“钢-UHPC”结构在叠合梁钢便桥上的应用分析

张斌，赵金伟，梅培红，罗平 （中交水利水电建设有限公司，浙江 宁波 315200）

“钢材+混凝土”的材料组合形式在力学性能上可以被理解为复合材料优势的一种体现。“钢混叠合梁”结构与纯钢梁或者纯混凝土梁（一般很少见）相比而言，中和轴高度更大，抗弯的截面内力臂更大，从而保证截面在抗弯承载力以及抗弯刚度方面得到更好的表现。

传统意义上的钢混组合梁与一般钢结构梁而言有诸多优势，但是在工程实践中也发现了一些问题：

第一，对于连续组合梁桥，由于负弯矩作用，容易导致混凝土出现开裂破坏的情况，薄壁结构出现压屈失稳导致结构失效的情况；

第二，对于“钢混叠合梁”而言，其桥面板开裂也是一个比较常见且主要的问题。

“钢-UHPC”叠合梁是将钢结构梁与UHPC（超高性能混凝土）通过剪力钉进行有效组合，由于UHPC的抗压能力、抗裂能力以及拉弯性能要远远高于一般的混凝土，而且超高性能混凝土的孔隙率低，收缩徐变变形小。因此，较一般常规钢混组合桥梁面板，其开裂问题显著改善，桥梁的耐久性及使用安全性明显提升。

图1 钢便桥施工地理位置平面

图2 钢便桥立面图

图3 钢便桥断面图

1 工程概况

西洪大桥及接线工程施工Ⅳ标段，本工程钢便桥桥梁布置采用一孔多片式的新型“钢-UHPC”简支叠合梁，单跨长度为20m，桥梁横向宽度为14m，共由7片“π”型叠合梁拼装组成。每片钢桥面UHPC铺装之间采用1cm橡胶材料分隔开，UHPC铺装厚12cm。

2 “钢-UHPC”钢叠合梁的结构力学分析

2.1 钢便桥几何模型

2.1.1 几何参数说明

保通钢便桥几何参数如表1所示。

UHPC与普通钢筋混凝土材料的力学性能对比分析表 表1

2.1.2 材料参数

本工程钢便桥，钢材型号为Q345，杨氏模量取为2.04×105MPa，泊松比取为0.2，密度取为7.85×103kg/m3。

根据相关文献，桥面板所采用的UHPC材料，弹性模量取为4.26×104MPa，泊松比取为0.2，密度取为2.7×103kg/m3。

在整体建模计算中，考虑混凝土进入塑性性质。

2.2 有限元数值模拟

2.2.1 有限元模型

采用Midas Civil通用有限元软件对钢便桥全桥建立有限元分析模型，如图4所示。纵向主梁和横向次梁均用梁单元模拟。纵向主梁为工字型截面，共有三种截面尺寸，在实际工程中截面变化有一段过渡，但是在有限元模型中，为简单起见未考虑，这样的处理方式仅对变截面附近的局部应力应变有影响，不影响整体结构力学响应。横向次梁为工字型截面，共有两种截面尺寸，分别为端部次梁和中部次梁。在设置截面尺寸时，对不同的截面设置不同的几何偏心，以保证有限元模型中主梁次梁的相对位置关系与实际工程相一致。

图4 钢便桥有限元模型

此外，实际工程中在主梁次梁相交处设置隔板，其目的是防止结构构件局部失稳，对钢便桥的强度方面的整体受力性能影响不大，故在静强度分析时，主次梁中的隔板不建立对应的模型，仅仅按其重量施加对应的等效荷载。

对钢便桥的UHPC桥面，采用板单元进行模拟。在实际工程中截面变化有一段过渡，但是在有限元模型中，为简单起见未考虑。

2.2.2 荷载工况

本章的静强度计算分析主要依据《公路桥涵设计通用规范》（JT6-D60-2015）对钢便桥进行承载力极限状态的计算分析，主要考虑的荷载工况有恒载、车道活载、人群活载、温度荷载四种。

①恒载

主体结构恒载：UHPC混凝土桥面板容重为28kN/m3，主梁和次梁的钢材容重为78.5kN/m3；

桥梁铺面结构恒载：钢桥面的铺装结构由上至下依次为4cm沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA-13，SBS改性）、热熔颗粒（0.7kg/m2）和无溶剂环氧树脂涂层（0.5kg/m2），单位面积容重分别为0.8kN/m2、0.007kN/m2和 0.005kN/m2，合计为0.8kN/m2。

②车道荷载

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）要求，对于公路一级车道荷载，车道荷载的均布荷载标准值为qk=10.5kN/m，集中荷载的标准值Pk按内插法求得车道集中荷载的标准值为Pk=240kN。

保通钢便桥主要设计参数统计表 表2

不同荷载组合系数 表3

③人群活载

根据规范，本工程中钢便桥的人群活荷载取值为3.0 kN/m2。

④温度荷载

本文钢便桥在计算中所施加的温度荷载为：整体结构温度升高25℃，整体结构温度降低28℃。温度梯度按照《公路桥涵设计通用规范》中4.3.10条对带有混凝土面板的钢混组合结构的规定取值：正温差T1=20℃，T2=6.7℃；负温差T1=-10℃，T2=-3.35℃。

2.2.3 恒载作用

在恒载作用下，桥梁的变形（竖向挠度）位移云图如图5所示。可以看出桥梁跨中节点的最大挠度为9.6mm，小于L/400=50mm的规范值，满足规范设计要求。

图5 恒载作用下桥梁变形云图（mm）

恒载作用下主梁的上翼缘主要受压，最大压应力为-17.4MPa，最大拉应力为10.8MPa。主梁的下翼缘主要受拉，最大拉应力为30.4MPa，最大压应力为-1.5MPa。值得注意的是，这里的应力均是组合应力。

恒载作用下UHPC桥面板板顶的最大压应力为-2.8MPa，最大拉应力为0.68MPa；UHPC混凝土桥面板板底的最大压应力为-1.0MPa，最大拉应力为0.07MPa。拉应力远小于UHPC混凝土的抗拉强度，压应力则远小于UHPC混凝土的抗压强度。

2.2.4 结构纵向影响线

本文中所计算的钢便桥从边界条件上来说是两端简支梁。因此，在Midas⁃Civil有限元计算软件中建立一个虚拟简支梁，按照规范定义车辆、车道后，可以得到简支单梁跨中弯矩和位移的影响线，如图6、图7所示。

图6 简支梁跨中弯矩影响线分析图

图7 简支梁跨中竖向挠度影响线分析图

因此，根据上述影响线，可知导致主梁出现最大位移和最大弯矩的最不利车道荷载布置方式为：将集中荷载布置在桥梁跨中位置，将均布荷载在桥梁全跨满布。

不同荷载组合下的截面最不利应力 表4

2.2.5 车道荷载作用（车道线分析）

①车道荷载下的位移分析

车道荷载作用下，桥梁跨中节点的最大挠度为12.1mm，小于 L/400=50mm的规范值，满足规范设计要求。

②车道荷载下的内力分析

在车道荷载作用下，主梁的轴力、弯矩和剪力包络图如图8、图9和图10所示。

图8 主梁轴力包络图（N）

图9 主梁弯矩包络图

图10 主梁剪力包络图（N）

主梁被次梁分为若干跨，中间两跨的跨中主梁的弯矩最大，在次梁位置处，主梁受到的剪力最大。UHPC混凝土面板在车道所在的位置出现最大的内力。

2.2.6 人群活载作用

图11 UHPC桥面板x方向内力云图

图12 人群活荷载作用下桥梁竖向位移云图（mm）

人群活荷载作用下桥梁最大位移为1.6mm。工字钢上翼缘最大压应力为3.75MPa，工字钢下翼缘最大拉应力为6.75MPa。

2.2.7 温度荷载作用

设计中考虑了均匀温度变化对桥梁整体结构带来的影响，有限元模型中，在升温荷载作用下，桥梁竖向最大位移为-3.5mm，纵向最大位移为 6.0mm；在降温荷载作用下，桥梁竖向最大位移为 3.9mm，纵向最大位移为-6.7mm。可以看出，在升温或降温荷载作用下，纵向位移比竖向位移要大，由于钢便桥是简支梁，在纵向没有变形约束，所以可以减小温度荷载效应在主梁中产生的应力。

2.2.8 荷载组合计算

通过对全桥的有限元建模计算得到钢便桥在多种荷载（恒载、车道荷载、人群活载、温度荷载）作用下的应力数值分析。根据《公路桥涵设计通用规范》（JT⁃GD60-2015）的规定，对钢便桥的设计主要考虑承载能力极限状态设计和正常使用极限状态的几种荷载组合，并得到各种荷载组合下的最不利荷载效应。

3 结论

目前常规的“钢混叠合梁”与钢筋混凝土梁相比，具有结构自重更轻的优势，与纯钢梁相比又具备一定的经济性。但是仍然存在着桥面板易开裂和自重较大的不足。目前兴起的轻钢-UHPC叠合构能够在很大程度上保留传统钢-混组合结构的优势，又尽可能规避其劣势，具有较大的应用前景。

本文首先对西洪大桥保通钢便桥工程做了简要介绍。重点利用有限元软件MidasCivil对钢便桥结构进行了四种主要荷载工况下整体结构的静力学分析，验证了运用该种组合结构形式后，钢便桥的位移、内力和应力等各种力学响应满足工程结构受力性能要求。