大跨徑波形鋼腹板－ＵＨＰＣ組合連續箱梁橋力學性能分析

　　[摘要]在波形鋼腹板-PC組合箱梁基礎上，利用高強UHPC材料替換混凝土翼緣板以構建新型的波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋。基于珠海前山河大橋設計原型，設計波形鋼腹板-UHPC組合連續箱梁橋，對其力學性能和經濟性進行分析，并與實橋原型設計和PC箱梁方案對比分析。研究表明：(1)波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋可大幅降低結構自重，最大懸臂狀態下內力大幅降低，作用組合下應力驗算滿足規范要求，跨中最大撓度小于規范容許值;(2)波形鋼腹板的局部屈曲穩定、整體屈曲穩定和組合屈曲穩定均滿足規范要求，連接件受剪承載力亦滿足要求;(3)構造優化后技術方案綜合單價比原型設計和PC箱梁橋分別降低169%和578%;波形鋼腹板-UHPC組合連續箱梁橋整體受力性能、局部受力性能和技術經濟性優良，有望成為大跨連續梁橋有競爭力的橋型。

　　石云岡; 邵旭東; 侍永生， 公路工程 發表時間：2021-08-27 13:43 期刊

　　[關鍵詞]超高性能混凝土;波形鋼腹板;組合箱梁;連續梁橋;力學性能;經濟分析

　　0　引言

　　預應力混凝土(PrestressConcrete，PC)箱型截面橋梁因結構抗扭剛度大、施工穩定性強，可有效承受正負彎矩等優點，廣泛應用于橋梁工程領域中，已成為大跨橋梁主要的結構形式之一。然而，傳統PC連續箱梁橋仍普遍存在梁體裂縫嚴重及跨中過度下撓等病害。近半個世紀來，為改善PC連續箱梁橋的病害，各國橋梁工程師提出了兩種有效的方法：(I)改進混凝土材料自身特性，為降低結構自重大跨徑箱梁橋跨中采用高強輕質類的建筑材料[1];(II)改進混凝土箱梁的構造，采用輕質高強的波形鋼板置換混凝土腹板，構成波形鋼腹板-PC組合連續箱梁[2]。

　　雖然波形鋼腹板可減輕箱型主梁部分重量，但隨著連續體系橋梁跨徑的進一步增長(150m以上)，若箱梁翼緣板采用普通混凝土仍使橋梁的自重較大，這成為了制約波形鋼腹板-PC組合箱梁橋大跨化的技術瓶頸之一[1]。此外，普通混凝土材料具有較大的長期時變性能(收縮和徐變特性)，使得大跨連續梁橋過度下撓的病害無法從根本上得到有效解決。

　　超高性能混凝土(UltraHighPerformanceConcrete，UHPC)是一種新型水泥基復合材料，具有優異的力學與耐久性能，尤其基體內大量各向分布的鋼纖維使其呈現特殊的初裂后拉伸延性(應變硬化特性)，抗拉強度可達8MPa以上，抗彎折強度甚至可達30-50MPa[3]。UHPC材料優異的強度與韌性特征，實現了土木工程材料性能的大跨越[4，5]，促進了土木工程結構的快速發展。據文獻資料統計，截至2019年底，世界范圍內UHPC橋梁工程應用600余座，其中至少有160座橋梁以UHPC材料為主要承載構件[6]。

　　為減輕大跨徑箱梁橋的自重，促進混凝土橋梁的大跨化、輕型化、節約建材環保化及外形美觀輕盈化，一直是橋梁工程師持之以恒的奮斗目標[7]。針對波形鋼腹板-PC組合連續箱梁橋，利用高強輕質的UHPC板置換厚重的普通混凝土翼緣板，以此構建新型的波形鋼腹板-UHPC組合連續箱梁橋，可更進一步降低結構自重，實現混凝土橋梁的大跨與輕型化[8，9]。再者，UHPC材料經蒸汽養護處理后的收縮變形幾乎可忽略不計，徐變系數也大幅降低，可以從根源上改善大跨橋梁跨中過度下撓的頑疾。新型的組合連續橋梁有望突破傳統波形鋼腹板組合箱梁橋的技術瓶頸，為混凝土連續箱梁橋的大跨輕型化提供有競爭力的結構選型。

　　本文基于UHPC材料優異的力學性能，以珠海前山河特大橋為實橋設計原型，設計波形鋼腹板-UHPC組合連續箱梁橋方案，采用有限元分析軟件對波形鋼腹板-UHPC組合連續箱梁橋進行整體受力及局部受力分析，同時與實橋原型設計方案和PC箱梁橋方案進行計算對比，并對三種橋型設計方案的結構整體受力、局部受力及技術經濟性進行比較分析，以此探討本文設計方案在大跨梁橋上應用的可行性，以期為該橋型的設計與建造提供技術參考。

　　1　波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋整體結構設計

　　1、1　實橋設計方案

　　珠海前山河特大橋位于港珠澳大橋連接線，主橋采用90+160+90m波形鋼腹板-PC組合連續梁，主跨160m在波形鋼腹板-PC組合連續梁中位居世界前列，是2018年前國內最大主跨的該類橋梁。主梁采用分幅設計，全預應力結構，公路-I級荷載。中支點梁高95m，跨中及邊支點梁高4m，其余梁高按18次拋物線變化，立面布置如圖1所示。主梁單箱單室截面，頂板寬1575m，翼緣板寬3375m，箱室頂寬9m，典型截面圖如圖2所示。

　　采用1600型波形鋼板，模壓法成形，波形鋼腹板跨中、中墩厚度采用22mm和25mm。預應力束采用1860MPa的高強鋼絞線，主梁邊中墩上截面及標準組合截面的頂底板采用C55混凝土。

　　1、2　波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋方案

　　基于原橋設計方案，本文設計波形鋼腹板-UHPC組合連續箱梁方案，其主橋立面圖如圖1所示。波形鋼腹板-UHPC組合箱梁典型截面如圖3所示。組合箱梁UHPC頂板寬1575m，其中外伸懸臂板寬3375m。腹板間UHPC頂板采用縱向加勁肋的矮肋板，未加勁部分高12cm，加勁縱肋平均寬度18cm，厚度18cm，縱肋間距取70cm。華夫型UHPC頂板間隔32m設置高12m、厚12cm的橫隔板。UHPC底板寬90m，厚度跨中和中支點處分別取22cm和50cm，兩者之間隨梁高按18次拋物線變化。

　　腹板采用1600型波形鋼板，Q345qC鋼材，其細部構造尺寸如圖4所示。鋼腹板的高度隨梁高呈18次拋物線變化，波形鋼腹板跨中、中墩厚度采用22mm和25mm。波形鋼腹板-UHPC組合連續箱梁橋的主梁采用掛籃對稱懸臂澆筑施工，分段長度同原橋設計方案，單側設17個懸澆節段，零號塊長128m，1號～6號塊長32m，7號～17號塊長48m，合攏段取32m，滿堂支架現澆邊跨段為84m，主梁節段劃分如圖5所示。

　　縱向預應力采用體內、體外混合配束，兩端張拉，布置如圖6、圖7所示。其中體內束類似于傳統PC箱梁而僅不含腹板鋼束，體外鋼束主要為作用類似于腹板束的懸澆段體外束(TW類)。

　　1、3　PC連續箱梁橋方案

　　為與波形鋼腹板-UHPC組合連續箱梁橋設計方案對比，本文設計相同跨徑布置的PC連續箱梁橋方案。主梁中墩支點梁高為95m，跨中及邊支點梁高4m。

　　基于同等橋梁跨徑、橋寬、單箱單室布置以及結構設計性能的目標原則，PC連續箱梁橋的結構尺寸與實橋原型設計方案大致一致，僅箱梁腹板厚度及預應力布置與原型設計方案有較大差異。PC連續箱梁橋的混凝土腹板厚度由跨中的075m線性變化為支點的145m。典型截面的斷面圖如圖8所示。

　　2　整體有限元結構分析

　　2、1　結構內力

　　2、1、1　最不利施工階段

　　從表1中可得，在施工階段最大懸臂狀態下，相比于波形鋼腹板-PC組合連續箱梁橋和PC連續箱梁橋，波形鋼腹板-UHPC組合連續箱梁橋的最大負彎矩可分別減少439%和61%;同理，最大剪力可分別降低459%和649%。因此，波形鋼腹板-UHPC組合連續箱梁橋的施工安全性及穩定性大幅提高。

　　2、1、2結構自重內力

　　從表2中可得，波形鋼腹板-UHPC組合連續箱梁得益于的結構自重的降低，其結構自重產生的彎矩和剪力亦大幅度少于波形鋼腹板-PC組合連續箱梁和PC連續箱梁。

　　2、2　結構應力

　　2、2、1　正截面抗裂驗算

　　根據公混橋規[11]，在作用短期效應組合下，全預應力混凝土現澆構件應滿足下式要求：σst-08σpr≤0(1)抗裂驗算計算結果如圖9所示。

　　從上圖可見，波形鋼腹板-UHPC組合箱梁的截面上下緣亦均未產生拉應力，最小壓應力01MPa產生于邊支點處上緣。

　　2、2、2　主壓應力驗算

　　根據公混橋規[11]，全預應力混凝土受彎構件，使用階段正截面壓應力應符合以下規定：σkc+σpt≤05fck(2)主壓應力驗算結果如圖10所示。

　　計算結果表明，波形鋼腹板-UHPC組合連續箱梁在荷載標準值組合下的主壓應力均未超限，上緣最大壓應力419MPa和下緣最大壓應力227MPa均未超過的UHPC材料抗壓強度標準值的05倍(42MPa)。

　　2、3　結構變形

　　根據公混橋規[11]，汽車活載作用下的長期撓度值不應超過主跨徑的1/600。表3中可得，汽車荷載工況下，波形鋼腹板-UHPC組合箱梁方案的跨中豎向最大撓度值(6346mm)，考慮長期增長系數14后(6346mm×14=878mm)，仍遠小于規范容許值1/600×160m=267mm，即汽車活載下的撓度滿足規范要求。

　　3　局部受力分析

　　3、1　波形鋼腹板受剪承載力分析

　　3、1、1　波形鋼腹板抗剪強度分析

　　圖11中可得，全橋波形鋼腹板的抗剪強度均滿足規范要求。波形鋼腹板最大剪應力(758MPa)出現在支點UHPC節段與波形鋼腹板-UHPC組合節段相交處。在承載能力極限狀態下波形鋼腹板承受的剪應力僅約為其抗剪強度的50%，局部抗剪性能較好。

　　3、1、2　波形鋼腹板屈曲穩定性分析

　　由圖12可得，波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋在承載能力極限狀態下波形鋼腹板的局部屈曲穩定、整體屈曲穩定和組合屈曲穩定均能滿足規范[10]要求，且剪應力設計值τmax(75.8MPa)僅占相應截面位置波形鋼腹板組合屈曲剪應力τcr(121.4MPa)的62.4%，表明波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋具有很高的鋼腹板穩定性。

　　3、2　剪力連接件水平受剪承載力分析

　　栓釘連接件受剪承載力的計算結果如圖13所示。圖中可見，承載能力極限狀態下栓釘連接件受剪承載力均滿足規范要求，且栓釘承載力(2578N/mm)約為栓釘所承受最大剪應力(1174N/mm)的2、2倍。

　　4　經濟性分析與構造優化

　　4、1　技術方案經濟性分析

　　表4中可得，波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋的上部結構綜合單價比實橋設計方案增加了15.5%，但比PC連續箱梁橋的綜合單價低11.3%。盡管如此，由于波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋結構自重的大幅降低使得主梁運輸吊裝費用降低，而且下部結構及基礎工程的材料用量也相應降低。經綜合對比計算，波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋方案的綜合單價相比實橋設計方案和PC連續箱梁橋分別降低了5.3%和39.4%，且波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋耐久性能更為優良。綜上所述，波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋的初期建筑成本及全壽命周期成本上均具有一定的競爭力。

　　4、2　構造優化

　　4、2、1　主梁梁高優化

　　從表5可得，隨著中支點梁高及主跨跨中梁高的降低，波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋的主跨跨中最大撓度不斷增加。當中支點梁高取值6.5m和跨中梁高取值2.5m時，汽車活載作用下跨中最大撓度154.7mm為撓度限值1907mm(267mm/14)的1/123，表明主梁剛度良好。根據整體有限元結構分析及局部受力分析，正常使用極限狀態下波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋承受頻遇荷載組合作用的主拉應力為-04MPa(壓應力)，若繼續減小梁高尺寸將使得支點處UHPC節段截面出現拉應力，對于設計目標為全預應力的橋梁結構，該設計方案的正截面抗裂將無法滿足規范要求。因此，主跨160m的波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋設計方案的優化后梁高組合為：中支點梁高取值6.5m，跨中梁高2.5m。

　　4、2、2　支點UHPC節段腹板厚度優化

　　選取中支點UHPC節段腹板厚度和邊支點UHPC節段腹板厚度為可變參數，采用MidasCivil軟件進行整體有限元結構分析。隨著中支點UHPC節段腹板厚度和邊支點UHPC節段腹板厚度降低，波形鋼腹板-UHPC組合連續箱梁橋的整體剛度下降，但整體剛度降幅較小。波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋設計方案的優化支點腹板厚度組合為：中支點UHPC腹板厚0.5m，邊支點UHPC腹板厚0.3m。相比于中支點腹板厚度0.8m和邊支點腹板厚度0.5m，優化設計方案的腹板厚度已減少35%以上。UHPC腹板厚度減小對結構剛度影響有限，但可有效降低UHPC材料消耗量及工程造價，即減薄UHPC節段腹板厚度可在不顯著降低波形鋼腹板-UHPC組合連續箱梁橋整體力學性能情況下減少UHPC材料的用量，提高設計方案的經濟性。

　　取優化后的模型進行結構驗算，中支點梁高為6.5m，跨中梁高為2.5m，中支點UHPC腹板厚0.5m，邊支點UHPC板厚0.3m，建立有限元模型并進行整體受力驗算和局部受力驗算，計算結果見下表6所示。表中整體受力驗算的σ1表示參與頻遇組合作用下正截面抗裂驗算的最小壓應力(拉正壓負);σ2為最大壓應力;τd，max、fvd和τcr為波形鋼板的最大剪應力、抗剪強度及組合屈曲臨界剪應力。

　　從表7可得，相比于整體結構設計方案的波形鋼腹板-UHPC組合連續箱梁橋，構造尺寸優化后上部結構的綜合單價可降低7.9%，總建安造價降低8.3%，尺寸優化后設計方案的綜合單價相比原型設計方案和PC連續箱梁橋分別降低了16.9%和57.8%，構造優化后的波形鋼腹板-UHPC組合連續箱梁橋設計方案的經濟性較大提升，使得波形鋼腹板-UHPC組合連續箱梁橋型更具競爭力。

　　5　結論

　　a.相比實橋設計方案和PC箱梁橋，波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋可大幅度降低施工階段最大懸臂狀態下內力和結構自重內力。在各種組合作用下，波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋的應力滿足規范要求，跨中撓度遠小于規范容許值;波形鋼腹板抗剪強度和穩定性及栓釘連接件受剪承載力均滿足規范要求，且安全儲備較大。

　　b.相比實橋設計方案和PC箱梁橋，波形鋼腹板-UHPC組合箱梁橋初期成本及全壽命成本均具有一定的競爭力，隨著構造優化，降低梁高，減小UHPC腹板厚度，整體綜合單價相比實橋設計方案和PC箱梁橋分別降低16.9%和57.8%。

　　波形鋼腹板-UHPC組合連續箱梁橋具有優良的整體受力性能、局部受力性能和施工便捷性，有望成為大跨連續梁橋的競爭橋型方案。