GFRP-混凝土-钢组合连续梁桥设计

何晓晖，代 亮，陈宜言

（深圳市市政设计研究院有限公司，广东 深圳 518029）

1 概述

合肥市郎溪路工程段E匝道第二联桥跨径组合为（25+35+25）m，该桥上部结构采用GFRP-混凝土-钢组合结构，桥梁立面布置如图1所示。该桥是国内首次采用GFRP-混凝土组合桥面板作为钢-混凝土组合梁桥桥面板的桥梁结构。在施工阶段，GFRP板作为永久性模板使用；在使用阶段，GFRP板可部分代替桥面板底层横向钢筋承受桥上活载作用。在结构受力方面，对于横桥向正弯矩区，GFRP板位于底层受拉区，混凝土位于顶部受压区，充分发挥了两种材料的受力优点。在耐久性方面，处于桥面板底层以及侧壁的GFRP板将对混凝土起到保护作用，避免混凝土碳化和钢筋锈蚀作用，提高混凝土桥面板的疲劳性能，进而提高桥面板结构的耐久性，并间接提升组合梁桥的有效服务寿命。此外，在纵桥向混凝土与钢梁通过栓钉连接，形成组合作用，钢梁以受拉为主，GFRP-混凝土桥面板以受压为主，受力明确。整个结构具有新颖性和创新性。

桥面宽度8.5 m，具体布置为0.5 m（护栏）+3.75 m（车道）+3.75 m（车道）+0.5 m（护栏）。桥梁的截面形式为GFRP+混凝土+钢梁的形式，箱梁截面如图2所示，GFRP板如图3所示。

2 全桥整体计算分析

2.1 整体模型

采用midas/Civil软件建立全桥整体模型，根据荷载工况组合以确定组合桥面板最不利受力截面位置，建模时考虑以下五个施工阶段：

（1）建立临时支撑和永久支撑，架设钢梁。

（2）浇筑混凝土。

（3）混凝土达到强度后进行预应力张拉。

（4）拆除临时支撑。

（5）施加二期恒载。

整体模型如图4所示。

2.2 恒载

桥梁一期恒载为桥梁自重，桥面板采用C50无收缩混凝土，钢梁材质为Q345C，GFRP板的厚度为6 mm。桥梁每延米质量为9.624 t。二期恒载包括铺装层和护栏，铺装层厚度为0.22 m，护栏按照15 kN/m计算。

2.3 活载

荷载等级：公路-Ⅰ级。活载最不利布载位置包含两部分内容：第一部分为桥梁纵向最不利布载位置；第二部分为桥梁横向最不利布载位置。桥面板横向最不利布载又细分为两种工况：一种为桥面板箱梁顶板跨中正弯矩的最不利布载；另一种为悬臂板根部的负弯矩最不利布载。

2.4 荷载组合

荷载组合取标准组合，即1.0×一期恒载+1.0×二期恒载+1.0×预应力+1.0×车辆荷载（考虑车辆冲击），选取弯矩图如图5所示。

图1 桥梁立面构造图（单位：mm）

图2 标准横截面图（单位：mm）

图3 GFRP板构造图（单位：mm）

图4 全桥整体模型

图5 标准组合弯矩图（单位：kN·m）

3 实体有限元局部分析

3.1 节段选取

分别选取中跨跨中处和中支点处，中跨跨中是最大正弯矩段，中支点为最大负弯矩段。根据整体模型的计算结果，拟定局部模型长度尺寸。跨中段选取25 m长度，可以布置整车模型，其中实体板壳单元模型长度为9 m。中支点段选取10.2 m长度，其中实体板壳单元模型长度为10 m，如图6所示。局部模型所用到的边界条件选用整体计算模型中的几何边界条件和内力边界条件。

图6 局部模型示意图（单位：cm）

3.2 局部模型建立

局部模型采用ANSYS有限元软件建模分析，混凝土桥面板采用Solid65实体单元，钢梁采用Shell43壳单元，GFRP槽板采用Shell181壳单元，不考虑材料非线性的影响。

提取整体模型相应节段端部的内力结果（轴力、剪力、弯矩等）和几何边界条件（位移、转角等）。整体模型中的内力值是针对截面形心处的内力，该内力值无法直接施加于板壳实体模型截断处，必须采用等效静力的原则施加。为此板壳实体模型断面形心处建立与该截面相同的梁单元，并将梁单元的一端节点与板壳实体模型截断面处的所有节点耦合，在该梁单元的另一端节点施加从全桥模型提取出的内力结果（见图7）。

图7 局部实体计算模型

3.3 组合梁控制截面车辆布载

局部模型荷载组合选用荷载标准组合，车辆布载按照最不利情况布载，具体描述见表1。

表1 控制截面车辆布载情况汇总

3.4 主要计算结果

根据圣维南原理，计算结果提取局部模型控制截面1～3 m范围处的数据，中跨跨中选取3 m长度和中支点选取2 m长度。计算结果负值为压应力，正值为拉应力。

3.4.1 中跨跨中箱梁顶板跨中计算结果

混凝土板底面的横向应力最大值为-0.21 MPa，混凝土桥面板顶面的横向应力最大值为-4.99 MPa（见图 8）。

图8 中跨跨中桥面板横向应力图（单位：Pa）

3.4.2 中跨跨中悬臂根部计算结果

混凝土板底面的横向应力最大值为0.16 MPa，混凝土板顶面的横向应力最大值为-4.44 MPa（见图 9）。

图9 中跨跨中悬臂根部横向应力图（单位：Pa）

3.4.3 中支点段箱梁顶板跨中计算结果

混凝土板底面的横向应力最大值为0.78 MPa，混凝土板顶面的横向应力最大值为-4.12 MPa（见图 10）。

图10 中支点桥面板横向应力图（单位：Pa）

3.4.4 中支点段悬臂根部计算结果

混凝土板底面的横向应力最大值为-4.49 MPa，混凝土板顶面的横向应力最大值为1.74 MPa（见图 11）。

图11 中支点段混凝土横向应力图（单位：Pa）

由上述分析可知，桥面板的横向受力受到结构空间效应和边界条件的影响：

（1）结构空间效应。箱室内的横隔板让桥面板表现出双向板的受力性质，横向受力后，不仅横向板条分担弯矩，而且纵向板条也要分担相当比例的弯矩；同样，纵向受力后，横向和纵向板条共同分担弯矩。

（2）边界条件。钢箱梁下方设置支座，相当于加强了桥面板的竖向约束，桥面板更多地承受横向受力。在没有设置支座的节段，桥面板和钢箱梁作为整体协同受力，桥面板的横向受力是两者叠加的结果。以桥面板承受对称荷载为例，说明箱梁顶板的受力表现在中跨中段，GFRP-混凝土-钢组合梁作为整体承受横向力，GFRP-混凝土组合桥面板承受压应力，钢箱梁承受拉应力。中支点处存在底部支座，桥面板的竖向约束加强，因此桥面板顶部承受压应力，底部承受拉应力。

4 结语

（1）GFRP-混凝土组合桥面板具有良好的抗疲劳性，可以有效抵抗受拉引起的疲劳问题。从桥梁的控制断面应力分析来看，桥面板会承受拉应力。实桥的桥面板底部应力数值远小于试件疲劳加载下限应力，可有效抵抗桥面板受拉循环引起的疲劳问题。

（2）GFRP作为底板可以提高桥面板的耐久性。在中支点附近施加车辆荷载后，传统桥面板下部的混凝土会出现开裂风险。使用GFRP板作为底板后，可以包裹住混凝土，使得钢筋和混凝土免受侵蚀，有效提高桥梁的耐久性。

（3）GFRP-混凝土-钢组合连续梁结构具有自重轻、抗震性能好、结构抗裂性和整体性能优异的优点，具备很好的应用前景和推广价值。