大跨径波形钢腹板－ＵＨＰＣ组合连续箱梁桥力学性能分析

　　[摘要]在波形钢腹板-PC组合箱梁基础上，利用高强UHPC材料替换混凝土翼缘板以构建新型的波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥。基于珠海前山河大桥设计原型，设计波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥，对其力学性能和经济性进行分析，并与实桥原型设计和PC箱梁方案对比分析。研究表明：(1)波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥可大幅降低结构自重，最大悬臂状态下内力大幅降低，作用组合下应力验算满足规范要求，跨中最大挠度小于规范容许值;(2)波形钢腹板的局部屈曲稳定、整体屈曲稳定和组合屈曲稳定均满足规范要求，连接件受剪承载力亦满足要求;(3)构造优化后技术方案综合单价比原型设计和PC箱梁桥分别降低169%和578%;波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥整体受力性能、局部受力性能和技术经济性优良，有望成为大跨连续梁桥有竞争力的桥型。

　　石云冈; 邵旭东; 侍永生， 公路工程 发表时间：2021-08-27 13:43 期刊

　　[关键词]超高性能混凝土;波形钢腹板;组合箱梁;连续梁桥;力学性能;经济分析

　　0　引言

　　预应力混凝土(PrestressConcrete，PC)箱型截面桥梁因结构抗扭刚度大、施工稳定性强，可有效承受正负弯矩等优点，广泛应用于桥梁工程领域中，已成为大跨桥梁主要的结构形式之一。然而，传统PC连续箱梁桥仍普遍存在梁体裂缝严重及跨中过度下挠等病害。近半个世纪来，为改善PC连续箱梁桥的病害，各国桥梁工程师提出了两种有效的方法：(I)改进混凝土材料自身特性，为降低结构自重大跨径箱梁桥跨中采用高强轻质类的建筑材料[1];(II)改进混凝土箱梁的构造，采用轻质高强的波形钢板置换混凝土腹板，构成波形钢腹板-PC组合连续箱梁[2]。

　　虽然波形钢腹板可减轻箱型主梁部分重量，但随着连续体系桥梁跨径的进一步增长(150m以上)，若箱梁翼缘板采用普通混凝土仍使桥梁的自重较大，这成为了制约波形钢腹板-PC组合箱梁桥大跨化的技术瓶颈之一[1]。此外，普通混凝土材料具有较大的长期时变性能(收缩和徐变特性)，使得大跨连续梁桥过度下挠的病害无法从根本上得到有效解决。

　　超高性能混凝土(UltraHighPerformanceConcrete，UHPC)是一种新型水泥基复合材料，具有优异的力学与耐久性能，尤其基体内大量各向分布的钢纤维使其呈现特殊的初裂后拉伸延性(应变硬化特性)，抗拉强度可达8MPa以上，抗弯折强度甚至可达30-50MPa[3]。UHPC材料优异的强度与韧性特征，实现了土木工程材料性能的大跨越[4，5]，促进了土木工程结构的快速发展。据文献资料统计，截至2019年底，世界范围内UHPC桥梁工程应用600余座，其中至少有160座桥梁以UHPC材料为主要承载构件[6]。

　　为减轻大跨径箱梁桥的自重，促进混凝土桥梁的大跨化、轻型化、节约建材环保化及外形美观轻盈化，一直是桥梁工程师持之以恒的奋斗目标[7]。针对波形钢腹板-PC组合连续箱梁桥，利用高强轻质的UHPC板置换厚重的普通混凝土翼缘板，以此构建新型的波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥，可更进一步降低结构自重，实现混凝土桥梁的大跨与轻型化[8，9]。再者，UHPC材料经蒸汽养护处理后的收缩变形几乎可忽略不计，徐变系数也大幅降低，可以从根源上改善大跨桥梁跨中过度下挠的顽疾。新型的组合连续桥梁有望突破传统波形钢腹板组合箱梁桥的技术瓶颈，为混凝土连续箱梁桥的大跨轻型化提供有竞争力的结构选型。

　　本文基于UHPC材料优异的力学性能，以珠海前山河特大桥为实桥设计原型，设计波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥方案，采用有限元分析软件对波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥进行整体受力及局部受力分析，同时与实桥原型设计方案和PC箱梁桥方案进行计算对比，并对三种桥型设计方案的结构整体受力、局部受力及技术经济性进行比较分析，以此探讨本文设计方案在大跨梁桥上应用的可行性，以期为该桥型的设计与建造提供技术参考。

　　1　波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥整体结构设计

　　1、1　实桥设计方案

　　珠海前山河特大桥位于港珠澳大桥连接线，主桥采用90+160+90m波形钢腹板-PC组合连续梁，主跨160m在波形钢腹板-PC组合连续梁中位居世界前列，是2018年前国内最大主跨的该类桥梁。主梁采用分幅设计，全预应力结构，公路-I级荷载。中支点梁高95m，跨中及边支点梁高4m，其余梁高按18次抛物线变化，立面布置如图1所示。主梁单箱单室截面，顶板宽1575m，翼缘板宽3375m，箱室顶宽9m，典型截面图如图2所示。

　　采用1600型波形钢板，模压法成形，波形钢腹板跨中、中墩厚度采用22mm和25mm。预应力束采用1860MPa的高强钢绞线，主梁边中墩上截面及标准组合截面的顶底板采用C55混凝土。

　　1、2　波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥方案

　　基于原桥设计方案，本文设计波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁方案，其主桥立面图如图1所示。波形钢腹板-UHPC组合箱梁典型截面如图3所示。组合箱梁UHPC顶板宽1575m，其中外伸悬臂板宽3375m。腹板间UHPC顶板采用纵向加劲肋的矮肋板，未加劲部分高12cm，加劲纵肋平均宽度18cm，厚度18cm，纵肋间距取70cm。华夫型UHPC顶板间隔32m设置高12m、厚12cm的横隔板。UHPC底板宽90m，厚度跨中和中支点处分别取22cm和50cm，两者之间随梁高按18次抛物线变化。

　　腹板采用1600型波形钢板，Q345qC钢材，其细部构造尺寸如图4所示。钢腹板的高度随梁高呈18次抛物线变化，波形钢腹板跨中、中墩厚度采用22mm和25mm。波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥的主梁采用挂篮对称悬臂浇筑施工，分段长度同原桥设计方案，单侧设17个悬浇节段，零号块长128m，1号～6号块长32m，7号～17号块长48m，合拢段取32m，满堂支架现浇边跨段为84m，主梁节段划分如图5所示。

　　纵向预应力采用体内、体外混合配束，两端张拉，布置如图6、图7所示。其中体内束类似于传统PC箱梁而仅不含腹板钢束，体外钢束主要为作用类似于腹板束的悬浇段体外束(TW类)。

　　1、3　PC连续箱梁桥方案

　　为与波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥设计方案对比，本文设计相同跨径布置的PC连续箱梁桥方案。主梁中墩支点梁高为95m，跨中及边支点梁高4m。

　　基于同等桥梁跨径、桥宽、单箱单室布置以及结构设计性能的目标原则，PC连续箱梁桥的结构尺寸与实桥原型设计方案大致一致，仅箱梁腹板厚度及预应力布置与原型设计方案有较大差异。PC连续箱梁桥的混凝土腹板厚度由跨中的075m线性变化为支点的145m。典型截面的断面图如图8所示。

　　2　整体有限元结构分析

　　2、1　结构内力

　　2、1、1　最不利施工阶段

　　从表1中可得，在施工阶段最大悬臂状态下，相比于波形钢腹板-PC组合连续箱梁桥和PC连续箱梁桥，波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥的最大负弯矩可分别减少439%和61%;同理，最大剪力可分别降低459%和649%。因此，波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥的施工安全性及稳定性大幅提高。

　　2、1、2结构自重内力

　　从表2中可得，波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁得益于的结构自重的降低，其结构自重产生的弯矩和剪力亦大幅度少于波形钢腹板-PC组合连续箱梁和PC连续箱梁。

　　2、2　结构应力

　　2、2、1　正截面抗裂验算

　　根据公混桥规[11]，在作用短期效应组合下，全预应力混凝土现浇构件应满足下式要求：σst-08σpr≤0(1)抗裂验算计算结果如图9所示。

　　从上图可见，波形钢腹板-UHPC组合箱梁的截面上下缘亦均未产生拉应力，最小压应力01MPa产生于边支点处上缘。

　　2、2、2　主压应力验算

　　根据公混桥规[11]，全预应力混凝土受弯构件，使用阶段正截面压应力应符合以下规定：σkc+σpt≤05fck(2)主压应力验算结果如图10所示。

　　计算结果表明，波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁在荷载标准值组合下的主压应力均未超限，上缘最大压应力419MPa和下缘最大压应力227MPa均未超过的UHPC材料抗压强度标准值的05倍(42MPa)。

　　2、3　结构变形

　　根据公混桥规[11]，汽车活载作用下的长期挠度值不应超过主跨径的1/600。表3中可得，汽车荷载工况下，波形钢腹板-UHPC组合箱梁方案的跨中竖向最大挠度值(6346mm)，考虑长期增长系数14后(6346mm×14=878mm)，仍远小于规范容许值1/600×160m=267mm，即汽车活载下的挠度满足规范要求。

　　3　局部受力分析

　　3、1　波形钢腹板受剪承载力分析

　　3、1、1　波形钢腹板抗剪强度分析

　　图11中可得，全桥波形钢腹板的抗剪强度均满足规范要求。波形钢腹板最大剪应力(758MPa)出现在支点UHPC节段与波形钢腹板-UHPC组合节段相交处。在承载能力极限状态下波形钢腹板承受的剪应力仅约为其抗剪强度的50%，局部抗剪性能较好。

　　3、1、2　波形钢腹板屈曲稳定性分析

　　由图12可得，波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥在承载能力极限状态下波形钢腹板的局部屈曲稳定、整体屈曲稳定和组合屈曲稳定均能满足规范[10]要求，且剪应力设计值τmax(75.8MPa)仅占相应截面位置波形钢腹板组合屈曲剪应力τcr(121.4MPa)的62.4%，表明波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥具有很高的钢腹板稳定性。

　　3、2　剪力连接件水平受剪承载力分析

　　栓钉连接件受剪承载力的计算结果如图13所示。图中可见，承载能力极限状态下栓钉连接件受剪承载力均满足规范要求，且栓钉承载力(2578N/mm)约为栓钉所承受最大剪应力(1174N/mm)的2、2倍。

　　4　经济性分析与构造优化

　　4、1　技术方案经济性分析

　　表4中可得，波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥的上部结构综合单价比实桥设计方案增加了15.5%，但比PC连续箱梁桥的综合单价低11.3%。尽管如此，由于波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥结构自重的大幅降低使得主梁运输吊装费用降低，而且下部结构及基础工程的材料用量也相应降低。经综合对比计算，波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥方案的综合单价相比实桥设计方案和PC连续箱梁桥分别降低了5.3%和39.4%，且波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥耐久性能更为优良。综上所述，波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥的初期建筑成本及全寿命周期成本上均具有一定的竞争力。

　　4、2　构造优化

　　4、2、1　主梁梁高优化

　　从表5可得，随着中支点梁高及主跨跨中梁高的降低，波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥的主跨跨中最大挠度不断增加。当中支点梁高取值6.5m和跨中梁高取值2.5m时，汽车活载作用下跨中最大挠度154.7mm为挠度限值1907mm(267mm/14)的1/123，表明主梁刚度良好。根据整体有限元结构分析及局部受力分析，正常使用极限状态下波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥承受频遇荷载组合作用的主拉应力为-04MPa(压应力)，若继续减小梁高尺寸将使得支点处UHPC节段截面出现拉应力，对于设计目标为全预应力的桥梁结构，该设计方案的正截面抗裂将无法满足规范要求。因此，主跨160m的波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥设计方案的优化后梁高组合为：中支点梁高取值6.5m，跨中梁高2.5m。

　　4、2、2　支点UHPC节段腹板厚度优化

　　选取中支点UHPC节段腹板厚度和边支点UHPC节段腹板厚度为可变参数，采用MidasCivil软件进行整体有限元结构分析。随着中支点UHPC节段腹板厚度和边支点UHPC节段腹板厚度降低，波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥的整体刚度下降，但整体刚度降幅较小。波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥设计方案的优化支点腹板厚度组合为：中支点UHPC腹板厚0.5m，边支点UHPC腹板厚0.3m。相比于中支点腹板厚度0.8m和边支点腹板厚度0.5m，优化设计方案的腹板厚度已减少35%以上。UHPC腹板厚度减小对结构刚度影响有限，但可有效降低UHPC材料消耗量及工程造价，即减薄UHPC节段腹板厚度可在不显著降低波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥整体力学性能情况下减少UHPC材料的用量，提高设计方案的经济性。

　　取优化后的模型进行结构验算，中支点梁高为6.5m，跨中梁高为2.5m，中支点UHPC腹板厚0.5m，边支点UHPC板厚0.3m，建立有限元模型并进行整体受力验算和局部受力验算，计算结果见下表6所示。表中整体受力验算的σ1表示参与频遇组合作用下正截面抗裂验算的最小压应力(拉正压负);σ2为最大压应力;τd，max、fvd和τcr为波形钢板的最大剪应力、抗剪强度及组合屈曲临界剪应力。

　　从表7可得，相比于整体结构设计方案的波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥，构造尺寸优化后上部结构的综合单价可降低7.9%，总建安造价降低8.3%，尺寸优化后设计方案的综合单价相比原型设计方案和PC连续箱梁桥分别降低了16.9%和57.8%，构造优化后的波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥设计方案的经济性较大提升，使得波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥型更具竞争力。

　　5　结论

　　a.相比实桥设计方案和PC箱梁桥，波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥可大幅度降低施工阶段最大悬臂状态下内力和结构自重内力。在各种组合作用下，波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥的应力满足规范要求，跨中挠度远小于规范容许值;波形钢腹板抗剪强度和稳定性及栓钉连接件受剪承载力均满足规范要求，且安全储备较大。

　　b.相比实桥设计方案和PC箱梁桥，波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥初期成本及全寿命成本均具有一定的竞争力，随着构造优化，降低梁高，减小UHPC腹板厚度，整体综合单价相比实桥设计方案和PC箱梁桥分别降低16.9%和57.8%。

　　波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥具有优良的整体受力性能、局部受力性能和施工便捷性，有望成为大跨连续梁桥的竞争桥型方案。