采用超高性能混凝土组合桥面结构对现有正交异性板改造提升的初探

采用超高性能混凝土组合桥面结构对现有正交异性板改造提升的初探

耍荆荆赵广敏

中交公路规划设计院有限公司北京100088

摘要：正交异性钢桥面板在大量应用中经受着疲劳损伤困扰，而目前对正交异性板疲劳病害修复，停留在对裂缝进行补焊或者局部换板的处理上，不能从根本上解决病害根源。本文通过有限元分析，研究采用超高性能混凝土对正交异性板进行组合结构改造，来提升桥面结构整体刚度。由分析结果看出，改造为组合桥面结构后，桥面构件应力明显改善。之后，通过调查现有的实桥及足尺模型验证结果，进一步明确了组合桥面结构改造的优势。

关键词：正交异性板；组合桥面板；超高性能混凝土；有限元模型；实桥验证

正交异性钢桥面板因恒载小、承载力高以及便于工厂化加工等优势，从20世纪50年代开始，大量出现在新桥尤其是大跨度桥梁的建设中。目前，正交异性钢桥面板桥梁在欧洲有超过1000座，北美有100多座，日本有250余座0。国内正交异性钢桥面板应用时间较短0，但发展很快。自90年代以来，大跨度钢桥广泛修建。

伴随正交异性钢桥面板的大规模使用，该类结构也面临着疲劳开裂的问题。最早出现疲劳裂纹的是英国的Severn桥，1966年建成通车后5年就发现了疲劳裂缝0。在日本、美国、法国等地都发现了钢桥疲劳开裂问题，引起了人们对正交异性钢桥面板疲劳的关注0。

目前对正交异性桥面板疲劳病害的修复，还停留在对检测出来的裂缝进行补焊或者局部换板的处理上，不能从根本上解决钢箱梁桥面板的病害。鉴于该类桥梁的自身结构特性，要减少其疲劳裂缝损伤，提高构件的抗疲劳能力，关键是要提高钢箱梁桥面板的整体刚度0。本文通过分析用组合结构对正交异性板改造提升，比较组合结构与正交异性板受力特征，为通过组合桥面结构改造对正交异性板疲劳病害维修的应用提供理论分析模型和结果支持。

1正交异性桥面板与组合桥面板受力对比

1.1计算模型

下文以跨长江的某座正交异性钢桥面板桥梁为例，通过大型有限元模型软件Ansys，对该桥采用正交异性结构和改造后组合桥面结构的受力特点进行分析。本桥正交异性桥面板结构不考虑铺装层受力。组合桥面结构为桥面钢板铺装55mm厚RPC（活性粉末混凝土），RPC层参与结构受力。桥梁有限元模型如图2-1。

图2-1整体有限元模型

1.2计算荷载及工况

车辆荷载：按照规范加载轴重140kN，考虑1.3倍冲击系数。轴距1.4m，横桥向轮距1.8m，加载区域0.6m×0.2m。加载工况A为前后轮跨横隔板布置，加载工况B为横隔板间布置（应力结果仅以A工况示意）。

图2-2加载工况

1.3计算结果

1.3.1桥面板应力

如图2-2，在重车轮载作用下，正交异性桥面板和改造后的组合桥面板顶板受力形态差异较大，前者局部效应十分明显，而后者主要是总体效应。前者等效应力最大79.3Mpa，后者等效应力最大19.5Mpa，最大位置并不相同，综合来看，组合桥面板方案钢顶板的等效应力降低约75%。

正交异性桥面结构组合桥面结构

图2-3桥面板VonMises应力

1.3.2横隔板应力

正交异性桥面结构组合桥面结构

图2-4A工况横隔板S1主应力

A工况条件下，钢箱梁方案横隔板最大主应力59.5Mpa，组合桥面板方案最大主应力48.6Mpa，降低18%。

B工况条件下，钢箱梁方案横隔板最大主应力62.7Mpa，组合桥面板方案最大主应力39.1pa，降低38%。

1.3.3U肋应力

图2-5A工况U肋顺桥向应力

A工况下，钢箱梁方案U肋顺桥向应力48.7Mpa，组合桥面板方案U肋顺桥向应力36.4Mpa，后者较前者降低约25%；B工况下，钢箱梁方案U肋顺桥向应力70.8Mpa，组合桥面板方案U肋顺桥向应力54.6Mpa，后者较前者降低约23%。

图2-6A工况U肋竖向应力

考察在U肋与顶板、横隔板交角位置U肋竖向应力，A工况钢箱梁方案最大压应力和最大拉应力分别为-53.2Mpa和62.7Mpa，组合桥面板方案最大压应力和最大拉应力分别为-23.2Mpa和17.8Mpa，分别降低约56%和71%；B工况钢箱梁方案最大压应力和最大拉应力分别为-65.2Mpa和67.2Mpa，组合桥面板方案最大压应力和最大拉应力分别为-22.6Mpa和13.3Mpa，分别降低约65%和80%。

通过以上分析结果可知，正交异性钢桥面板整体刚度的不足，可以通过改造成RPC组合桥面结构后得到提高。改造为组合桥面板后，由于桥面结构刚度提高，使得荷载作用较为均匀分摊在结构上，桥面整体受力情况明显改善，应力集中降低，可以从根本上缓解或消除钢结构疲劳损伤。

2现有实验成果验证调查

在实验或实桥验证方面，国内外也进行不少超高性能混凝土组合桥面结构改造的研究，其中有通过实验模型进行验证，也有通过实桥实验段进行验证。

荷兰工程师自1998年开始研究纤维增强高性能混凝土（RHPC）铺装解决方案，2003年应用于鹿特丹海港区Caland桥，其研究结论及实桥验证证明，用纤维增强高性能混凝土（RHPC）与钢正交异性桥面板组合体系，可使原桥面板结构中的应力降低约80%，且所降低的桥面板和U肋之间的纵向焊缝应力约为60%0。

国内进行过的实桥研究有广东马房桥维修加固，马房桥修建于1984年0，自建成以来一直处于维护和破损状态，钢梁局部位置出现了很多疲劳开裂0。后采用现浇STC（超高韧性混凝土）层形成钢混组合结构体系，大幅增加行车面板刚度。经过两年多的运营，组合桥面结构体系未见任何开裂和破损，纵肋构件纵桥向应力降低幅度达80%，面板横向应力降低幅度达92%，局部挠度下降幅度达81%00。

3结束语

通过以上有限元模型分析，以及目前现有的实桥及实验模型验证，表明通过高性能混凝土对正交异性桥面板进行组合桥面结构改造后，有效提升了桥面结构的整体刚度。使得正交异性桥面结构在荷载作用下，能够更好的整体受力，显著降低桥面板及横肋纵肋的应力集中现象，提高钢箱梁结构的疲劳耐久性，降低桥梁运营风险。随着对材料以及组合结构研究的不断深入，采用超高性能混凝土组合桥面结构改造正交异性板的维修加固技术会在设计与施工工艺方面愈趋成熟，为百年工程桥梁的运营保驾护航。

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