大跨度自锚式悬索桥钢-UHPC 轻型组合加劲梁构造设计研究

2023-11-10张欣李瑜刘勇

中外公路 2023年4期

张欣，李瑜，刘勇，2*

（1.湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南长沙 410219；2.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075）

0 引言

悬索桥是一种采用索塔悬挂缆索，缆索吊装桥面板作为上部承重结构的桥梁［1-4］。悬索桥传力简单、受力明确，结构柔美，在大跨度桥梁中得到了广泛应用［5-8］。随着结构设计理论的日趋成熟，新材料的发明使用，新型结构的验证采用，悬索桥应用得到了长足发展。在桥面板系中正交异性钢桥面板、钢-混凝土桥面板等新型桥面系因结构刚度大、行车舒适、抗风耐震性好，近年来在国内外得到广泛应用［9-11］。

在实际使用过程中，正交异性钢桥面易出现疲劳开裂问题［12-17］，钢-混凝土组合梁应用至悬索桥型中，因钢-混凝土组合主梁自重较大，引起悬索桥中索力加大，导致钢-混凝土组合梁经济跨径不大，而钢-混凝土组合主梁桥面板自身易开裂，影响桥梁整体结构的耐久性和安全性［18］。为解决传统桥面板系出现的以上问题，国内外学者提出采用超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）板解决方案，并进行了初步理论模拟及试验研究，并验证了其可行性［19-24］。

基于此，本文以益阳市青龙洲大桥为背景，提出3 种新型大跨度自锚式悬索桥钢-UHPC 轻型组合加劲梁形式。在详细介绍新型加劲梁方案的基础上，采用有限元分析和模型试验相结合的方法，对新型组合加劲梁的整体受力性能、桥面板抗弯、抗剪性能、接缝构造形式及经济性等方面进行具体分析，以期为大跨度自锚式悬索桥钢-UHPC 轻型组合加劲梁构造设计提供参考。

1 工程概况

益阳市青龙洲大桥北接白马山路延伸线，南接虎山路，横跨资江，为自锚式悬索桥，全长1 636 m，主跨跨径为（60+110+260+110+60）m=600 m。大桥立面布置图如图1 所示。

图1 益阳青龙洲大桥立面示意图（单位：m）

大桥按照双向六车道Ⅰ级公路标准建设，主线设计车速为80 km/h，匝道设计车速为30 km/h，设计洪水频率为三百年一遇，SW0.33%=42.00 m。通航标准为Ⅲ（3）级，单孔双向通航净宽×净高为110 m×10 m。最高通航水位SW5%=38.45 m，最低通航水位25.8 m。根据相关地震安评报告，大桥的地震动峰值加速度为0.05g，反应谱特征周期为0.35 s。

1.1 主塔及基础

长春镇侧、谢林港侧主塔的高度分别为84.344 m、88.344 m。塔柱横桥向尺寸为4.5 m，长春侧、谢林港侧顺桥向尺寸分别为5.5～6.5 m、5.500～6.547 m。承台尺寸为14.4 m×14.4 m×4.5 m。索塔基础为9 根D220 cm 桩基。

塔柱、横梁、塔座均采用C50 混凝土，承台桩基采用C30 混凝土。

1.2 缆吊系统

主缆采用28-127ϕ5.1 高强热镀锌平行钢丝，吊索采用成品钢绞线吊索，边吊索采用29ϕs15.2，其余采用15～19ϕs15.2，主索鞍、散索套和索夹采用全铸结构。

1.3 钢-UHPC 组合加劲梁

UHPC 是一种具有超高韧性的纤维增强水泥基复合材料，其抗压性能超过150 MPa，直接抗拉强度可达5 MPa 以上，并具有应变硬化特性。UHPC 颗粒级配更加优化，基体密实凝胶材料含量更高，空隙进一步减少，阻挡了有害物质的侵蚀，耐久性得到提升。

主梁采用UHPC 桥面组合钢箱梁，其中设两道钢边纵梁，边纵梁通过横隔板连接。此主梁结构高3.6 m（组合梁中心线处），钢梁梁高3.38 m。全桥底板水平布置，顶板随桥面采用2%横坡。此外，预制桥面板厚0.22 m，桥面铺装采用5 cm 厚沥青（图2）。

图2 钢-UHPC 轻型组合梁截面图（单位：mm）

2 青龙洲大桥加劲梁设计关键技术

2.1 钢-UHPC 轻型组合梁板肋结构方案比选

青龙洲大桥每个节段长度为10.5 m，宽36.5 m，双向六车道，横隔板间距为3.5 m，青龙洲大桥桥面板相比传统混凝土梁或钢-混凝土组合梁薄50%以上，为增加桥面抗弯惯性矩、增大稳定性、减小汽车荷载带来的局部效应，UHPC 桥面板应采用加肋形式。

主要比选的UHPC 带肋板设计方案有3 种：①方案1 为UHPC 华夫板，桥面板为8 cm 厚UHPC 配筋板，板下即带有纵肋（间距65 cm）与横肋（68 cm），纵肋高14 cm，宽18 cm；②方案2 为带有钢板条的UHPC 华夫板，桥面板为8 cm 厚UHPC 配筋板，板下带有纵肋（间距65 cm）与横肋（68 cm），其中纵肋底面带有8 mm 厚的钢板条；③方案3 为UHPC 纵肋板，即取消了横肋，只有纵肋（间距为65 cm），其中纵肋底部带有8 mm 厚的钢板条，面板厚8 cm，纵肋高14 cm，纵肋宽18 cm。为比选两种方案，分别建立Midas 主梁整桥有限元模型，如图3 所示。模型主要荷载：UHPC 体积质量为28 kN/m3，桥面荷载均简化为线荷载，汽车荷载采用车道荷载，集中力为360 kN，均布荷载为10.5 kN/m，局部冲击系数为0.3。

图3 益阳市青龙洲大桥有限元模型

提取主要控制截面拉应力计算结果整理如表1所示。

表1 主要控制截面拉应力有限元结果

由表1 可知：与不带钢板条的华夫板（方案1）相比，带有钢板条的华夫板（方案2）的纵肋底部、面板底部主拉应力及跨中挠度分别降低42%、7.8%、18%，但横肋底部主拉应力增加了21%；与UHPC 华夫板（方案1）相比，UHPC 纵肋板（方案3）的纵肋底部主拉应力降低5.56 MPa，面板底部主拉应力仅增加0.826 MPa，面板顶部主拉应力增加0.148 MPa，跨中挠度减小0.17 mm。说明带钢板条的方案2 拥有更高的抗弯刚度，取消横肋后UHPC 板开裂风险更低，综合对比可知：方案3 为最优方案。

2.2 桥面板纵肋抗弯剪性能试验

2.2.1 桥面板纵肋配筋方案

基于前期有限元模型计算结果，选取UHPC 纵肋板作为青龙洲大桥桥面板加肋形式，青龙洲大桥钢-UHPC 纵肋板内配筋形式也有多种，设计中主要对比了两种配筋方案：方案1 为肋内无腹筋，底部配置2 根受力钢筋，通过箍筋组合成为一整体，如图4（a）所示；方案2 为长栓钉深入板肋内，底部配置钢板条，使用长栓钉兼做箍筋不再单独配置箍筋，如图4（b）所示。

图4 纵肋配筋形式

2.2.2 桥面板纵肋试验模型

针对两种配筋方案，从青龙洲大桥主梁中选取单根纵肋的标准节段制作条带模型，开展足尺桥面板纵肋试验模型受力性能静载试验。

试验梁总长370 cm，计算跨径为横隔板间距350 cm，模型宽70 cm，模型总高22 cm，面板厚8 cm，纵肋高14 cm，宽18 cm，试验梁按照实际桥梁配筋情况配置纵横向钢筋，所有钢筋等级均为HRB400。制成的试验试件如图5 所示。

图5 UHPC 桥面板足尺试验试件

UHPC 桥面板纵肋抗弯试验采用四点加载，通过两次分配将荷载均匀加载到构件中，分配梁试验梁按照简支约束边界，UHPC 桥面板底部约束模拟为简支约束。加载装置纯弯段约为1.5 m。试验加载装置如图6 所示，试验中选取10 个测点记录试件的竖向位移，并在试验过程中详细记录裂缝的长度、宽度开展情况。

图6 UHPC 桥面板试验加载系统

2.2.3 桥面板纵肋试验结果

已有文献表明，UHPC 表面裂缝允许达到0.05 mm，结构出现小于0.05 mm 的裂缝对UHPC 性能无影响，对其长期耐久性也无任何影响。因此在试验中采用裂缝宽度达到0.05 mm 为正常使用极限状态的加载条件，反推UHPC 板的抗弯、抗裂性能。

试验中表面裂缝达到0.05 mm 时加载工况对应的无腹筋UHPC 纵肋最大主拉应力为19.4 MPa，带钢板的UHPC 纵肋最大主拉应力可达44.1 MPa，可认为正常使用极限状态下，无腹筋UHPC 纵肋板及带钢板的UHPC 纵肋能承受的最大主拉应力分别为19.4 MPa、44.1 MPa，有限元模型计算出的实桥最大主拉应力分别为13.72 MPa、8.16 MPa。将主要结果汇总于图7，抗裂安全储备可达1.41 倍、5.4 倍，显著降低了桥面板开裂风险。

图7 不同纵肋方案主拉应力

2.2.4 UHPC 桥面板纵肋抗剪性能

国内外文献及规范表明：UHPC 桥面板抗剪承载力主要来源于基体、纤维、箍筋3 部分。青龙洲大桥设计中单条抗剪设计方案亦采用了抗弯设计中的两个方案（图4）。

计算得到无腹筋单条UHPC 纵肋、长栓钉带钢板单条UHPC 纵肋抗剪承载力分别可达232 kN、336 kN，通过有限元模型计算出的实桥承载能力组合剪力值为170 kN，两种方案均可满足设计需要，长栓钉带钢板UHPC 板抗剪承载力较普通无腹筋构件提升44.8%。

2.3 UHPC 桥面板新型接缝受力性能

2.3.1 新型接缝构造设计

青龙洲大桥UHPC 桥面板在横隔板处采用了新型T 形接缝如图8 所示。

图8 横隔板处T 形接缝示意图

钢横隔板位置处会出现高拉应力区、低拉应力区，如图9 所示。

图9 T 形接缝应力分布

以往设计中在接缝处高拉应力区易出现纤维不连续的薄弱环节，青龙洲大桥采用的新型T 形接缝强化了易开裂截面，将薄弱面设置在低应力区，避免在高拉应力区出现断缝，并阻滞现浇UHPC 收缩，避免界面出现收缩裂缝及渗透漏水等病害。通过剪力钉增强现浇UHPC 与钢梁的连接作用，合理预留钢筋，实现桥面板零焊接。实际预留接缝槽如图10所示。