钢-UHPC 组合桥面性能研究与参数分析

0.引言  

我国大、中跨径钢桥中普遍采用正交异性钢桥面板，并在顶板上铺设35～80 mm 的沥青混凝土[1]。由于桥面构造的复杂性、钢材和沥青混凝土材性的差异性、车辆超载等因素的综合作用，造成多座桥梁 在运营后出现了不同程度的桥面疲劳开裂和铺装损害[2]，严重影响了桥梁的正常使用。

为解决钢桥面铺装易开裂损坏的难题，邵旭东等[3]提出了正交异性钢板-UHPC组合桥面结构，之上覆盖3cm厚磨耗层。该方案优势在于磨耗层下层采用水泥基材料，改善了磨耗层的工作条件，可以降低其出现车辙开裂等病害的风险。再者UHPC通过剪力钉与钢桥面组合，大大提高了桥面刚度，显著改善了钢桥面和铺装层的应力状态可以大幅降低钢结构疲劳破坏的可能[4]。

UHPC作为一种轻质高强、耐久性好的新材料[5]，近年已被纳入到了实用范畴。UHPC 同普通混凝土相比，徐变和收缩极小，体积稳定性优良。国内外广泛开展了针对UHPC 材料性能和力学性能的研究，普遍定义的UHPC[6]的抗压强度为150 MPa以上，抗拉强度5 MPa以上，RICHARD等[7]研制出的RPC200和RPC800的抗拉弯强度达到了30～60 MPa.这里以某大跨度斜拉桥[8]为背景，通过ANSYS有限元计算[9]，将组合桥面方案与原桥正交异性桥面系方案在桥面自重、造价、刚度、疲劳应力等方面进行对比，证明组合桥面系的应用价值。在此基础上，对钢顶板厚度、纵肋间距、UHPC 层等关键构造参数进行分析，确定各参数对组合桥面系力学性能的影响。

1.钢-UHPC组合桥面桥系面性能研究

1.1工程背景及方案参数  

以某大跨度斜拉桥[8]为工程背景，该桥主跨1088m，斜拉索间距为16m，横隔板间距为4m，桥宽34m，布置双向六车道，桥面系为正交异性钢桥面板。如表1所示 。

1.2有限元模型介绍

模型沿纵桥向选择相邻两根拉索及外侧1/4索距范围内长为24 m的标准钢箱梁段，由于主梁左右对称，横桥向选取主梁全宽的一半17m.由于正交异性组合桥面板的构造形式主要由第二、第三体系控制设计，为提高运算效率，在建模时忽略主要影响第一体系受力的主梁底板、腹板、斜拉索等组件。如图1所示。

图1.有限元模型

钢材弹性模量为210GPa，密度为7850kg/m3，泊松比为0.3；UHPC层桥面板弹性模量为50GPa，密度为2500kg/m3，泊松比为0.2.各类钢材制成的薄壁构件采用壳单元SHELL63模拟，UHPC层采用实体单元SOLID185模拟。模型计算疲劳应力时主要考虑车辆荷载，计入冲击系数1.3.活载工况有两种（如图2～图3所示），工况一中沿横桥向布置3个车辆荷载，车辆各轴布置在两横隔板中间，此工况用于比较原方案与改进方案的桥面系刚度，以及顶板和纵肋的应力水平。工况二中车辆各轴布置在横隔板顶部附近。此工况用于比较横隔板的应力水平。

图2.活载工况图一

图3.活载工况二

1.3性能比较

根为了突出方案差异，自重及价格比较仅计入桥面系中纵肋、顶板、UHPC层、耐磨层，横向支撑体系及腹板、底板由于未做改变而忽略。

1.3.1单位面积桥面系自重

在组合方案中采用UHPC层替代原方案5.5cm的环氧沥青混凝土铺装，并在UHPC层之上铺设3cm的磨耗层。组合桥面系中铺装层的每平米质量要比原方案重90kg，但由于UHPC层参与桥面板整体受力，组合桥面系每平米用钢量比原方案轻96.6kg，因此单位面积桥面系质量与比略有下降，如表2所示

1.3.2 单位面积桥面系造价

在估算单位面积桥面系造价时，每吨钢材单价设定为1.5万元，每平方米UHPC单价设定为3万元，原方案桥面环氧沥青铺装设定为1800元/m2，磨耗层铺装设定为100元/m2，根据计算结果，组合桥面系桥面铺装价格与原方案相差不大，但由于用钢量大幅度减小，改进方案单位面积桥面系造价比原方案减小24%，如表3所示。

  1.3.3 力学性能

钢材为塑性材料，表4中钢板构件应力为最大Von-Mises应力，组合方案钢板构件的最大疲劳应力较原方案有大幅度的下降。UHPC为脆性材料，表中UHPC层应力为最大主拉应力，组合方案UHPC层的主拉应力最大为10.93MPa，远小于后UHPC的抗弯设计强度。

组合方案的最大竖向位移较原方案降低约15%，由图4、图5可知，竖向位移分布较原方案更为均匀，桥面刚度有显著提升。

  图4.原方案位移云图

图5.组合方案位移云图

 

2.参数分析

2.1 钢顶板厚度  

在正交异性钢桥面系中，钢顶板直接承受轮压荷载作用，并通过焊缝将荷载传递给其他体系的构件。为保证顶板不会因为变形过大而影响桥面体系的正常使用，在传统钢桥面系中其厚度一般不小于14mm.原桥主梁中钢顶板厚度为20mm，组合桥面系中考虑到UHPC层的刚度贡献，为顶板厚度提供了可优化的空间。由图6可知，组合桥面系中，钢顶板厚度每增加2mm，单位面积自重增加约5%，单位面积造价增加约6%，局部最大竖向位移减少约 1%，钢顶板应力减少约2%，横隔板应力与纵肋应力减少约1%.值得注意的是，增加钢顶板厚度对横向刚度的影响要大于纵向，导致桥面板受力时横向分担弯矩增大，导致UHPC层横向主拉应力也增大。通过分析可知，增加钢顶板厚度对组合桥面系的力学性能提升非常 有限，在满足构造要求的情况下应当尽量取薄。

图6.钢顶板厚度参数分析

2.1 纵向加肋间距

纵肋沿桥跨方向通长贯穿钢箱梁，通过焊接方式在局部范围内与钢顶板形成闭口，截面中和轴的下移提高了盖板体系的抗弯刚度，同时纵肋沿横桥向为顶板提供了密集的竖向支撑，降低了轮压荷载产生的局部应力峰值。由图7可知，纵肋间距每减小50 mm，单位面积自重增加约2%，单位面积造价增加约3%，局部最大竖向位移减少约5%，横隔板应力减少约1.5%，纵肋最大应力减小约6%.而钢顶板与UHPC层的应力下降则呈现明显的非线性：当间距由600mm变为500mm时，钢顶板应力减小27%，UHPC层应力减小29%；当间距由500 mm变为400mm时，钢顶板应力减小7%，UHPC层应力减小7%.通过分析可知，减小纵肋间距虽然有自重和造价的少量增加，但力学性能有非常显著的提升。

图6.加劲肋间距参数分部图

3.结论  

本文完成了各构造方案在车辆荷载作用下的局部静力计算分析，通过与原正交异性钢桥面系设计方案进行对比，可以得出以下结论。

1）各组合桥面系优化方案在重量与原方案持平或略有下降的情况下，桥面系造价降低24%，从经济角度考虑，组合桥面方案较原方案具有明显的优越性。

2）有限元计算结果表明，组合桥面方案较原方案桥面刚度有所提升，各构件在车辆荷载下的疲劳应力较原方案均降低近一半；纵向加劲肋应力水平较原方案降低20%，从结构强度方面考虑，组合桥面方案较原方案具有明显的优越性。

3）参数分析结果表明，增加钢顶板厚度对组合桥面系的力学性能提升非常有限，增大纵肋刚度能显著提升桥面系刚度，降低热点应力，增加UHPC厚度能全面提升组合桥面系性能，但也明显增加了桥面系自重和造价。