超高性能混凝土在簡支變連續(xù)橋梁負彎矩區(qū)的應用

潘竺蘭

（浙江浙交檢測技術(shù)有限公司，杭州310000）

1 引言

超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）是21世紀最有前景的新型結(jié)構(gòu)材料之一，可有效減輕結(jié)構(gòu)自重、提高結(jié)構(gòu)承載能力和耐久性，是工程結(jié)構(gòu)技術(shù)進步的基礎和重要推動力，是結(jié)構(gòu)工程研究和設計的核心內(nèi)容之一。國內(nèi)外很多學者已經(jīng)聚焦于將超高性能混凝土應用于橋梁負彎矩區(qū)濕接縫中。目前，常見的超高性能混凝土抗壓強度高，但韌性不足，對于負彎矩區(qū)濕接縫這樣的結(jié)構(gòu)適用性不夠，此結(jié)構(gòu)需要混凝土具有超高的抗裂能力和抗拉強度。

2 橋梁負彎矩區(qū)病害情況

目前，公路橋梁設計中常規(guī)路段一般選擇施工簡便、造價低的先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu)體系，如預應力混凝土小箱梁及預應力混凝土T梁等，預制構(gòu)件通過縱向、橫向濕接縫形成整體，共同受力[1]。預制構(gòu)件的翼緣板通過縱向濕接縫連接，縱向濕接縫受力與布梁間距有關(guān)，一般較??；先簡支后連續(xù)梁結(jié)構(gòu)墩頂通過橫向濕接縫連接，一般采用墩頂后張預應力束實現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換，隨著橋梁跨徑的增大，墩頂受力也會增大。預制梁板架梁到位后，現(xiàn)場進行墩頂負彎矩區(qū)預應力束穿束、張拉、封錨，實際施工時容易出現(xiàn)預應力束預留管道錯位等導致穿束施工困難。另外，墩頂負彎矩區(qū)開裂后，水容易進入預應力管道腐蝕預應力筋等，影響結(jié)構(gòu)承載力及耐久性。

鋼板組合梁采用的預制橋面板結(jié)構(gòu)也是通過縱向、橫向濕接縫將橋面板與鋼梁連接成整體。此種濕接縫因要與鋼梁連接，受力較為復雜，可做專門研究[2]。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點，本項目主要針對小箱梁或T梁橋梁墩頂負彎矩區(qū)的橫向濕接縫，提出一種構(gòu)造設計思路，如果超抗裂混凝土能達到相關(guān)技術(shù)指標要求，該構(gòu)造設計將有很大的應用前景[3]。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 負彎矩濕接縫合理構(gòu)造確定

先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu)墩頂通過橫向濕接縫連接，一般通過墩頂后張預應力束實現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換（見圖1），不配頂板負彎矩鋼束時，簡支變連續(xù)結(jié)構(gòu)中支點出現(xiàn)超限拉應力的范圍較大。除現(xiàn)澆橫梁外，中支點附近一定范圍內(nèi)的頂板可能也需要采用高性能混凝土才能滿足受力要求[4]。在這種構(gòu)造形式下，可以根據(jù)數(shù)值分析，研究最不利荷載作用下，T梁和小箱梁超高性能混凝土濕接縫尺寸對關(guān)鍵截面處應力的影響，確定超高性能混凝土濕接縫合理的構(gòu)造參數(shù)（見圖2，a為中支點附近使用高性能混凝土區(qū)域的寬度）。為了降低成本，濕接縫受壓區(qū)范圍（高度d范圍內(nèi)）可以考慮采用普通混凝土材料。

圖1 簡支變連續(xù)T梁負彎矩濕接縫示意圖（單位：cm）

圖2 超高性能混凝土負彎矩濕接縫示意圖

3.2 對比分析

以4×30m簡支變連續(xù)T梁為例，橋?qū)?6.5 m（7片T梁），采用M IDAS軟件建模計算（見圖3），分別驗算正常設置墩頂負彎矩區(qū)預應力鋼束以及墩頂負彎矩區(qū)取消預應力鋼束采用超高性能混凝土2種工況，從受力、社會效益、經(jīng)濟效益方面進行綜合對比分析。

圖3 計算模型

3.2.1 承載能力

取消1號墩頂負彎矩束后，墩頂負彎矩為3 848.5 kN·m，減小32%，邊跨跨中正彎矩為7 570.5 kN·m，增大11%。經(jīng)計算，取消負彎矩束后，需考慮UHPC材料的抗拉強度或?qū)蛎驿佈b加強鋼筋改為C22，抗彎承載能力才能滿足規(guī)范要求。剪力變化較小，此處未列入。

3.2.2 正常使用

墩頂負彎矩區(qū)預應力取消后，墩頂拉應力由1.2 MPa增加到4.6 MPa，大于C5 0混凝土的抗裂強度0.7 ftk＝1.855 MPa（ftk為混凝土抗拉強度標準值），如在墩頂左右各1m范圍內(nèi)采用抗拉標準強度達到7MPa的UHPC（超高性能混凝土）材料，則4.6 MPa≤0.7 f tk＝4.9 MPa，滿足要求。

3.2.3 經(jīng)濟性分析

原設計1道墩頂現(xiàn)澆段及墩頂束齒塊的工程量見表1。

按正常設計1道墩頂現(xiàn)澆段及墩頂束齒塊的工程量算得建筑安裝工程費為16.95 萬元，施工工期15 d；改用超高性能混凝土（單價按1萬元/m3計）后，算得建筑安裝工程費為18.95 萬元，施工工期3 d。雖然建筑安裝工程費用略高，但是，可以大大節(jié)省工期，加快施工進度，社會、經(jīng)濟效益顯著。

表1 墩頂現(xiàn)澆段及墩頂束齒塊工程量對比表

4 結(jié)語

本文經(jīng)過對簡支變連續(xù)橋梁常見病害情況進行分析，提出了在橋梁墩頂負彎矩區(qū)采用超高性能混凝土的構(gòu)造設計。通過對結(jié)構(gòu)受力以及社會、經(jīng)濟效益方面進行綜合對比分析，可以看出，該構(gòu)造在實際應用中有廣闊的應用前景。

目前，常見的超高性能混凝土抗壓強度高，但韌性不足，對于橋梁負彎矩區(qū)濕接縫這樣的結(jié)構(gòu)適用性不夠強，此構(gòu)造設計需要混凝土具有超高的抗裂能力和抗拉強度，同時，如能達到低收縮免蒸養(yǎng)則更能滿足常規(guī)工程建設需求，希望本論文能為超高性能混凝土的實用研究方向提供參考。