摘要
针对连续箱梁桥因自重过大导致开裂严重的工程难题,提出了一种PC梁(Prestressed Concrete,PC)与钢-UHPC(Ultra-High Performance Concrete, UHPC)组合梁结合的新型混合式连续梁桥. 为探明新型桥梁中UHPC层的受力特性及其对钢-混结合段传力机理的影响,以滨州黄河大桥为工程背景,首先建立了Midas整体计算模型,获得了结构在承载能力极限状态下的内力,然后采用ANSYS分别建立了无UHPC层和有UHPC层两种构造的钢-混结合段有限元局部模型,对比了两个构造结合段的受力特点及传力机理,分析了UHPC层的受力特性. 计算结果表明:1)除了部分应力集中区域外,新型结构各部分应力均低于强度设计值,满足设计要求;2)最不利弯矩作用下,新型结构的钢箱梁顶板最大拉应力得到显著降低,可显著延长钢结构的疲劳寿命;3)新型结构的混凝土梁顶板在交界面处的应力下降了约5%~29%,可改善混凝土开裂现象;4)UHPC层的最大拉应力和压应力均低于其设计强度,满足规范要求,且UHPC层能分担4%~10.9%的结合段截面弯矩.
大跨多跨连续PC梁桥具有刚度大和行车舒适等优点,得到了广泛应用,但因其梁体过重,普遍存在腹板开裂和跨中下挠的问
但是,由于采用了钢主梁,混合梁结构也面临着钢结构桥梁遇到的难题:钢桥面由于局部刚度较小、在汽车荷载作用下易疲劳开
由于混合梁结构在钢-混结合段区域存在刚度突变,结构构造和受力情况均较复杂,钢主梁和混凝土主梁的交界面是钢-混结合段的薄弱位置,若处理不当,交界面易出现开裂、渗水等病害,影响大桥的安全性和耐久性. 因此,在设计和研究中应给予该部位重点关
国内外学者针对钢-混结合段受力特性及结合段构造做了很多理论计算及试验研
然而,当前对大跨多跨PC梁与钢-UHPC组合梁结合的混合式连续梁桥结合段受力性能的研究尚较缺乏. 因此,本文以山东滨州黄河大桥为工程背景,通过有限元计算对新型结构进行分析,研究新型钢-混结合段构造的受力特性以及UHPC层对钢-混结合段受力性能的影响,为新型结构的试验研究和工程应用提供理论依据.
1 滨州黄河大桥概况
滨州黄河大桥全长1 110 m,主桥桥跨布置为(80+5×190+80)m,桥梁全宽37.0 m,采用分幅设计,单幅桥面宽18.25 m. 主桥跨中60 m范围采用钢-UHPC组合梁,其他部位均采用PC梁. 根部梁高10.0 m,跨中梁高4.0 m,采用1.8次抛物线变化. 桥跨布置如

图1 桥跨布置(单位:m)
Fig.1 Layout of bridge span(unit: m)
钢-混结合段采用有格室的后承压板传力,结合段长度为1.5 m. 钢箱梁刚度过渡段长度为8.5 m,在刚度过渡段内的顶、底板设有变高度T形加劲肋. 混凝土箱梁过渡段长度为4.5 m,过渡段内的混凝土箱梁顶板、底板和腹板均进行加厚. 结合段的钢结构通过PBL键、剪力钉与钢格室内填充的混凝土紧密连接,结合段顶板、腹板、底板中均布置预应力束. 为防止钢-混结合段界面开裂、渗水,钢-UHPC组合梁的UHPC层延伸越过钢-混结合段,并外伸2.5 m至混凝土梁段. 结合段立面构造如

图2 钢-混结合段纵断面图(单位:mm)
Fig.2 Longitudinal section of the steel-concrete joint section(unit: mm)
PC梁采用C55混凝土,钢-UHPC组合梁的UHPC层厚度为50 mm,UHPC层内密集配筋,布置ϕ10 HRB400钢筋网,纵向和横向间距均为37.5 mm,钢结构采用Q345,钢桥面板上焊接长38 mm、直径13 mm的短栓钉,横纵向间距均为150 mm,钢-混结合段构造如

图3 钢-混结合段构造示意图(单位:mm)
Fig.3 Sketch map of the construction of steel-concrete joint section(unit:mm)
大桥的混凝土梁用悬臂施工法进行浇筑,跨中钢-UHPC组合梁在工厂预制完成后运送至现场,通过顶推法进行组合梁的拼装. 钢-混结合段的UHPC层待结合段混凝土梁浇筑及预应力张拉完成后再进行施工.
为研究大跨多跨PC与钢-UHPC混合式连续梁桥钢-混结合段这一新型结构的受力特点,本文先通过Midas软件进行整体计算,按我国《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015
2 全桥整体计算
2.1 有限元模型概况
为探明PC与钢-UHPC混合式连续梁桥的整体受力性能,采用Midas软件对滨州黄河大桥建立了全桥整体模型,计算采用梁单元,对混凝土段定义变截面属性,钢-UHPC梁段采用组合截面并设置施工阶段联合截面,根据实桥支座布置情况设置边界条件,按实际施工顺序设置施工阶段,模型共建立371个节点、354个单元、50个施工阶段,所使用主要材料的属性见
材料 | 密度/ (kg· | 弹性模量/GPa | 泊松比 | 线膨胀系数/(1· |
---|---|---|---|---|
C55混凝土 | 2 500 | 35.5 | 0.2 |
1.0×1 |
Q345D钢 | 7 850 | 206 | 0.3 |
1.2×1 |
预应力钢绞线 | 8 005 | 195 | 0.3 |
1.2×1 |
UHPC | 2 800 | 42.6 | 0.2 |
1.1×1 |

图4 Midas有限元整体模型
Fig.4 Global Midas FE model
2.2 主要计算结果
承载能力极限状态计算依照《公路桥涵设计通用规范
工况 | 弯矩/(kN·m) | 剪力/kN | |
---|---|---|---|
弯矩最不利 | 工况一:最大正弯矩 |
1.14×1 |
2.85×1 |
工况二:最大负弯矩 |
-6.62×1 |
3.04×1 | |
剪力最不利 | 工况三:最大正剪力 |
2.37×1 |
5.74×1 |
工况四:最大负剪力 |
-1.30×1 |
-6.31×1 |
钢-UHPC组合梁峰值应力计算结果如
材料位置 | 拉应力/MPa | 压应力/MPa | |
---|---|---|---|
UHPC桥面板 | 顶缘 | 8.2 | -15.8 |
底缘 | 9.3 | -11.4 | |
钢梁 | 顶缘 | 41.1 | -85.8 |
底缘 | 95.2 | -62.4 |
3 钢-混结合段有限元计算
依据滨州黄河大桥的实际构造,采用ANSYS有限元软件分别建立无UHPC层和有UHPC层的两种钢-混结合段有限元模型(分别简称无UHPC模型和有UHPC模型). 以第2节中整体计算得到的承载能力极限状态下的4个最不利工况的内力结果,作为模型加载的最不利等效内力.
3.1 有限元建模
以横桥向为x轴,竖直方向为y轴,纵桥向为z轴;模型坐标原点在横向位于箱梁截面中轴处,竖向位于钢箱梁顶面,纵向位于钢梁和结合段交界面;钢梁位于z轴正侧,结合段与混凝土梁位于z轴负侧,模型坐标轴详见

(a) 无UHPC层钢-混结合段模型

(b) 有UHPC层钢-混结合段模型
图5 ANSYS节段有限元模型
Fig.5 ANSYS segmental finite element models
无UHPC层和有UHPC层的两种有限元模型示意分别如

图6 节段模型边界约束和加载方式
Fig.6 Boundary condition and loading scheme of segmental model
3.2 钢-混结合段的受力特性
3.2.1 钢-混结合段顺桥向正应力分布规律对比分析
为便于分析钢-混结合段及两侧过渡段的应力分布规律,在钢梁和混凝土梁的顶板和底板沿z轴方向在不同位置选取7个横向截面(顶/底板A~G),沿x轴方向在不同位置选取2个纵向截面(钢梁顶/底板ST1-SB1、ST2-SB2,混凝土顶/底板CT1-CB1、CT1-CB2)作为应力提取路径,提取位置切面示意图分别见图7(a)(b). 在UHPC层的顶面、底面沿z轴方向在不同位置选择4个横向截面(顶/底面UT/UB-A~D),沿x轴方向在不同位置选取2个纵向截面(顶/底面UT1-UB1、UT2-UB2)作为应力提取路径,提取位置切面示意图见图7(c)(d). 各标号中字母S、C、U分别表示钢、混凝土和UHPC,字母T、B分别表示顶板和底板,字母后的数字1~2、A~G代表路径号.

(a) 钢、混凝土应力沿横向路径分布提取位置纵断面示意图

(b) 钢、混凝土应力沿纵向路径分布提取位置普通横断面示意图

(c) UHPC应力沿横向路径分布提取位置纵断面示意图

(d) UHPC应力沿纵向路径分布提取位置普通横断面示意图
图7 应力提取路径切面示意图(单位:mm)
Fig.7 Section diagram of stress extraction path(unit:mm)
根据计算结果,混凝土梁、钢梁在各工况下的应力分布规律相似,且在工况二下受力更为不利. 因此,仅以工况二(最大负弯矩工况)为例进行分析,其横向和纵向路径上钢梁顶板、底板的顺桥向正应力见

(a) 横向路径上钢梁顶板、底板

(b) 纵向路径上钢梁顶板、底板
图8 横向和纵向路径上钢梁顶板、底板顺桥向正应力
Fig.8 Longitudinal normal stresses on the top and bottom plates of steel girder along the transverse and longitudinal paths

(a) 横向路径上混凝土梁顶、底板

(b) 纵向路径上混凝土梁顶、底板
图9 横向和纵向路径上混凝土顶板、底板顺桥向正应力
Fig.9 Longitudinal normal stresses on the top and bottom plates of concrete girder along transverse and longitudinal paths
由
由
由
由
3.2.2 钢-混结合段混凝土主应力分布规律对比分析
针对有UHPC和无UHPC两个模型,在横向C~G截面,纵向CT/CB1~2截面位置,分别提取钢-混结合段和混凝土梁段顶板、底板翼缘沿横桥向(x轴方向)和纵桥向(z轴方向)分布的一系列节点组的主应力,同样以工况二(最大负弯矩工况)为例进行分析,其横向和纵向路径上混凝土顶板、底板的主应力分布规律见

(a) 横向路径上混凝土梁顶板

(b) 横向路径上混凝土梁底板

(c) 纵向路径上混凝土梁顶板、底板
图10 横向和纵向路径上混凝土顶板、底板主应力
Fig.10 Primary stresses on the top and bottom plates of concrete girder along transverse and longitudinal paths
由
由
3.2.3 UHPC层受力分析
工况一和工况三下节段模型受正弯矩作用,因此UHPC层主要受压应力. 由于UHPC的抗压强度设计值较高(62.3 MPa
结构在工况二和工况四下截面受负弯矩作用, UHPC层主要受拉应力. 在工况二和工况四下,结合段UHPC层顶面的最大拉应力也仅为10.5 MPa,且仅出现在边界局部位置(见

图11 最大负弯矩工况下UHPC层顺桥向应力
Fig.11 Longitudinal normal stress of UHPC layer under the maximum negative bending moment load case

(a) 横向路径上UHPC顶板、底板

(b) 纵向路径上UHPC顶板、底板
图12 UHPC顺桥向应力横向和纵向分布
Fig.12 Longitudinal normal stresses on the top and bottom plates of UHPC layer along transverse and longitudinal paths
由
由
3.2.4 结合段弯矩分配情况对比
为进一步研究新型钢-混结合段内部的传力机理,在z=0~-1.5 m的钢-混结合段范围内沿纵桥向每75 mm取一个截面,共取20个截面;在指定结合段各钢-混凝土-UHPC组合截面的形心位置后,通过单元节点对指定点求和命令FSUM对节点力进行积分运算,从而获得每个截面的总弯矩及钢梁和混凝土梁各自承担的弯矩值,进而计算出钢梁和混凝土梁所承担的截面弯矩的比例α,并绘出α沿纵向变化曲线图. 由于各工况的曲线图很相似,因此这里仅给出工况一的曲线图并进行讨论,如

图13 结合段弯矩分配比例沿纵桥向变化趋势
Fig.13 Trend of distribution proportion of bending moment in joint section along longitudinal direction
由
对比无UHPC和有UHPC模型的α曲线可知,由于UHPC层在结合段中贡献了4.0%~10.9%的截面弯矩,有UHPC模型中混凝土梁分担的截面弯矩减少了2.8%~14.5%,而钢梁内力变化较小,大部分变化幅度小于1%.
为了进一步探明钢-混结合段的传力特点,分别将结合段混凝土梁和钢梁划分为3个部分,然后计算各部分承担的弯矩与截面总弯矩的比例,其分配占比沿纵向的变化曲线分别如

图14 混凝土梁各部分占截面总弯矩比重
Fig.14 Ratio of each part of concrete girder to overall bending moment of section

图15 钢梁各部分占截面总弯矩比重
Fig.15 Ration of each part of steel girder to overall bending moment of section

(a) 无UHPC模型

(b) 有UHPC模型
图16 z=-0.75 m处弯矩分配比例
Fig.16 Distribution proportion of bending moment at location where z=-0.75 m
由
由
由
4 结 论
本文以山东滨州黄河大桥为工程背景,对大跨多跨PC与钢-UHPC混合式连续梁桥的钢-混结合段进行了有限元计算,研究了UHPC层对钢-混结合段受力性能的影响规律,以及有UHPC层和无UHPC层模型的钢-混结合段传力机理,主要结论如下:
1)在设计荷载作用下,整体结构计算钢-混结合段的混凝土梁和钢梁各构件的应力均小于设计值,满足设计要求.
2)钢-混结合段内力传递较为平顺,在钢梁和结合段交界面处,钢梁和混凝土梁约各承担50%的弯矩,在混凝土梁和钢梁交界面处,所有弯矩都由混凝土梁承担;钢梁和混凝土梁的弯矩分配比例在结合段的两个交界面处变化较为明显,而在结合段中段变化则比较平稳.
3)UHPC层能承担约4%~10.9%的截面弯矩,降低了钢梁和混凝土梁的受力负担. 钢梁顶板最大拉应力由无UHPC模型的167.9 MPa下降至有UHPC模型的68.9 MPa,UHPC的采用大幅降低了应力集中效应,能明显延长钢结构的疲劳寿命,同时,有UHPC模型降低结合段混凝土梁顶板应力约5%~20%,有利于提高结构顶板构造的抗裂性能.
4)在极限承载能力状态下,在非模型边界邻近区域的UHPC层的最大纵向压应力为15.8 MPa,最大拉应力为6.1 MPa,小于规
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