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摘要：针对呼和浩特市昭乌达路哲里木路道路改造提升工程P293-P296钢箱梁段施工时产生的中支点处底板对接缝错台严重的问题，提出在底板存在错台纵缝的支座范围的隔舱内，填充16cm厚超高性能混凝土（UHPC），并在气温回升至20℃以上时进行施工。本文利用迈达斯MIDAS软件建立中支点处局部梁段模型，计算对比整改前、后底板错台处的疲劳强度，并对钢箱梁局部应变进行监测。研究表明：钢箱梁支座处长期承受超重荷载作用，钢桥面板存在严重的开裂风险，在钢板上浇筑UHPC层，可使支座处细节应力幅大幅下降，可极大降低钢桥面板的开裂风险。
关键词：超高性能混凝土；底板错台；有限元分析
0 引言
超高性能混凝土（UHPC）因其抗拉性能好、抗裂性能好、延展性好及密实度好等特点，逐渐应用于桥梁工程中，成为快速解决桥面板铺装易损坏的一种新型水泥基符合材料。UHPC与正交异性钢板桥面结合可称为钢——UHPC组合桥面结构，与传统混凝土浇筑相比，使用组合桥面结构能够避免应力集中，使桥面更耐疲劳，增加了桥面的抗裂性和整体性。
1993年法国Bouygues公司率先研发出了一种超高强、高韧性、高耐久性的水泥基复合材料，名为活性粉末混凝土（RPC）。由于RPC是一种专利产品，为避免产权纠纷，法国Larrard DF等随后又提出了超高性能混凝土（UHPC）的概念。
国内也一直跟踪活性粉末混凝土的最新研究进展，有不少高等院校如清华大学等单位都开展了对RPC的研究[1]。2009年，中国在迁曹铁路滦柏干渠大桥工程中，首次建成UHPC预应力简支T形梁[2]。
随后UHPC在桥面、桥梁接缝、主体结构等桥梁结构中的应用逐步展开。2011年，广东省肇庆市马房大桥将UHPC应用于桥面维修加固项目中[3]。2019年，田月强等基于UHPC的材料和结构特点，给出了一种生产制造标准化和规模化的解决方案，可为UHPC桥梁的行业发展提供有益的参考[4]。
为了解决中支点处底板对接缝错台严重的问题，现将UHPC应用于底板错台处，根据合理的混凝土配合比与施工工艺管理，建立钢-UHPC试验模型，分析钢-UHPC的抗压强度与抗折强度，为底板错台处的补强提供依据。
1 桥梁模型
本文中钢箱梁主要采用预制小箱梁，标准跨径30m，局部地段跨径适当调整，控制在40m~50m之间；中梁宽度为2400mm，边梁为2550mm，梁高1.6m。面板厚度为16mm，底板厚度与腹板厚度分别为16mm和14mm，钢箱梁共设置4个支座横隔板，隔板厚12mm。底板加劲肋厚14mm，高160mm。钢箱梁中支点处横隔板布置如图1.1所示。
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图1.1 中支点横隔板布置图
现为增强底板强度，在中支座范围的隔舱内的原底板上焊接长度为100mm，直径为20mm的剪力钉，并浇筑160mm厚的UHPC层。如图1.2所示。
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图1.2 中支点剪力钉及UHPC混凝土增设范围
钢箱梁整体模型如图1.3所示。
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图1.3 钢箱梁整体模型
2 有限元分析
现在网络上普遍使用的有限元分析软件包括ABAQUS、MIDAS、ANSYS等。MIDAS有限元软件是一种多功能有限元软件，不但可以求解复杂的结构静力学和动力学问题，还可以准确地计算求解高度非线性问题。
2.1 有限元模型
由于钢箱梁底板上所受应力主要集中在支点处，其他部位所受影响有限，因此建立模型时，主要建立顶板、底板、腹板及支点处横隔板的模型，其他部分模型将进行简化。在MIDAS软件中建立局部梁段有限元模型（见图2.1），不考虑桥面横坡、横隔板变高度等次要因素的影响，模拟钢箱梁底板铺设UHPC层前后的刚度变化。
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图2.1 钢箱梁有限元模型
利用MIDAS自带建模工具建立梁端、跨中、支座处截面，放样之后得到钢箱梁模型；首先添加钢箱梁与UHPC材料，再添加四个支座处的支撑方式，限制四个支座处的自由度；添加钢箱梁自重、试验温度、制动力等荷载，根据道路规范添加车道信息、最大行驶车辆信息等移动荷载工况，根据桥梁规范手动添加支座沉降数值，所有数据添加完成之后点击加载进行变形分析。
2.2 分析数据
钢桥面铺装主要破坏形式为铺装层及钢结构疲劳开裂、铺装层脱层、滑移等。根据计算结果，本文选取位移与抗变形性能等相关指标进行分析。
①位移
未铺装混凝土之前的最大位移为1.59mm，铺装厚最大位移为1.55mm，如图2.2所示。分析前后变化较小原因主要是因为建模时采用整体建模，数据分析时将整体模型看作一根轴，模型整体强度高，变形量本身较小，若是将UHPC铺设到支座底板错缝处，UHPC本身强度高，可提高错缝处强度。
b）添加UHPC时变形位移
图2.2 位移变化分析
②抗变形强度
未铺装混凝土之前的最大变形量为7Mpa，铺装厚最大变形量为1Ma，支座处最大应力由边支座转移至中支座处，如图2.3所示。
b）添加UHPC时变形
图2.3 变化分析
有限元模型计算结果表明，UHPC层对提升底板支座处的变形应力有明显效果。
3 试验
3.1 试验仪器及试件
①压力机
压力机是一种结构精巧的通用性压力机，广泛应用于切断、冲孔、落料、弯曲、铆合和成形等工艺。上下压板平整并有足够刚度，可以均匀、连续地加荷卸荷，可以保持固定荷载，能够满足试件破型吨位要求。
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图3.1 压力机
②折弯机
两侧有可加持试件的工装结构，可以均匀、连续地加荷卸荷，可以保持固定荷载，能够施加的最大应力达到30MPa。
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图3.2 折弯机
③试件
抗压强度试验采用边长为100mm的立方体试件作为标准试件，底部有16mm厚钢板；抗折强度试验采用边长为100mm*100mm*600mm的棱柱体试件作为标准试件，底部有100mm*600mm*16mm钢板；两组试件中都掺入一定比例的钢纤维。
试件各边长的尺寸公差不得超过1mm。
该试件采用的配合比为：粉料：钢纤维：水=25：2.35：2.46，用水量范围2.41-2.51.
根据GB/T 31387-2015《活性粉末混凝土》，出厂测试结果表明试件抗压强度可达到150MPa，抗折强度可达到17MPa。
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图3.3 试件
3.2试验过程
①抗压试验
测量试件的边长，保证公差为1mm；取出试件后，对试件进行保湿，擦干试件表面，放入压力机中；根据规范进行加载，加载速率为1MPa/s，记录抗压强度精确至0.1MPa。
②抗折试验
抗折试验基本思路与相关试验过程与抗压试验基本一致，在查询规范后，选择加载速率为0.1Mpa/s。由于钢—UHPC试件强度较高，不易折弯，为了防止破坏折弯机，当试验载荷加载到机器80%的可承受范围时，试验停止。
3.3 试验数据记录
①抗压试验
试件加载初期，当试验加载到600kN时，观察到UHPC现浇层受压面出现多条裂纹，明显能听到裂缝发展的声音，但UHPC层与钢板的粘结层并未发生脱开现象，如图3.4所示；加载至800kN后，UHPC层侧面出现多条弯曲裂缝，继续加载，可以发现UHPC层四周已开裂脱落，如图3.5所示，停止加载，结束试验。试验数据曲线如图3.6所示。数据显示钢——UHPC组合结构抗压强度可达170Mpa。
图3.6 试验数据曲线
②抗折试验
由于试件中掺入了钢纤维，试件破坏时仅从UHPC层与钢板链接处出现了裂痕，试件并未发生劈裂，也未发生滑移现象，如图3.8所示。继续试验，加载至30Mpa时，达到折弯机的最大强度，遂停止试验，因此可知，该组合结构抗折强度远远超过30Mpa。
图3.8 UHPC层产生裂痕
通过试验可知，钢——UHPC试件在掺入钢纤维之后，其对试件的抗压强度与抗折强度都有巨大的提升作用，使得试件在发生变形时，仅会在四周发生断裂变形，UHPC层内部基本毫无破损，这为UHPC材料在实际工程运用中提供了试验依据。
4 现场施工
为了降低温度对材料的影响，当现场温度回升至20度时，开始进行UHPC的配置与浇筑；首先将粉料、钢纤维、水按照配合比进行搅拌，现场施工人员应密切监督UHPC质量，出现问题，及时调整，及时解决，确保UHPC的优质质量，如图4.1所示；其后在支座周围的隔仓内焊接剪力钉，如图4.2所示；最后浇筑混凝土层并进行养护，如图4.3所示。
5 结论
有限元模型计算结果表明，UHPC层对提升底板支座处的变形应力有明显效果。考虑到钢箱梁支座处长期承受超重荷载作用，钢桥面板存在严重的开裂风险，故该处细节应力幅的大幅下降，可极大降低钢桥面板的开裂风险。
钢——UHPC试件试验结果表明，采用超高性能混凝土与钢板组合的补强结构可改善钢箱梁构造细节应力，提高钢桥面板的疲劳寿命。
参考文献：
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[2]高淑平.活性粉末混凝土在铁路预应力桥梁中的应用[J].商品混凝土，2007（3）：19-21.
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[4]田月强，杜钊.超高性能混凝土桥梁工程的标准化和规模化生产研究[J].广东土木与建筑，2019，26（10）：57-61.
[5]廖卫东，陈露一，高立强，王敏.武汉军山长江大桥超高性能混凝土组合桥面改造技术及实施效果分析[J].世界桥梁，2019，47（06）：65-69.
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