半預(yù)制UHPC外殼疊合蓋梁試設(shè)計(jì)研究

孫明松， 李嘉維， 夏 堅(jiān)， 夏樟華

(1.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福建 福州 350108；2.陽(yáng)光學(xué)院 土木工程學(xué)院, 福建 福州 350015)

蓋梁起著承上啟下的作用，將上部結(jié)構(gòu)的荷載通過(guò)自身的作用傳遞給墩柱和基礎(chǔ)等下部結(jié)構(gòu)，是橋墩的重要組成部分[1]，其施工方法主要有2種：整體現(xiàn)澆施工方法和預(yù)制施工方法。其中整體現(xiàn)澆施工方法存在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)勞動(dòng)力需求大、工期長(zhǎng)、影響現(xiàn)有交通的問(wèn)題，且耐久性不足進(jìn)而影響橋梁的使用壽命[2]；全預(yù)制蓋梁雖是目前常用的施工方法，但整體全預(yù)制蓋梁自重很大[3]，對(duì)起重機(jī)和運(yùn)輸機(jī)械的要求特別高，而分段預(yù)制蓋梁拼接縫容易發(fā)生滲水，影響耐久性，縱筋被分段，在節(jié)段分界面上不連續(xù)，不能連續(xù)傳力[4]。

針對(duì)上述現(xiàn)澆混凝土蓋梁和預(yù)制蓋梁存在的問(wèn)題，根據(jù)應(yīng)用高性能材料的趨勢(shì)[5-8]，從常規(guī)混凝土蓋梁易開(kāi)裂、輕量化施工以及整體性能的角度，提出“預(yù)制超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，簡(jiǎn)稱UHPC)外殼+后澆混凝土”的蓋梁預(yù)制方案[9]，稱這種蓋梁為半預(yù)制UHPC外殼疊合蓋梁(下稱URC蓋梁)。該新型的預(yù)制蓋梁兼容了整澆和全預(yù)制施工方法的優(yōu)點(diǎn)，起吊設(shè)備要求不高、整體性好且免立模澆筑，易實(shí)現(xiàn)墩柱和蓋梁的連接，可作為預(yù)制蓋梁體系的補(bǔ)充，以適應(yīng)不同的施工環(huán)境以及吊裝設(shè)備的不足。

為探討URC蓋梁的可行性，本文進(jìn)行了試設(shè)計(jì)研究。以福州洪山橋至洪塘大橋拓寬改建工程(洪山橋至三環(huán)路段)的某天橋?yàn)楣こ瘫尘?，進(jìn)行URC蓋梁的試設(shè)計(jì)，建立蓋梁的有限元模型并進(jìn)行后澆混凝土和運(yùn)營(yíng)階段的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，考察試設(shè)計(jì)方案和原設(shè)計(jì)方案蓋梁的內(nèi)力變化，為進(jìn)一步研究URC蓋梁提供基礎(chǔ)資料。

1 URC蓋梁試設(shè)計(jì)

1.1 工程背景

該天橋是福州洪山橋至洪塘大橋拓寬改建工程項(xiàng)目，位于洪山橋至三環(huán)路段。天橋上部采用一跨38.6 m鋼桁架拱結(jié)構(gòu)，下部橋墩、承臺(tái)及樁基均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，蓋梁原設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1。

圖1 原設(shè)計(jì)方案蓋梁尺寸圖(單位：mm)

1.2 試設(shè)計(jì)方案

試設(shè)計(jì)方案URC蓋梁幾何尺寸與配筋率與原設(shè)計(jì)方案RC蓋梁相同，均采用HRB400鋼筋以及C35商品混凝土，不同之處是URC蓋梁的UHPC外殼沒(méi)有進(jìn)行回收，而是直接作為URC蓋梁的保護(hù)層，且為受力的一部分。參考《活性粉末混凝土》[10](GB/T 31387—2015)，取UHPC的抗壓強(qiáng)度為130 MPa，抗折強(qiáng)度取為18 MPa，彈性模量取40 GPa。

考慮到URC蓋梁的UHPC外殼在運(yùn)輸、吊裝及二次澆注過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂、損傷的情況，故UHPC外殼應(yīng)能抵抗正常使用階段下的荷載，壁厚不宜太??；另外，UHPC外殼壁厚太大不利于構(gòu)件的運(yùn)輸和吊裝，且整體造價(jià)高，所以其壁厚應(yīng)有一個(gè)適當(dāng)?shù)娜≈礫11]。在實(shí)際工程中蓋梁的保護(hù)層厚度一般取為30 mm，且《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》[12](JTG 3362—2018)中第9.1.1條第三款規(guī)定對(duì)于工廠預(yù)制的混凝土試件，其保護(hù)層最小厚度可適當(dāng)減小5 mm。同時(shí)為使UHPC外殼整體性能更好，在其內(nèi)部設(shè)置了φ6的構(gòu)造鋼筋骨架，縱橫向間距均為200 mm，考慮到鋼筋骨架應(yīng)有足夠的保護(hù)層厚度，UHPC外殼側(cè)板的壁厚擬采用60 mm，另考慮到UHPC外殼底部設(shè)有通孔，以便墩柱的縱筋穿過(guò)，與墩柱頂端連接，故UHPC外殼底部厚度擬采用100 mm。

URC蓋梁與預(yù)制墩柱的連接簡(jiǎn)單，僅需吊裝URC蓋梁的UHPC外殼至預(yù)制墩柱上方，將墩柱縱筋上端穿過(guò)通孔，使UHPC外殼架設(shè)于預(yù)制墩柱上，并對(duì)UHPC外殼底部與預(yù)制墩柱接縫位置涂抹環(huán)氧樹(shù)脂膠體材料，如圖2(a)所示；固定完畢并吊裝好蓋梁鋼筋籠后便可澆筑混凝土，混凝土進(jìn)入墩柱后澆槽與UHPC外殼內(nèi)并將預(yù)制墩柱與UHPC外殼連接為一體，URC蓋梁澆筑完成后的構(gòu)造示意圖如圖2(b)所示。

圖2 URC蓋梁構(gòu)造圖(單位：mm)

2 試設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

2.1 吊裝階段

2.1.1 吊環(huán)設(shè)計(jì)

試設(shè)計(jì)方案中，蓋梁采用UHPC預(yù)先制成的外殼來(lái)作為后澆核心混凝土的免拆模板，將UHPC外殼運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，并進(jìn)行吊裝。UHPC外殼重1.5 t，在其兩端各設(shè)置1個(gè)直徑為16 mm的鋼筋吊環(huán)。

在基本組合作用下吊環(huán)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為：σ=F/A=20.25/(2×2×201)=25.2 MPa，小于鋼筋的抗拉強(qiáng)度，滿足要求。

2.1.2 吊裝階段驗(yàn)算

采用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行UHPC外殼在吊裝階段的驗(yàn)算，預(yù)制結(jié)構(gòu)在吊裝過(guò)程中考慮1.25的動(dòng)力系數(shù)[13]，將荷載組合施加在模型中(見(jiàn)圖3)。

圖3 UHPC外殼吊裝階段受力模型

UHPC抗折強(qiáng)度與軸心抗拉強(qiáng)度存在著約0.45倍的關(guān)系[14]，故取UHPC軸心抗拉強(qiáng)度為8.1 MPa。計(jì)算得到UHPC外殼在吊裝階段下的應(yīng)力云圖如圖4所示，最大拉應(yīng)力為1.0×10-4MPa，滿足要求。

圖4 UHPC外殼吊裝階段應(yīng)力云圖

同時(shí)得到UHPC外殼在此階段下的撓度如圖5所示，最大撓度位于UHPC外殼底板跨中，為4.3×10-6mm，小于《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》[15](JGJ 162—2008)中規(guī)定的撓度限值l/250，即11.2 mm，滿足要求。故URC蓋梁在吊裝階段是安全可行的。

圖5 UHPC外殼吊裝階段撓度圖

2.2 后澆混凝土階段

2.2.1 荷載組合

吊裝完畢后直接澆筑內(nèi)部的混凝土。在UHPC外殼后澆混凝土階段的施工中，UHPC外殼應(yīng)有足夠的剛度和強(qiáng)度，以保證在后澆混凝土的側(cè)壓力下不至于發(fā)生破壞[16]。

根據(jù)《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ 162—2008)[15]規(guī)定，作用于模板的荷載共七項(xiàng)：(1)模板自重(G1k)；(2)新澆筑混凝土自重(G2k)；(3)鋼筋自重(G3k)；(4)新澆筑混凝土作用于模板的側(cè)壓力(G4k)；(5)施工人員及設(shè)備荷載(Q1k)；(6)振搗混凝土?xí)r所產(chǎn)生的荷載(Q2k)；(7)傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的水平荷載(Q3k)；分別計(jì)算其在承載能力極限狀態(tài)下和正常使用極限狀態(tài)下的荷載組合，各項(xiàng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合見(jiàn)表1。

表1 荷載效應(yīng)組合表

試設(shè)計(jì)中取混凝土重度為25 kN/m3、施工人員及設(shè)計(jì)荷載取2.5 kN/m2、振搗混凝土?xí)r對(duì)水平模板和垂直面模板的荷載分別取2.0 kN/m2和4.0 kN/m2。計(jì)算承載能力應(yīng)采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以對(duì)應(yīng)的荷載分項(xiàng)系數(shù)，分別取恒載和活載分項(xiàng)系數(shù)為1.35和1.40。計(jì)算得UHPC底板在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下的荷載組合為31.4 kN/m2和21.2 kN/m2，UHPC側(cè)板在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下的荷載組合為29.2 kN/m2和17.5 kN/m2。

2.2.2 承載能力極限狀態(tài)

進(jìn)行UHPC外殼在后澆混凝土階段的承載能力極限狀態(tài)模擬，將荷載組合施加在模型中。實(shí)際施工中，蓋梁與墩柱通過(guò)后澆混凝土形成一個(gè)整體，為簡(jiǎn)化模型，采用綁定的約束方式來(lái)定義蓋梁與墩柱之間的接觸關(guān)系，模型如圖6所示。

圖6 UHPC外殼后澆混凝土階段受力模型

計(jì)算得到UHPC外殼在后澆混凝土階段承載能力極限狀態(tài)下的應(yīng)力云圖如圖7所示，最大拉應(yīng)力為6.9 MPa，因此其在承載能力極限狀態(tài)下的強(qiáng)度滿足要求。

圖7 UHPC外殼后澆混凝土階段應(yīng)力云圖

2.2.3 正常使用極限狀態(tài)

同樣對(duì)UHPC外殼進(jìn)行后澆混凝土階段的正常使用極限狀態(tài)模擬，得到UHPC外殼在此階段下的撓度如圖8所示，最大撓度位于UHPC外殼側(cè)板跨中，為14.1 mm，大于《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》[15](JGJ 162—2008)中規(guī)定的撓度限值l/250，即11.2 mm。

圖8 UHPC外殼后澆混凝土階段撓度圖

因此有必要對(duì)UHPC外殼增加支護(hù)措施，以減小其在正常使用極限狀態(tài)下的撓度。此處對(duì)UHPC外殼兩側(cè)采用一對(duì)5#槽鋼作對(duì)拉槽，在對(duì)拉槽上下各設(shè)一條M12的螺桿作為拉桿，如圖9所示。計(jì)算得到增加支護(hù)后的UHPC外殼在此階段下的撓度如圖10所示，最大撓度位于UHPC外殼側(cè)板跨中，為3.1 mm，小于《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》[15](JGJ 162—2008)中規(guī)定的撓度限值l/250，即11.2 mm。因此其在正常使用極限狀態(tài)下的撓度滿足要求，故URC蓋梁在后澆混凝土階段是安全可行的。

圖9 增加支護(hù)后后澆混凝土階段受力模型

圖10 增加支護(hù)后后澆混凝土階段撓度圖

2.3 運(yùn)營(yíng)階段

2.3.1 荷載組合

綜合考慮鋼筋混凝土鋪裝加地磚平均厚10 cm，加上欄桿及其它荷載(橫隔板重等)，取16.5 kN/m；人群荷載取3.5 kN/m。計(jì)算承載能力采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以對(duì)應(yīng)的荷載分項(xiàng)系數(shù)，分別取恒載和活載分項(xiàng)系數(shù)為1.2和1.4。計(jì)算結(jié)果施加在每個(gè)支座上，承載能力極限狀態(tài)和正常使用狀態(tài)下的荷載組合為430 kN和280 kN。

2.3.2 承載能力極限狀態(tài)

進(jìn)行URC蓋梁在運(yùn)營(yíng)階段的承載能力極限狀態(tài)模擬，將荷載組合施加在模型中，模型如圖11所示。

圖11 URC蓋梁運(yùn)營(yíng)階段受力模型

得到URC蓋梁在運(yùn)營(yíng)階段承載能力極限狀態(tài)下，UHPC外殼和核心混凝土的應(yīng)變?cè)茍D如圖12(a)和圖12(b)所示，最大壓應(yīng)變分別為79με和156με，均小于混凝土的峰值壓應(yīng)變；箍筋和縱筋的應(yīng)力云圖如圖12(c)和圖12(d)所示，最大應(yīng)力分別為51 MPa和22 MPa，均小于鋼筋的屈服強(qiáng)度，因此URC蓋梁在承載能力極限狀態(tài)下的強(qiáng)度滿足要求。

圖12 URC蓋梁運(yùn)營(yíng)階段應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

將同樣的荷載施加在原設(shè)計(jì)方案RC蓋梁上，得到RC蓋梁試件在運(yùn)營(yíng)階段承載能力極限狀態(tài)下，混凝土的應(yīng)變?cè)茍D如圖13(a)所示，最大壓應(yīng)變?yōu)?14με，小于混凝土的峰值壓應(yīng)變；箍筋和縱筋的應(yīng)力云圖如圖13(b)和圖13(c)所示，最大應(yīng)力分別為23 MPa和17 MPa，與URC蓋梁試件相近，說(shuō)明兩者受力性能比較接近。

圖13 RC蓋梁運(yùn)營(yíng)階段應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

2.3.3 正常使用極限狀態(tài)

同樣對(duì)URC蓋梁和RC蓋梁進(jìn)行在運(yùn)營(yíng)階段的正常使用極限狀態(tài)模擬，得到URC蓋梁和RC蓋梁在此階段下的撓度如圖14所示，最大撓度均位于蓋梁兩端，分別為0.38 mm和0.30 mm，兩者較為接近，且遠(yuǎn)小于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[17](GB/T 50010—2002)中規(guī)定的撓度限值l/250，即11.2 mm。因此URC蓋梁在正常使用極限狀態(tài)下的撓度滿足要求，故URC蓋梁在運(yùn)營(yíng)階段是安全可行的。

圖14 運(yùn)營(yíng)階段撓度圖

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) URC蓋梁兼容了整澆和全預(yù)制蓋梁的優(yōu)點(diǎn)，起吊設(shè)備要求不高、節(jié)省模板、施工周期短、耐久性好，可作為預(yù)制蓋梁體系的補(bǔ)充，以適應(yīng)不同的施工環(huán)境以及吊裝設(shè)備的不足。

(2) 吊裝階段中，考慮1.25的動(dòng)力系數(shù)，得到UHPC外殼最大拉應(yīng)力為和撓度分別為1.0×10-4MPa和4.3×10-6mm，均滿足規(guī)范要求，故URC蓋梁在吊裝階段是安全可行的。

(3) 后澆混凝土階段中，URC蓋梁的UHPC外殼在承載能力極限狀態(tài)下的最大應(yīng)力為6.9 MPa，增加支護(hù)后的UHPC外殼在正常使用極限狀態(tài)下的撓度為為3.1 mm，均滿足規(guī)范要求，故URC蓋梁在后澆混凝土施工階段是安全可行的。

(4) 運(yùn)營(yíng)階段中，URC蓋梁在承載能力極限狀態(tài)下，UHPC外殼和核心混凝土的最大壓應(yīng)變均小于混凝土的峰值壓應(yīng)變，箍筋和縱筋的最大應(yīng)力均小于鋼筋的屈服強(qiáng)度，與施加同樣荷載的RC蓋梁內(nèi)力相近；URC蓋梁和RC蓋梁正常使用極限狀態(tài)下的撓度分別為0.38 mm和0.30 mm，兩者較為接近，且滿足規(guī)范要求，故URC蓋梁在運(yùn)營(yíng)階段是安全可行的。