黎栋家，杨盼杰，曾有凤
(广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530029)
随着我国道路建设的蓬勃发展，国内拱桥应用越来越广泛，主梁桥面板作为主要结构，目前主流形式有3种：(1)预制钢筋混凝土桥面板结构；
(2)钢-混凝土组合桥面板结构[1]；
(3)正交异性钢桥面板。
预制钢筋混凝土桥面板结构厚度大、自重大、现浇湿接缝钢筋焊接量大、施工不便捷，且跨中及梁顶都易出现裂缝，影响结构耐久性。钢-混凝土组合桥面板相对于预制钢筋混凝土桥面板，板厚大幅度减小、自重轻、整体浇筑、整体性好，但现浇层内普通钢筋密布，PBL剪力键穿钢筋较麻烦，且梁顶负弯矩区混凝土开裂问题也仍然存在。正交异性钢桥面板优点突出，但其存在结构局部刚度不足、几何线性不平顺、焊接缺陷以及制造加工问题等，铺装病害和疲劳开裂病害严重，显著增加结构的全寿命周期成本，严重影响结构的使用性能和服役质量[2]。
本文针对目前拱桥桥面结构存在的以上问题，在拱桥传统格子梁体系基础上提出倒T型钢+UHPC组合桥面结构，通过有限元模拟分析其静荷载作用下受力最不利点的极限承载能力，以及动荷载作用下的抗疲劳能力，并进行了综合比选分析，可为类似桥面结构设计提供参考。
以某大桥为例，主桥为计算跨径325 m的中承式钢管混凝土有推力拱桥，桥面标准横断面宽度为20.4 m，桥面系采用格子梁+钢-混凝土组合桥面板体系，总体布置详见图1。其吊杆间距为12.2 m，在主横梁对应位置设置吊杆，主横梁间设置3道次横梁，次横梁间距为3.05 m，对应吊杆位置设置主纵梁，主纵梁间设置3道次纵梁，纵梁和横梁均采用工字型截面。桥面板采用普通混凝土钢-混组合结构，在行车道范围纵梁和横梁上翼缘焊接厚8 mm的钢板作为底模，底模顶面焊接PBL剪力键，整体现浇厚15 cm的C40钢纤维混凝土板，形成钢-混凝土组合桥面板，设计详见下页图2(a)。
(a)格子梁标准断面
(b)格子梁标准平面
原方案桥面板现浇层内的PBL剪力键穿钢筋的工序较为繁琐，梁顶负弯矩区混凝土存在开裂等问题，严重影响拱桥的正常运行。对此，本文提出了一种基于UHPC的具有更高强度、更轻、施工更便捷的钢混组合桥面板结构，即倒T型钢+UHPC组合桥面板方案，详见图2(b)。该组合桥面板顶部为厚65 mm的UHPC层，底部以TN175 mm×175 mm的T型钢作为纵肋，T型钢倒置，翼缘朝下，横向间距为600 mm，T型钢与UHPC层间设10 mm厚钢底模，两者进行全熔透焊接。鉴于UHPC桥面板具有较强的跨越能力，次横梁由原来的3道减为2道，横梁间距为4.06m。
(a)普通混凝土组合桥面板
(b)倒T型钢+UHPC组合桥面板
2.1 模型的建立
为研究倒T型钢+UHPC组合桥面板的受力状况，取纵向格子梁相邻四个吊杆梁段桥面结构建立ANSYS有限元模型，共计48.8 m长，横桥向采用了全幅结构。
模型的边界条件：在端截面处，约束格子梁的纵向平动自由度(DX)和绕竖轴(RZ)与横轴(RY)的转动自由度，以近似反映该格子梁梁段为桥跨内的梁段；
在有吊索位置的底板约束其竖向平动自由度(DZ)，以近似反映吊索的约束作用。模型中的格子梁、桥面钢底板、T型钢等钢结构部分均采用板壳单元SHELL181单元模拟，UHPC采用实体单元SOLID185单元模拟。计算模型如图3所示，材料取值如表1所示。
图3 ANSYS有限元模型图
表1 材料参数取值表
2.2 荷载工况
静力荷载计算工况纵桥向按跨主横梁、跨次横梁、横梁间3个工况布置，横桥向除按规范轮距要求从最外侧护栏50 cm起进行桥面左侧偏载、桥面右侧偏载、桥面对称加载3种工况布置外，还考虑了跨小纵梁布置1种工况，骑小纵梁布置两种工况、跨倒T纵肋布置两种工况、骑倒T纵肋布置两种工况、纵桥向和横桥向工况组合共形成30种工况。荷载仅考虑结构自重和车辆荷载，按标准组合进行计算。
2.3 UHPC和钢结构应力
考虑到工况较多，本文仅列出每种横桥向工况中计算结果的最大值见表2和图4～5。
表2 各工况UHPC拉应力计算结果汇总表
(a)UHPC横向最大应力
(b)UHPC纵向最大应力
(a)钢格子梁Von Mises应力
(b)倒T肋Von Mises应力
由表2和图4可知，UHPC层的横桥向最大拉应力为10.54 MPa，纵桥向最大拉应力为7.64 MPa；
若冲击系数μ取0.3，则横桥向最大拉应力为10.54 MPa×(1+0.3)=13.7 MPa，横桥向拉应力远小于设计值25.4 MPa[3]，满足要求。
由图5可知，钢格子梁最大应力为110.8 MPa，桥面板TN175 mm×175 mm型钢最大应力为49.8 MPa，远小于设计极限应力，承载能力满足设计要求。该桥面结构大幅提升了桥面极限承载能力。
2.4 局部变形
针对《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)(以下简称《规范》)中第8.2.5条，对桥面板进行局部刚度验算。结合表2应力和计算应力工况时位移结果可知，骑小纵梁工况下，桥面板挠度最大，故仅需对此工况进行计算就能代表钢桥面最大挠跨比。
骑小纵梁工况具体分为3个，每个工况取4个典型断面进行计算，结果如表3所示。
由表3可知，所有计算工况下，主梁的挠度均满足设计要求。倒T型钢+UHPC作为结构层，和钢顶板一同提高了提供主梁的整体刚度，具有很好的抗裂性能，能够限制桥面结构的变形。
表3 桥面板挠跨比验算结果汇总表
2.5 疲劳分析
横桥向考虑到桥面板钢底板倒角处受力较大，故选取倒T肋作为分界点，分别计算骑T肋间1、跨T肋、骑T肋间2这3种荷载工况。纵桥向依据吊杆处腹板和普通横梁腹板，分别计算普通隔板格子间、跨普通隔板、普通隔板-吊杆隔板格子间、跨吊杆隔板共4种工况。横桥向3种工况×纵桥向4种工况，共计12种工况，以确定各疲劳细节的最不利布载位置。
选取结构受力薄弱细节点进行分析，如图6所示：细节点1位于钢顶板与纵向型钢焊缝钢顶板位置；
细节点2位于钢顶板与纵向型钢焊缝纵向型钢位置；
细节点3位于纵向型钢腹板与底翼缘板交界纵向腹板位置；
细节点4位于纵向型钢腹板与底翼缘板交界底翼缘板位置。
计算中的加载车采用《规范》规定的疲劳荷载模型Ⅲ。由于标准重车的中后轴相距6 m，纵向间距较大，可不考虑中后轴之间的叠加效应[4-5]，计算时仅考虑后轴的双轴作用，且加载轴中每个车轮作用面积为200 mm×600 mm (纵桥向×横桥向)，不考虑冲击系数。
图6 构造细节位置示意图
本文疲劳计算采用名义应力法[4-5]，一般情况下取距热点处1.0t节点作为研究对象，t为板厚。
从下页表4、表5可以看出，倒T型钢+UHPC结构可提升结构刚度，使桥梁整体共振减弱，结构性整体性更强，故疲劳细节点1至疲劳细节点4在加载车作用下应力幅值远小于500万次疲劳荷载作用下的应力幅限值，满足规范要求。
表4 工况1～12各结构细节疲劳应力计算结果汇总表
表5 各结构细节疲劳应力幅汇总表
2.6 综合比较
由表6进行桥面系结构优劣势对比可知，与钢-混凝土组合桥面板相比，倒T型钢+UHPC组合桥面系造价稍高，但UHPC桥面板受力性能更优，施工便利，工期较短，耐久性好；
结构的抗疲劳性能较传统的钢-混凝土组合桥面板结构好，后期运营构件养护费用更低[6]。综合考虑，倒T型钢+UHPC组合桥面结构更节约造价。
表6 综合比较分析表
本文以某大跨径拱桥桥面板为例，提出倒T型钢+UHPC组合桥面结构，通过有限元计算分析其力学承载特性及耐疲劳性，与钢-混凝土组合桥面板进行综合性能对比，得出以下结论：
(1)倒T型钢+UHPC的组合桥面结构的整体刚度更高，可限制桥面下缘开裂，其设计荷载作用下结构拉应力为极限拉应力的54%，承载能力大幅提升。
(2)通过在受力薄弱点布置细节监测点，对桥梁的疲劳状态进行分析可知，倒T型钢+UHPC组合桥面板体系提升了结构整体刚性，抑制结构的振动，应力最大幅值下降50%以上，从而提升了桥面结构的抗疲劳性能。
(3)与钢-混凝土组合桥面板相比，倒T型钢+UHPC组合桥面板结构更轻，耐久性更好，可现浇、可预制，施工更便捷；
其桥面板结构造价虽然稍高于钢-混凝土组合桥面板结构，但从后期维护费用考虑，该桥面结构经济性更好。