大跨度斜拉橋輕型組合橋面方案設(shè)計(jì)與仿真分析

盛 捷

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 廣州 510507)

1 工程概況

某斜拉橋是一座大跨度正交異性板加勁鋼箱梁與PC箱梁混合結(jié)構(gòu)半懸浮彈性體系斜拉橋，長906 m(其中鋼箱梁部分長718 m)，主跨518 m，主塔塔身高148 m，跨徑組成為：2×47 m(PC箱梁)+100 m(鋼箱梁)+518 m(鋼箱梁)+100 m(鋼箱梁)+2×47 m(PC箱梁)，見圖1，橋面總寬30.35 m。鋼箱梁節(jié)段間用螺栓連接，鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)段長12 m。鋼箱梁頂板厚12 mm，U形加勁肋間距600 mm，厚度8 mm，橫隔板間距3 m，橫隔梁間距6 m，屬于我國早期10余座大跨徑鋼箱梁橋的典型代表之一。

圖1 大橋立面圖(單位：m)

近年來，該斜拉橋的鋼橋面鋪裝表面出現(xiàn)嚴(yán)重車轍、推移，并伴隨諸多裂縫，局部出現(xiàn)坑槽、泛油等病害。雖然橋梁養(yǎng)護(hù)單位已對(duì)橋面進(jìn)行局部維修，但維修后的路面效果不佳，病害無法得以根除，而且大部分維修路段再次出現(xiàn)病害，極大影響了車輛的正常運(yùn)行。

為此，針對(duì)該斜拉橋橋面整體剛度不足、交通量大、重車及超載重車多、橋面縱坡大、鋼橋面溫度高等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用鋼-STC輕型組合橋面方案對(duì)該斜拉橋鋼橋面進(jìn)行維修加固。

2 方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用鋪裝方案：SMA+STC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)。橋面鋪裝設(shè)計(jì)總厚度80 mm，結(jié)構(gòu)組成為35 mm瀝青混凝土(SMA)+45 mm超高韌性混凝土(STC)。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)段STC設(shè)計(jì)

塔根范圍40 m梁段STC層為5.0 cm，其他梁段STC層為4.5 cm。

STC層橫橋向鋼筋位于上層，凈保護(hù)層厚度為15 mm，橫向間距受螺栓帶影響，采用50，30 mm 2種間距?？v橋向鋼筋位于下層，與橫向鋼筋形成緊密鋼筋網(wǎng)，縱向間距采用37.5 mm，縱、橫向鋼筋直徑為10 mm，均采用HRB400鋼筋，見圖2。

圖2 4.5 cm厚STC結(jié)構(gòu)圖 (單位：mm)

剪力釘高度為35 mm，直徑為13 mm，橫向布置采用14，16 cm 2種間距，縱向布置為15 cm，剪力釘焊接處均避開原鋼箱梁縱、橫肋。

2.2 螺栓帶STC設(shè)計(jì)

由于螺栓帶為應(yīng)力集中部位，在長期車輛荷載的反復(fù)作用下，部分螺栓會(huì)出現(xiàn)延遲斷裂。雖然高強(qiáng)度的STC鋪裝層能在一定程度降低螺栓帶的應(yīng)力，減少螺栓延遲斷裂現(xiàn)象，但是無法完全避免。因此設(shè)計(jì)需充分考慮螺栓帶處STC層中鋼筋網(wǎng)的布置及斷裂螺栓的更換問題。

根據(jù)郭程、邵旭東[1]對(duì)橋面結(jié)構(gòu)中螺栓連接帶的彎拉受力性能研究成果：采用當(dāng)前設(shè)計(jì)方案，將STC層中部分縱向受拉鋼筋與拼接鋼板在螺栓連接帶兩側(cè)接頭區(qū)域局部焊接，可有效降低螺栓連接帶區(qū)域STC層最先開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

大橋螺栓帶連接板厚度分12，16 mm 2種厚度。16 mm連接板位于塔根附近處梁段，該區(qū)域STC層厚度為50 mm，12 mm連接板區(qū)域STC層厚度為45 mm。橫向間距受螺栓帶影響，采用50，30 mm 2種間距。縱橋向鋼筋位于下層，縱向鋼筋間距為50，30 mm 2種，部分縱向鋼筋與連接板單面焊接，縱、橫向鋼筋直徑為10 mm，均采用HRB400鋼筋，見圖3。

圖3 螺栓帶STC結(jié)構(gòu)圖 (單位：mm)

螺栓帶附近剪力釘進(jìn)行加密，縱向間距由15 cm加密至8 cm。

2.3 縱橫向施工縫設(shè)計(jì)

不同時(shí)間澆筑銜接處會(huì)出現(xiàn)STC接縫，由于接縫處STC中的鋼纖維不連續(xù)，抗裂強(qiáng)度將被削弱，因此，需對(duì)接縫處做強(qiáng)化處理，設(shè)計(jì)采用S形加強(qiáng)鋼板，見圖4，S形加強(qiáng)鋼板設(shè)置在橋幅中心線處，厚度為10 mm，加強(qiáng)鋼板與鋼橋面面板通過角焊連接。

圖4 STC接縫處S形加強(qiáng)鋼板布置示意

3 計(jì)算方案

正交異性鋼橋面不僅作為橋面系直接承受車輪荷載的作用，還作為主梁的一部分參與主梁共同受力，其力學(xué)行為十分復(fù)雜。為便于分析，傳統(tǒng)的簡化分析方法是將正交異性鋼橋面的受力分為3個(gè)體系：主梁體系、橋面體系及蓋板體系。其中主梁體系考慮總體荷載效應(yīng)，對(duì)應(yīng)采用midas軟件進(jìn)行全橋模型計(jì)算；橋面體系及蓋板體系考慮局部荷載效應(yīng)，對(duì)應(yīng)采用ANSYS進(jìn)行節(jié)段模型計(jì)算。最終將3個(gè)體系計(jì)算所得應(yīng)力疊加，即視為正交異性鋼橋面的最終設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)力。

3.1 全橋整體計(jì)算

整體計(jì)算選用midas Civil 2012，采用三維空間有限元模型計(jì)算，不考慮施工過程，僅考慮成橋狀態(tài)。全橋共計(jì)2 887個(gè)節(jié)點(diǎn)， 2 604個(gè)單元，見圖5。

圖5 全橋有限元模型

主要計(jì)算結(jié)果如下。

1) 鋼主梁應(yīng)力。運(yùn)營狀態(tài)下STC組合橋面鋼箱梁的應(yīng)力分布見圖6。由圖6可見，鋼箱梁中的最大壓應(yīng)力約為141.3 MPa，最大拉應(yīng)力為111.3 MPa。

圖6 鋼箱梁最大應(yīng)力(單位：MPa)

2) STC層應(yīng)力。活載作用下組合橋面STC層的應(yīng)力分布見圖7。由圖7可見，STC層的最大壓應(yīng)力約為6.96 MPa，最大拉應(yīng)力為4.88 MPa，此即主梁體系計(jì)算所得應(yīng)力。

圖7 活載下STC層最大應(yīng)力(單位：MPa)

采用輕型組合橋面，鋼主梁及活載下STC層應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求，與原鋪裝方案相比，輕型組合橋面幾乎不會(huì)對(duì)大橋的整體受力產(chǎn)生影響。

3.2 梁段局部計(jì)算

1) 模型基本信息。采用ANSYS軟件建立節(jié)段模型進(jìn)行計(jì)算，該模型縱向取12 m標(biāo)準(zhǔn)梁段(4跨橫隔板長度)。同時(shí)，為降低計(jì)算規(guī)模，橫橋向采用了半幅箱梁結(jié)構(gòu)，模型中未考慮風(fēng)嘴等次要部分。模型見圖8。

圖8 節(jié)段有限元模型

有限元模型中鋼箱梁均采用板殼單元SHELL63單元模擬，STC采用實(shí)體單元SOLID45單元模擬。具體材料參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算模型基本信息

模型的邊界條件為：在節(jié)段梁端面處，約束鋼箱梁的縱向平動(dòng)自由度和繞豎軸與橫軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，以近似反映該箱梁為橋跨內(nèi)的梁段；在道路中心線截面采用橫向?qū)ΨQ約束；在有拉索位置的斜腹板端部約束其豎向平動(dòng)自由度，以近似反映拉索的約束作用。

2) 主要應(yīng)力關(guān)注點(diǎn)。由于鋼橋面板應(yīng)力分布的局部性較強(qiáng)，縱橫向影響線較短，故計(jì)算時(shí)可忽略多車效應(yīng)[2-3]。同時(shí)，由于標(biāo)準(zhǔn)車的中、后軸軸距較大(相距7 m)，故可忽略中、后車軸之間的疊加效應(yīng)，而只采用標(biāo)準(zhǔn)車的后軸進(jìn)行加載，單輪重為70 kN，車輪著地面積為200 mm×600 mm

(縱橋向×橫橋向)，局部加載時(shí)沖擊系數(shù)取為1.3。計(jì)算中將重點(diǎn)關(guān)注以下應(yīng)力點(diǎn)，參考相關(guān)文獻(xiàn)計(jì)算方法[4-5]：

①STC層拉應(yīng)力，包括橫橋向拉應(yīng)力和縱橋向拉應(yīng)力，如圖9～圖12所示，圖中STC-1～STC-4均為關(guān)注位置。

圖9 縱隔板頂面-橫梁中間位置

圖10 U肋頂面-橫梁中間 圖11 U肋頂面-橫梁斷面 圖12 橫隔板頂面

②鋼橋面結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力，包括正交異性鋼橋面中主要構(gòu)件及構(gòu)造細(xì)節(jié)處應(yīng)力。如圖13～圖15所示，其中，OSD-1為鋼面板非焊接位置；OSD-2為鋼面板與U肋焊接處附近的鋼面板位置；OSD-3為鋼面板與U肋焊接處附近的U肋位置；OSD-4為U肋與橫隔板焊接處附近的U肋位置；OSD-5為U肋與橫隔板焊接處附近的橫隔板位置；OSD-6為橫隔板弧形缺口處；OSD-7為U肋底部對(duì)接焊縫處。

圖13 鋼箱梁縱向跨中 圖14 鋼箱梁縱向立面 圖15 鋼箱梁橫隔板斷面

3) 主要計(jì)算結(jié)果

①STC層拉應(yīng)力見表2。

表2 STC層拉應(yīng)力結(jié)果匯總表 MPa

計(jì)算結(jié)果表明，STC層的最大拉應(yīng)力為9.06 MPa，出現(xiàn)在縱橋向。與主梁體系STC層拉應(yīng)力4.88 MPa疊加，STC層頂面縱橋向最大設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)力為13.94 MPa，小于名義開裂應(yīng)力26.7 MPa[6]，滿足設(shè)計(jì)要求。

②鋼橋面結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力。采用STC組合橋面后，鋼橋面結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力較原鋪裝方案均有一定程度降低，如表3所示，對(duì)原鋼橋面受力改善顯著。

表3 應(yīng)力降幅結(jié)果匯總表

4 結(jié)語

該橋鋼橋面施工于2016年8-11月進(jìn)行，施工過程順利。目前大橋的橋面系運(yùn)營狀態(tài)良好。

由該實(shí)例可知：

1) 與原鋪裝方案相比，輕型組合橋面幾乎不會(huì)對(duì)大橋的整體受力產(chǎn)生影響，方案具有可施工性，施工過程順利。

2) 在不利荷載組合下，STC層頂面中最大拉應(yīng)力為13.94 MPa，遠(yuǎn)小于名義開裂應(yīng)力26.7 MPa，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

3) 輕型組合橋面對(duì)原鋼橋面受力改善顯著，局部構(gòu)造細(xì)節(jié)最大降幅達(dá)84.6%，有利于延長鋼橋面使用壽命，滿足結(jié)構(gòu)使用要求。