UHPC150大懸臂蓋梁設(shè)計(jì)和受力特性分析

吳　薇

(廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州　510080)

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，簡稱為UHPC)是一種力學(xué)性能超高、耐久性能優(yōu)異、體積穩(wěn)定性優(yōu)良的新型水泥基復(fù)合材料，在橋梁工程和建筑工程中得到廣泛應(yīng)用。在現(xiàn)場施工中，自然養(yǎng)護(hù)能完全滿足具體工程的要求，降低成本，并且操作簡便，有利于環(huán)境保護(hù)。為了探求UHPC的更為廣泛的應(yīng)用途徑，在本研究中，以試驗(yàn)的形式將UHPC推廣到橋梁蓋梁結(jié)構(gòu)中。

蓋梁是橋梁結(jié)構(gòu)中的受力部件，起著連接上、下部結(jié)構(gòu)的重要作用，它承受著上部構(gòu)造的恒載及主梁傳遞給它的活載效應(yīng)，并將這些荷載傳遞給橋墩和基礎(chǔ)[1]。為了兼顧橋梁的周邊環(huán)境和施工速度，設(shè)計(jì)大懸臂內(nèi)部挖空率大的蓋梁，它是一種很好的施工方案：①大懸臂蓋梁能減少橋墩的數(shù)量，保證了下部空間有足夠的行車寬度和視野；②大挖空率蓋梁減輕了蓋梁的自重，順利實(shí)現(xiàn)蓋梁一次吊裝，加快了施工速度。然而，大懸臂和大挖空率的蓋梁設(shè)計(jì)利用普通混凝土是難以實(shí)現(xiàn)的[2-5]。因此，將UHPC高性能混凝土推廣到大懸臂和大挖空率蓋梁當(dāng)中，就能更為突顯其工程價值。

本試驗(yàn)以農(nóng)新路高架橋UHPC蓋梁工程為依托，擬分析新型UHPC150混凝土的材料特性；利用Midas軟件，建立UHPC蓋梁橋墩模型；計(jì)算分析蓋梁的內(nèi)力和應(yīng)力特性，并且對其進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)的抗彎計(jì)算、正常使用極限狀態(tài)的應(yīng)力和變形計(jì)算；參考法國規(guī)范《AFGC(UHPFRC)》，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗剪計(jì)算；并將其與傳統(tǒng)混凝土蓋梁進(jìn)行比較，討論混凝土抗拉強(qiáng)度與蓋梁挖空率之間的關(guān)系。

1　工程概況

1.1　UHPC蓋梁概況

農(nóng)新路高架橋工程(云山橋～廣清高速新華站立交)是云山大道的西段，路線呈東西走向，西接廣清高速新華站立交，與新街大道，規(guī)劃廣河、廣湛客運(yùn)專線，在建廣清、廣佛城際輕軌呈十字型交叉，東止于武廣高鐵西側(cè)既有云山橋16#墩，路線全長約1.01 km。道路等級為城市主干道，設(shè)計(jì)行車速度60 km/h；橋梁荷載為城-A級；跨相交道路的橋下凈空不小于5 m(掉頭車道不小于 3.5 m), 跨鐵路的橋下凈空不小于6.6 m。

農(nóng)新路高架主線橋第五聯(lián)蓋梁(13#～16#)為空心箱型結(jié)構(gòu)(如圖1，2所示)，采用UHPC150超高性能混凝土材料整體預(yù)制而成，單片蓋梁總重150 t，達(dá)到了50%的挖空率，可實(shí)現(xiàn)蓋梁的一次吊裝。蓋梁高1.20～2.73 m，寬2.0 m，腹板厚度均為30 cm，頂板厚為25 cm，底板在等厚處為30 cm，懸臂端為20 cm；在支座位置處設(shè)置了 15 cm 厚的橫隔板，與墩身相接處則各設(shè)置兩道30 cm厚橫隔板。為方便壓漿套筒(型號：GT40)的設(shè)置，橋墩部分有60 cm高墩身與蓋梁一起預(yù)制。此外，UHPC大懸臂蓋梁采用在工廠預(yù)制的施工工藝。

通過農(nóng)新路的試驗(yàn)蓋梁設(shè)計(jì)可知，其挖空率達(dá)到50%以上，這會使蓋梁的自重減輕，可實(shí)現(xiàn)一次吊裝，且加快了橋梁施工速度。然而，這樣的設(shè)計(jì)使用普通的混凝土是不安全的，其原因?yàn)椋孩倨胀ɑ炷脸^50%挖空率蓋梁很難有足夠的承載力抵御上部結(jié)構(gòu)的荷載；②大挖空率蓋梁容易導(dǎo)致混凝土開裂，使得抗裂驗(yàn)算不能通過。因此，要達(dá)到施工和設(shè)計(jì)要求，必需選用抗拉和抗壓強(qiáng)度大的混凝土。

1.2　UHPC150材料特性

農(nóng)新路高架主線橋第五聯(lián)的下部結(jié)構(gòu)采用正常非隱式蓋梁，并采用超高性能混凝土UHPC150材料。該材料也稱活性粉末砼(Reactive Powder Concrete，簡稱為RPC)或適用于正交異性橋面板的超高韌性混凝土(Super Toughness Concrete，簡稱為STC)材料。它是一種由水泥、礦物摻合料、細(xì)集料、鋼纖維及外加劑等材料或由UHPC150材料制成的干混料。該干混料加水拌合并經(jīng)凝結(jié)硬化后，形成一種具有高抗彎強(qiáng)度、高韌性及高耐久性的水泥基復(fù)合材料。UHPC的鋼纖維體積含量為2.5%，水膠比宜為0.16～0.22。

圖1　UHPC蓋梁立面圖(單位：cm)Fig. 1　Elevation-view of UHPC beam(unit:cm)

圖2　UHPC蓋梁的俯視圖和剖面圖(單位：cm)Fig. 2　Plan-view and section-view of UHPC bent cap(unit:cm)

UHPC150材料棱柱體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取為立方體抗壓強(qiáng)度的0.6倍，材料分項(xiàng)系數(shù)按1.5考慮，抗拉強(qiáng)度按抗壓強(qiáng)度的10%考慮，UHPC150具有軸拉應(yīng)變硬化特性，UHPC150力學(xué)性能試驗(yàn)應(yīng)參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50081-2016)》規(guī)定的方法進(jìn)行，立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)采用100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，加載速率為1.2 MPa/s。混凝土試件強(qiáng)度代表值的確定應(yīng)符合《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50107-2010)》中的規(guī)定。UHPC150抗凍等級均設(shè)計(jì)為F500，抗?jié)B等級均為P40。UHPC150材料的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：立方體抗壓強(qiáng)度150 MPa，軸心抗壓強(qiáng)度60 MPa(標(biāo)準(zhǔn)值90 MPa)，軸心抗拉強(qiáng)度6 MPa(標(biāo)準(zhǔn)值9 MPa)，彈性模量45 GPa[6]。

2　UHPC大懸臂蓋梁有限元模型

為了驗(yàn)證UHPC大懸臂蓋梁是否能通過承載能力極限狀態(tài)的抗彎強(qiáng)度的驗(yàn)算、正常使用極限狀態(tài)的應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度的驗(yàn)算，本研究建立了模擬農(nóng)新路高架橋的UHPC蓋梁Midas有限元模型，如圖3所示。

圖3　蓋梁有限元模型Fig. 3　Finite element model of bent cap

UHPC蓋梁有限元模型共有95個節(jié)點(diǎn)，92個單元和3條預(yù)應(yīng)力鋼束。蓋梁與橋墩采用剛性連接，蓋梁上分布8個支座，上部結(jié)構(gòu)傳遞的力模擬成作用在支座點(diǎn)上的集中力，每個支座受力為162.5 kN，因而，支座上傳遞力和本身蓋梁自重可作為模型恒載?；钶d采用城-A級移動車輛荷載，3條預(yù)應(yīng)力鋼束的分布如圖4所示。

圖4　預(yù)應(yīng)力鋼束形狀和分布(單位：cm)Fig. 4　The shape and distribution of the prestressed steel(unit:cm)

3　計(jì)算結(jié)果分析

3.1　UHPC蓋梁內(nèi)力應(yīng)力結(jié)果

UHPC蓋梁的計(jì)算結(jié)果包括：位移、內(nèi)力及應(yīng)力分析3部分，其短期效應(yīng)分析分別如圖5～7所示。從圖5中可以看出，其最大位移出現(xiàn)在大懸臂端部，最大位移為3.69 mm，由于UHPC混凝土的彈性模量比普通混凝土的大，而混凝土的彈性模量與蓋梁結(jié)構(gòu)的位移成反比，因此，利用UHPC制成蓋梁的位移較小。大懸臂蓋梁與普通形式蓋梁的位移形式也不相同，因?yàn)槠胀ㄐ问缴w梁的最大位移點(diǎn)出現(xiàn)在蓋梁跨中。從圖6中可以看出，彎矩的最大值出現(xiàn)在橋墩與蓋梁連接處外部，為-411 kNm，而且這樣的大懸臂蓋梁都是反彎矩。從圖7中可以看出，最大壓應(yīng)力(5.7 MPa)位置出現(xiàn)在橋墩和蓋梁連接處的墩頂上，而最大拉應(yīng)力(2.7 MPa)的位置出現(xiàn)在橋墩與蓋梁連接處上。

圖5　荷載短期效應(yīng)位移變形Fig. 5　Deflection diagram of short-term effect.

結(jié)合Midas數(shù)值分析的位移、彎矩及應(yīng)力結(jié)果，由《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(JTG D62-2012)》要求和UHPC特殊的材料性質(zhì)可知，UHPC大懸臂承載能力極限狀態(tài)的最大彎矩526 kN·m在支點(diǎn)上，且小于規(guī)范限值；另外，蓋梁正常使用極限狀態(tài)短期效應(yīng)的拉應(yīng)力2.7 MPa小于規(guī)范值0.7ftk，因而蓋梁滿足正常使用極限狀態(tài)抗剪強(qiáng)度的驗(yàn)算。

圖6　荷載短期效應(yīng)組合彎矩Fig. 6　Bending moment diagram of short term effect.

圖7　荷載短期效應(yīng)應(yīng)力Fig. 7　Stress diagram of short term effect.

大懸臂大挖空蓋梁是彎剪受力為主的構(gòu)件，在彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力的共同作用下，將產(chǎn)生與梁軸線斜交的主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力。因混凝土的抗壓強(qiáng)度較高，不會被破壞；而蓋梁的最大拉應(yīng)力為2.7 MPa，超過了普通混凝土的。例如：C50混凝土的抗拉強(qiáng)度為2.65 MPa。當(dāng)主拉應(yīng)力較大時，則可能使構(gòu)件沿著垂直于主拉應(yīng)力的方向產(chǎn)生裂縫，并導(dǎo)致蓋梁發(fā)生破壞。因此，鋼筋混凝土蓋梁除應(yīng)進(jìn)行正截面強(qiáng)度計(jì)算外，還需對其抗剪強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算?？辜魪?qiáng)度的計(jì)算是大懸臂蓋梁驗(yàn)算的關(guān)鍵。

3.2　UHPC蓋梁挖空率分析

蓋梁截面很少采用大挖空率形式，而這樣的大挖空率形式需要性質(zhì)很好的混凝土，且大懸臂蓋梁的抗剪驗(yàn)算是關(guān)鍵，通常的大懸臂蓋梁都是因橋墩和蓋梁連接處拉應(yīng)力較大、出現(xiàn)了裂縫而導(dǎo)致破壞的。通過分析5種挖空形式相近而又有不同的挖空率Midas模型，并計(jì)算其在正常使用狀態(tài)的最大拉應(yīng)力，得到挖空率與最大拉應(yīng)力成正比關(guān)系，如圖8所示。

圖8　挖空率與最大拉應(yīng)力的關(guān)系Fig. 8　Maximum tensile stress and hollowed rate

從圖8中可以看出，正常使用狀態(tài)的最大拉應(yīng)力越大，結(jié)構(gòu)在正常使用過程中越容易發(fā)生裂縫。且挖空率越大，蓋梁的最大拉應(yīng)力越大。根據(jù)不同的挖空率，選用不同的混凝土，可驗(yàn)算抗剪強(qiáng)度。本試驗(yàn)工程中的試驗(yàn)型超過50%的蓋梁，無疑是選用UHPC150混凝土最為合適。

4　結(jié)論

通過采用Midas軟件進(jìn)行分析和對UHPC大懸臂蓋梁進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)論為：

1) 本蓋梁設(shè)計(jì)由于懸臂過大，其彎矩圖不顯示正彎矩，最大彎矩點(diǎn)出現(xiàn)在橋墩與蓋梁連接處。

2) 對蓋梁抗剪能力來說，不同挖空率對應(yīng)不同的抗剪能力。挖空率越大，抗剪能力越差。因而，對于挖空率大的蓋梁，應(yīng)選用高性能混凝土。

3) 選用UHPC混凝土設(shè)計(jì)蓋梁能夠有效降低蓋梁的自重(即截面挖空加大)，順利實(shí)現(xiàn)蓋梁一次吊裝，且方便施工。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1]范立礎(chǔ).橋梁工程安全性與耐久性——展望設(shè)計(jì)理念進(jìn)展[J].上海公路,2004(1):1-7.(FAN Li-chu.Safety and durability of bridge engineering-progress in the concept of prospect design[J].Shanghai highway,2004(1):1-7.(in Chinese))

[2]張煥濤.大懸臂蓋梁橋梁成橋適用性研究[D].西安：長安大學(xué),2014.(ZHANG Huan-Tao.Study on the applicability of the bridge into large cantilever beam bridge[D].Xi’an:Chang’an University,2014.(in Chinese))

[3]劉昌義.獨(dú)柱式大懸臂橋墩在城市橋梁中的應(yīng)用[J].公路交通科技:應(yīng)用技術(shù)版,2006(5):129-130.(LIU Chang-yi.The application of the single column type large cantilever bridge pier in the city bridge[J].Highway Traffic Science and Technology:Application Technology Edition,2006(5):129-130.(in Chinese))

[4]趙永軍.蘇州高架橋大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁施工技術(shù)[J]. 鐵道勘察,2007,33(2):92-93.(ZHAO Yong-jun.The construction technology for Suzhou viaduct large cantilever prestressed pier-beam[J].Railway Investigation and Surveying,2007,33(2):92-93.(in Chinese))

[5]楊開屏.高架車站大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁設(shè)計(jì)探討[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2010(12):103-105.(YANG Kai-ping.The investigation for the large cantilever prestressed pier beam design of elevated station[J].Railway Standard Design,2010(12):103-105.(in Chinese))

[6]夏正兵.UHPC混凝土摻入納米材料后性能改善研究[J].江蘇建材,2016,23(5):18-21.(XIA Zheng-bing.Study on the performance improvement of UHPC concrete mixed with nanomaterials[J].Jiangsu Building Materials,2016,23(5):18-21.(in Chinese))