活性粉末混凝土簡(jiǎn)支箱梁模型試驗(yàn)研究

王 葦，蘇永華，班新林

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，RPC)作為超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，UHPC)的一種，是20世紀(jì)90年代中期法國(guó)Bouygues公司的Richard等人研制出的具有超高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性、且體積穩(wěn)定性良好的水泥基復(fù)合材料。根據(jù)其組成和熱處理方法，該混凝土的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到200～800MPa，彈性模量可達(dá)到40～60GPa，斷裂韌性高達(dá)40000J/m2，氯離子滲透性是普通混凝土的1/25，抗?jié)B透能力強(qiáng)[1]。相同抗彎剛度的預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土梁自重接近于鋼梁[2]。目前，RPC混凝土在國(guó)內(nèi)已經(jīng)在遷曹鐵路、薊港鐵路等工程取得應(yīng)用，但在鐵路箱梁結(jié)構(gòu)中很少使用[3]。本文在48m跨度RPC鐵路簡(jiǎn)支箱梁設(shè)計(jì)與研究的基礎(chǔ)上，對(duì)跨度24m模型試驗(yàn)梁進(jìn)行研究，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)和性能，并檢測(cè)施工工藝。

1 模型梁設(shè)計(jì)

RPC混凝土24 m模型梁設(shè)計(jì)為1孔斜腹板薄壁簡(jiǎn)支箱梁，采用節(jié)段拼裝制梁成孔。為滿足底板、腹板鋼束的布置，板厚度未按1∶2縮尺。梁長(zhǎng)度為25.1 m，計(jì)算跨徑為24 m，共9個(gè)梁段，8個(gè)接縫面。梁高度為2.0 m，頂部寬度為3.8 m，底部寬度為2.6 m，跨中腹板、底板和頂板厚度為18 cm，支點(diǎn)附近加厚。梁端設(shè)1.1 m厚度橫隔板。箱梁設(shè)置9個(gè)節(jié)段，7個(gè)一般節(jié)段長(zhǎng)2.80 m，2個(gè)端節(jié)段長(zhǎng)2.75 m，一般節(jié)段吊裝重量為135 kN，端節(jié)段吊裝重量224 kN。每個(gè)節(jié)段在箱內(nèi)頂板梗肋處對(duì)稱設(shè)置4個(gè)直徑30 mm吊裝孔[4]。模型梁跨中斷面見(jiàn)圖1。

圖1 模型梁跨中斷面(單位：cm)

預(yù)應(yīng)力采用體內(nèi)束鋼絞線，腹板預(yù)應(yīng)力采用雙排6根7-7φ5鋼絞線，底板采用單排8根7-7φ5鋼絞線，采用內(nèi)徑φ60金屬波紋管成孔，腹板鋼束錨下張拉控制應(yīng)力為 1 294 MPa，底板鋼束錨下張拉控制應(yīng)力為 1 259 MPa。張拉完成后及時(shí)進(jìn)行孔道壓漿，孔道壓漿水泥漿強(qiáng)度為M50，并摻入阻銹劑，采用真空壓漿工藝[5]。

箱梁腹板和頂?shù)装寰O(shè)活性粉末混凝土剪力鍵，鍵高度為4 cm，鍵頂部寬度為16 cm，鍵底部寬度為22 cm。

2 RPC材料

RPC材料由水、水泥、摻和料、骨料、鋼纖維、外加劑等組成。水泥采用強(qiáng)度等級(jí)不低于42.5的低堿硅酸鹽水泥，水泥熟料中C3A含量不大于8%。礦物摻和料宜采用I級(jí)粉煤灰、S95以上等級(jí)的粒化高爐礦渣粉和G85以上等級(jí)的鋼鐵渣粉。骨料可選用級(jí)配Ⅱ區(qū)的中砂，公稱粒徑大于5 mm的顆粒含量應(yīng)小于1%。天然砂的含泥量、泥塊含量應(yīng)符合要求；鋼纖維采用高強(qiáng)度圓截面纖維?；旌纤途S護(hù)用水均采用符合飲用標(biāo)準(zhǔn)的水。外加劑宜選用高性能減水劑，減水劑的減水率宜大于30%[6]。

3 預(yù)制模板

3.1 預(yù)制

試驗(yàn)梁預(yù)制模板配置2套，其中制梁平臺(tái)、中間節(jié)段的固定端模、側(cè)模、底模、內(nèi)模、行走軌道、移梁車架、匹配梁平臺(tái)8個(gè)部分為1套，另1套為梁端節(jié)段的固定端模、內(nèi)模系統(tǒng)及匹配段連結(jié)模板。采用端模包底模、側(cè)模包端模的方式，模板與模板用螺栓連接固定，保證強(qiáng)度與剛度。

端模采用整體式大塊鋼模板(布置局部縱、橫加勁肋與型鋼桁架焊接成整體)，面板厚度為20 mm，橫豎肋采用扁鐵，厚度為10 mm，間距400 mm。為保證端模安裝時(shí)的精度，端面與制梁臺(tái)用4個(gè)定位銷軸連接固定。

側(cè)模采用整體式大塊鋼模板(布置局部縱、橫加勁肋與型鋼桁架焊接成整體)，面板厚度為5 mm，橫肋采用槽鋼，間距為250 mm，豎肋采用12#槽鋼，頂部采用φ30 mm的圓鋼對(duì)拉固定，側(cè)模板支架豎向支腿下設(shè)4個(gè)千斤頂用于加固模板。

底模采用2張200 cm×140 cm×1 cm的鋼板鋪裝在制梁臺(tái)上，底模四周需在機(jī)床刨光以保證底模的水平及模板連接后的垂直度。

內(nèi)模由頂模、兩側(cè)模和內(nèi)角模、下平模組成。頂模支撐在下平模，通過(guò)絲桿調(diào)整；內(nèi)側(cè)模由橫向絲杠支撐。側(cè)模和頂模間通過(guò)鉸軸連接，內(nèi)角模通過(guò)斜向?qū)菟ü潭ㄔ趦?nèi)側(cè)模上。面板采用厚度為5 mm的鋼板，橫豎肋采用扁鐵，厚度為10 mm，間距為400 mm。

為了適應(yīng)RPC材料的收縮特性，應(yīng)適時(shí)松開(kāi)模板連接釋放應(yīng)力。初期養(yǎng)護(hù)結(jié)束后進(jìn)行脫模。先松動(dòng)錨具、預(yù)埋件螺栓，確保錨具、預(yù)埋件不受模板拆除的影響。拆模嚴(yán)格按照先內(nèi)模、后外模，不引起混凝土應(yīng)力的順序拆。先移除內(nèi)模，松開(kāi)內(nèi)模之間鉸接桿件，從上往下移出模板。側(cè)模移出，用吊車吊住側(cè)模，拆除側(cè)模與端模、制梁臺(tái)的連接螺栓，慢慢放松側(cè)模四周的千斤頂，吊車吊住側(cè)模緩慢離開(kāi)梁體。再拆除另一側(cè)側(cè)模[7]。

3.2 澆筑

1)混凝土攪拌

RPC黏度大、流動(dòng)性差，應(yīng)采用RPC專用攪拌機(jī)或變頻高速攪拌機(jī)。采用工廠內(nèi)的HZS750型拌和站拌和混凝土。攪拌設(shè)備為強(qiáng)制式攪拌機(jī)，攪拌速度不低于45 r/min。攪拌時(shí)的投料順序?yàn)楣橇?、鋼纖維、水泥、礦物摻和料，干料先預(yù)攪拌4 min，加水和外加劑后再攪拌4 min以上。混凝土攪拌機(jī)的下料裝置上應(yīng)有防止鋼纖維結(jié)團(tuán)的裝置。RPC材料的水膠比不應(yīng)大于0.2。拌和物坍落度控制在180～220 mm。攪拌完畢的RPC材料拌和物應(yīng)在20 min內(nèi)灌注完畢。構(gòu)件宜連續(xù)灌注，最大間隔時(shí)間不應(yīng)超過(guò)30 min[8]。

2)分料器設(shè)計(jì)

頂板分料器設(shè)計(jì)為四棱錐型，使混凝土從1處分成4處流入模板腔，以便于控制腹板混凝土澆筑高度對(duì)稱，避免混凝土成堆，使波紋管擠壓變形或澆筑厚度過(guò)厚氣泡排不出等情況。RPC混凝土分料器布料見(jiàn)圖2。

圖2 RPC分料器布料

3)混凝土澆筑

在溫度20 ℃、濕度60%的澆筑環(huán)境下，采用從頂板灌注混凝土的方式澆筑底模和側(cè)模。底板上部設(shè)有50 mm×50 mm的觀察孔，整體振動(dòng)3 min，混凝土配合比滿足施工要求，振搗器間距為400～500 mm。

頂板澆筑時(shí)將分料器移除，采用裝載機(jī)直接布料，人工將混凝土全部攤平后，用內(nèi)模振動(dòng)器、腹板上部振動(dòng)器、端模上部振動(dòng)器、內(nèi)模角部振動(dòng)器四者同時(shí)開(kāi)動(dòng)，振動(dòng)頂部混凝土，人工開(kāi)始收面，清理多余混凝土，再用薄膜覆蓋。

3.3 養(yǎng)護(hù)

成型完畢的梁體采用蒸汽養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)分為靜停、初蒸養(yǎng)、高溫恒溫養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)4個(gè)階段。環(huán)境溫度在10 ℃以上、相對(duì)濕度在60%以上，靜停6 h。

節(jié)段梁采用電鍋爐蒸汽養(yǎng)護(hù)。蒸汽加熱升溫速度不應(yīng)大于10 ℃/h，升溫至(40±5)℃保持恒溫24 h(還應(yīng)同條件養(yǎng)護(hù)試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到40 MPa)。再以不得大于10 ℃/h的降溫速度降溫至構(gòu)件表面溫度與環(huán)境溫度相差不超過(guò)20 ℃。整個(gè)過(guò)程環(huán)境相對(duì)濕度應(yīng)保持在70%以上。

2)高溫恒溫養(yǎng)護(hù)

脫模后的梁體高溫恒溫養(yǎng)護(hù)過(guò)程分為升溫、恒溫和降溫3個(gè)階段，升溫速度不應(yīng)大于10 ℃/h，降溫速度不應(yīng)大于10 ℃/h。恒溫溫度應(yīng)控制在(70±5)℃，整個(gè)過(guò)程環(huán)境相對(duì)濕度應(yīng)保持在95%以上。恒溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間不應(yīng)少于48 h。降溫完畢后撤除保溫設(shè)施時(shí)構(gòu)件表面溫度與環(huán)境溫度之差不應(yīng)超過(guò)15 ℃。

3)自然養(yǎng)護(hù)

梁體終養(yǎng)結(jié)束后，通過(guò)移梁車移到存梁區(qū)自然養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不應(yīng)少于14 d。

3.4 拼裝與張拉應(yīng)力

模型梁采用短線法預(yù)制，節(jié)段膠拼施工。臨時(shí)預(yù)應(yīng)力采用直徑25 mm的PSB830預(yù)應(yīng)力粗鋼筋，每根粗鋼筋張拉力設(shè)計(jì)值為180 kN，接縫面預(yù)壓應(yīng)力要求不小于0.4 MPa，全截面應(yīng)力均衡。節(jié)段間采用環(huán)氧密封樹(shù)脂膠，單面涂膠，厚度小于3 mm?？椎篱g采用聚乙烯發(fā)泡墊圈保證孔道密封性。拼裝過(guò)程包括拼裝準(zhǔn)備、預(yù)拼裝、拼裝、預(yù)應(yīng)力張拉、預(yù)應(yīng)力孔道封端壓漿。

預(yù)應(yīng)力張拉采用兩端張拉，并左右對(duì)稱進(jìn)行。張拉分為2個(gè)批次。一期張拉順序：2N3→2N1→2N4→2N2。二期按照從中間向兩側(cè)的順序張拉，剩余6N1。張拉過(guò)程中實(shí)施張拉應(yīng)力、應(yīng)變、時(shí)間的“三控”。張拉時(shí)以油壓表讀數(shù)為主、以鋼絞線的伸長(zhǎng)值作為校核，在張拉力作用下持荷5 min。張拉過(guò)程中保持兩端的伸長(zhǎng)量基本一致[9]。

4 模型梁試驗(yàn)

制梁拼裝完畢后，參照TB/T 2092—2003《預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋簡(jiǎn)支梁靜載彎曲試驗(yàn)方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[10]，對(duì)簡(jiǎn)支梁進(jìn)行了靜載彎曲試驗(yàn)和靜荷載試驗(yàn)。

如今的《CH/T 3006-2011數(shù)字航空攝影測(cè)量控制測(cè)量規(guī)范》中只對(duì)傳統(tǒng)的航空攝影像控點(diǎn)布設(shè)有明確的規(guī)范，而對(duì)現(xiàn)如今的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量像控點(diǎn)布設(shè)還沒(méi)有明確的要求，所以在布設(shè)像控點(diǎn)的過(guò)程中不能完全依照傳統(tǒng)的布設(shè)方法，需要對(duì)以往的布設(shè)方法進(jìn)行調(diào)整，在能保證空三精度的情況下，探索出最合理最高效的布點(diǎn)方案。本文將通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別對(duì)目前最常用的四種不同的方案進(jìn)行空三加密并進(jìn)行相應(yīng)的精度分析[1-2]。

4.1 加載方式

利用反力架，采用縱向5排加載方式加載，每排間距4 m，每排橫向采用2點(diǎn)加載，加載點(diǎn)作用于箱梁腹板中心處頂板。

4.2 加載值

試驗(yàn)過(guò)程中，考慮最大活載彎矩(含沖擊彎矩)以及二期恒載、加載點(diǎn)重力作用下的跨中彎矩在標(biāo)準(zhǔn)中的限值，及各級(jí)加載荷載作用下跨中彎矩與相應(yīng)的設(shè)計(jì)荷載作用下的跨中彎矩相等為原則，確定靜載試驗(yàn)每級(jí)荷載下每個(gè)加載點(diǎn)的加載值[10]。根據(jù)模型梁設(shè)計(jì)情況，試驗(yàn)梁各級(jí)加載值及跨中彎矩見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)梁各級(jí)加載值及跨中彎矩

4.3 模板梁撓度

分別加載至設(shè)計(jì)荷載和抗裂荷載?？缰械装鍝隙葘?shí)測(cè)結(jié)果表明：撓度與加載值保持了較好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)>0.999 9，說(shuō)明梁體處于彈性工作狀態(tài)。2次加載實(shí)測(cè)中，跨中靜活載撓度分別為8.70,8.61 mm，撓跨比分別為1/2 759，1/2 787，撓度計(jì)算值為10.72 mm(采用彈性模量為3.55×104MPa)，滿足設(shè)計(jì)要求的梁體剛度靜活載撓跨比不得大于1/800。根據(jù)實(shí)測(cè)撓度和理論計(jì)算撓度推算，箱梁靜載試驗(yàn)時(shí)的混凝土彈性模量為4.4×104MPa?？沽押奢d加載值與跨中撓度的關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。

圖3 抗裂荷載加載值與跨中撓度的關(guān)系曲線

4.4 混凝土應(yīng)力

在梁體跨中3.0 m范圍內(nèi)，南北側(cè)的底板邊緣各均勻布置15個(gè)外貼鋼弦應(yīng)變計(jì),其中26個(gè)布置在混凝土底板，有4個(gè)布置在拼接縫位置?；炷翍?yīng)變實(shí)測(cè)結(jié)果表明：跨中底板混凝土應(yīng)變與加載值呈良好線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)均大于0.999。加載至1.2級(jí)荷載時(shí)，梁體跨中混凝土未發(fā)現(xiàn)裂縫，證明測(cè)試位置處于彈性狀態(tài)，試驗(yàn)梁抗裂性滿足設(shè)計(jì)要求。

在1.2倍設(shè)計(jì)荷載作用下，實(shí)測(cè)試驗(yàn)箱梁南北側(cè)跨中3.0 m區(qū)域內(nèi)下緣混凝土的平均應(yīng)力分別為18.00 MPa(應(yīng)變409×10-6)，17.91 MPa(應(yīng)變407 ×10-6)，兩側(cè)平均值為17.96 MPa，實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論計(jì)算值17.27 MPa基本一致(計(jì)算實(shí)測(cè)應(yīng)力時(shí)混凝土彈性模量取推算值4.4×104MPa，下文取值同此原則)。

跨中頂板底面的混凝土縱向應(yīng)變與加載值的關(guān)系曲線見(jiàn)圖4?？梢?jiàn)，混凝土應(yīng)變與加載值呈良好線性關(guān)系。在1.2倍設(shè)計(jì)荷載作用下，實(shí)測(cè)平均壓應(yīng)力為-11.26 MPa(應(yīng)變-256×10-6)，實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論計(jì)算值-12.07 MPa基本一致。

圖4 跨中頂板底面混凝土縱向應(yīng)變與加載值的關(guān)系曲線

4.5 中性軸

跨中截面和L/4截面腹板混凝土應(yīng)變與測(cè)點(diǎn)高度的關(guān)系曲線見(jiàn)圖5。在加載至1.2級(jí)荷載的過(guò)程中，跨中截面和L/4截面的腹板混凝土應(yīng)變與測(cè)點(diǎn)距離底緣的高度呈良好的線形關(guān)系，推算出跨中截面和L/4截面中性軸高度實(shí)測(cè)平均值分別為 1 119，1 016 mm，實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值 1 100 mm 基本一致。

圖5 跨中截面腹板混凝土應(yīng)變與測(cè)點(diǎn)高度的關(guān)系曲線

4.6 膠接縫應(yīng)變

為了對(duì)比測(cè)試混凝土應(yīng)變與膠縫處應(yīng)變的差異，測(cè)試截面3選擇跨中節(jié)段的一端膠縫進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試截面3應(yīng)變與加載值的關(guān)系曲線見(jiàn)圖6?？梢?jiàn)：測(cè)試截面3底板的應(yīng)變與加載值保持線性關(guān)系，但兩者的斜率有所差別。根據(jù)斜率的比例關(guān)系以及前文撓度推算出的混凝土彈性模量，推算膠縫的抗拉彈性模量為34.4×104MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 測(cè)試截面3應(yīng)變與加載值的關(guān)系曲線

5 結(jié)論

1)實(shí)測(cè)跨中靜活載撓度比分別為1/2 759，1/2 787，梁體剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

2)箱梁靜載試驗(yàn)時(shí)的混凝土彈性模量為4.4×104MPa。

3)跨中截面和L/4截面中性軸高度實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值基本一致。

4)膠接縫的抗拉彈性模量為34.4×104MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。