度：单幅宽度13.75 m；⑤设计基准期：100 a；⑥ 环境类别：I类。

2.2 结构设计

塘西大道三期工程跨越西南涌水域桥梁采用(49.5+80+49.5)m连续梁桥，主梁采用钢-UHPC-NC组合梁结构(见图1)。钢混组合梁全高3800mm，高跨比为1/21.1。

图1 桥跨布置图(单位： m)

2.2.1钢梁设计

组合梁中钢梁截面常用的有工字型、箱形、槽型等。本桥综合考虑钢梁纵向受力、桥面板横向受力、运输条件、起吊重量等因素，单幅桥横向布置3片槽型钢箱梁，由上翼缘板、腹板与其加劲肋、底板与其加劲肋、横隔板、横向联系等组成(见图2)。钢梁净高3400mm，腹板中心间距为2250mm，厚度均为14mm；上翼缘板标准宽度600mm，中支点位置加宽至800mm，根据受力需要板厚有24、34、44 mm这3种；底板标准宽度2350mm，根据受力需要板厚有16、24、32mm这3种；钢梁各板件均采用Q345qD钢材。

图2 主梁标准断面图(单位： cm)

2.2.2桥面板设计

在正弯矩区段，混凝土桥面板采用C50普通混凝土，桥面板全宽13.75m，标准厚度25cm，在钢梁上翼缘处加厚至40cm。在负弯矩区段，桥面板采用分层设计，底层15cm厚度范围内采用C50普通混凝土，顶层10cm范围内采用超高性能混凝土(见图3和图4)，强度等级为UHPC160(设计参数取值见表1)。组合梁负弯矩区段长度约为中支点两侧各0.15L，L为主跨长度，本文研究对象主跨80m，负弯矩区段长度约为中支点两侧各12m。钢梁与桥面板之间采用群钉槽口连接，焊钉规格为φ 22×220mm。负弯矩区桥面板主要施工工艺为： ①预制底层C50混凝土桥面板，顶面凿毛深度不小于6mm，并预留垂直方向钢筋增强界面抗剪强度；②现场吊装预制桥面板，并清除表层灰尘、碎屑等；③绑扎UHPC层对应普通钢筋，浇筑群钉槽口和10cm厚度UHPC。

图3 主梁中支点断面图(单位： cm)

图4 UHPC与普通混凝土结合区构造详图(单位： cm)

表1 桥面板材料主要设计参数Table 1 Main design parameters of bridge deck materialsMPa材料立方体抗压强度标准值轴心抗压强度标准值轴心抗压强度设计值轴心抗拉强度标准值轴心抗拉强度设计值弹性模量UHPC160160112 77 7.55.247 100C5050 32.422.42.651.8334 500

2.2.3负弯矩抗裂措施

桥面板的设计理念主要包括以下4类： ①按全预应力构件设计，即不允许桥面板出现拉应力，一般适用于对耐久性要求极高的环境；②按A类预应力构件设计，即允许桥面板出现拉应力，但限制拉应力的大小；③按B类预应力构件设计，即允许桥面板出现裂缝，但限制其裂缝宽度；④按钢筋混凝土构件设计，即允许桥面板出现裂缝，但限制其裂缝宽度。

有效解决钢混组合连续梁桥负弯矩混凝土桥面板的开裂问题，主要从2个方向出发：①降低负弯矩内力，即从“效应”的层面减小效应；②增强桥面板抗裂能力，即从“抗力”的层面增大抗力。调研国内外钢混组合梁研究成果及工程案例，针对负弯矩区常用的抗裂措施有：增强普通钢筋配置、张拉预应力钢束、桥面板滞后结合、支点顶升法、中跨压重法等[4-10]。

本桥结合技术特点和实际情况，同时满足施工便捷、造价经济的要求，按限制裂缝宽度的方法设计，采用如下措施达到控制负弯矩裂缝宽度的目的：①优化桥面板施工顺序：先施工正弯矩区段桥面板，然后施工负弯矩区段桥面板，降低恒载产生负弯矩效应。②增强普通钢筋配置：正弯矩区域桥面板纵向钢筋采用直径16mm的HRB400钢筋，横向间距12.5cm，在负弯矩区保证钢筋间距不变的情况下，钢筋直径增大为25mm。③采用支点顶升法：安装负弯矩区桥面板之前，对中支点支座进行顶升，负弯矩区桥面板施工完成并达到强度后，对中支点支座进行回落，可使负弯矩区混凝土形成预压效果。支点顶升法简单易行、效果明显，能有效降低桥面板开裂风险，关键在于顶升位移量的确定。位移量太大会造成钢梁上翼缘拉应力超标，位移量太小则达不到抗裂效果。本桥综合考虑钢梁与桥面板的应力水平，顶升位移量取40cm，约为主跨跨径的1/200。④负弯矩区段桥面板混凝土采用分层设计，即在负弯矩区段顶层10cm厚度范围内采用超高性能混凝土(UHPC)，其余采用普通混凝土(NC)，权衡考虑降低开裂风险和造价经济。

2.3 施工要点

钢梁和NC桥面板均为预制构件，通过吊装设备现场安装，负弯矩区UHPC采用现场浇筑。上部结构主要施工流程见图5。

图5 施工工序图

3 钢-UHPC-NC组合梁受力分析

3.1 有限元模型

组合梁施工过程经历了纯钢梁受力阶段和组合梁受力阶段，结构体系、荷载作用也多有变化，因此，采用Midas Civil软件建立考虑施工过程梁格模型，钢梁和桥面板均采用梁单元模拟，采用弹性连接中的刚性连接模拟钢梁与桥面板连接件作用，不考虑两者之间相对滑移。全桥共划分成2118个节点和2442个单元，计算模型见图6。计算模型模拟施工过程按照图5所示施工工序，其中支点顶升和回落工序采用“支座强制位移”方法进行考虑。

图6 有限元计算模型

计算考虑的荷载及作用如下：①恒载：钢材容重按78.5kN/m3计；普通钢筋混凝土容重按28kN/m3计；UHPC容重按30kN/m3计；沥青混凝土容重按24kN/m3计；防撞护栏按单侧12kN/m计。②收缩徐变：混凝土的收缩徐变作用为10 a。③支座沉降：按1cm计。④汽车荷载：公路-Ⅰ级，单幅3车道。⑤温度作用：整体温度按±30℃考虑；梯度升温为14℃～5.5℃，梯度降温为-7℃～-2.75℃。

3.2 钢梁计算结果与分析

3.2.1施工阶段效应分析

施工过程各步骤钢梁上缘、下缘应力见图7和图8(拉应力为正，压应力为负，下同)。钢梁的应力变化主要呈现如下规律：①中跨跨中钢梁下缘首先处于受压状态，步骤2安装跨中桥面板后压应力进一步增加，步骤3拆除跨中临时墩后由于结构体系转换，下缘转换为受拉状态，步骤4中支点顶升后，拉应力明显降低，步骤7中支点回落后，拉应力又明显增加；②边跨跨中钢梁上缘首先处于受压状态，步骤1～步骤4过程中，压应力逐渐减小并转换为受拉状态，步骤4～步骤8过程中，拉应力逐渐减小并转换为受压状态；③中支点钢梁上缘首先处于受拉状态，步骤1～步骤6过程中，拉应力不断增加并在步骤6达到峰值148MPa，步骤6～步骤8过程中，拉应力略有降低。整个施工阶段钢梁最大拉应力为148MPa，最大压应力为-124MPa，均小于Q345qD钢材强度设计值260MPa，结构受力安全。

图7 施工阶段钢梁上缘应力

图8 施工阶段钢梁下缘应力

3.2.2运营阶段效应分析

运营阶段基本组合钢梁上缘及下缘应力见图9和图10。钢梁上缘最大拉应力出现在中支点截面，数值为193MPa；钢梁上缘最大压应力出现在跨中截面，数值为-115MPa；钢梁下缘最大拉应力出现在跨中截面，数值为175MPa；钢梁下缘最大压应力出现在中支点截面，数值为-178MPa。钢梁各部位应力均小于Q345qD钢材强度设计值260 MPa，结构受力安全。

图9 基本组合钢梁上缘应力

图10 基本组合钢梁下缘应力

3.3 桥面板计算结果与分析

3.3.1运营阶段效应分析

运营阶段的作用主要包括汽车荷载、温度作用、支座沉降等(不包括恒载、收缩徐变)，这些作用对结构产生的效应与施工过程是否采用了相关抗裂措施无关，完全由结构体系本身决定。运营阶段各项荷载对主跨80 m钢混组合梁桥面板各部位产生的应力见表2。在中支点位置，由作用频遇组合产生的桥面板拉应力为5.04 MPa，该应力本身已经足够引起桥面板开裂，尚未考虑结构自重、收缩、徐变引起的拉应力，因此必须在施工阶段采取降低桥面板拉应力的措施，降低开裂风险。

3.3.2施工阶段效应分析

如前文所述，通过合理优化桥面板的施工顺序并采用支点顶升法改善负弯矩区桥面板受力，桥面板无滞后结合、桥面板滞后结合的计算结果见表3，采用支点顶升法计算结果见表4。可以看出，通过调整桥面板的施工顺序可以有效降低桥面板拉应力，中支点位置桥面板拉应力可降低1.86 MPa。支点顶升法效果更为明显，中支点位置桥面板拉应力可降低3.98 MPa，其他部位的拉应力均较大幅度降低。

3.3.3桥面板抗裂验算

运营阶段作用频遇组合下桥面板应力计算结果见图11，桥面板采用超高性能混凝土(UHPC)的区段顶缘最大拉应力为4.58 MPa，小于UHPC轴心抗拉强度设计值5.2 MPa，满足抗裂要求；桥面板采用普通混凝土(NC)的区段顶缘最大拉应力为2.72 MPa，根据钢筋配置情况计算桥面板最大裂缝宽度为0.07 mm，小于规范限值0.20 mm，满足抗裂要求。

表2 运营阶段桥面板应力计算结果Table 2 Calculation results of bridge deck stress during operationMPa类别汽车荷载整体升温整体降温梯度升温梯度降温支座沉降标准组合频遇组合边跨跨中1.220.77-0.34-3.251.630.414.033.34边跨四分点1.610.99-0.41-3.531.770.544.914.07中支点2.341.24-0.56-3.841.920.636.135.04中跨四分点0.761.17-0.34-3.751.880.364.173.57中跨跨中0.541.13-0.35-3.701.850.163.683.15

表3 桥面板滞后结合计算结果分析Table 3 Analysis of calculation results of bridge deck hysteresis combination MPa部位桥面板无滞后结合桥面板有滞后结合恒荷载徐变二次收缩二次成桥合计恒荷载徐变二次收缩二次成桥合计实施效果(成桥合计)边跨跨中1.35-0.531.472.29-0.35-0.061.471.06-1.23边跨四分点2.96-1.021.923.860.62-0.341.922.20-1.66中支点4.71-1.752.425.381.93-0.842.423.52-1.86中跨四分点-1.98-0.162.280.14-2.550.252.28-0.02-0.16中跨跨中-7.260.842.19-4.23-8.901.422.19-5.28-1.05 说明: “实施效果”一列数据为第二种方法的数据减去第一种方法的数据之差,表4同理。

表4 支点顶升法计算结果分析Table 4 Analysis of calculation results of pivot lifting method MPa部位未采用支点顶升法采用支点顶升法恒荷载徐变二次收缩二次成桥合计恒荷载徐变二次收缩二次成桥合计实施效果(成桥合计)边跨跨中-0.35-0.061.471.06-4.121.081.47-1.58-2.64边跨四分点0.62-0.341.922.20-4.581.311.92-1.35-3.55中支点1.93-0.842.423.52-4.221.342.42-0.46-3.98中跨四分点-2.550.252.28-0.02-5.451.662.28-1.51-1.49中跨跨中-8.901.422.19-5.28-11.602.732.19-6.68-1.40

图11 频遇组合桥面板应力计算结果

4 结语

钢混组合连续梁桥中支点负弯矩区的设计和施工，一直以来是组合结构工程实践中的关键问题。为提高组合梁负弯矩区桥面板抗裂性能，本文提出一种钢-UHPC-NC组合梁结构形式，即在传统钢混组合梁的基础上，负弯矩区域采用薄层超高性能混凝土(UHPC)替代部分普通混凝土(NC)。以主跨80 m钢混组合梁桥为背景，介绍了钢-UHPC-NC组合梁的构造特征，并借助有限元软件对该桥梁进行结构计算，重点分析了钢梁和桥面板在施工阶段和运营阶段的受力性能，主要得出如下结论：

a.施工阶段钢梁最大拉应力为148 MPa，最大压应力为-124 MPa，均小于Q345qD钢材强度设计值260 MPa，结构受力安全。

b.运营阶段钢梁最大拉应力为193 MPa，最大压应力为-178 MPa，均小于Q345qD钢材强度设计值260 MPa，结构受力安全。

c.通过调整桥面板的施工顺序，中支点位置桥面板拉应力可降低1.86 MPa；采用支点顶升法(位移量40 cm，约为主跨跨径的1/200)，中支点位置桥面板拉应力可降低3.98 MPa。

d.钢-UHPC-NC组合梁桥面板采用超高性能混凝土(UHPC)的区段顶缘最大拉应力为4.58 MPa，小于UHPC轴心抗拉强度设计值5.2 MPa，满足抗裂要求；桥面板采用普通混凝土(NC)的区段顶缘最大拉应力为2.72 MPa，最大裂缝宽度为0.07 mm，小于规范限值0.20 mm，满足抗裂要求。

e.采用钢-UHPC-NC组合梁，并结合采用其他抗裂措施，可以有效解决大跨径钢混组合连续梁桥负弯矩区桥面板开裂问题，本文研究成果可为后续类似工程提供参考。