双主梁钢板组合梁UHPC接缝设计和计算分析

朱三平， 胡伟业

(1.温州市交通发展集团有限公司， 浙江 温州 325003； 2.浙江数智交院科技股份有限公司， 杭州 310030)

钢-混凝土组合梁因可充分发挥钢材受拉、混凝土受压的优势而得以发展，具有强度高、塑性好、刚度大及经济适用等特点[1-2]。其中，钢板组合梁构造简单、制造方便、用钢量省、全寿命周期性能优异、绿色环保，可有效提升公路桥梁的建设品质，在中小跨径桥梁中应用广泛，但存在负弯矩区混凝土板易开裂的难题。目前常用的改善技术措施包括：加密钢筋、采用抗裂混凝土、纵向预应力技术、顶升支点、优化施工工艺、中跨压重等，但上述措施仍存在如对钢主梁造成不利影响、降低混凝土浇筑质量、增大现场施工作业量及成本等[3]一些不足。

随着新材料的不断涌现、发展、应用，为双主梁组合梁负弯矩区桥面板的开裂控制提供了新的解决思路。超高性能混凝土UHPC是一种新型材料，通常指抗压强度大于120 MPa的纤维水泥基复合材料，主材由硅灰、水泥、细集料及钢纤维等组成，并按最大密实度理论，使得组合后的新材料内部的缺陷(孔隙与微裂缝)减至最小而形成的复合材料。因其具有超高强度、超高韧性和超长耐久性等优异性能[4-7]，在国内外桥梁工程领域逐渐得到推广应用。据不完全统计，截止2019年底，全球约有1 000座桥梁的主结构或部分结构采用了UHPC材料。

针对组合梁负弯矩区桥面板易开裂的顽疾，采用UHPC材料的湿接缝方案，旨在实现下列工程目标：1) 通过UHPC强化组合梁连接节点，将普通混凝土NC(Normal Concrete)横向湿接缝变为UHPC湿接缝，利用UHPC优异的抗拉性能，使负弯矩混凝土配筋实现与正弯矩混凝土相同，以期大幅降低配筋率；2) 利用UHPC与钢筋优异的粘结性能，湿接缝钢筋仅需满足4倍钢筋直径的锚固长度即可[8]，无需环形钢筋，无需焊接，只需搭接即可，节约工时；3) UHPC与NC粘结性能良好，二者界面粘接强度高[9]，界面不易出现开裂、渗水等病害。

本文结合瑞苍高速公路龙港西互通主线桥工程实践，对钢板组合梁桥负弯矩区UHPC接缝方案的设计要点及其受力性能进行分析，旨在为该工程的实践提供技术支持。

1 UHPC接缝方案设计

1.1 工程概况

瑞苍高速公路(龙丽温至甬台温复线联络线工程)位于浙江省温州市，起点于瑞安市高楼镇，接龙丽温高速公路文瑞段，向东南经瑞安、平阳、龙港、苍南4个县市，终点为苍南县钱库镇，在尤家园设枢纽与甬台温复线高速公路相接，主线全长约52.569 km。

龙港西互通主线桥全长1 318 m，第17联拟采用双主梁体系钢板组合连续梁方案，如图1所示。跨径布置为4×35 m，设计汽车荷载等级为公路-Ⅰ级，设计基准期为100年，设计速度为100 km/h，设计安全等级为一级。桥宽2×12.5 m，桥梁按整体式设计，单幅桥宽12.5 m。

(a) 纵向布置

(b) 标准横断面

组合梁采用预制混凝土桥面板，横向采用全宽预制。桥面板上预留挖槽，在挖槽处的钢梁上翼缘和湿接缝处设置剪力钉，通过后浇混凝土与钢梁连接。桥面板横向变厚度，支点处混凝土桥面板厚0.40 m，悬臂处板厚为0.25 m，钢梁之间板厚0.25 m。下部钢主梁采用Q345D工字形直腹板钢梁，高为175 cm，主梁间距6.75 m。主梁之间采用横梁加强横向联系，跨内中横梁为小横梁，支点中横梁为加强小横梁，支点端横梁为大横梁。

1.2 接缝方案设计

1) UHPC接缝方案

从国内外研究来看，组合梁负弯矩区UHPC湿接缝技术较新颖，材料指标较好，可解决组合梁负弯矩区混凝土开裂问题。UHPC理论研究基本成熟，国外应用较多，国内基本具备工程可行性。

组合梁负弯矩区现浇UHPC湿接缝采用“T型”结构方案，如图2(a)所示。“T型”接缝现浇UHPC，上部纵桥向长度为7 m，高度为0.1 m，单层纵向钢筋直径20 mm，横向间距12 cm，搭接长度为0.5 m，采用绑扎接头；下部纵桥向长度为0.35 m，高度为0.15 m～0.3 m，单层纵向钢筋直径20 mm，横向间隔6 cm交错布置，重叠长度为0.25 m。接缝UHPC材料的组分为：水泥、石英砂、石英粉、硅灰、粉煤灰、钢纤维、高效减水剂等。水胶比为0.2，钢纤维采用直径0.12 mm、长度8 mm的直线型纤维，体积掺量为2.5%。

2) NC湿接缝方案

常规的微膨胀NC湿接缝方案(简称“常规方案”)如图2(b)所示。在中墩顶预制桥面板之间设置0.35 m的横向湿接缝，浇筑C50微膨胀混凝土。接缝中间隔12 cm布设直径25 mm纵向环形钢筋，均采用焊接。

3) 2种方案对比分析

(1) 使用耐久性：已有试验及工程实践表明[9-10]，UHPC耐久性较好，与NC界面粘接强度高，基本无后期维护成本；常规方案中微膨胀NC相较UHPC，抗拉强度较低，耐久性较差，后期需维护[4,11]。(2) 施工难易性：UHPC层内钢筋仅需绑扎，无焊接量，且UHPC早期强度高，可实现快速化施工；常规方案纵向环形钢筋均需焊接，单幅桥单个墩顶焊接量总计62.4 m，现场施工复杂，施工速度较慢。

(1) C大样图(接缝上层纵向钢筋布置示意)

(2) D大样图(接缝下层纵向钢筋布置示意)

(b) 常规NC接缝方案

综上分析，UHPC湿接缝方案较常规方案的耐久性好、现场无需焊接、施工便捷。

2 静力计算分析

为验证双主梁组合梁负弯矩区UHPC接缝的受力性能是否满足工程要求，采用Midas有限元软件建立全桥梁格模型，组合梁截面形成过程采用施工阶段联合截面模拟。

2.1 材料参数及荷载取值

根据规范及文献[12-14]，模型各材料取值见表1。

表1 各材料参数取值

荷载考虑自重、二期恒载、汽车荷载、温度荷载、支座沉降及收缩徐变等，并按规范[15]进行取值及荷载组合。

2.2 建立有限元模型

全桥梁格模型共238个单元及158个节点，有限元模型如图3所示。采用一般支承模拟实桥的边界条件，5号支座约束三向线位移；6号支座约束纵向、竖向线位移；1、3、7、9号支座约束横向、竖向线位移；2、4、8、10号支座约束竖向线位移。有限元模型中各材料只定义弹性段的“应力-应变”本构关系，参数取值见表1。根据实际施工过程进行施工阶段定义，具体步骤为：1) 架设4跨钢主梁，形成钢梁的连续体系；2) 架设混凝土桥面板，此时混凝土桥面板作为荷载，不参与受力；3) 混凝土桥面板与钢梁结合，形成组合梁；4) 施工二期铺装及护栏；5) 10年收缩徐变。

图3 整体计算有限元模型

2.3 计算结果分析

1) 支点负弯矩区抗弯承载能力

(1) 钢梁应力验算

承载能力极限状态基本组合下，钢梁上翼缘最大拉应力、下翼缘最大压应力如图4所示，负弯矩区最大拉应力为211.6 MPa，最大压应力为224.5 MPa，考虑1.1倍结构重要性系数后均小于规范限值270 MPa[12]，故负弯矩区钢梁的抗弯承载能力满足要求。

(a) 钢梁上翼缘最大拉应力

(b) 钢梁下翼缘最大压应力

(2) 钢筋应力验算

基本组合作用下，负弯矩区钢筋拉应力可根据规范[16]，由公式(1)计算可得。

(1)

式中：σ0为钢筋应力；M为基本组合下截面弯矩，取28 135.9 kN·m；yr为纵向钢筋形心距开裂截面中性轴距离，取884.4 mm；Icr为开裂截面惯性矩，取 1.51×1011mm4。需要说明的是，实际应用中UHPC开裂后仍参与受力，可减小钢筋应力，计算中若偏保守，可不考虑UHPC开裂后的受拉作用。

由式(1)计算得出负弯矩区钢筋的最大拉应力为164.8 MPa，考虑1.1倍结构重要性系数后小于允许应力330 MPa[13]，满足设计要求。

2) 桥面板抗裂验算

全桥有限元计算可得频遇组合下图2(a)截面A、B处负弯矩大小分别为21 174.2 kN·m、17 008.1 kN·m。UHPC-NC交界面截面B桥面板按全NC型式计算，可根据我国规范[13,16]，由式(1)、(2)计算B处NC裂缝宽度。墩顶截面A桥面板按全UHPC型式计算，可根据法国UHPC结构设计规范[17]，由式(3)计算A处UHPC裂缝宽度。

(2)

ωt=Sr,max,f(εsm,f-εcm,f)

(3)

式中：C1为钢筋表面形状系数，取1；C2为长期效应影响系数，取1.5；C3为构件受力性质相关系数，取1.2；Es为钢筋弹性模量，取200 GPa；c为保护层厚度，取30 mm；d为钢筋直径，取20 mm；ρtc为配筋率，取0.035；Sr,max,f为最大裂缝间距；εsm,f-εcm,f为裂缝间钢筋与UHPC的应变差。

C50裂缝宽度按0.2 mm控制[13]，UHPC裂缝宽度按0.05 mm控制[18]。由表2可知，裂缝宽度均小于限值，抗裂性能满足要求。

表2 关键截面裂缝宽度计算结果

3 UHPC桥面板疲劳验算

根据《超高性能轻型组合桥面结构技术规程》(GDJTG/T A02—2015)[19](简称《技术规程》)第5.4.1条及5.4.5条规定，对负弯矩区UHPC现浇接缝进行疲劳验算时，应采用名义应力法，应力按弹性状态计算。

3.1 疲劳荷载计算模型

为精细化验算双主梁组合梁UHPC接缝的实际疲劳性能，建立全桥有限元模型，该模型NC预制桥面板及UHPC现浇接缝采用实体单元，钢梁采用壳单元。有限元模型如图5所示。模型采用映射网格划分，材料参数按表1选取，有限元模型边界条件与全桥Midas模型相同。

图5 UHPC接缝疲劳分析有限元模型

汽车轮载加载模式参照《技术规程》[19]中的单辆车荷载进行，冲击系数为1.3。由于两中轴间的距离为6 m，前后二轴间的荷载相互叠加效应可忽略，在加载时仅取用2根后轴进行加载。不考虑10 cm沥青铺装层按45°角对车轮荷载的扩散作用，车轮荷载施加到桥面板顶面的宽度和长度按0.6 m×0.2 m取值。横向轮载布置考虑2种工况：1) 左右车轮关于单个钢主梁腹板对称(记为工况1)；2) 左右车轮关于桥面板中心对称(记为工况2)。

3.2 疲劳验算结果

1) 规范法

根据《技术规程》[19]，UHPC桥面板的疲劳强度应符合以下规定：

UHPC桥面板(含接缝)的疲劳强度以容许等效最大应力水平定义，其中容许等效最大应力水平是指UHPC桥面板的等效最大名义应力与其静力名义弯拉应力容许值之比。200万次疲劳寿命时UHPC的容许等效最大应力水平为0.51。疲劳验算时，UHPC的设计等效最大应力水平应按照下式计算：

(4)

式中：UHPC中的最大应力水平Smax=σmax/fflexure,d；UHPC中的最小应力水平Smin=σmin/fflexure,d；fflexure,d为配筋UHPC的名义疲劳弯拉应力允许值。

配筋UHPC接缝的名义疲劳弯拉应力允许值fflexure,d可通过式(5)计算得到。

fflexure,d=a×[σ]

(5)

式中：a为容许等效最大应力水平，根据《技术规程》[19]取0.51；[σ]为配筋UHPC接缝的静力名义弯拉应力容许值。

根据法国UHPC结构设计规范[17]，可计算得到裂缝宽度0.05 mm对应的UHPC接缝桥面板的名义弯拉应力为10.6 MPa，为本节配筋UHPC接缝的的静力名义弯拉应力容许值[σ]，则配筋UHPC的名义疲劳弯拉应力允许值fflexure,d=0.51×10.6=5.406 MPa。

2) 有限元法

在上述2种工况下，数值计算结果如图6所示。轮载作用下，UHPC接缝顶面出现纵向拉应力。工况1，最大纵向拉应力为1.921 MPa，位于钢主梁腹板处的桥面板顶面；工况2，最大纵向拉应力出现在关于道路中心线对称的桥面板顶面，为2.526 MPa，故UHPC接缝最大纵向拉应力为2.526 MPa。

(a) 工况1

(b) 工况2

负弯矩区UHPC接缝中的最大应力水平Smax：

设计等效最大应力水平小于《技术规程》[19]的容许值0.51，故UHPC接缝的疲劳验算满足设计要求。

4 结论

1) UHPC现浇接缝方案为解决双主梁组合梁负弯矩区桥面板开裂问题提供了新思路，技术可行。

2) 负弯矩区桥面板内可与正弯矩区配置直径20 mm的同种纵向主筋、UHPC接缝内钢筋绑扎连接即可，利于装配化快速施工，节约了工期。

3) 双主梁组合梁UHPC接缝的承载能力、抗裂性能及UHPC桥面板疲劳性能均可满足规范要求，安全性能良好。