负弯矩区采用UHPC的钢-混组合小箱梁力学性能研究

熊 伟 唐文元 聂立力

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司 武汉 430010)

装配式组合桥梁结构是我国桥梁建设领域的重要发展方向，其中装配式钢-混凝土组合梁可充分利用钢材受拉的性能、混凝土受压的性能[1-3]。但在负弯矩区域会产生混凝土受拉、钢梁受压的不利情况。由于混凝土材料抗拉强度低，墩顶负弯矩区桥面板在荷载作用下开裂风险高，成为连续组合梁桥中最薄弱的部位，是影响组合梁桥耐久性、限制组合梁桥推广应用的关键技术难题。

为解决这一技术难题，国内外学者对此开展了一系列的研究，主要从提高桥面板配筋率以限制裂缝、施加纵向预应力或体外预应力以提高负弯矩区混凝土的抗裂性、调整混凝土浇筑顺序以减小混凝土桥面板的拉应力、采用抗拔不抗剪栓钉技术降低混凝土板的拉应力，以及施工时顶落支点以施加部分预应力等方面来降低负弯矩区混凝土板开裂风险。

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)作为一种新型水泥基复合材料,近年来在桥梁工程领域得到快速推广[4-7]。利用最大堆积密度和掺入纤维使得UHPC具备超高抗压强度和抗拉强度[8-10]，这些优越的力学性能为消除钢-混组合连续梁桥中墩墩顶负弯矩区混凝土的开裂风险提供了可能性[11]。以UHPC为基础，本文提出了一种简支变连续组合梁墩顶负弯矩区UHPC“T形”接缝方案。介绍负弯矩区接缝的构造方案比选和UHPC“T形”接缝设计，利用midas软件建立钢-混组合小箱梁全桥梁格模型，并进行1∶2的缩尺模型纵向抗弯性能试验。

1 工程背景

107国道武汉市东西湖段快速化改造工程K22+900-K29+617标准跨径30 m主梁采用钢-混叠合小箱梁，四跨一联，先简支后结构连续体系。主梁采用钢-混组合小箱梁，为多片钢槽梁与混凝土板组合结构，横向共设10片钢槽梁，钢槽梁横向间距3.3 m。运输、吊装便捷，钢槽梁之间只在桥墩位置设置横向联系隔板，增强整体性，其余位置不设置横向联系，只依靠混凝土桥面板来横向分配荷载。

2 UHPC“T形”接缝

2.1 接缝构造方案比选

目前，钢-混组合梁负弯矩区常规处理方案包括施加预应力和加密配筋，以使混凝土板在负弯矩产生的拉应力状态下裂缝宽度控制在可接受范围内。表1列举了预应力组合梁、普通组合梁和采用UHPC等3种方案在安全性、经济性、耐久性，以及施工难易程度方面的对比。UHPC材料性能优异，若在连续组合梁桥负弯矩区应用UHPC，可缩减接缝宽度并取消现场钢筋焊接；提高负弯矩区桥面板的抗裂性能；此外，简化现场施工工艺和减小现场作业量；UHPC耐久性较好，基本无后期维护成本。

表1 负弯矩区方案对比

2.2 新型接缝构造设计

结合背景工程钢-混组合小箱梁的构造特点，为消除墩顶负弯矩区混凝土的开裂风险，提高连续组合结构桥梁的耐久性，本文提出了一种钢-混组合小箱梁负弯矩区“T形” UHPC湿接缝构造方案(见图1)，“T形”接缝下台阶宽为a，上台阶宽延伸至b。

设置“T形”接缝的主要目的有2个：①通过T形接缝上台阶将UHPC纤维不连续的薄弱面及普通混凝土板区域置于低拉应力区甚至是无拉应力区；②通过预制普通混凝土桥面板的槽口构造阻滞现浇UHPC收缩，避免新旧混凝土界面出现收缩裂缝。

图1 组合梁墩顶负弯矩区构造示意

利用桥梁计算软件midas Civil对未设UHPC接缝的初步设计结构建立有限元整体计算模型，得到频遇组合下负弯矩区的墩顶及距墩顶1～4 m处截面的弯矩值和轴力值，见表2。

表2 负弯矩区不同截面的内力

利用JTG 3362-2018 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》以及NF P 18-710 2016 《法国UHPC结构设计规范》，对C50接缝方案和UHPC接缝构造进行设计与定性分析。

1) C50接缝方案。接缝采用C50混凝土，桥面板厚度为22 cm，负弯矩区采用普通栓钉，上、下层纵向钢筋保护层厚46 mm，C50接缝方案不同配筋下的裂缝宽度见表3。

表3 C50接缝的裂缝宽度 mm

2) UHPC接缝方案。接缝采用UHPC材料，28 d立方体抗压强度为119.4 MPa，抗折强度为20.2 MPa。桥面板厚度为22 cm，负弯矩区为8 cm UHPC+14 cm C50，a=2.0 m，b=6.0 m，负弯矩区采用普通栓钉，上、下层纵向钢筋保护层厚46 mm。UHPC接缝方案不同配筋下的裂缝宽度见表4。

表4 UHPC接缝的裂缝宽度 mm

根据表3和表4结果表明，与C50接缝相比，“T形”UHPC接缝具有明显的优势，可以更好地控制裂缝宽度，较少使用钢筋用量。综合考虑结构安全性与经济性，将“T形”UHPC接缝中的槽口的关键尺寸初步拟定为：a=2.0 m，b=6.0 m，负弯矩区UHPC厚8 cm；钢筋上层28 mm，下层25 mm方案，间距100 mm。

对钢-混组合小箱梁负弯矩区横向接缝的钢筋进行初步布置，上层采用28 mm钢筋，下层采用25 mm钢筋，间距与混凝土板内钢筋一致，横向采用双层16 mm配筋，间距100 mm，横向钢筋布置于纵向钢筋外侧，上、下层横向钢筋净保护层厚30 mm。上述钢筋均为HRB400钢筋。

根据上述初步拟定的“T形”接缝构造和纵向钢筋的布置，同时结合全桥整体有限元计算结果，计算得到正常使用极限状态下各关键截面的UHPC和C50桥面板的裂缝宽度，具体计算结果见表5。

表5 各截面有限元计算结果

由表5可见，本文提出的钢-混组合小箱梁负弯矩区“T形”UHPC接缝构造方案，能满足在正常使用极限状态下规范对结构裂缝宽度的要求。

前述计算结果仅能表明提出的钢-混组合小箱梁负弯矩区UHPC湿接缝满足规范对结构在正常使用极限状态裂缝宽度的要求，但“T形”UHPC湿接缝应用于采用简支变连续体系的钢-混组合小箱梁，尚属首次，需对提出的“T形”UHPC湿接缝构造在荷载作用下的抗弯、抗剪性能、荷载传递机制、破坏模式、裂缝发展规律和分布情况、墩顶负弯矩区UHPC和C50桥面板的抗裂性能等进行全面研究。以下利用midas对钢-混组合小箱梁建立模型进行整体受力分析，并根据所提出的钢-混组合小箱梁负弯矩区UHPC湿接缝构造设计试验模型，进行试验研究。

3 钢-混组合小箱梁整体受力分析

3.1 模型建立

本桥为4×30 m变截面钢-混组合梁，根据设计图纸的结构布置和施工方法，采用桥梁专用有限元计算软件midas Civil建立全桥整体有限元模型，模型采用梁格法，共1 630个单元、1 070个节点，有限元模型见图2。为了使得墩顶负弯矩区的弯矩计算结果更加准确，建模时将墩顶负弯矩区的单元划分得更密集。

图2 钢-混组合梁有限元模型

湿接缝UHPC采用U120，钢材采用Q345D。UHPC容重取27 kN/m3，钢材容重取78.5 kN/m3。桥面铺装层仅作为恒载考虑。

有限元模型按照实际约束的方式考虑，单个支点采用弹性连接形式施加于支座位置，有限元模型约束布置见图3。

图3 有限元模型约束布置

3.2 施工过程模拟

有限元模型的施工阶段定义应模拟实际的施工过程，其阶段划分见表6。

表6 施工阶段划分

4 计算结果分析

4.1 基本组合

基本组合下结构内力、应力结果见图4～图7。在基本组合下，墩顶负弯矩区最大弯矩为11 615.53 kN·m，最大剪力为2 135 kN，墩顶混凝土桥面板最大拉应力为18 MPa，墩顶钢梁最大压应力为201.8 MPa，跨中最大拉应力为151.3 MPa。

图4 基本组合弯矩包络图 (单位:kN·m)

图5 基本组合剪力包络图 (单位:kN)

图6 基本组合UHPC桥面板应力包络图 (单位:MPa)

图7 基本组合钢梁应力包络图 (单位:MPa)

4.2 频遇组合

频遇组合下结构内力、应力结果见图8～图11。在频遇组合下，墩顶负弯矩区最大弯矩为9 310.8 kN·m，最大剪力为1 490 kN，墩顶混凝土桥面板最大拉应力为13.9 MPa，墩顶钢梁最大压应力为160.5 MPa，跨中最大拉应力为97.2 MPa。

图8 频遇组合弯矩包络图 (单位:kN·m)

图9 频遇组合剪力包络图 (单位:kN)

图10 频遇组合UHPC桥面板应力包络图 (单位:MPa)

图11 频遇组合钢梁应力包络图 (单位:MPa)

4.3 标准组合

标准组合下结构应力结果见图12、图13。在标准组合下，墩顶混凝土桥面板最大拉应力为15.3 MPa，墩顶钢梁最大压应力为167.8 MPa，跨中最大拉应力为110.4 MPa。

图12 标准组合UHPC桥面板应力包络图 (单位:MPa)

图13 标准组合钢梁应力包络图 (单位:MPa)

由上述结果可见，结构在墩顶存在着较大的负弯矩，且高拉应力区较大，采用新型的UHPC “T形”接缝可以将负弯矩作用不强的钢-NC截面放置在低拉应力区，利用UHPC优异的抗拉性能抵抗负弯矩。同时，“T形”接缝上、下2层台阶的设置增大了设计的自由度，可以根据实际计算结果调整上、下台阶的宽度与厚度。

5 缩尺模型试验

为验证依托工程钢-混组合小箱梁负弯矩区“T形”UHPC湿接缝构造方案的抗弯性能，按照规范对T形湿接缝各项参数进行初步设计，并根据设计结果按照等效应力原则进行1∶2的缩尺模型纵向抗弯性能试验。缩尺模型试件见图14，试验梁全长5.8 m，混凝土面板宽0.825 m，试件由普通混凝土组合梁预制段及UHPC“T”形现浇接缝段两部分组成。

图14 试件三维示意图(单位：mm)

试件与实桥在相应关注位置满足应力相似性，故可将试验值与设计值进行对比，验证新型UHPC湿接缝结构的安全性，结果见表7。对比结果可知，正常使用极限状态和承载能力极限状态的试验值均大于设计值，说明了钢-混组合梁负弯矩区UHPC接缝结构满足工程要求。

表7 接缝界面的名义应力对比

6 结语

本文利用midas Civil软件建立了对武汉市东西湖段快速化改造工程组合梁桥的整体有限元模型，对组合梁进行整体计算和分析，还进行了1∶2缩尺模型负弯矩加载试验研究，主要结论如下。

1) 钢-混组合小箱梁负弯矩区UHPC“T形”接缝构造方案满足在正常使用极限状态下规范对结构裂缝宽度的要求。

2) 采用新型的UHPC “T形”接缝可以将负弯矩作用不强的钢-NC截面放置在低拉应力区，利用UHPC优异的抗拉性能抵抗负弯矩。

3) 接缝界面的名义应力在正常使用极限状态和承载能力极限状态的试验值均大于设计值，钢-混组合梁负弯矩区UHPC接缝结构满足工程要求。