2023, Vol. 40扩展功能
文章信息
- 李兵, 肖靖林, 孙迎春, 杨腾宇, 樊健生.
- LI Bing, XIAO Jing-lin, SUN Ying-chun, YANG Teng-yu, FAN Jian-sheng
- 钢-UHPC组合梁斜拉桥多尺度有限元分析与试验研究
- Multi-scale Finite Element Analysis and Experimental Study on Cable-stayed Bridge with Steel-UHPC Composite Beams
- 公路交通科技, 2023, 40(11): 131-141
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2023, 40(11): 131-141
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2023.11.015
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文章历史
- 收稿日期: 2023-01-16
, 2. 清华大学 土木工程系, 北京 100084;
3. 佛山市交通科技有限公司, 广东 佛山 528000;
4. 清华大学 土木工程安全与耐久教育部重点实验室, 北京 100084
2. School of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
3. Foshan Transportation Science and Technology Co., Ltd., Foshan Guangdong 528000, China;
4. Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability, Ministry of Education, Tsinghua University, Beijing 100084, China
钢-混凝土组合梁斜拉桥是常见的大跨径桥梁形式。近年来，大跨钢-混凝土组合桥梁的发展趋势呈现出跨度进一步增大、主梁间距增大和桥面板跨度增加的特征。然而，传统的钢-混凝土组合梁中的混凝土桥面板普遍较厚(平均厚度约280 mm)，导致桥面板自重占组合梁总重量的70%以上[1]。这使得组合梁斜拉桥的经济跨度难以超过600 m，需要提出新的桥面板系统来满足特大跨径组合梁斜拉桥的建设要求。
广东省佛山市在建的富龙西江特大桥为佛山一环西拓的重要节点工程，建成后将形成高明区与中心城区的对接，对完善区域路网具有重要意义。该桥为主跨580 m的双塔双索面组合梁斜拉桥，总体效果与标准横断面如图 1(a)~(b)所示。边跨为混凝土箱梁，中跨为组合梁，且上翼缘采用了一种新型的钢-超高性能混凝土(UHPC)组合桥面板(图 1)。UHPC是以最大密实度原理设计的新型水泥基复合材料，一般含2%~3%的钢纤维掺量，具有超高的抗压强度(通常超过150 MPa)和较高的抗拉强度(通常超过9 MPa)[2]。由8 mm薄钢板和150 mm UHPC组成的钢-UHPC组合桥面板，厚度比普通混凝土桥面板减薄约40%，大大降低组合梁的自重。此外，钢-UHPC组合桥面板充分利用钢板和UHPC的优良力学性能，具有承载力高、刚度大和抗裂性能好等优点，非常适合作为特大跨径组合梁斜拉桥的桥面板，存在广阔的应用前景[3]。
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| 图 1 富龙西江特大桥 Fig. 1 Fulong Xijiang bridge |
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上述钢-UHPC组合桥面板可在工厂进行预制，然后运送到施工现场进行拼装。相邻预制组合板的钢结构采用焊接连接，并在焊接位置上方浇注UHPC湿接缝。预制板之间的接缝通常是结构的薄弱部位，因此许多研究集中于预制板接缝的性能。Porter等[4]评估了5种预制桥面板连接方式的使用性能和极限承载力，包含后张预应力连接、弯曲螺栓连接和焊接连接等方式。Graybeal[5]将UHPC用于两预制混凝土桥面板的接缝，通过模拟轮载下的模型试验验证了UHPC作为接缝材料的可行性。Hwang等[6]开展了UHPC板钢筋搭接节点的受弯性能试验，研究钢筋搭接长度和节点长度对破坏模式的影响。Pan等[7]通过试验研究了正交异性钢桥面-超薄活性粉末混凝土(RPC)组合桥面板湿接缝的受拉性能，结果表明湿接缝的形状对桥面板承载力和刚度无明显影响，但锯齿状湿接缝、矩形湿接缝和异性钢板湿接缝的抗裂性能优于常规湿接缝和倾斜面湿接缝。邵旭东等[8]进行了正交异性钢板-RPC轻型组合桥面结构的湿接缝弯曲试验，根据开裂应力的测试结果推荐采用异性钢板湿接缝和焊接钢筋网湿接缝。Guo等[9]对桥梁加宽中的桥面板接缝受车致振动的影响进行了研究。Zhao等[10]研究了钢板-薄层RPC组合桥面板的燕尾榫湿接缝受弯性能，发现界面处的初裂应力约为现浇RPC的一半。陈德宝等[11]研究了UHPC湿接缝的界面处理方式，结果表明高压水枪凿除细骨料的处理方式对抗裂性能最有利。Wang等[12]和Zhao等[13]提出完全干连接的钢-UHPC组合桥梁结构，UHPC预制桥面板之间设置螺栓-焊接节点，桥面板与主梁之间采用高强螺栓连接，完全避免了现场湿作业。
根据上述研究可以推测，湿接缝是钢-UHPC组合桥面板的薄弱部位。采用可靠的湿接缝形式来保证桥面板的抗裂性能，是提升桥面系耐久性的关键措施。因此，本研究首先开展了富龙西江特大桥的多尺度有限元分析，计算运营阶段的应力。然后，开展钢-UHPC组合桥面板及其湿接缝的足尺模型试验，重点研究抗裂性能和极限承载力。综合有限元分析和模型试验的结果，对大桥的桥面系的结构性能进行评估。
1 全桥有限元分析 1.1 全桥杆系有限元模型采用有限元软件Midas Civil 2019建立富龙西江特大桥的全桥杆系有限元模型(见图 2)，考虑各种几何、边界非线性效应，对运营阶段进行结构静力分析。
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| 图 2 全桥有限元模型 Fig. 2 Global FEM |
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如图 2(b)所示，主梁采用鱼骨梁进行模拟[14]，斜拉索主要承受拉力，采用桁架单元模拟。除此之外，其他部件均采用梁单元模拟。
中跨的UHPC桥面板也采用单梁模型模拟，桥面板单元与钢箱梁单元通过弹性连接(刚性)形成组合作用如图 2(c)所示，不考虑钢-UHPC的界面相对滑移。注意，钢-UHPC组合桥面板的8 mm钢底板可视为钢箱梁的顶板，在钢箱梁截面中予以考虑，如图 2(d)所示。
按实际情况设置大桥的边界条件，如图 2(e)所示。桥塔位置的GPZ-15DX盆式支座按如下方法模拟：将桥塔下横梁的两个节点向上复制一定距离，以这两个节点作为两个盆式支座，节点与竖向对应的钢梁节点之间采用弹性连接(刚性)，桥塔下横梁的对应节点与这两个节点之间采用弹性连接，竖向刚度设置为无穷大，横桥向刚度设置为100 kN/m，纵桥向刚度设置为1 000 kN/m。
采用上述方法建立的富龙西江特大桥的全桥模型如图 2(a)所示。
1.2 材料特性中跨的钢箱梁采用Q345钢材，边跨的混凝土箱梁采用C60混凝土，桥塔采用C55混凝土，斜拉索采用Wire1770钢材，预应力筋采用Strand1860钢材。材料的弹性模量和容重等特性按《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》(JTG/T D64-01—2015)[15]取值。UHPC由用户自定义，弹性模量取41 100 MPa，容重取27 kN/m3。此外，定义一种弹性模量为2.06×105 MPa、容重为0的钢材，作为鱼骨梁模型的刚性横梁用材。
1.3 荷载工况全桥分析考虑主要的恒载和活载作用。恒载包括结构自重、构造重量和2期恒载；活载考虑汽车荷载，不考虑制动力。本研究暂不考虑荷载的分项系数，恒载和活载都按1.0考虑。
构造重量指横隔板和风嘴等不参与纵向受力的构件，它们的重量按照均布荷载施加在主梁上。对于边跨混凝土主梁，构造重量主要考虑横隔板，等效于248.41 kN/m的均布荷载；对于中跨钢-UHPC组合主梁，构造重量主要考虑横隔板和风嘴，等效于39.38 kN/m的均布荷载。2期恒载包括防撞栏杆、全桥护栏、桥面铺装和附属设施，合计109.4 kN/m。
汽车荷载采用中国规范荷载(JTG B01—2014)[16]中的CH-CL重载车辆(见图 3)，总重55 t，5轴荷载分别为30，120，120，140 kN和140 kN。按8车道计算，横向车道布载系数为0.5[17]。冲击系数按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)[17]计算，结构基频按斜拉桥自动计算。
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| 图 3 车辆荷载(单位：m) Fig. 3 Vehicle load(unit: m) |
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1.4 合理成桥状态求解
为求解富龙西江特大桥的合理成桥状态，利用Midas Civil内置的未知荷载系数法计算索力。在恒载作用下，设置如下约束条件：
(1) 主梁与斜拉索吊点x坐标相同的节点的竖向位移绝对值不超过0.01 m。
(2) 桥塔顶部节点的水平位移绝对值不超过0.01 m。
根据对称性约束1/2结构对应的节点，运行未知荷载系数求解功能即可求得合理的索力。求得的索力按初拉力荷载施加于斜拉索桁架单元。
1.5 全桥模型计算结果采用上述杆系有限元模型执行全桥分析，从而获取富龙西江特大桥钢-UHPC组合桥面系的第1体系应力。本研究关注钢箱梁和桥面板UHPC层的应力，其余部分的计算结果略。图 3展示了一部分关键的应力云图。受组合梁体外预应力和索力水平分量的影响，在第1体系下，钢箱梁以受压为主，最大压应力为145.46 MPa见图 4(a)；UHPC的最大拉应力也较小，仅0.55 MPa见图 4(b)。汇总所有分析结果，第1体系下的控制应力(Max, Min)如下(单位：MPa，压应力为负，拉应力为正)：
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| 图 4 全桥分析的部分关键应力云图(单位：MPa) Fig. 4 Part of key stress nephograms of global finite element analysis(unit: MPa) |
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(1) 钢箱梁下翼缘纵向应力(-8.49，-79.59)，钢箱梁上翼缘纵向应力(0.18，-145.46)；
(2) UHPC下表面纵向应力(-0.71，-18.63)，UHPC上表面纵向应力(0.55，-19.61)。
2 局部有限元分析 2.1 局部精细有限元模型采用有限元软件ABAQUS建立富龙西江特大桥的局部精细有限元模型(见图 5)。按照Shao等[18-19]学者的建议，局部模型由两个吊点间距之间的梁段组成。因此，局部模型考虑2个标准梁段，纵向全长2×10.5=21 m，包含7块间距为3.5 m的横隔板，且考虑风嘴构造。
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| 图 5 局部有限元模型 Fig. 5 Local FEM |
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与全桥模型类似，钢-UHPC组合桥面板的8 mm钢底板作为钢箱梁的上翼缘被考虑见图 5(a)。钢箱梁、横隔板和开孔板剪力键都采用壳单元S4R模拟，UHPC层采用实体单元C3D8R模拟。根据王哲[20]的建议，UHPC的基准网格尺寸取250 mm(接近板跨的1/15)，钢箱梁的网格尺寸取500 mm，如图 5(b)所示，模型共计257 765个S4R壳单元，15 708个C3D8R实体单元。
钢箱梁与横隔板的焊缝通过tie约束模拟见图 5(c)。开孔板剪力键与钢箱梁上翼缘的焊缝也通过tie约束模拟见图 5(d)。不考虑钢-UHPC界面的相对滑移，在钢箱梁上翼缘与UHPC板底之间也设置tie约束。
由于全桥有限元模型已得到主梁的整体变形和应力，因此局部模型的边界条件旨在抵消主梁整体变形的影响[19]。如图 5(e)所示，在局部模型中，约束两端部横隔板和最中间横隔板对应于斜拉索吊点位置的竖向平动自由度，以及两端部横隔板轮廓线的纵向平动自由度和绕竖向转动的自由度。在此基础上，将两种有限元模型的计算结果叠加即可确定控制截面的应力。
2.2 材料特性局部模型中仅包含UHPC和Q345钢材两种材料。应力设计计算中通常不考虑材料非线性，两种材料的弹性属性均与全桥模型保持一致。
2.3 荷载工况局部模型与全桥模型类似，考虑主要的恒载和活载。恒载包括结构自重(模型包含了横隔板和风嘴，构造重量包含于结构自重)和2期恒载；活载考虑汽车荷载。
结构自重按Gravity方式施加，重力加速度设置为9.8 m/s2。2期恒载的大小按设计说明取109.4 kN/m，等效为0.002 8 MPa的压力荷载施加于UHPC上表面。
汽车荷载与全桥分析类似，根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)[17]，车辆荷载为550 kN标准车，其立面、平面尺寸如图 3所示，车辆荷载按图 3(b)所示的车道设计进行横向布置。横向满布为8辆车，横向布载系数取为0.5。
建立一系列壳单元部件来模拟车轮，平面尺寸以图 3(b)为准。车轮部件表面与UHPC上表面设置tie约束，轮载等效为均布荷载施加于车轮部件表面。最不利的两种荷载工况如图 6所示，在工况1下，最中间横隔板截面的负弯矩达到最大值；在工况2下，单个梁段正弯矩区的弯矩达到最大值。
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| 图 6 最不利荷载工况 Fig. 6 Critical load conditions |
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2.4 局部模型计算结果
采用上述精细有限元模型执行局部分析，从而获取富龙西江特大桥钢-UHPC组合桥面板系统的第2体系应力。图 7展示了一部分关键的应力云图。在第2体系下，桥面板在横隔板的支承下受弯曲作用，最大拉应力和最大压应力水平相当，分别为3.33 MPa见图 7(a)和3.90 MPa见图 7(b)；钢箱梁应力水平最高的部位为下翼缘，且以横向应力为主，最大横向拉应力为48.17 MPa见图 7(c)。综合所有分析结果，第2体系下的控制应力(Max, Min)如下(单位：MPa，压应力为负，拉应力为正)：
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| 图 7 局部分析的部分关键应力云图(单位：MPa) Fig. 7 Part of key stress nephograms of local finite element analysis(unit: MPa) |
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(1) 钢箱梁下翼缘纵向应力(32.96，-35.31)，钢箱梁上翼缘纵向应力(9.99，-10.58)；
(2) 钢箱梁下翼缘横向应力(48.17，-40.70)，钢箱梁上翼缘横向应力(6.81，-19.22)；
(3) UHPC纵向应力(3.33，-2.06)，UHPC横向应力(2.10，-3.90)。
3 钢-UHPC组合桥面板及其湿接缝试验 3.1 试件设计为进一步验证钢-UHPC组合桥面板及其湿接缝在上述应力状态下的可行性，设计了3个足尺试件(见图 8)，包括1块简支整浇钢-UHPC组合板S1，1块两跨连续整浇钢-UHPC组合板S2和1块带燕尾榫湿接缝的简支钢-UHPC组合板S3。各试件均按照富龙西江特大桥的图纸设计，主要由8 mm钢底板+150 mm UHPC构成，两者通过开孔板剪力键形成组合作用。
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| 图 8 试件设计(单位：mm) Fig. 8 Specimen design(unit: mm) |
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如图 8(a)~(c)所示，试件S1为单跨简支板，长3 100 mm，宽1 800 mm，包含4个高度90 mm、厚度10 mm的开孔板剪力键。剪力键开孔直径为50 mm，间距150 mm，每个孔中含一根直径12 mm的贯通钢筋。贯通钢筋层下方还配置了5根直径12 mm的底层纵筋。顶层纵向钢筋直径22 mm，间距150 mm；顶层横向钢筋直径16 mm，间距150 mm。
试件S2为两跨连续板，长7 400 mm，宽1 800 mm，横截面与试件S1相同见图 8(b)。试件中部模拟钢箱梁横隔板与桥面板连接处的板托构造见图 8(d)，UHPC层厚度增加至250 mm。
试件S3为简支接缝板，旨在研究预制桥面板湿接缝的受力性能。长3 300 mm，宽1 800 mm，标准横截面仍见图 8(b)。试件中部包含燕尾榫湿接缝，接缝沿纵向的总长度为1 000 mm。榫头的倾角为11°，沿纵向的长度为250 mm，为增加UHPC预制部分和后浇部分的接触面积而做成两级台阶状。
3.2 试件加工过程以制作最复杂的接缝板S3为例，阐述试件加工过程。试件的加工过程模拟了预制和后浇两部分UHPC的形成顺序。首先，在工厂中制作了两块相同的钢底板，并分别与4块开孔板剪力键进行焊接。然后，将两块钢底板的通过对接焊缝连接，同时，位于两钢底板上的开孔板剪力键通过嵌补段进行对接焊接。在此之后，按接缝形状制作模板，并完成两侧UHPC预制部分的浇注，静停48 h后采用90 ℃高温蒸养48 h。待养护结束，对接缝位置的UHPC界面进行凿毛，使一部分钢纤维外露，以及进行湿接缝钢筋的绑扎和焊接。最后，浇注UHPC的后浇部分，并与预制部分按相同方法高温蒸汽养护。
3.3 材料性能本研究所用UHPC材料的水胶比为0.16，按2.3%的体积分数掺入长度13 mm、直径0.2 mm的平直钢纤维。预制部分和后浇部分的UHPC均在浇注后静停48 h，然后90 ℃高温蒸养48 h。UHPC的力学性能通过同批浇注并养护的狗骨试件和100 mm×100 mm×300 mm棱柱体试块测试得到。制作试件的过程中保留Q345钢板和HRB400钢筋的材性试件，用于测试拉伸性能。主要材料的力学性能如表 1所示。
| 材料 | 厚度或直径/mm | 屈服强度/MPa | 弹性模量/MPa |
| 钢板 | 8 | 407.2 | 210 000 |
| 10 | 354.6 | ||
| 钢筋 | 12 | 453.8 | 200 000 |
| 16 | 493.1 | ||
| 20 | 487.1 | ||
| 22 | 473.6 | ||
| 材料 | 轴心抗压强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 弹性模量/MPa |
| UHPC | 148.0 | 9.4 | 41 100 |
3.4 加载与量测方案
如图 9(a)所示，试件S1的两短边全宽简支，净跨2 800 mm，在板中心200 mm×200 mm的区域用300 t千斤顶施加集中荷载。
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| 图 9 试验加载(单位：mm) Fig. 9 Test loading(unit: mm) |
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如图 9(b)所示，两跨连续板S2每跨的长度为3 500 mm，和富龙西江特大桥钢箱梁横隔板的间距一致，模拟连续单向桥面板的边界条件。在两个跨中的板中线位置，分别用一个300 t千斤顶进行同步加载。加载区域为200 mm(横向)×300 mm(纵向)，模拟《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)[17]中的车轮荷载。
接缝板S3的加载装置如图 9(c)所示，采用负弯矩4点受弯试验探究湿接缝的力学性能。两间距为3 000 mm的钢架的横梁作为简支板试件的支座，限制被支承截面的竖向位移。荷载通过300 t千斤顶和一根刚度很大的分配梁施加到试件板底面，两加载点的间距为1 200 mm，保证湿接缝均处于纯弯段范围内，每个加载点沿宽度的分布长度为500 mm。
试验分两阶段控制加载，在弹性阶段基于力的控制分级加载，每级加载50 kN；试件进入非线性阶段后，切换为位移控制，以2.0 mm/min的速度加载至试件破坏。
试验中，重点量测千斤顶的荷载和试件跨中的挠度。此外，在基于力控制的加载阶段，施加每一级荷载后保持恒定，采用80倍放大的裂缝观测仪量测试件的裂缝宽度。
4 试验结果 4.1 破坏模式3个试件均发生延性良好的弯曲破坏。简支板S1在极限状态下，跨中截面钢底板屈服、UHPC板顶压溃，主裂缝快速增宽，钢纤维逐渐拔出。
连续板S2的破坏主要表现为3个塑性铰的形成。中支座变截面受负弯矩作用，最先开裂与出铰。然后，远离第1个塑性铰的一侧跨中出现第2个塑性铰，两千斤顶的总荷载达到峰值。另一侧跨中很快出现第3个塑性铰，总荷载开始缓慢下降。
接缝板S3的破坏主要集中于湿接缝区域的新旧UHPC界面。由于钢纤维不连续，界面最先开裂，并后续发展为主裂缝。大量裂缝陆续出现，勾勒出燕尾榫的轮廓。最终，界面截面剧烈开裂，裂缝宽度超过5 mm，试件破坏。
4.2 荷载-位移响应各试件的荷载-跨中挠度曲线如图 10所示。对于连续板S2，图中荷载和挠度为两跨的平均值。从试件S1和S2可见，连续板和正弯矩下的简支板表现出极高的抗弯承载力和刚度，且试件的开裂对刚度影响较小，体现出钢底板对UHPC开裂的约束作用。荷载到达峰值后开始下降，但下降段十分平缓，表现出优异的延性。
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| 图 10 荷载-跨中挠度曲线 Fig. 10 Curves of load and midspan deflection |
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接缝板S3在负弯矩作用下开裂后，刚度有一定的降低。UHPC的延性开裂使试件拥有很长的屈服平台，在整个加载过程中没有观察到荷载的显著降低。
表 2列举了试验加载中的特征点。根据前人研究，宽度不超过0.05 mm的裂缝对UHPC的耐久性没有影响[7, 21]，因此将裂缝宽度达到0.05 mm的时刻定义为开裂点。试件的屈服点采用最远点法[22]确定，即以曲线上距离原点和峰值点连线最远的点为屈服点。试件的峰值点为荷载-挠度曲线上的最高点，峰值点荷载即为极限承载力。定义峰值点挠度Δu与屈服点挠度Δy的比值为延性系数μ[23]，反映试件的位移延性。
| 试件 | 开裂 | 屈服 | 峰值 | 延性系数 | ||||||
| Pcr/kN | Δcr/mm | Py/kN | Δy/mm | Pu/kN | Δu/mm | μ | ||||
| S1 | 500.0 | 5.01 | 1 489.1 | 21.25 | 1 813.7 | 36.08 | 1.70 | |||
| S2 | 425.0 | 4.56 | 1 291.5 | 20.16 | 1 706.7 | 38.10 | 1.89 | |||
| S3 | 211.4 | 2.50 | 724.1 | 25.32 | 849.9 | 92.98 | 3.67 | |||
从表中可见，试件S1，S2和S3的极限承载力Pu与开裂荷载Pcr之比分别为3.63，4.02和4.02，表明试件在开裂后有较大的承载能力储备。
4.3 裂缝发展实际工程中比较关心负弯矩区UHPC上表面的裂缝控制。图 11展示了试件S2和S3的负弯矩区最大裂缝宽度发展。为便于对比，纵坐标设置为UHPC受拉边缘的名义应力。名义应力常用于研究构件的抗裂性能。采用换算截面法，将UHPC部分的宽度b除以钢材与UHPC弹性模量的比值αE，从而将截面换算为钢材截面(见图 12)，则可以按线弹性计算出UHPC上表面的名义拉应力。
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| 图 11 名义应力-最大裂缝宽度曲线 Fig. 11 Curves of nominal stress and maximum crack width |
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| 图 12 换算截面示意图 Fig. 12 Schematic diagram of transformed section |
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定义裂缝宽度达到0.05 mm时的名义应力为名义开裂应力[7, 21]，则试件S2的名义开裂应力为16.9 MPa，S3新旧UHPC界面和非界面区域的名义开裂应力分别为10.2 MPa和17.4 MPa。可见，由于钢纤维的不连续性，湿接缝界面成为桥面板最先开裂的薄弱部位，抗裂强度较整浇区域劣化了41.4%。此外，界面裂缝宽度的发展速度也远大于其他部位，最终发展为主裂缝。当界面裂缝增宽至1 mm时，非界面裂缝的最大宽度仅约0.1 mm。连续板S2虽不含湿接缝，但负弯矩区存在板托变截面，该处的主裂缝随塑性铰的逐渐形成而快速发展。上述结果表明，桥面板设计中应重点关注湿接缝和板托变截面处的抗裂性能。
5 桥面系性能评估如前所述，全桥有限元模型计算出了结构的第1体系应力，局部有限元模型计算出了结构的第2体系应力。表 3汇总了两个体系的应力叠加结果，即钢箱梁和UHPC在运营状态下的控制应力。
| 位置 | 纵向应力/MPa | 横向应力/MPa | ||||||||
| 最大值 | 最小值 | 最大值 | 最小值 | |||||||
| 第1体系 | 第2体系 | 总和 | 第1体系 | 第2体系 | 总和 | |||||
| 钢箱梁上翼缘 | 0.18 | 9.99 | 10.17 | -145.46 | -10.58 | -156.04 | 6.81 | -19.22 | ||
| 钢箱梁下翼缘 | -8.49 | 32.96 | 24.47 | -79.59 | -35.31 | -114.90 | 48.17 | -40.70 | ||
| UHPC层 | 0.55 | 3.33 | 3.88 | -19.61 | -2.06 | -21.67 | 2.10 | -3.90 | ||
可见，钢箱梁的最大纵向应力为156.0 4MPa(受压)，最大横向应力为48.18 MPa(受拉)，与Q345钢材抗弯屈服强度设计值(275 MPa)相比均较小。因此，钢箱梁在运营阶段处于弹性状态，具有足够的应力储备。
总体来看，UHPC层以纵向应力为主，横向应力相对较小。最大纵向压应力为21.67 MPa，远小于材料的实测抗压强度(148 MPa)。最大纵向拉应力为3.88 MPa，远小于试验实测的燕尾榫湿接缝的名义开裂应力(10.2 MPa)。因此，整浇的UHPC预制桥面板和现浇的湿接缝均不会发生开裂，且抗裂安全系数不小于2.6。
综上所述，富龙西江特大桥的钢-UHPC组合桥面系具有优良的受力性能，运营阶段不存在桥面板开裂风险，钢箱梁处于弹性受力状态。且钢-UHPC桥面板及其湿接缝在开裂后仍有较高的承载能力储备，在一定限度内的超载工况下不会发生破坏。
6 结论本研究针对富龙西江特大桥开展了多尺度有限元分析，并通过试验研究了钢-UHPC组合桥面板及其湿接缝的受力性能。结合有限元分析和试验的结果，对桥面系的性能进行了评估。主要的总结如下：
(1) 采用全桥杆系有限元模型计算第1体系应力，局部精细有限元模型计算第2体系应力。两体系应力叠加可知，钢箱梁的最大纵向应力为156.04 MPa，最大横向应力为48.18 MPa；UHPC的最大压应力为21.67 MPa，最大拉应力为3.88 MPa。
(2) 试验结果表明，湿接缝是桥面板的薄弱部位，名义开裂应力为10.2 MPa，比整浇部分低41.4%。钢-UHPC桥面板及其湿接缝均发生延性的弯曲破坏，开裂后的承载能力储备充足，在一定限度内的超载工况下不会发生破坏。
(3) 在运营阶段，富龙西江特大桥受力状况良好，不存在桥面板开裂风险，钢箱梁处于弹性受力状态。
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