超大跨徑超高性能混凝土連續(xù)箱梁橋設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

超大跨徑超高性能混凝土連續(xù)箱梁橋設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

大跨徑pc梁橋新方案的提出預(yù)制混凝土（pc）箱梁橋廣泛應(yīng)用于300m橫跨直徑范圍內(nèi)的中等規(guī)模和大型跨度橋中。但是,現(xiàn)有已建大跨徑PC梁橋在運(yùn)營過程中普遍出現(xiàn)主跨過度下?lián)虾土后w開裂病害?，F(xiàn)有研究表明:大跨徑PC梁橋主跨過度下?lián)鲜菢蛄汉爿d下?lián)霞邦A(yù)應(yīng)力上拱共同作用的結(jié)果,同時(shí)混凝土徐變將擴(kuò)大這一變形量;結(jié)構(gòu)抗彎抗剪能力不足是梁體開裂的主要原因之一。國內(nèi)外的專家學(xué)者已從新橋的設(shè)計(jì)、施工以及老橋的維修加固等方面來加以關(guān)注和解決上述病害。另一方面,大跨徑梁橋的主要難題是自重過大,挪威斯托爾馬橋(主跨301m)和重慶石板坡長江大橋復(fù)線橋(主跨330m),跨中區(qū)段分別采用了輕質(zhì)混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu),以減輕結(jié)構(gòu)自重的方式來提升主跨跨徑和改善結(jié)構(gòu)受力。但是由于混凝土抗拉強(qiáng)度不夠高,上述方案梁體開裂的風(fēng)險(xiǎn)仍然存在。未來的大橋應(yīng)采用高性能、高強(qiáng)度材料,這將是橋梁發(fā)展的主要方向。大跨徑PC梁橋中引入高強(qiáng)、高性能混凝土材料是解決主梁自重過大、主跨過度下?lián)虾土后w開裂的有效方式。超高性能混凝土(UltraHighPerformanceConcrete,UHPC)具有高模量、高抗壓、抗拉強(qiáng)度和良好的徐變特性等優(yōu)點(diǎn),工程實(shí)踐表明[14,15,16,17,18,19]:UHPC能進(jìn)一步減小構(gòu)件的幾何尺寸、減輕結(jié)構(gòu)自重、提高結(jié)構(gòu)抵抗使用荷載的有效性和增大橋梁結(jié)構(gòu)的跨越能力。但是,梁橋結(jié)構(gòu)性能的改善和跨徑的提升不能單純地依靠結(jié)構(gòu)材料的更換,結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失和UHPC橋梁的薄壁化所帶來的問題應(yīng)受到關(guān)注。因此,本文筆者提出了一種超大跨徑UHPC箱梁橋新方案,即一種與超高性能混凝土材料力學(xué)性能相適應(yīng)的新型箱梁橋,它既可綜合解決PC梁橋自重過大、主跨過度下?lián)虾土后w開裂等難題,同時(shí)又為實(shí)現(xiàn)400m級(jí)或更大跨徑梁橋提供了一個(gè)新思路。下面將從其概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)受力分析、技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較和相關(guān)模型試驗(yàn)等方面進(jìn)行分析和論述,以期能對該新型梁橋的發(fā)展進(jìn)行探索。1uhpc箱梁結(jié)構(gòu)超高性能混凝土(UHPC),也稱作活性粉末混凝土(ReactivePowderConcrete,RPC),是根據(jù)最大堆積密度理論和纖維增強(qiáng)材料技術(shù)發(fā)展形成的一種超高強(qiáng)度超高性能的高致密水泥基復(fù)合材料,其組成材料不同粒徑顆粒以最佳比例形成最緊密堆積,同時(shí)摻加微細(xì)的鋼纖維提高其韌性和延性。與普通混凝土相比,UHPC具有超高的力學(xué)性能和超高的耐久性,如表1所示。目前,UHPC已具備了普通混凝土的施工性能,甚至可以實(shí)現(xiàn)自密實(shí),已經(jīng)具備工程應(yīng)用的條件。由于UHPC的材料性能介于普通混凝土與鋼材之間,因而,UHPC箱梁的結(jié)構(gòu)構(gòu)造宜介于傳統(tǒng)的PC箱梁和鋼箱梁之間。具體來說,UHPC箱梁橋具有以下特征:采用UHPC作為其結(jié)構(gòu)材料,其板件厚度大幅度減小,與傳統(tǒng)PC箱梁橋相比,UHPC箱梁橋可減輕結(jié)構(gòu)自重40%~60%;設(shè)置密集橫隔板來綜合解決UHPC薄壁箱梁面臨的橫向應(yīng)力過大、整體穩(wěn)定性、截面畸變和腹板抗剪承載力等問題,達(dá)到UHPC箱梁橋取消豎向和橫向預(yù)應(yīng)力、變傳統(tǒng)三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)為縱向單向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的目的,即箱梁橋的橫向受力和豎向受力變?yōu)橛衫甙迨浇Y(jié)構(gòu)承擔(dān),如圖1所示。由于UHPC箱梁的板厚相對較薄,適宜布置可檢查、易更換、索力可檢測及可補(bǔ)張拉的體外預(yù)應(yīng)力體系,而密集橫隔板為體外預(yù)應(yīng)力筋的轉(zhuǎn)向和可靠錨固提供了方便,因此超大跨徑UHPC箱梁橋宜采用部分體外預(yù)應(yīng)力體系,如圖2所示。此外,UHPC在長期荷載作用下的徐變性能與養(yǎng)護(hù)條件密切相關(guān),文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果表明:超高性能混凝土經(jīng)高溫蒸養(yǎng),后期收縮基本為零,后期徐變大幅度減小。因此,為有效解決主跨過度下?lián)蠁栴},UHPC箱梁橋應(yīng)考慮采用預(yù)制節(jié)段法施工,以方便UHPC箱梁的養(yǎng)護(hù),保證施工質(zhì)量和加快施工速度。顯然,當(dāng)前大跨徑PC梁橋的典型橋型和施工方法等均可應(yīng)用于超大跨徑UHPC箱梁橋。240uhpc連續(xù)箱梁橋試驗(yàn)設(shè)計(jì)為探討超大跨徑連續(xù)梁箱梁橋的可行性,對400m級(jí)RPC連續(xù)箱梁橋進(jìn)行了試設(shè)計(jì),并對其面內(nèi)結(jié)構(gòu)受力和空間受力進(jìn)行考察。2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果以一座跨徑布置為240m+400m+240m的三跨預(yù)應(yīng)力UHPC連續(xù)剛構(gòu)橋作為試設(shè)計(jì)方案,橋面寬度取為16m。UHPC箱梁橋采用直腹式箱形截面,其頂板、底板、腹板和橫隔板均采用薄型板件,橫隔板采用密集型布置方式。UHPC箱梁橋墩頂截面和主跨跨中截面分別如圖3所示,墩頂處設(shè)有一道3m厚的橫隔板,UHPC連續(xù)箱梁橋采用節(jié)段預(yù)制,懸臂拼裝,每個(gè)節(jié)段設(shè)置一道0.12m厚的橫隔板?？拷虚g橋墩處的節(jié)段長度為2m,其余節(jié)段長度為4m。僅在橋梁縱向設(shè)置預(yù)應(yīng)力體系,縱向體外索錨固在箱梁各節(jié)段端面的齒板上。為方便計(jì)算,這里的薄壁柔性橋墩取為雙薄壁墩,每肢厚度為2.8m,雙肢之間凈距為5.4m,每肢橋墩橫橋向?qū)?2m,橋墩高度取為50m?？紤]恒載、汽車荷載、人群荷載、溫度荷載和基礎(chǔ)沉降等作用,RPC箱梁橋墩頂截面的最大組合彎矩約為-1.12×107kN·m,最大組合剪力約為1.5×105kN;主跨跨中截面的最大組合彎矩約為6.7×105kN·m。UHPC箱梁橋預(yù)應(yīng)力配置為:中支點(diǎn)頂板預(yù)應(yīng)力筋采用19孔-15.24鋼絞線群錨,共152束;中支點(diǎn)腹板預(yù)應(yīng)力筋采用19孔-15.24鋼絞線群錨,共98束;主跨跨中頂板預(yù)應(yīng)力筋采用19孔-15.24鋼絞線群錨,共12束;主跨跨中底板預(yù)應(yīng)力筋采用19孔-15.24鋼絞線群錨,共46束。預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1860MPa,張拉控制應(yīng)力為1395MPa,最大張拉噸位3710kN。試設(shè)計(jì)方案計(jì)算表明:考慮荷載組合作用,成橋階段的最大主壓應(yīng)力為34MPa,最大主拉應(yīng)力約4.5MPa。在汽車荷載作用下,UHPC主梁的最大撓度為0.22m,等于l/1818,滿足要求。超大跨徑UHPC連續(xù)箱梁橋是將超高性能混凝土、具有密集橫隔板的薄壁箱梁和體外預(yù)應(yīng)力有機(jī)結(jié)合起來的一種縱向單向預(yù)應(yīng)力新型連續(xù)梁橋。薄型UHPC箱梁雖可大幅減輕結(jié)構(gòu)自重,但超大跨徑和薄型箱梁將使其可變作用效應(yīng)增大,圖4為汽車荷載作用下的試設(shè)計(jì)方案UHPC箱梁橋主梁應(yīng)力包絡(luò)圖。由圖可知:在汽車荷載作用下,UHPC主梁的應(yīng)力變化幅度達(dá)6MPa左右,其疲勞問題應(yīng)需關(guān)注。薄型橫隔板(厚度12cm)布置體外預(yù)應(yīng)力應(yīng)該可滿足局部應(yīng)力要求。這是因?yàn)?與普通混凝土相比,UHPC的抗拉強(qiáng)度很高,按照抗拉強(qiáng)度等效,12cm厚的UHPC隔板至少可折算成60cm厚的普通混凝土隔板,當(dāng)然,體外預(yù)應(yīng)力錨固塊的局部受力有待進(jìn)一步深入研究。2.2橫向力學(xué)性能密集設(shè)置橫隔板將使UHPC箱梁的各板件沿縱向增加了一系列的加勁板,其空間受力將發(fā)生變化。這里采用板殼單元對多隔板箱梁橋建模,考察車輛荷載作用于400m主跨1/4l附近時(shí)的結(jié)構(gòu)局部受力情況。表2為不同橫隔板情形下的橫向內(nèi)力比較,結(jié)果表明:密集設(shè)置隔板可大幅減少橫橋向的最大拉應(yīng)力,每隔4m設(shè)置一道橫隔板時(shí),其橫橋向的最大拉應(yīng)力僅為3.5MPa。因此,超大跨徑UHPC箱梁橋取消橫向預(yù)應(yīng)力,使其橫向內(nèi)力由肋板式結(jié)構(gòu)承擔(dān)具有可行性。與此同時(shí),橫隔板有效抑制了薄壁桿件的截面翹曲變形,計(jì)算中考慮偏心車道荷載中的豎向反對稱荷載作用于UHPC箱梁橋,表2中給出了計(jì)算結(jié)果,表明設(shè)置橫隔板可大幅度減少薄壁箱梁的扭轉(zhuǎn)變形和抑制薄壁箱梁的截面畸變。每隔4m設(shè)置一道橫隔板時(shí),其扭轉(zhuǎn)畸變變形和框架橫向正應(yīng)力均很小,如圖5和圖6所示。因此,密集設(shè)置橫隔板可彌補(bǔ)UHPC箱梁橋薄壁化帶來的截面大變形問題。試設(shè)計(jì)得到的上述各種UHPC應(yīng)力狀態(tài)是否可行,將通過后面的試驗(yàn)予以驗(yàn)證。3試驗(yàn)結(jié)果和性能評價(jià)上例中UHPC連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋上部結(jié)構(gòu)的材料用量估算如表3所示,作為對比,表中同時(shí)給出了依據(jù)文獻(xiàn)計(jì)算得到的目前世界上跨度最大連續(xù)剛構(gòu)橋的材料用量指標(biāo),從表中對比結(jié)果可知:UHPC連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋方案每平米UHPC用量僅約1.21m3左右,每平米預(yù)應(yīng)力鋼材用量僅約85kg。文獻(xiàn)將330m跨徑的UHPC連續(xù)箱梁橋方案與文獻(xiàn)相同跨徑混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋的工程量作了對比,前者上部結(jié)構(gòu)自重約為后者的51%,而前者上部結(jié)構(gòu)估算造價(jià)可節(jié)省約20%,具有較好的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。須指出,由于UHPC材料價(jià)格較高,從經(jīng)濟(jì)性來看,UHPC連續(xù)箱梁橋方案僅適用于主跨跨徑在200m以上的橋梁。4相關(guān)模型試驗(yàn)4.1uhpc抗壓強(qiáng)度本文筆者以所在實(shí)驗(yàn)室配制的UHPC為原料制作UHPC試件(圖7),并在試件成型72h后采用80℃以上的熱水養(yǎng)護(hù)48h,經(jīng)試驗(yàn)測得:UHPC的抗壓強(qiáng)度為135.9MPa;抗折強(qiáng)度為29.2MPa;抗壓彈性模量為42.6GPa。4.2uhpc薄膜彎曲模型制作了一個(gè)240cm(長)×10cm(寬)×4.5cm(高)的簡支板彎曲模型,用于檢測UHPC薄板在荷載作用下的彎拉強(qiáng)度、裂縫寬度及荷載-撓度曲線。截面配筋采用2Φ8,鋼筋下緣凈保護(hù)層厚度1cm,模型的加載過程如圖8所示,實(shí)測UHPC開裂前的抗拉強(qiáng)度為23.76MPa。4.3腹板抗剪特性腹板抗剪試驗(yàn)采用變截面的雙懸臂結(jié)構(gòu)UHPC梁,如圖9所示。試驗(yàn)時(shí),在剪跨比相同的前提下,對多隔板側(cè)和無隔板側(cè)進(jìn)行抗剪對比試驗(yàn),如圖10所示,以考察隔板對UHPC梁腹板抗剪特性的影響,圖11為其典型測點(diǎn)的主應(yīng)變-荷載曲線,試驗(yàn)結(jié)果表明:腹板開裂時(shí),UHPC梁的主應(yīng)變達(dá)到1000με,相當(dāng)于40MPa的主拉應(yīng)力,UHPC構(gòu)件的腹板抗剪承載力很高,遠(yuǎn)大于腹板主拉應(yīng)力(最大主拉應(yīng)力約5MPa左右);隔板對腹板的加勁作用,有效抑制了腹板斜裂縫的發(fā)生和發(fā)展。因此,設(shè)置多隔板可改善腹板抗剪特性。4.4uhpc梁撓曲變形分析徐變試驗(yàn)梁采用雙懸臂UHPC梁,如圖12所示,一側(cè)設(shè)置多隔板,另一側(cè)為無隔板。試驗(yàn)時(shí),將徐變梁的中間固定,然后在其兩側(cè)自由端分級(jí)對稱加載,并觀測UHPC徐變梁在長期荷載作用下的內(nèi)力和變形,如圖13所示。施加荷載后,懸臂根部上緣的拉應(yīng)力約為30MPa,圖14為徐變梁自由端撓度的前期發(fā)展情況,結(jié)果表明:UHPC徐變梁的撓曲變形增長很小:持荷135d,自由端加載點(diǎn)處的撓曲變形僅為初始值的1.20倍左右;與按φ=1.4計(jì)算值相比,UHPC梁的徐變變形僅為常規(guī)梁的20%。因此,UHPC梁的徐變變形很小,有望解決大跨度混凝土梁橋過度下?lián)蠁栴}。根據(jù)初步試驗(yàn)結(jié)果,參考《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62—2004),可以得到表4所示的UHPC材料建議指標(biāo)。對比400m級(jí)連續(xù)剛構(gòu)橋試設(shè)計(jì)的應(yīng)力與表4的材料指標(biāo),可知試設(shè)計(jì)方案是成立的。5uhpc箱梁橋結(jié)構(gòu)(1)超大跨徑UHPC連續(xù)箱梁橋采用超高性能材料和薄型結(jié)構(gòu),可減輕結(jié)構(gòu)恒載40%~60%,具有