钢-UHPC-普通混凝土组合桥面板受力特点和不同厚度比受力特征分析.pdf

第5期（总第230期）2023 年 10 月CHINA MUNICIPAL ENGINEERINGN o.5 (S e r i a l N o.2 3 0)O c t.2 0 2 389钢-U H P C-普通混凝土组合桥面板受力特点和不同厚度比受力特征分析刘 国 光，张 伟，周 云 岗 上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092摘要：以上海 G1503 吴淞江大桥主桥钢箱梁为研究对象，采用 ANSYS 有限元软件建立全断面节段局部分析模型进行计算分析。研究钢-UHPC-普通混凝土组合桥面板的受力特点，并对不同厚度比的 UHPC 层、普通混凝土面层桥面板的受力特征做汇总对比，研究成果可为类似工程设计提供参考。关键词：组合桥面板；UHPC；普通混凝土；厚度比中图分类号：U443.3 文献标识码：A 文章编号：1004-4655（2023）05-0089-06收稿日期：2023-03-28第一作者简介：刘国光（1988），男，高级工程师，硕士，主要从事桥梁工程设计工作。DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2023.05.020随着城市发展和桥梁建造工艺的提高，钢结构桥梁大量建造，钢-混凝土组合桥面板也已广泛应用1-2。钢-普通混凝土组合桥面板存在负弯矩区开裂的问题，影响组合桥面板耐久性，限制其发展。针对此问题，工程界提出钢-UHPC 组合桥面板3-6，利用 UHPC 材料抗拉强度较高的特性，增强组合桥面板的耐久性。但是，UHPC 价格为普通混凝土的 5 6 倍，经济性不佳，不利于推广应用。为充分发挥 UHPC 的优势，同时合理控制成本，提出 1种新型组合桥面板；其混凝土板采用 2 层结构，钢板上层采用 UHPC 材料增强抗裂性能，UHPC 上层铺设普通混凝土层，直接承载车轮荷载。该面板通过 UHPC 层分担普通混凝土面层的受力，提升组合桥面板整体抗裂性能。而且，UHPC 用量比常规的钢-UHPC 组合桥面板大幅降低，经济性和力学性能均达到适合工程应用的水平，值得深入研究并推广使用。1 工程概况上海市 G1503 吴淞江大桥主桥为双幅布置的85 m+138 m+81 m 的钢箱梁桥，单幅标准桥宽为16.25 m。主梁采用闭口钢箱梁，桥面板采用钢-普通混凝土组合体系，钢梁顶板上设 150 mm 普通混凝土板。主梁为变高度箱梁，梁高由 3.65 m（跨中）变化到 7.15 m（中支点），钢箱梁挑臂长 4.375 m，箱室净宽 7.5 m。主梁结构断面见图 1。以 G1503吴淞江大桥主桥钢箱梁结构为研究对象，将桥面板改为钢-UHPC-普通混凝土组合桥面板，进行对比分析。图 1 桥梁标准横断面图2 研究分析模型概述采用有限元分析软件 ANSYS，根据工程中钢902023 年第 5 期刘国光，张伟，周云岗：钢-UHPC-普通混凝土组合桥面板受力特点和不同厚度比受力特征分析箱梁构造，取 7 个横隔板节段建立节段模型，模型长 20.6 m。另于节段模型两侧建立一定长度的梁单元模型，梁单元端部位置模拟主梁反弯点位置，计算模型全长近似取 60 m。模拟跨中断面的分析模型采用简支约束，于梁单元端部约束平动位移和绕纵桥轴扭转。模拟中支点区域的分析模型，考虑对节段中部位置底面节点的 3 个平动方向位移进行约束，对节段模型和梁单元模型分别采用面荷载和线荷载加载，见图 2。钢材特性按 Q345 标号钢材取值，普通混凝土层采用标号 C50 的混凝土，UHPC 材料抗压强度取常规的 120 MPa 作为极限值，对应抗拉强度取 20 MPa，弹性模量取 41.9103 MPa。模型各部分构件单元类型如下：局部节段箱梁的钢板-板壳单为 Shell63，UHPC 面板为 Solid65 单元，剪力钉为 Combine39 单元，钢筋为 Link8 单元，梁单元为 Beam44。梁单元梁单元实体节段单元UHPC 层普通混凝土层钢梁a）整体分析模型 b）分析模型横断面图 2 ANSYS 有限元分析模型3 钢-UHPC-普通混凝土组合桥面板受力特点分析由于腹板约束对上层 UHPC 板、普通混凝土板逐渐减小，钢-UHPC-普通混凝土组合桥面板的受力状态和剪力滞效应与钢梁顶板有较大差异。为研究其受力特点，分析模型采用 90 mm 普通混凝土+60 mm UHPC+14 mm 钢梁顶板，分别针对跨中区域、支点区域进行第一体系受力分析。应力云图见图 3 图 4。a）普通混凝土板顶 b）UHPC 板顶 c）钢梁顶板图 3 跨中区域应力云图（纵向应力）a）普通混凝土板顶 b）UHPC 板顶 c）钢梁顶板图 4 支点区域应力云图（纵向应力）由图可知，普通混凝土面板、UHPC 面板和钢梁顶板的应力分布规律相似。跨中区域，普通混凝土板和 UHPC 板应力在腹板处较小，最上层的普通混凝土板尤为明显，但总体应力分布较均匀；钢梁顶板应力在腹板处较大，并向两侧略有减少。中支点区域，组合桥面板截面应力在腹板处最大，并向912023 年第 5 期刘国光，张伟，周云岗：钢-UHPC-普通混凝土组合桥面板受力特点和不同厚度比受力特征分析两侧迅速减小。可知，中支点断面翼缘剪力滞效应显著。根据应力云图可见，钢梁顶板极值范围分布小，仅存在于腹板周围小片区域，而 UHPC 面板和普通混凝土面板分布范围大，腹板之间较大范围均承担较大的应力。钢面板的剪力滞效应更加明显。跨中和支点处，断面纵桥向应力沿横桥向分布见图 5 图 6。由图可知，对于跨中区域的组合桥面板，最上层的普通混凝土板应力分布为腹板区域最小，腹板之间和腹板至挑臂封板之间的应力较大，与最下层的钢梁顶板应力分布正好相反。UHPC 板的应力则在腹板附近较大，腹板之间较为均匀，而腹板至挑臂封板之间逐渐减小。支点区域的组合桥面板，3 层板的应力分布规律接近，主要差异点在于普通混凝土板和 UHPC 板在腹板之间的应力较为均匀，而钢梁顶板则极值效应明显。-19.8-20.0-20.2-20.4-20.6-20.8-21.0-21.2-21.4应力/MPa-10-8-6-4-2 0 2 4 6 8 10位置/m腹板位置 腹板位置-24.2-24.4-24.6-24.8-25.0-25.2-25.4-25.6-25.8应力/MPa位置/m腹板位置 腹板位置-10-8-6-4-2 0 2 4 6 8 10位置/m-10-8-6-4-2 0 2 4 6 8 10腹板位置 腹板位置-100-120-140-160-180-200应力/MPaa）普通混凝土板顶 b）UHPC 板顶 c）钢梁顶板图 5 跨中区域纵桥向应力横向分布图-10-8-6-4-2 0 2 4 6 8 10位置/m腹板位置 腹板位置位置/m腹板位置 腹板位置-10-8-6-4-2 0 2 4 6 8 10腹板位置 腹板位置位置/m-10-8-6-4-2 0 2 4 6 8 10292827262524应力/MPa30.530.029.529.028.528.027.526.5应力/MPa320300280260240220200180160应力/MPaa）普通混凝土板顶 b）UHPC 板顶 c）钢梁顶板图 6 支点区域纵桥向应力横向分布图计算组合桥面板有效分布宽度系数见表 1。对于钢-UHPC-普通混凝土组合桥面板，最下层的钢梁顶板剪力滞效应最明显，而 UHPC 板与普通混凝土板的有效分布宽度接近，中间层 UHPC 面板有效分布宽度系数最大。跨中断面不同层板有效分布宽度系数偏差达 25.3%，支点断面达 37.8%，设计过程中应充分考虑 3 层材料的有效分布宽度差异，避免浪费。表 1 跨中区域纵桥向应力横向分布图位置跨中断面中支断面组合桥面板钢梁顶板UHPC 板普通混凝土板钢梁顶板UHPC 板普通混凝土板有效分布宽度系数0.7840.9820.9770.6930.9550.9394 组合板不同厚度比受力特征分析分析“UHPC 板+普通混凝土”总厚度 T 在120 mm、150 mm，2 种总厚度条件下，采用不同厚度比“UHPC 板+普通混凝土”的总体受力情况。4.1 总厚度 T=120 mm1）应力计算分析。总厚度 T=120 mm，不同板厚组合（UHPC+普通混凝土）有 5 种组合形式，分 别 为：40 mm+80 mm、50 mm+70 mm、60 mm+60 mm、70 mm+50 mm、80 mm+40 mm。计算结果见图 7 图 9。由图可知，总厚度 T=120 mm，调节 UHPC 与普通混凝土的厚度比，对于钢梁顶板受力影响不大。而普通混凝土板越厚，其应力越大；跨中受压区域 UHPC 板应力随 UHPC 板厚增922023 年第 5 期加而减小，中支点受拉区域 UHPC 板应力随 UHPC板厚增加而增大。位置/m腹板位置腹板位置-10-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10-22.5-23.0-23.5-24.0-24.5-25.0-25.5-26.0-26.535343332313029282726应力/MPa位置/m腹板位置腹板位置-10-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 1040+8050+7060+6070+5080+4040+8050+7060+6070+5080+40a）跨中 b）支点图 7 T=120 mm,不同板厚组合普通混凝土应力对比-28.0-28.5-29.0-29.5-30.0-30.5-31.0-31.5-32.0应力/MPa40+8050+7060+6070+5080+40位置/m腹板位置腹板位置-10-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10363534333231应力/MPa位置/m腹板位置腹板位置-10-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 1040+8050+7060+6070+5080+40a）跨中 b）支点图 8 T=120 mm,不同板厚组合 UHPC 应力对比-120-140-160-180-200-220应力/MPa位置/m-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 1040+8050+7060+6070+5080+4040+8050+7060+6070+5080+40320300280260240220200180应力/MPa腹板位置腹板位置位置/m-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10腹板位置腹板位置a）跨中 b）支点图 9 T=120 mm,不同板厚组合钢梁顶板应力对比组合厚度比变化时，箱梁腹板处和箱室中部板件应力见表 2。表 2 T=120 mm，钢板应力变化表 MPa断面位置跨中中支点应力位置腹板处箱室中部腹板处箱室中部UHPC+普通混凝土厚度组合40 mm+80 mm-203.73-126.82 288.45 210.37 50mm+70 mm-202.20-125.64 287.29 209.33 60 mm+60 mm-200.77-124.32 286.20 208.23 70 mm+50 mm-199.44-123.16 285.16 207.26 80 mm+40 mm-198.21-122.02 284.14 206.40 增减幅度-2.71%-3.78%-1.49%-1.89%从中可知，总厚度 T=120 mm，UHPC 板厚从40 mm 增大至 80 mm，钢板应力变化小，跨中位置钢板应力最大降幅为 3.78%，而支点位置钢板应力最大降幅为 1.89%，均发生在箱室中部区域。UHPC 板与普通混凝土板应力变化见表 3，总厚 度 T=120 mm，UHPC 板 厚 从 40 mm 增 大 至80 mm 时，跨中 UHPC 板应力有所下降，幅度为7.02%7.08%，而支点位置 UHPC 板应力降幅较小，幅度为 0.31%1.52%。而普通混凝土板应力整体降幅相对较大，为 9.27%9.63%。刘国光，张伟，周云岗：钢-UHPC-普通混凝土组合桥面板受力特点和不同厚度比受力特征分析932023 年第 5 期表 3 T=120 mm，UHPC 板与普通混凝土板应力变化表 MPa板厚UHPC 板普通混凝土板断面位置跨中中支点跨中中支点应力位置腹板处 箱室中 腹板处 箱室中 腹板处 箱室中 腹板处 箱室中UHPC+普通混凝土厚度组合40 mm+80 mm-31.63-31.52 33.97 33.83-26.01-25.83 33.65 32.62 50 mm+70 mm-31.04-30.94 34.07 33.82-25.34-25.19 32.85 31.85 60 mm+60 mm-30.35-30.17 34.52 34.10-24.70-24.57 32.05 31.08 70 mm+50 mm-29.92-29.83 34.33 33.88-24.08-23.99 31.26 30.34 80 mm+40 mm-29.39-29.31 34.49 33.93-23.50-23.43 30.49 29.60 增减幅度-7.08%-7.02%-1.52%-0.31%-9.63%-9.27%-9.41%-9.28%2）剪力滞效应探讨。计算不同厚度组合的有效宽度系数，结果见表 4。表 4 T=120 mm，组合桥面板不同部位有效分布系数位置跨中断面中支点断面不同厚度组合桥面板（UHPC+普通混凝土）钢梁顶板UHPC面板普通混凝土板钢梁顶板UHPC面板普通混凝土板40 mm+80 mm0.810 0.980 0.979 0.707 0.981 0.946 50 mm+70 mm0.802 0.984 0.980 0.706 0.981 0.945 60 mm+60 mm0.800 1.0000.980 0.704 0.978 0.944 70 mm+50 mm0.798 0.990 0.981 0.703 0.967 0.944 80 mm+40 mm0.796 0.987 0.982 0.701 0.959 0.943 从中可知，UHPC 面板和普通混凝土板的有效宽度系数比钢面板大，保持总厚度 T=120 mm 不变，UHPC 和普通混凝土板不同厚度比对于有效分布系数影响不大。4.2 总厚度 T=150 mm1）应力计算分析。总厚度 T=150 mm，不同板厚组合（UHPC+普通混凝土）有 5 种组合形式，分别为：40 mm+110 mm、60 mm+90 mm、75 mm+75 mm、90 mm+60 mm、110 mm+40 mm，计算结果见图 10 图 12。由图可知，总厚度 T=150 mm，调节UHPC 与普通混凝土的厚度比，对于钢梁顶板受力影响不大。普通混凝土板越厚，其应力越大，而跨中受压区域 UHPC 板应力随 UHPC 板厚增加而减小，中支点受拉区域 UHPC 板应力随 UHPC 板厚增加而增大。-19-20-21-22-23-24323028262422应力/MPa应力/MPa40+11060+9075+7590+60110+4040+11060+9075+7590+60110+40位置/m位置/m腹板位置腹板位置腹板位置腹板位置-10-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10a）跨中 b）支点图 10 T=150 mm,不同板厚组合普通混凝土应力对比-24.0-24.5-25.0-25.5-26.0-26.5-27.0-27.0-28.0应力/MPa40+11060+9075+7590+60110+40位置/MPa腹板位置腹板位置-10-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10313029282726应力/MPa40+11060+9075+7590+60110+40位置/MPa腹板位置腹板位置-10-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10a）跨中 b）支点图 11 T=150 mm,不同板厚组合 UHPC 应力对比-100-120-140-160-180-200应力/MPa位置/m腹板位置腹板位置-10-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 1040+11060+9075+7590+60110+40320300280260240220200180160应力/MPa位置/m腹板位置腹板位置-10-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 1040+11060+9075+7590+60110+40a）跨中 b）支点图 12 T=150 mm,不同板厚组合钢梁顶板应力对比刘国光，张伟，周云岗：钢-UHPC-普通混凝土组合桥面板受力特点和不同厚度比受力特征分析942023 年第 5 期组合厚度比变化时，箱梁腹板处和箱室中部板件应力见表 5。从中可知，总厚度 T=150 mm，UHPC 板厚从 40 mm 增大至 110 mm 时，钢板应力变化小，跨中位置钢板应力最大降幅为 4.52%，而支点位置钢板应力最大降幅为 1.77%，均发生在箱室中部区域。表 5 T=150 mm，钢板应力变化表 MPa断面位置跨中中支点应力位置腹板处箱室中部 腹板处箱室中部UHPC+普通混凝土厚度组合40 mm+110 mm-196.76-118.98280.20205.9960 mm+90 mm-194.93-117.22278.86204.7275 mm+75 mm-193.64-116.05277.89203.8790 mm+60 mm-192.43-114.92276.93203.13110 mm+40 mm-190.98-113.60275.63202.35增减幅度2.94%4.52%1.63%1.77%UHPC 板与普通混凝土板应力变化见见表 6，总 厚 度 T=150 mm，UHPC 板 厚 从 40 mm 增 大 至110 mm 时，跨中 UHPC 板应力有所下降，幅度为9.67%12.33%，中支点位置 UHPC 板应力增加较小，幅度为 7.85%8.60%。而普通混凝土板应力整体增幅相对降低，为 12.86%14.73%。表 6 T=150 mm，UHPC 板与普通混凝土板应力变化表 MPa板厚UHPC 板普通混凝土板断面位置跨中中支点跨中中支点应力位置腹板处 箱室中 腹板处 箱室中 腹板处 箱室中 腹板处 箱室中UHPC+普通混凝土厚度组合40 mm+110 mm-27.65-27.35 27.59 27.74-22.51-23.21 30.26 30.56 60 mm+90 mm-26.60-26.44 28.53 28.46-21.39-22.19 29.07 29.34 75 mm+75 mm-25.89-26.02 29.07 28.89-20.64-21.47 28.21 28.48 90 mm+60 mm-25.23-25.53 29.26 29.06-19.96-20.82 27.36 27.69 110 mm+40 mm-24.24-24.71 29.96 29.92-19.20-20.00 26.25 26.63 增减幅度-12.33%-9.67%8.60%7.85%14.73%13.83%13.25%12.86%2）剪力滞效应探讨。计算不同厚度组合的有效宽度系数，结果见表 7。从中可知，UHPC 板和普通混凝土板的有效宽度系数比钢面板大。保持总厚度 T=150 mm 不变，UHPC 和普通混凝土板不同厚度比对于其有效分布系数影响不大。表 7 T=150 mm，组合桥面板不同部位有效分布系数位置跨中断面中支断面不同厚度组合桥面板（UHPC+普通混凝土）钢梁顶板UHPC板普通混凝土板钢梁顶板UHPC板普通混凝土板40 mm+110 mm0.790 0.969 0.977 0.695 0.982 0.938 60 mm+90 mm0.787 0.982 0.978 0.693 0.982 0.937 75 mm+75 mm0.785 0.985 0.977 0.691 0.968 0.935 90 mm+60 mm0.784 0.982 0.977 0.690 0.954 0.934 110 mm+40 mm0.782 0.991 0.975 0.688 0.957 0.935 5 结语研究通过有限元软件建模，对钢-UHPC-普通混凝土组合桥面板的受力特点和不同厚度比面板组合的受力情况进行计算分析，得到以下结论。1）钢-UHPC-普通混凝土组合桥面板跨中区域，钢梁顶板应力在腹板处较大，并向两侧迅速减少。UHPC 板的应力则在腹板附近较大，腹板之间较为均匀，而腹板至挑臂封板之间逐渐减小。普通混凝土板应力在腹板处较小，腹板之间和腹板至挑臂封板之间的应力较大。而中支点区域，3 种板件截面应力均在腹板处最大，普通混凝土板和 UHPC板在腹板之间的应力较为均匀，而钢梁顶板应力则由腹板位置向两侧快速减小。2）钢-UHPC-普通混凝土组合桥面板中，钢梁顶板的剪力滞效应明显，普通混凝土板和 UHPC板截面利用率较高。设计过程中应充分考虑组合桥面板中 3 种板件的有效分布宽度差异，避免浪费。此外，UHPC+普通混凝土板总厚度不变的情况下，UHPC 板与普通混凝土的厚度比变化对于桥面板各板件剪力滞效应影响较小，实际应用中可以忽略。3）UHPC+普通混凝土板总厚度不变的情况下，混凝土桥面板中 UHPC 与普通混凝土的厚度比变化对于钢梁顶板应力影响较小。普通混凝土板越厚，其应力越大；跨中受压区域 UHPC 板应力随 UHPC板厚增加而减小，中支点受拉区域 UHPC 板应力随 UHPC 板厚增加而增大。4）UHPC+普通混凝土板总厚度不变的情况下，UHPC 板厚度的增加可以有效降低最上层普通混凝土板的应力，此规律随着总厚度的增加更为明显。建议在工程应用中，根据实际需要确定总板厚，合理选择 UHPC 板厚，以实现桥面板力学性能与工程造价的平衡。参考文献：1 程烨,解来江.城市高架简支小箱梁式钢-混组合梁桥设计分析J.市政技术,2017(5):52-53.2 张智聪.山西省闭口钢箱组合梁主要研究内容与应用前景分析C/中国土木工程师学会总工程师工作委员会 2021 年度学术年会暨首届总工论坛会议论文集,北京,2021:421-423.3 吴佳佳,邵旭东,刘榕,等.钢-UHPC 轻型组合梁桥面板结构型式研究 J.公路工程,2017(4):76-81,101.4 邵旭东,郑晗,黄细军,等.钢-UHPC 轻型组合桥面板横向受力性能 J.中国公路学报,2017(9):70-77.5 曹君辉,赵宇航,邵旭东,等.钢-薄层 UHPC 轻型组合桥面结构抗弯疲劳及剩余承载力试验研究 J.湖南大学学报(自然科学版),2022(11):89-104.6 田启贤,高立强,周尚猛,等.超高性能混凝土-钢正交异性板组合桥面受力性能研究 J.桥梁建设,2017(3):13-18.刘国光，张伟，周云岗：钢-UHPC-普通混凝土组合桥面板受力特点和不同厚度比受力特征分析126ABSTRACTSamplitude of acceleration,while the decrease in the modulus of the middle and lower layers will lead to an increase in the amplitude of acceleration.The research results have reference significance for the identification of structural damage of asphalt pavement based on vibration,and need to be further verified through practical observation.Keywords:asphalt pavement;structural vibration analysis;modulus reduction;interlayer contact weakeningStress Characteristics of Steel-UHPC-Concrete Composite Bridge Deck Slab&Analysis of Stress Characteristics with Different Thickness RatiosLIU Guo-guang,ZHANG Wei,ZHOU Yun-gang(Shanghai Municipal Engineering Design Institute Group Co.,Ltd.,Shanghai 200092,China)Abstract:Taking the steel box girder of the main bridge of the G1503 Wusong River Bridge in Shanghai as the research object,an analysis model of the full-section segment is established using the finite element software ANSYS for calculation&analysis.The mechanical characteristics of the steel-UHPC-concrete composite deck are studied,and the mechanical characteristics of the UHPC layer with different thickness ratios&the concrete surface deck are summarized&compared.The research results can provide a reference for similar engineering designs.Key words:composite deck slab;UHPC;ordinary concrete;thickness ratioResearch&Practice of Long-Distance Parallel Pipe Jacking Passage in Complex EnvironmentQI Chao(Shanghai Shentong Metro Construction Group Co.,Ltd.,Shanghai 200122,China)Abstract:Combining the construction project of Shanghai South Railway Station Transfer Station of Shanghai Rail Transit L15,it expounds the research&practice of long-distance parallel pipe jacking channels in complex environments in soft soil areas.The lateral opening of composite pipe sections is used to achieve the setting and