劉敏劍
(廣東省交通規(guī)劃設計研究院集團股份有限公司,廣州 510507)
超高性能混凝土(UHPC)系抗壓強度在150 MPa 以上,并具有超高韌性、超長耐久性和體積穩(wěn)定性良好的水泥基復合材料的統(tǒng)稱[1]。其依照最大堆積密度原理配制,各組分之間相互填充,從而使材料內部的缺陷減至最少[2]。同時,通過添加纖維,改善材料的強度與變形性能[3]。UHPC 不僅具有超高的力學性能,也具有超高的耐久性能。同時,采用高溫蒸汽養(yǎng)護,UHPC 的收縮基本為零,徐變系數僅為普通混凝土的20%左右[4]。基于以上優(yōu)點,UHPC 一經問世,便得到土木工程領域的廣泛關注,近年來更是在橋梁工程領域得到了廣泛的應用。
但UHPC 也存在成本較高,制作工藝要求高、設計標準的滯后等缺點,這些因素導致UHPC 在橋梁工程領域雖有一定發(fā)展,但遠遠無法普及和廣泛應用。
近年來,UHPC 的材料性研究已經趨于成熟,國內UHPC標準化工作密集展開并進入快速發(fā)展階段?,F已編制并頒布的標準及規(guī)范包括國家標準GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》、廣東省團體標準T/GDHS 003—2021《無腹筋預應力超高性能混凝土梁橋技術規(guī)范》等標準[5,6]。在此背景下,國內的UHPC 應用也逐步應用于橋梁工程主體結構中。本文以某天橋為背景,對中小跨徑人行天橋的UHPC 預制梁進行研究,從斷面形式、材料組成進行分析比選,最終得到受力合理、施工方便、經濟性好的方案。
某新建一級公路擬建人行天橋,跨徑布置為(1.5+24.5)+(24.5+1.5)=52 m,橋面凈寬為4 m。橋型布置如圖1 所示。(下部為UHPC 預制的U 梁,上部為現澆或預制的普通混凝土橋面板)。
圖1 總體布置圖(單位:cm)
研究表明,受彎梁在充分利用UHPC 的抗拉強度工況下,其受拉邊緣UHPC 拉應變達到3 倍極限拉應變,而此時其受壓邊緣尚未達到抗壓設計強度。因此,對于受彎構件,
3.1.1 截面形式比選
在馬來西亞已建成的93 座UHPC 橋梁中,可分為4 種主梁類型:全截面UHPC-T 梁、全截面UHPC 箱梁、全截面UHPC 槽形梁以及UHPC-NC 組合梁[7]。根據人行天橋特點,分別擬定T 形梁、箱梁和下承式槽形梁截面,如圖2 所示。
圖2 截面形式比選(單位:cm)
在同等材料用量下,T 形梁與箱梁的抗彎能力及梁高相當,槽形梁抗彎能力稍差。而箱梁截面的抗扭能力要顯著優(yōu)于T 形梁及槽形梁截面;開口截面不需要內模板,施工較為簡便。從景觀性考慮,槽形梁將腹板置于橋面板上,行人過橋時通透性較差,稍顯壓抑。而箱梁梁底較為規(guī)整,景觀性比T 形梁截面稍好。
綜上,箱梁截面較優(yōu)。
3.1.2 材料比選
箱型截面可分為全截面UHPC 梁和UHPC-NC 組合梁當其受拉鋼筋屈服時,UHPC 受壓側抗壓強度未能充分發(fā)揮[8]。另UHPC 材料單價高,可采用較廉價的NC 橋面板替換部分受壓區(qū)UHPC,從而達到充分利用材料性能,達到最優(yōu)經濟性的目的。因此,截面材料選擇UHPC-NC 組合梁方案。
主橋采用2 跨預應力UHPC-NC 組合梁,由UHPC 節(jié)段預制U 梁及C50 混凝土預制板組成。U 梁采用節(jié)段預制拼裝工藝,在工廠預制養(yǎng)護,能保證質量,減小收縮徐變,同時減輕節(jié)段自重。養(yǎng)護完成后再運輸至現場進行拼裝施工,主梁拼裝并張拉預應力完成后再鋪設預制橋面板,形成整體后吊裝就位。
UHPC-NC 組合梁梁高1.1 m,頂寬4 m,底寬1.8 m,頂板懸臂長度0.75 m??缰械装搴?8 cm。全跨頂板厚15 cm,腹板厚12 cm。頂底板布置預應力,頂板采用2 束15-3 鋼束,底板采用4 束15-12 鋼束。作為對比,擬定同等跨徑橋寬的NC 梁。NC 梁梁高1.4 m,頂寬4 m,底寬1.8 m,頂板懸臂長度0.75 m。跨中底板厚18 cm,腹板厚20 cm。全跨頂板厚18 cm。腹板布置預應力,布置6 束15-4 鋼束,4 束15-3 鋼束。主梁橫斷面如圖3 所示。
圖3 UHPC-NC組合梁與NC梁構造(單位:cm)
2 種方案主梁的技術經濟性比較詳見表1。對比可知,UHPC-NC 組合梁自重大大減輕,為NC 梁的76%,普通鋼筋約為NC 梁的72%。較輕的自重和較少的鋼筋用量可方便預制結構加工運輸及快速施工。同時,橋位位于高烈度地震地區(qū),較輕的上部結構自重可減小下部結構規(guī)模。
表1 UHPC-NC組合梁與NC梁材料用量對比
UHPC-NC 組合梁采用Midas Civil 建立梁單元模型,采用雙單元法模擬組合梁,并根據實際施工流程對主梁受力進行模擬。共采用102 個單元,112 個節(jié)點。模型如圖4所示。
圖4 單跨簡支梁模型
UHPC 采用UC140 混凝土,NC 橋面板采用C50 混凝土。根據文獻[6]和文獻[9],UC140 和C50 的材料參數取值見表2。UC140 混凝土采用高溫蒸汽養(yǎng)護,徐變系數可取0.2。材料計算參數如表2 所示。
表2 UC140 混凝土及C50 混凝土材料參數
UHPC-NC 組合箱梁受彎破壞經歷彈性階段、裂縫開展階段和破壞階段。開裂后,受拉區(qū)應力主要由預應力筋承擔??缰薪孛娴幕炷翍兓痉掀浇孛婕俣?,且U 梁與頂板協(xié)同工作性能良好[10]。因此,組合箱梁正截面抗彎承載能力計算可采用文獻[6]和[9]中的公式,對接縫截面考慮折減。
法國規(guī)范指出,預應力UHPC 梁的斜截面抗剪由4 個部分組成:混凝土基體抗剪、纖維抗剪、箍筋抗剪及預應力抗剪。組合箱梁斜截面抗剪承載力計算可采用文獻[6]中公式。
1)持久狀況承載能力極限狀態(tài)計算
根據文獻[8],計算得到基本組合下主梁跨中最大彎矩為4 445 kN·m,抗力值為10 216 kN·m。梁端最大剪力970 kN,抗力值為1451 kN,其中,基體和纖維抗剪合計927 kN,可考慮進一步減少抗剪箍筋,進而降低工程造價。
2)持久狀況正常使用極限狀態(tài)計算
根據文獻[8],計算得到頻遇組合正截面應力為-4.9 MPa,斜截面應力為0.7 MPa。最大正截面壓應力為-26 MPa,斜截面主壓應力為-26 MPa,均滿足要求。
本文以某人行天橋為背景,從斷面形式、材料組成進行分析比選,最終得到受力合理、施工方便、經濟性好的方案。并提出同跨徑橋寬的NC 箱梁方案進行對比,UHPC 箱梁能顯著減輕上部結構自重,減少普鋼用量,施工運輸便捷快速。