CN113378259A - 一种uhpc-nc叠合桥面钢混组合梁负弯矩区截面验算方法 - Google Patents

一种uhpc-nc叠合桥面钢混组合梁负弯矩区截面验算方法 Download PDF

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Abstract

一种UHPC‑NC叠合桥面钢混组合梁负弯矩区截面验算方法，包括：输入钢混凝土组合梁各部分截面构造尺寸；对各部分截面进行竖向分层，形成纤维条带；确定纤维条带宽度；确定各组成材料的非线性应力应变关系；分析成桥阶段各部位应力状态作为一次受力状态，将该状态赋值给确定的纤维截面；考虑NC混凝土层退出工作，其内力重分布给剩余截面部分，采用叠带法得到各纤维条带的应力；进行二次受力的弯矩逐步加载，每加载步增加的应变在截面高度方向线性变化；判断截面受力是否满足受力要求；获得各纤维的应力和应变状态，根据得到的钢筋应力以及UHPC混凝土材料纤维应变，结合相关规范公式计算得到正常使用极限状态下桥面板UHPC和NC混凝土层的裂缝宽度。

Description

一种UHPC-NC叠合桥面钢混组合梁负弯矩区截面验算方法
技术领域
本发明涉及工程建筑行业，具体涉及一种UHPC-NC叠合桥面钢混组合梁负弯矩区截面验算方法。
背景技术
钢混凝土组合梁桥结构自重轻，横截面高度小，承载能力强，被越来越广泛地应用于桥梁结构中。由于NC普通混凝土抗拉强度低，在连续钢混凝土负弯矩区的混凝土桥面板容易开裂，导致桥梁承载力和耐久性降低。UHPC超高性能混凝土层具有超高抗拉、抗压能力和更好的耐久性，可以用在负弯矩区以提高组合梁结构的强度和耐久性。但由于现阶段UHPC成本高，直接替代普通混凝土桥面板的经济性较差。
桥面板采用UHPC超高性能混凝土层与NC普通混凝土层叠合结构的钢混组合梁，可以解决组合梁负弯矩区桥面板易开裂的难题，且造价更为经济。但是目前尚无相关软件和算法能够考虑组合梁二次受力情况下的叠合截面承载力计算。
弹塑性纤维梁柱单元模型将截面沿两个主轴方向划分成网格(纤维)，每一根纤维可以是混凝土层的，也可以是钢筋的，在分析时，基于平截面假定和钢筋、混凝土层纤维各自的应力—应变关系，考虑两个方向弯矩平衡条件和轴力的平衡条件，可以获得复杂的截面双向滞回曲线，在计算分析中可以考虑强度退化、刚度退化的影响，也可以直接考虑轴力对双向弯矩－曲率恢复力关系的影响。(聂利英，李建中，范立础，弹塑性纤维梁柱单元及其单元参数分析[J].工程力学，2004，6(3)：15-20.)
基于相关文献检索，目前基于纤维截面的梁柱弯矩曲率和承载力分析计算软件及相关算法均仅考虑一次加载迭代，不能考虑组合梁特有的施工顺序计算需求，比如：因组合梁支点顶升(或者跨中预压重)产生一次力和弯矩后，再浇筑叠合梁桥面板，然后进行考虑二次受力的截面承载力分析计算。
目前相关桥梁结构分析计算软件考虑了截面分阶段成型的二次受力过程，但是不能考虑UHPC-NC叠合桥面分层受力的非线性加载过程，不能直接得到NC普通混凝土层退出工作以后UHPC超高性能混凝土桥面板、桥面板范围钢筋与钢箱梁共同受力情况下的截面承载力。
发明内容
鉴于现有技术中存在的技术缺陷和技术弊端，本发明实施例提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种UHPC-NC叠合桥面钢混组合梁负弯矩区截面验算方法，具体方案如下：
一种UHPC-NC叠合桥面钢混组合梁负弯矩区截面验算方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1，输入钢混凝土组合梁各部分截面构造尺寸；
步骤2，根据各部分截面构造尺寸和计算精度要求对各部分截面进行竖向分层，形成各截面纤维条带；
步骤3，根据结构构造相关尺寸计算桥面板和钢箱梁的有限宽度，确定各截面纤维条带宽度，将桥面板钢筋点按位置等效为对应位置的钢板条带；
步骤4，确定截面各组成材料的非线性应力应变关系；
步骤5，基于截面各组成材料的非线性应力应变关系，由全桥结构弹性分析得到的成桥阶段各部位应力状态，即为一次受力状态，并将该状态赋值给确定的纤维截面构造尺寸；
步骤6，考虑桥面板NC普通混凝土层退出工作，将其内力重分布给剩余截面部分，包括桥面板UHPC超高性能混凝土层、钢箱梁以及钢筋，采用叠带法得到各纤维条带的应力，其中，迭代控制准则为：截面各部分轴力平衡，截面总弯矩和总轴力与弹性分析结果一致；
步骤7，在迭代平衡的基础上，进行二次受力的弯矩逐步加载，加载过程应变增量符合平截面假定，即每加载步增加的应变在截面高度方向线性变化。
步骤8，根据现行设计规范，当钢混组合梁截面中钢筋、钢箱梁最不利纤维达到材料屈服强度时，即认为组合截面达到极限承载力，将此时的弯矩与总体分析的弯矩设计值进行对比，判断截面受力是否满足受力要求；
步骤9，在第7步所述的加载过程中，每步荷载作用下迭代后，得到各纤维的应力和应变状态，并根据得到的桥面板钢筋应力以及UHPC超高性能混凝土材料纤维应变，结合《公路钢混组合桥梁设计与施工规范(JTG-T-D64-01-2015)》相关规范公式计算得到正常使用极限状态下桥面板NC普通混凝土层的裂缝宽度，以及桥面板UHPC超高性能混凝土层是否开裂以及裂缝宽度值。
进一步地，所述截面各组成材料包括钢板、钢筋、UHPC超高性能混凝土材料以及NC普通混凝土材料。
进一步地，所述成桥阶段各部位包括桥面板、钢箱梁以及钢筋，其中，所述桥面板包括UHPC超高性能混凝土层和NC普通混凝土层。
进一步地，所述钢混凝土组合梁包括钢箱梁和铺设于钢箱梁上的桥面板，所述桥面板包括UHPC超高性能混凝土层和NC普通混凝土层，所述NC普通混凝土层铺设于钢箱梁上，所述UHPC超高性能混凝土层铺设于NC普通混凝土层上，NC普通混凝土层和UHPC超高性能混凝土层均与钢箱梁固定连接。
进一步地，所述UHPC超高性能混凝土层与NC普通混凝土层的厚度比τ在中支点处最大，且τ从中支点处沿着桥梁纵向方向逐渐减小。
进一步地，τ从中支点处沿着桥梁纵向方向阶梯型减小。
进一步地，所述UHPC超高性能混凝土层与NC普通混凝土层的厚度比τ在反弯点即弯矩为零处等于0。
进一步地，所述NC普通混凝土层和UHPC超高性能混凝土层通过长栓钉与钢箱梁固定连接。
进一步地，所述栓钉为多根，多根栓钉沿桥梁纵向和横向间隔分布，每根栓钉均贯穿UHPC超高性能混凝土层和NC普通混凝土层并钉入钢箱梁中。
进一步地，所述NC普通混凝土层从中支点处沿着桥梁纵向方向呈正阶梯型延伸，所述UHPC超高性能混凝土层从中支点处沿着桥梁纵向方向呈倒阶梯型延伸，所述正阶梯型和倒阶梯型适配。
本发明具有以下有益效果：
(1)能够考虑钢箱梁截面已仅承受的架设过程中的自重以及预加力(即一次力受力状态)；
(2)基于平截面假定进行截面分析，考虑一次受力的应力分布状态，以及材料非线性应力应变关系，逐步加载可得到该截面的极限承载力；
(3)能够考虑NC普通混凝土层受拉退出工作的应力重分布过程。
(4)可根据加载过程的弯矩值判断设计荷载作用下结构的开裂状态以及裂缝宽度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的UHPC-NC叠合桥面钢混组合梁负弯矩区截面验算方法流程图；
图2为本发明实施例提供的典型的UHPC-NC钢混组合梁截面；
图3为本发明实施例提供的连续梁结构弯矩图；
图4为本发明实施例提供的连续梁横截面应力分布图；
图5为本发明实施例提供的钢混凝土组合梁负弯矩区UHPC+NC叠合桥面板的整体结构示意图；
图6为本发明实施例提供的材料分布示意图；
图7为本发明实施例提供的桥面板结构示意图；
图8为本发明实施例提供的桥面板三维结构图；
图中：1、钢箱梁，2、UHPC超高性能混凝土层，3、NC普通混凝土层，4、栓钉
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，作为本发明的第一实施例，提供一种UHPC-NC叠合桥面钢混组合梁负弯矩区截面验算方法，所述方法包括：
步骤1，输入钢混凝土组合梁各部分截面构造尺寸；
步骤2，根据各部分截面构造尺寸和计算精度要求对各部分截面进行竖向分层，形成各截面纤维条带；
步骤3，根据结构构造相关尺寸计算桥面板和钢箱梁1的有限宽度，确定各截面纤维条带宽度，将桥面板钢筋点按位置等效为对应位置的钢板条带；
步骤4，确定截面各组成材料的非线性应力应变关系，其中，截面各组成材料包括钢板、钢筋、UHPC超高性能混凝土层2材料，NC普通混凝土层3材料，按规范要求，普通混凝土材料不考虑其受拉能力；
步骤5，基于截面各组成材料的非线性应力应变关系，由全桥结构弹性分析得到的成桥阶段各部位(包括桥面板UHPC超高性能混凝土层、NC普通混凝土层、钢箱梁1以及钢筋)应力状态，即为一次受力状态，并将该状态赋值给确定的纤维截面构造尺寸；
步骤6，考虑桥面板NC普通混凝土层3退出工作，将其内力重分布给剩余截面部分，包括桥面板UHPC超高性能混凝土层2、钢箱梁1以及钢筋，采用叠带法得到各纤维条带的应力，其中，迭代控制准则为：截面各部分轴力平衡，截面总弯矩和总轴力与弹性分析结果一致；
步骤7，在迭代平衡的基础上，进行二次受力的弯矩逐步加载，加载过程应变增量符合平截面假定，即每加载步增加的应变在截面高度方向线性变化。
步骤8，根据现行设计规范，当钢混组合梁截面中钢筋、钢箱梁1最不利纤维达到材料屈服强度时，即认为组合截面达到极限承载力，将此时的弯矩与总体分析的弯矩设计值进行对比，判断截面受力是否满足受力要求；
步骤9，在第7步所述的加载过程中，每步荷载作用下迭代后，得到各纤维的应力和应变状态，并根据得到的桥面板钢筋应力以及UHPC超高性能混凝土层2材料纤维应变，结合《公路钢混组合桥梁设计与施工规范(JTG-T-D64-01-2015)》相关规范公式计算得到正常使用极限状态下桥面板NC普通混凝土层的裂缝宽度，以及桥面板UHPC超高性能混凝土层是否开裂以及裂缝宽度值。
本发明所述的计算方法可方便的进行UHPC-NC桥面钢混组合梁负弯矩区的受力分析和验算；基于纤维条带法进行分析，结果准确可靠；能考虑截面二次受力因素和应力重分布，符合相关规范的基本原则，具有很高的实用价值。
如图2所示，为本发明实施例提供的典型的UHPC-NC钢混组合梁截面，其桥面板由UHPC超高性能混凝土层2和NC普通混凝土层3组合形成。
如图3-4所示，为本发明实施例提供的连续梁结构受力示意图，该结构段位于连续钢混凝土层组合桥梁中支点处，当结构受力时，桥梁跨中部分承受正弯矩，而中支点及周边部位受到负弯矩作用，故为负弯矩区，在桥面板结构横截面上，越靠近上缘受到拉应力越大，而越靠近下缘至钢混凝土层界面处拉应力越小。
如图5所示，为本发明实施例提供的钢混凝土组合梁负弯矩区UHPC+NC叠合桥面板结构整体示意图。由图3-4所示结构受力可知，负弯矩区混凝土层主要承受拉应力作用，NC普通混凝土层3能承受的拉应力很小，该区域桥面板选用UHPC超高性能混凝土材料和NC普通混凝土材料组合，通过阶梯形渐变组合实现UHPC超高性能混凝土材料用量适应结构受力的变化。
连续钢混凝土层组合桥梁负弯矩区位于桥梁中支点及周边部位，中支点处负弯矩最大，向桥梁跨中逐渐减小。同时，在负弯矩区桥面板横截面上的应力分布情况是：越靠近上缘纵向拉应力越大，越靠近下缘(钢混凝土层界面)纵向拉应力越小、甚至转化为压应力。
基于以上内力与应力分布特点，在负弯矩较大处的桥面板采用较厚的UHPC超高性能混凝土层2，UHPC超高性能混凝土层2位于横截面上拉应力较大的部位，可以提供更好的抗拉性能；在UHPC超高性能混凝土层2下部的NC普通混凝土层3位于拉应力较小区域，也可利用自身较小的抗拉强度参加受力；UHPC超高性能混凝土层2下部的NC普通混凝土层3都通过长栓钉4与钢箱梁1连接而参与桥梁整体受力；长栓钉4将UHPC超高性能混凝土层2紧固在NC普通混凝土层3上，若普通混凝土层开裂，覆盖在其上面的UHPC超高性能混凝土层2能防止有害介质侵入，提高结构耐久性。
通过以上方案，在提高钢混凝土组合梁负弯矩区强度与耐久性的同时，可以显著减少UHPC用量，提高结构经济性。
如图6所示，为本发明实施例提供的材料分布示意图，结构中钢箱梁1上部依次为UHPC超高性能混凝土层2、NC普通混凝土层3，并通过长栓钉4串联与钢箱梁1连接而整体受力，而在正弯矩区域钢箱梁1仅为NC普通混凝土层3，即在正弯矩区域不使用UHPC超高性能混凝土材料。
如图7所示，为本发明实施例提供的桥面板结构示意图。根据图3-4所示的受力情况，整个组合梁负弯矩区段长度为L0，混凝土层板总厚度为t0，弯矩最大值为M0，UHPC超高性能混凝土材料和NC普通混凝土材料可布设为：在弯矩值为1.0M0至0.8M0长度内，UHPC超高性能混凝土材料厚度为0.4t0；在弯矩值为0.8M0至0.4M0长度内，UHPC超高性能混凝土材料厚度为0.2t0；在弯矩值为0.4M0至0长度内，UHPC超高性能混凝土材料厚度为0.1t0。两种材料阶梯形镶嵌组合，并与钢主梁通过长栓钉4连接。
如图8所示，为本发明实施例提供的桥面板三维结构图，图中，UHPC超高性能混凝土层2和NC普通混凝土层3由中间至两端阶梯形分割，上部是UHPC超高性能混凝土层2，下部是NC普通混凝土层3。在受力时，UHPC超高性能混凝土材料由于其超高的性能，使得其有较强的抗拉性能，同时下部的NC普通混凝土层3仍然会受到一定的拉力，但紧固于上部UHPC超高性能混凝土层2对其具有保护作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种UHPC-NC叠合桥面钢混组合梁负弯矩区截面验算方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1，输入钢混凝土组合梁各部分截面构造尺寸；
步骤2，根据各部分截面构造尺寸和计算精度要求对各部分截面进行竖向分层，形成各截面纤维条带；
步骤3，根据结构构造相关尺寸计算桥面板和钢箱梁的有限宽度，确定各截面纤维条带宽度，将桥面板钢筋点按位置等效为对应位置的钢板条带；
步骤4，确定截面各组成材料的非线性应力应变关系；
步骤5，基于截面各组成材料的非线性应力应变关系，由全桥结构弹性分析得到的成桥阶段各部位应力状态，即为一次受力状态，并将该状态赋值给确定的纤维截面；
步骤6，考虑桥面板NC普通混凝土层退出工作，将其内力重分布给剩余截面部分，采用叠带法得到各纤维条带的应力，其中，迭代控制准则为：截面各部分轴力平衡，截面总弯矩和总轴力与弹性分析结果一致；
步骤7，在迭代平衡的基础上，进行二次受力的弯矩逐步加载，加载过程应变增量符合平截面假定，即每加载步增加的应变在截面高度方向线性变化；
步骤8，根据现行设计规范，当钢混组合梁截面中钢筋、钢箱梁最不利纤维达到材料屈服强度时，即认为组合截面达到极限承载力，将此时的弯矩与总体分析的弯矩设计值进行对比，判断截面受力是否满足受力要求；
步骤9，在第7步所述的加载过程中，每步荷载作用下迭代后，得到各纤维的应力和应变状态，并根据得到的桥面板钢筋应力以及UHPC超高性能混凝土材料纤维应变，结合相关规范公式计算得到正常使用极限状态下桥面板NC普通混凝土层的裂缝宽度，以及桥面板UHPC超高性能混凝土层是否开裂以及裂缝宽度值。
2.根据权利要求1所述的UHPC-NC叠合桥面钢混组合梁负弯矩区截面验算方法，其特征在于，所述截面各组成材料包括钢板、钢筋、UHPC超高性能混凝土材料以及NC普通混凝土材料。
3.根据权利要求1所述的UHPC-NC叠合桥面钢混组合梁负弯矩区截面验算方法，其特征在于，所述成桥阶段各部位包括桥面板、钢箱梁以及钢筋，其中，所述桥面板包括UHPC超高性能混凝土层和NC普通混凝土层。
4.根据权利要求1所述的UHPC-NC叠合桥面钢混组合梁负弯矩区截面验算方法，其特征在于，所述钢混凝土组合梁包括钢箱梁和铺设于钢箱梁上的桥面板，所述桥面板包括UHPC超高性能混凝土层和NC普通混凝土层，所述NC普通混凝土层铺设于钢箱梁上，所述UHPC超高性能混凝土层铺设于NC普通混凝土层上，NC普通混凝土层和UHPC超高性能混凝土层均与钢箱梁固定连接。
5.根据权利要求1所述的UHPC-NC叠合桥面钢混组合梁负弯矩区截面验算方法，其特征在于，所述UHPC超高性能混凝土层与NC普通混凝土层的厚度比τ在中支点处最大，且τ从中支点处沿着桥梁纵向方向逐渐减小。
6.根据权利要求1所述的UHPC-NC叠合桥面钢混组合梁负弯矩区截面验算方法，其特征在于，τ从中支点处沿着桥梁纵向方向阶梯型减小。
7.根据权利要求1或2所述的UHPC-NC叠合桥面钢混组合梁负弯矩区截面验算方法，其特征在于，所述UHPC超高性能混凝土层与NC普通混凝土层的厚度比τ在反弯点即弯矩为零处等于0。
8.根据权利要求1所述的UHPC-NC叠合桥面钢混组合梁负弯矩区截面验算方法，其特征在于，所述NC普通混凝土层和UHPC超高性能混凝土层通过长栓钉与钢箱梁固定连接。
9.根据权利要求4所述的UHPC-NC叠合桥面钢混组合梁负弯矩区截面验算方法，其特征在于，所述栓钉为多根，多根栓钉沿桥梁纵向和横向间隔分布，每根栓钉均贯穿UHPC超高性能混凝土层和NC普通混凝土层并钉入钢箱梁中。
10.根据权利要求1所述的UHPC-NC叠合桥面钢混组合梁负弯矩区截面验算方法，其特征在于，所述NC普通混凝土层从中支点处沿着桥梁纵向方向呈正阶梯型延伸，所述UHPC超高性能混凝土层从中支点处沿着桥梁纵向方向呈倒阶梯型延伸，所述正阶梯型和倒阶梯型适配。
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