RPC混凝土-螺栓連接分段拼裝梁構(gòu)思

項(xiàng)育德

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋隧處，西安　710043)

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RPC混凝土-螺栓連接分段拼裝梁構(gòu)思

項(xiàng)育德

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋隧處，西安710043)

摘要：活性粉末混凝土(RPC)是一種新發(fā)展起來(lái)的超高性能水泥基復(fù)合混凝土，其抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于普通混凝土或者高性能混凝土，被稱之為“類鋼”材料，而鋼結(jié)構(gòu)又具有工廠精密加工，工地現(xiàn)場(chǎng)安裝等特點(diǎn)。探討將RPC混凝土這種“類鋼”材料在工廠預(yù)制構(gòu)件，現(xiàn)場(chǎng)用鋼節(jié)點(diǎn)板和高強(qiáng)螺栓連接成形的設(shè)計(jì)構(gòu)思，介紹RPC混凝土與鋼節(jié)點(diǎn)板采用高強(qiáng)螺栓連接、分段拼裝的板式橋梁設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：鋼-RPC組合橋梁；活性粉末混凝土(RPC)；節(jié)點(diǎn)板分段拼裝、；高強(qiáng)螺栓連接；設(shè)計(jì)

1概況

項(xiàng)目背景：在2012年9月16日舉辦的“國(guó)際橋梁與隧道工程技術(shù)高峰論壇暨茅以升先生誕辰115周年紀(jì)念大會(huì)”上，茅以升科技教育基金會(huì)正式啟動(dòng)“小橋工程”公益項(xiàng)目。該項(xiàng)目旨在為我國(guó)邊遠(yuǎn)貧困地區(qū)的少年兒童架設(shè)安全求學(xué)之橋，為土木工程專業(yè)的學(xué)子搭建社會(huì)實(shí)踐的平臺(tái)。2013年10月，第十一屆鐵路橋梁設(shè)計(jì)年會(huì)組委會(huì)向全路各設(shè)計(jì)院發(fā)出倡議書(shū)——“茅以升公益橋小橋工程，給孩子一座橋，鐵道工程師倡議書(shū)”。 “RPC混凝土-鋼節(jié)點(diǎn)板分段拼裝梁”為鐵一院4種推薦橋型之一。

項(xiàng)目要求：橋梁構(gòu)造簡(jiǎn)單新穎、跨度較小、造價(jià)較低；同時(shí)山區(qū)交通不便，要求方便施工；后期維修困難，要求材料耐久性較高。

2建設(shè)條件

2.1項(xiàng)目選址位置

“小橋工程”項(xiàng)目選址以鐵一院推薦的佛坪縣下沙窩村為該公益橋的建設(shè)場(chǎng)地。項(xiàng)目建設(shè)地址距漢中市150 km。

2.2自然特征

橋址區(qū)屬亞熱帶北緣山地暖溫帶溫潤(rùn)季風(fēng)氣候，7～10月份為集中降雨期。年平均氣溫 11.6 ℃，年平均降水量913 mm。

2.3橋址地質(zhì)構(gòu)造及地層巖性

地質(zhì)資料顯示，橋址范圍內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)膨脹土、細(xì)砂、粗砂、礫砂、細(xì)圓礫土、粗圓礫土、卵石土、漂石土、太古界片麻巖夾片巖，局部夾云母片巖，基巖埋深相對(duì)較淺。

2.4地震及凍結(jié)資料

地震動(dòng)峰值加速度為0.05g(相當(dāng)于地震基本烈度6度)，反應(yīng)譜特征周期0.45 s。土壤最大凍結(jié)深度50 cm。

3設(shè)計(jì)思路、原則及標(biāo)準(zhǔn)

3.1設(shè)計(jì)思路

本次公益橋按人行橋設(shè)計(jì)，橋梁的總體設(shè)計(jì)貫徹“功能完善、實(shí)施簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)合理、體現(xiàn)水平”的設(shè)計(jì)思路。

3.2設(shè)計(jì)原則

根據(jù)當(dāng)?shù)毓δ芤蠹敖驐l件，在保證結(jié)構(gòu)安全性、可行性、耐久性及經(jīng)濟(jì)性的前提下，使施工具有可操作性及簡(jiǎn)便性，并努力做到景觀協(xié)調(diào)、保護(hù)環(huán)境。

3.3設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

橋梁設(shè)計(jì)荷載：人群荷載 5 kPa；設(shè)計(jì)洪水頻率：1/100；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)：二級(jí)。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年； 參考：城市、公路相關(guān)規(guī)范及強(qiáng)制性條文、標(biāo)準(zhǔn)[1]。

4橋式方案及結(jié)構(gòu)

4.1橋式方案

本橋?yàn)榭缭缴絽^(qū)河溝，連接兩側(cè)道路而設(shè)，考慮到最終確定的橋址處地形、地貌及地質(zhì)條件，本次設(shè)計(jì)方案統(tǒng)一按橋長(zhǎng)30 m開(kāi)展方案設(shè)計(jì)。結(jié)合兩岸地形地貌RPC混凝土-鋼節(jié)點(diǎn)板分段拼裝梁效果圖如圖1所示。

4.2全橋立面

孔跨布置為2孔15 m RPC節(jié)點(diǎn)板分段拼裝簡(jiǎn)支梁[2]，橋全長(zhǎng)31.9 m。梁寬3.44 m，全橋立面如圖2所示。

圖2　全橋立面(單位：cm)

4.3主梁橫斷面

橋面布置為：0.22 m(人行道欄桿)+3.0 m(人行道寬度)+0.22 m(人行道欄桿)。主梁采用兩片寬0.22 m×高1.1 m的RPC縱梁與3.5 m寬×0.08 m厚的RPC蓋板組合結(jié)構(gòu)。在縱梁預(yù)制時(shí)預(yù)埋連接螺栓，橋面板對(duì)應(yīng)位置預(yù)留螺栓孔，欄桿底座鋼板對(duì)應(yīng)位置預(yù)留螺栓孔?，F(xiàn)場(chǎng)拼接時(shí)先將橋面板與縱梁連接，澆入環(huán)氧樹(shù)脂砂漿密封，再將欄桿底座鋼板與螺栓連接，螺母套緊。主梁橫斷面如圖3所示。

圖3　主梁橫斷面圖(單位：cm)

4.4主梁縱向結(jié)構(gòu)

每片縱梁分為3個(gè)節(jié)段，2個(gè)節(jié)點(diǎn)板接縫，每段長(zhǎng)5 m。為節(jié)約RPC混凝土用量，減小梁部橫向風(fēng)力，并提高梁體美觀性，在縱梁上開(kāi)0.8 m×0.5 m的矩形帶倒角的孔洞。每孔梁在兩接縫和梁端處設(shè)4道橫向型鋼支撐連接，蓋板與縱梁用螺栓連接，螺栓孔澆筑環(huán)氧樹(shù)脂砂漿封死，提高橫向穩(wěn)定性。主梁縱向結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖4所示。

圖4　1/2主梁縱向結(jié)構(gòu)(單位：cm)

4.5縱梁連接方式

每片縱梁厚22 cm、高110 cm、長(zhǎng)500 cm，在縱梁端頭設(shè)置厚10 mm的預(yù)埋鋼板。接縫采用縱向60 cm、豎向110 cm的鋼節(jié)點(diǎn)板，節(jié)點(diǎn)板與預(yù)埋鋼板用66個(gè)高強(qiáng)螺栓連接[3]。其連接A大樣如圖5所示。

圖5　RPC縱梁與鋼節(jié)點(diǎn)板連接示意(單位：cm)

本構(gòu)思在2片縱梁相接處采用預(yù)埋U形鋼板的方式，為了加強(qiáng)截面的抗剪能力，也可參照國(guó)內(nèi)目前的節(jié)段拼裝梁，設(shè)置剪力鍵[4]，同時(shí)加強(qiáng)縱梁間的連接，也可采用膠接等措施[5]。

4.6兩片縱梁之間橫向連接

為提高梁體橫向剛度，加強(qiáng)2片縱梁間的橫向聯(lián)系，在支座處采用縱梁內(nèi)側(cè)預(yù)埋鋼板，橫向鋼箱連接；橋跨縱梁分節(jié)段處采用角鋼W撐聯(lián)接，以提高兩縱梁之間的聯(lián)系及整橋的橫向剛度，如圖6所示。

圖6　縱梁橫向連接示意(單位：cm)

5主要計(jì)算

5.1荷載

自重： 1孔15 m RPC混凝土-鋼節(jié)點(diǎn)板分段拼裝梁共用11.6 m3RPC混凝土，耐候鋼3 t。換算每延米自重22 kN/m。

人群荷載：按5 kN/m2計(jì)，換算縱向每延米15 kN/m。

5.2截面計(jì)算

按簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)計(jì)算，每片縱梁：

均勻線荷載q=(22+15)/2=18.5 kN/m

跨中最大彎矩M=q×L2/8=520.3 kN·m

縱梁抵抗矩W=b×H2/6=0.044 4 m3

計(jì)算最大拉應(yīng)力=M/W/1 000=11.72 MPa。

根據(jù)RPC200混凝土的材料力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度可取30 MPa，其容許拉應(yīng)力可按0.55×30=16.5 MPa計(jì)[6]，受力滿足要求。

5.3混凝土剪應(yīng)力及疲勞應(yīng)力

由MIDAS建模計(jì)算，得出最大混凝土剪應(yīng)力為3 MPa，而一般RPC混凝土抗剪強(qiáng)度為18 MPa[7]。人群荷載對(duì)應(yīng)混凝土疲勞應(yīng)力為2.75 MPa，類比普通鋼筋混凝土的疲勞應(yīng)力，基本可以滿足要求[8]。

5.4高強(qiáng)螺栓計(jì)算

按高強(qiáng)螺栓摩擦型等強(qiáng)連接計(jì)算，縱梁截面容許拉力：0.2 m×1.1 m×16.5 MPa×1 000=3 630 kN。

高強(qiáng)螺栓容許抗滑承載力[9]

式中m——連接處抗滑面數(shù)，取66×2=132；

μ——連接鋼材表面抗滑移系數(shù)，取0.35；

N——螺栓設(shè)計(jì)預(yù)拉力，取150 kN；

K——安全系數(shù)，取1.7。

計(jì)算得，P=4 076.5 kN>3 630 kN，滿足要求。

為保證節(jié)點(diǎn)板高強(qiáng)螺栓連接安全，在梁體縱向跨中范圍內(nèi)為5 m一節(jié)的預(yù)制縱梁，最大正彎矩處不設(shè)節(jié)點(diǎn)板連接。

由上述計(jì)算可見(jiàn)，RPC混凝土縱梁用高強(qiáng)螺栓連接時(shí)，高強(qiáng)螺栓的個(gè)數(shù)已經(jīng)相對(duì)較多，因此，本構(gòu)思的適用范圍僅為人行天橋等荷載較小的橋梁。

6施工組織方案

(1)RPC混凝土采用鍍銅鋼纖維作為混凝土的骨架結(jié)構(gòu)，細(xì)骨料選用多粒徑的石英砂[10]，應(yīng)選擇合理的水膠比和砂膠比，制造滿足性能要求的RPC混凝土。

(2)縱梁分節(jié)(5 m一節(jié))在工廠預(yù)制，注意預(yù)埋節(jié)點(diǎn)板鋼板、高強(qiáng)螺栓孔、連接螺栓等預(yù)埋件，縱梁應(yīng)在工廠試拼合格后運(yùn)往現(xiàn)場(chǎng)。

(3)橋面板分節(jié)(3 m一節(jié))在工廠預(yù)制，注意預(yù)留螺栓孔。

(4)現(xiàn)場(chǎng)在縱梁分節(jié)處搭設(shè)支架，支架應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)定。在支架上拼接縱梁，安裝節(jié)點(diǎn)板及高強(qiáng)螺栓。

(5)安裝支點(diǎn)及分節(jié)出橫向連接鋼箱及W撐。

(6)安裝橋面板、欄桿。

7該構(gòu)思的特點(diǎn)

活性粉末混凝土是20世紀(jì)90年代中期研發(fā)出的超高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性、體積穩(wěn)定性良好的復(fù)合材料?？箟簭?qiáng)度可以達(dá)到200 MPa，抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到20～30 MPa。目前在國(guó)外，如日本的GSE橋、韓國(guó)的首爾和平橋、美國(guó)的Mars Hill Bridge等，均是采用預(yù)應(yīng)力與RPC混凝土梁體進(jìn)行組合[11]。我國(guó)也將該材料運(yùn)用于無(wú)筋RPC空心蓋板、鐵路人行道板[12]、20 m跨鐵路低高度簡(jiǎn)支T形梁中[13]，20 m以上的梁，如32 m簡(jiǎn)支T梁，國(guó)內(nèi)也只是做了一些相關(guān)的工藝探討[14]。但是國(guó)內(nèi)外尚未有將RPC混凝土梁用高強(qiáng)螺栓連接的構(gòu)思或?qū)嵗?/p>

首次將RPC橋梁節(jié)段主梁以高強(qiáng)螺栓方式進(jìn)行連接；其縱梁及橋面板采用活性粉末混凝土(RPC)，不必配置鋼筋或預(yù)應(yīng)力鋼絞線，充分利用RPC混凝土的抗拉、抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度，將結(jié)構(gòu)輕型化、標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化；考慮山區(qū)或偏遠(yuǎn)地區(qū)運(yùn)輸及架設(shè)條件較差，整孔梁運(yùn)輸困難，將主梁縱梁分節(jié)段(縱向5 m一節(jié))在工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)用節(jié)點(diǎn)板高強(qiáng)螺栓連接，每節(jié)重僅為3 t，完全可用小型運(yùn)輸車輛運(yùn)送。

所采用的RPC混凝土沒(méi)有相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，RPC混凝土縱梁用高強(qiáng)螺栓節(jié)點(diǎn)板連接也沒(méi)有相關(guān)規(guī)范及實(shí)例。因此，在后續(xù)的工作中，應(yīng)進(jìn)行相關(guān)的縮尺模型試驗(yàn)，研究混凝土局部壓應(yīng)力、裂縫開(kāi)展情況及高強(qiáng)螺栓連接的節(jié)點(diǎn)性能等，為該“RPC混凝土-鋼節(jié)點(diǎn)板分段拼裝梁”的構(gòu)思提供試驗(yàn)支撐和科研結(jié)論。

8結(jié)語(yǔ)

RPC混凝土-鋼節(jié)點(diǎn)板分段拼裝采用的主梁材料新穎、連接方式新型，首次采用RPC作為主梁材料，并首次將RPC橋梁節(jié)段主梁以高強(qiáng)螺栓的方式連接。目前，橋梁節(jié)段拼裝結(jié)構(gòu)中大多采用鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋連接，此種連接方式中結(jié)構(gòu)受拉主要靠鋼筋或預(yù)應(yīng)力鋼筋承受[15]。在RPC橋梁節(jié)段拼裝結(jié)構(gòu)中，為了充分利用RPC的抗拉性能，采用高強(qiáng)螺栓節(jié)點(diǎn)板連接，不僅形式新穎而且結(jié)構(gòu)合理。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.CJJ69—95城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1995.

[2]項(xiàng)育德，高明昌，等.一種鋼-RPC組合橋梁：中國(guó)，ZL2013207 04411.x[P].2014-04-23.

[3]陳侃，項(xiàng)育德，等.一種橋梁節(jié)段連接結(jié)構(gòu)：中國(guó)，ZL2013207 05150.3[P].2014-04-23.

[4]申兆繁.廣州地鐵4號(hào)線節(jié)段拼裝梁設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008(8)：46-49.

[5]張立青.鐵路節(jié)段預(yù)制膠接拼裝法建造橋梁技術(shù)與應(yīng)用[J].鐵道建筑技術(shù)，2015(1)：8-11.

[6]周煥廷，等.高強(qiáng)螺栓連接的極限承載能力研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(9)：49-51.

[7]鐵道部科學(xué)技術(shù)司.科技基[2006]129號(hào)客運(yùn)專線活性粉末混凝土(RPC)材料人行道擋板、蓋板暫行技術(shù)條件[S].北京：鐵道部科學(xué)技術(shù)司，2006.

[8]于秀梅.高強(qiáng)鋼筋混凝土梁疲勞變形的理論與試驗(yàn)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008(9)：12-14.

[9]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10002.2—2005鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

[10]王克文.大西客運(yùn)專線活性粉末混凝土(RPC130) 配制試驗(yàn)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(S)：117-118.

[11]陳超，等.預(yù)應(yīng)力RPC簡(jiǎn)支梁受彎性能淺析[C]∥第十一屆后張預(yù)應(yīng)力學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，2011:79-84.

[12]閆志剛，等.鐵路活性粉末混凝土橋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)工程科學(xué)，2009(2)：38-42.

[13]趙晶石.活性粉末混凝土(RPC)人行天橋槽形梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2006.

[14]張劭明，等.鐵路32 m跨度RPC簡(jiǎn)支T梁預(yù)制工藝探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(11)：71-74.

[15]梁小燕，等.RPC混凝土T梁極限承載力研究[J].工業(yè)建筑，2005，35(S)：244-246.

收稿日期：2015-11-15； 修回日期：2015-11-25

作者簡(jiǎn)介：項(xiàng)育德(1982—)，男，工程師，2006年畢業(yè)于西南交通大學(xué) 土木工程系，工學(xué)學(xué)士，E-mail：252655766@qq.com。

文章編號(hào)：1004-2954(2016)07-0090-04

中圖分類號(hào)：U448.21+8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.021

An Approach to RPC Concrete-bolted Segmental Beams

XIANG Yu-de

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：Reactive Powder Concrete (RPC) is a newly developed ultra-high performance cement-based composite concrete. Its compressive strength and tensile strength are much higher than that of the ordinary concrete and high performance concrete. It is also called “l(fā)ike steel” material. The steels structure is featured by shop precision machining and construction site installation. This paper presents the idea to have such “l(fā)ike steel” material prefabricated in the factory and connected into form on-site with high-strength bolts. This paper also introduces the design concept to connect RPC concrete with steel gusset plate by high strength bolts to form segmental plate bridge．

Key words：Steel-RPC combination bridge; Reactive powder concrete (RPC); Gusset plate segmental assembly; High strength bolt connection; Design