UHPC应用于大跨径柔性桥梁的组合优化研究

张晓战

(安徽水利水电职业技术学院 市政与交通工程学院，合肥 230601)

正交异性钢板适用于强震区桥梁、城市桥梁、大跨径桥梁的桥面。常见的正交异性钢桥面板结构形式包括开口型和闭口型纵肋截面形式[1]。但这种桥面存在钢结构容易疲劳开裂和铺装非常容易遭到破坏的问题，将直接影响桥梁的使用周期和安全性能。针对钢桥面铺装层出现破损问题，目前常见的解决措施主要为优化铺装材料性能和铺装层的厚度，但这些方法不能从根本上避免铺装层出现损坏的现象[2]。对于钢结构最常见的疲劳开裂问题，使用最多的解决方式为优化钢结构的构造细节以及增加面板厚度的，但仍然没有从根本上杜绝疲劳开裂现象。超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete，UHPC)具备超高强度的抗压能力，被广泛应用于各类建筑工程材料中，该材料能够显著降低材料内部的微缝隙或者孔隙等缺陷[3]。针对这些问题，研究提出应用UHPC进行大跨径柔性桥梁的组合优化。

1 组合桥面有限元模型的建立

1.1 组合桥面疲劳设计

UHPC是一类具有超强韧性和极高耐久性的水泥基复合材料，它主要通过钢纤维、减水剂、细骨料、硅灰、水泥等成分构成。

普通混凝土和UHPC的主要耐久性和力学指标情况如表1所示。UHPC材料的抗压强度范围为150～230 MPa，它约是普通混凝土的3.5倍。UHPC材料的电阻率为1 126 kΩ·cm，它约是普通混凝土的123.5倍。UHPC材料的抗折强度范围为30～60 MPa，约是普通混凝土的12.5倍。UHPC材料的氯离子扩散系数为<0.01×10-11m2/s，是普通混凝土的1/100。UHPC材料的弹性模量范围为40～60 GPa，约是普通混凝土的1.2倍。

表1 普通混凝土和UHPC的力学指标情况

钢-UHPC轻型组合桥面结构如图1所示。这种结构首先经过栓钉连接好适用于钢桥面的UHPC层和钢桥面，然后完成UHPC层顶端沥青铺装层的铺设。铺装层和UHPC层的厚度范围分别为6～40 mm和35～60 mm。相较于传统钢桥面，钢-UHPC轻型组合桥面能够明显降低轮载环境下的钢桥面的疲劳应力，从而从根本上防止铺装层出现破损状况[4-5]。在前人对钢桥面的疲劳计算的基础上，研究首先确定正交异性钢桥面板典型的①～⑥6种疲劳细节。①是指U肋焊缝处顶板与面板纵向的裂缝；②是指面板焊缝和U肋的纵向裂缝；③是指横隔板交叉位置与U肋的纵肋腹肋的裂缝；④是指横隔板交叉位置和U肋的横隔板裂纹；⑤是指弧形切口位置的裂纹；⑥是指U肋下方位置和焊缝交叉位置的裂缝。

图1 钢-UHPC轻型组合桥面结构示意图

目前的钢桥面的疲劳验算方法主要有利用线性弹性断裂力学和面向Miner准则的S-N曲线的2种分析方法，但后者应用相对较少，研究选用前者。该分析方法主要涉及热点应力法和名义应力法。热点应力法通过疲劳裂纹发生点完成疲劳试验和细节评定，具备以下3大特点。S-N曲线数目和接头类型比较少，计算结果更为精准，不用依据焊趾的几何尺寸进行分析。名义应力法是一种目前国内外规范钢结构桥梁的普遍适用性方法，此方法通过对比结构承受的等效名义应力幅和该类接头的S-N曲线，从而判断结构构造的疲劳性能。研究采用的名义应力法，设置疲劳抗力分项系数为1.1，参照钢结构桥梁设计规范最终得到疲劳强度。钢桥面6个连接细节疲劳等级均为200万次，60.87 MPa，常幅疲劳极限均为500万次，44.35 MPa。

1.2 组合桥面有限元模型建立

研究以某大桥为例，该桥梁钢箱梁高和宽分别为3.01 m和35.6 m，U型肋纵厚度和高度分别为8 mm和262 mm，开口宽度314 mm。斜腹板和底板厚度为10 mm，顶板厚度为12 mm。钢箱梁每4 m设置一个横隔板，板厚8 mm，横隔板处有吊索桥则横隔板厚度为10 mm。研究利用钢-UHPC轻型组合桥面结构重新构建大桥模型，相应的设计方案如下所示。第一步清除铺装层；第二步焊接短剪力钉；第三步固定纵、横向钢筋并浇筑UHPC层。钢-UHPC轻型组合桥面结构有限元模型如图2所示。钢桥面桥梁通常分为3大体系，主梁体系、正交异性钢桥面板、盖板。第一体系中桥梁主梁的上翼缘为正交异性钢桥面，承担桥梁车辆的运营的荷载；第二体系承担桥面车轮荷载；第三体系承担车轮的局部荷载。钢桥的第一体系对钢桥疲劳细节①～⑤的影响可以忽略不计，研究仅考虑后两者对疲劳细节的效果。研究选用ANSYS有限元软件创建局部有限元分析模型。在完成建模的整个阶段中，吊索区段均向每边纵向伸长1个横隔板长度，进而实现横隔板模型构建。与此同时，模型横向利用半幅箱梁结构，忽略人洞风嘴等次要结构的影响，减少运算量，进而提高有限元分析速度。

图2 钢-UHPC轻型组合桥面结构有限元模型

ANSYS网格划分方法有常见的有映射和自由网格两种。研究选取前者，映射网格划分方法所获得的网格质量较好。针对所构建的模型拥有较大的规模，因此该模型通过细致化网格划分中车道区域，且通过粗糙网格划分其他区域[6-7]。中车道区域6个疲劳细节尺寸依次为6 mm、4 mm、4 mm、5 mm、10 mm、100 mm。UHPC厚度为0 mm时，节点数和单元数分别为1 161 717和1 171 430。UHPC厚度为45 mm时，节点数和单元数分别为2 060 034和1 785 312。UHPC厚度为60 mm时，节点数和单元数分别为2 060 034和1 785 312。依据第四版欧洲结构设计标准得到栓钉抗剪刚度，获取该短剪力栓钉的抗剪刚度是120 kN/mm。利用CONBIN单元建模并设置弹簧单元的横纵向刚度，进而实现横和纵桥向的抗剪性能。在UHPC下表面和竖向耦合钢面板两者节点处，完成钢面板和UHPC有效的有效连接。

有限元模型边界条件设置如下，在道路中心线截面处，设置X向为对称约束。在端横隔板截面处，设置Z向(纵向)和Y向(竖向)以及X向(横向)为平动自由度和转动自由度。在吊索位置，设置腹部端部为平动自由度。车道位置情况如图3(a)所示。疲劳荷载利用标准疲劳车型Ⅲ，如图3(b)所示。每轴质量为120 kN，且局部性钢桥面板应力分布较强，横纵向影响线有限，所以可以不计算多车辆效应。除此之外，标准疲劳车辆前后轴间距较大，所以研究忽视叠加效应，仅考虑后轴进行疲劳荷载[8-9]。依据正交异性钢桥面板的几何特性，荷载工况验算确定情况分为细节横向和纵向位置确定2个方面。对于细节横向位置确定的验算，细节的横桥向可以分为U形肋间、骑U形肋、正U形肋3种加载方式，纵桥向存在跨中和横隔板上方2种形式，车轮横向加载如图4(a)所示。分析6种荷载加载方式能够判断出各疲劳细节的最不利横向位置，为后续桥梁设计提供参考依据。

(a)车道位置

(b)标准疲劳车型图3 车道位置和标准疲劳车型Ⅲ示意图

对于细节纵向位置确定的验算如，在横隔板U形肋交互处和弧形切口的细节，3#横隔板是最不利位置。在盖板和U形肋交互处等细节，跨中有比较大的可能是最不利位置。在最大应力幅的情况下，设置跨中到纵向两端距离为0.1 m、0.2 m、0.4 m、0.7 m、1.0 m、2.0 m、4.0 m、6.0 m，总共17个典型截面完成加载，如图4(b)所示。同时，在距离3#横隔板距离也为0.1 m、0.2 m、0.4 m、0.7 m、1.0 m、2.0 m、4.0 m、6.0 m的17处典型截面完成负荷加载，如图4(c)所示。依据纵横向加载位置完成沿中车道的双联轴疲劳加载，最终依据泄水法获得UHPC不同厚度下6个细节的最大应力幅[10]。

(a)车轮横向位置示意图

(b)从跨中向西两侧逐渐稀疏布载的车轮纵向加载位置

(c)从3#横隔板向两侧逐渐稀疏布载的车轮纵向加载位置图4 车轮横向和纵向加载位置示意图

2 组合桥面参数分析

依据最大应力幅和6个典型疲劳细节应力计算方法，实验依次分析UHPC层厚度、剪力矩间距、横隔板厚度3个参数对应的组合桥面结构的疲劳性能情况。选取0 mm、45 mm、60 mm 3个类型的UHPC层厚度，设置10 mm、14 mm、16 mm 3个梯度的横隔板厚度，设置150 mm×150 mm和200 mm×200 mm 2种类型的剪力钉间距。钢材和UHPC层均按照线性弹性计算，钢材和UHPC的弹性模量设置为210 000 MPa和42 600 MPa，泊松比设置为0.3和0.2，密度设置为7 850和2 700。3种参数下疲劳细节1～6的最大应力幅度值如图5(a)、5(b)、6(a)、6(b)、7(a)、7(b)所示。

(a)不同参数下疲劳细节1最大应力幅度值

(b)不同参数下疲劳细节2最大应力幅度值图5 不同参数下疲劳细节1和2的最大应力幅度值

(a)不同参数下疲劳细节1最大应力幅度值

(b)不同参数下疲劳细节2最大应力幅度值图6 不同参数下疲劳细节3和4的最大应力幅度值

(a)不同参数下疲劳细节1最大应力幅度值

(b)不同参数下疲劳细节2最大应力幅度值图7 不同参数下疲劳细节5和6的最大应力幅度值

随着，钢桥面局部和整体刚度随着UHPC厚度的增加而不断增加。60 mm UHPC层钢桥面6大疲劳细节下降幅度相对于45 mm UHPC层更为显著下降趋势，依次约为25%、18%、18%、16.5%、10.8%、15%。这可能是因为增加UHPC的同时，大跨径柔性桥梁钢-UHPC轻型组合桥面的整体和局部刚度得到对应的提高，进而也降低同等负荷载重下6个疲劳细节的应力幅。同时，横隔板自身刚度和整体结构的刚度随着横隔板厚度的增加而呈现不断增加趋势。横隔板厚度从10 mm增厚到14 mm以及16 mm，疲劳细节4和5的应力幅下降范围在20%～29%，细节3最大应力幅增加幅度范围在5%～8%。优于疲劳细节4和5可能是位于横隔板上的细节，随着横隔板厚度的增加而应力幅会降低。同时疲劳细节3位于横隔板和纵肋交互处的纵肋腹板中，应力幅随着横隔板的增加而增加。

相对于细节1和细节2，逐渐增加横隔板厚度，相应的应力幅幅度变化范围分别约为5%～10%、1%。桥面局部刚度在轻型组合桥面结构优化后明显增加，但细节1和2的应力幅变化值非常小，波动范围为0.03～1.12 MPa。同时，疲劳细节6的应力幅随着横隔板厚度的增加缓慢降低，降低范围为0.27～2.79 MPa。横隔板厚度从10 mm增加至14 mm、16 mm，改变程度在1%左右。因此，细节6的疲劳性能可以不受到横隔板厚度的影响。

栓钉的疏密程度将会引起钢桥面疲劳细节的应力和应力幅的变化。当栓钉间距从150 mm增加至200 mm后，疲劳细节3、4、5的应力幅表现出明显增加的趋势，变化范围为9.21～23.41 MPa，增幅为22.01%～27.96%。而疲劳细节1、2、6的应力幅增加幅度非常低，可以完全忽视栓钉变疏对应力幅的影响。

3 结论

大型跨径柔性钢桥由于具备工期短、强度高、自重轻等特点受到广泛的应用，但随着使用期限的延长容易出现2大类典型的病害现象。联合UHPC分析其对大跨径柔性桥梁的组合优化下效果，同时建立6种疲劳细节下的有限元分析模型。通过钢-UHPC轻型组合桥面结构优化后，1和2细节的应力幅下降幅度为51%～91%，而其他细节为20%～57%。有7种钢-UHPC轻型组合桥面结构方案的所有疲劳细节符合疲劳强度设计需求。所有方案的细节1、2、6的最大应力幅均低于常幅疲劳极限，细节3、4、5的最大应力幅很难符合常幅疲劳极限。当UHPC层厚度、剪力矩间距、横隔板厚度分别为60 mm、150 mm×150 mm、16 mm，钢-UHPC轻型组合桥面结构中所有疲劳细节的最大疲劳应力幅均符合要求。受限于研究环境，后续需要针对具体病害完善有限元模型，以期达到更可行和实用的目的。