LUHPC小箱梁橋試設(shè)計及參數(shù)分析

李敬南，盧志芳

(武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗室，武漢 430070)

隨著RPC、UHPC材料興起，許多實(shí)際工程項目將RPC、UHPC成功應(yīng)用到橋梁結(jié)構(gòu)中[1]，但UHPC和RPC容重較大，不利于橋梁跨徑上的突破。課題組研發(fā)了輕質(zhì)超高性能混凝土(簡稱LUHPC)，該混凝土具有表觀密度小、強(qiáng)度高、耐久性強(qiáng)和免蒸養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)；此外，預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋憑借其受力合理、施工速度快、造型美觀、行車舒適等特點(diǎn)，在20～30 m的中小跨徑橋梁中應(yīng)用廣泛[2]。

因此，以某30 m預(yù)應(yīng)力C50混凝土小箱梁橋為例，開展預(yù)應(yīng)力LUHPC小箱梁橋的試設(shè)計研究。通過改變LUHPC小箱梁橋的截面尺寸，節(jié)省材料用量、提升橋梁承載能力，明確橋梁受力性能的改變，使橋梁結(jié)構(gòu)步入輕質(zhì)化，高強(qiáng)化。

1 LUHPC材料性能試驗

1.1 LUHPC原材料及拌合工藝

試驗原材料包括P.O52.5硅酸鹽水泥、硅灰、粉煤灰微珠、粒徑為0.075～2.36 mm連續(xù)級配細(xì)陶砂、鋼纖維、聚羧酸高效減水劑以及符合國家標(biāo)準(zhǔn)的自來水?；趶椥阅Ａ康妮p集料組成設(shè)計和混凝土緊密堆積設(shè)計原理，保證粉料和輕集料可以在混凝土中達(dá)到最密集堆積狀態(tài)。攪拌前先潤鍋，再將粉料加入干拌，隨后加入水和減水劑，形成有流動度膠凝狀漿體后添加預(yù)濕好的陶砂；待攪拌均勻，用篩選的方式加入鋼纖維。拌合過程控制在15 min。將攪拌好的LUHPC漿體裝進(jìn)模板中，常溫養(yǎng)護(hù)24 h脫模，之后潮濕養(yǎng)護(hù)28 d[3]。

1.2 力學(xué)性能試驗

對養(yǎng)護(hù)完成的試件開展力學(xué)性能測試，為后續(xù)LUHPC小箱梁橋試設(shè)計提供設(shè)計參數(shù)。具體試驗結(jié)果如表1所示。

表1 LUHPC材料力學(xué)性能

2 LUHPC小箱梁橋試設(shè)計研究

2.1 LUHPC小箱梁橋試設(shè)計

以某30 m預(yù)應(yīng)力C50混凝土小箱梁橋為例，該小箱梁橋單幅橫斷面由五片箱梁組成。沿橋跨方向外部輪廓尺寸保持不變。考慮LUHPC材料的優(yōu)越性，經(jīng)過結(jié)構(gòu)尺寸試設(shè)計，擬定LUHPC小箱梁橋截面尺寸。與原C50混凝土橋相比，其中箱梁梁高1 600 mm，邊梁梁寬2 850 mm，中梁梁寬2 400 mm均保持不變?？缰薪孛骓敯?、底板和腹板的厚度由180 mm變?yōu)?60 mm，減小約12%；支點(diǎn)截面頂板厚度由180 mm變?yōu)?60 mm，底板和腹板的厚度由250 mm變?yōu)?20 mm，減小約12%。根據(jù)擬定尺寸，繪制箱梁的截面圖，如圖1所示。

開展LUHPC小箱梁橋內(nèi)力計算及配筋設(shè)計時，選擇截面作用效應(yīng)組合最大的邊梁為設(shè)計對象。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60 2015)[4]、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG 3362—2018)[5]和課題組關(guān)于LUHPC梁抗彎承載力和抗剪承載力研究成果[6]對主梁進(jìn)行驗算，LUHPC小箱梁設(shè)計滿足相關(guān)要求，如表2所示。

表2 LUHPC小箱梁驗算結(jié)果

2.2 LUHPC小箱梁橋運(yùn)營階段受力分析

利用Midas/Civil建立有限元模型，對比分析預(yù)應(yīng)力LUHPC小箱梁橋和預(yù)應(yīng)力C50混凝土小箱梁橋截面承載能力、抗裂性和撓度的變化規(guī)律。

1)承載能力分析

依據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中的有關(guān)規(guī)定，進(jìn)行截面承載能力計算時，按照以下的荷載組合形式進(jìn)行分析：1.2恒載+1.4汽車荷載+1.0混凝土收縮徐變+1.05溫度荷載。

由表3中數(shù)據(jù)可知，LUHPC小箱梁橋承載能力滿足要求。此外，對比LUHPC小箱梁橋和C50混凝土小箱梁橋有限元模型可以得到：LUHPC小箱梁橋恒載彎矩和活載彎矩的比值為1.75；而C50混凝土小箱梁橋恒載彎矩和活載彎矩的比值為2.12，這說明LUHPC小箱梁橋更主要是用來抵抗活載所產(chǎn)生的內(nèi)力，而非抵抗自身的重量。

表3 承載能力極限狀態(tài)計算結(jié)果

2)抗裂性分析

預(yù)加力和荷載在LUHPC小箱梁橋邊緣處混凝土產(chǎn)生的應(yīng)力與試設(shè)計理論值計算結(jié)果相差不大，故試設(shè)計的LUHPC小箱梁橋抗裂性滿足規(guī)范要求。與LUHPC小箱梁橋相比，C50混凝土小箱梁橋預(yù)壓應(yīng)力和混凝土法向拉應(yīng)力偏大，主要原因是C50混凝土小箱梁橋自重和預(yù)加力較大。

3)撓度分析

LUHPC小箱梁橋有限元計算值在自重+二期恒載、可變荷載作用、預(yù)加力+荷載短期效應(yīng)組合下?lián)隙戎蹬c試設(shè)計計算的理論值相差不大，說明LUHPC小箱梁橋撓度驗算滿足要求。對比LUHPC小箱梁橋與C50混凝土小箱梁橋在荷載組合下的撓度，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的上拱主要是用來抵抗自重產(chǎn)生的下?lián)?。故在LUHPC小箱梁橋設(shè)計中，利用LUHPC材料輕質(zhì)超高性能，能有效降低LUHPC小箱梁橋自重和預(yù)應(yīng)力筋用量。

3 LUHPC小箱梁橋參數(shù)分析

3.1 材料用量

LUHPC小箱梁橋混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼筋用量分別為169.82 m3和3.96 t，同C50混凝土小箱梁橋相比，減少了9.52%和33.45%，數(shù)據(jù)見表4。主要是因為LUHPC材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)性能，使結(jié)構(gòu)使用較小截面尺寸和較少的預(yù)應(yīng)力筋就可以滿足荷載作用下的受力要求。

表4 兩種橋型的材料用量

3.2 恒活載之比

較C50混凝土小箱梁橋，LUHPC小箱梁橋恒載顯著降低。因為LUHPC材料容重減小17.4%，截面尺寸減小12%、預(yù)應(yīng)力鋼筋用量減少33.45%。由表5可知，LUHPC小箱梁橋恒活載比優(yōu)于C50混凝土小箱梁橋，為后者的0.79。說明LUHPC小箱梁橋承載力可更好抵抗活載，而非橋梁自重；也反映在相同設(shè)計荷載下，LUHPC小箱梁橋具有更好的跨越能力。

表5 恒載與活載集度比較

3.3 預(yù)應(yīng)力損失

同C50混凝土相比，LUHPC材料的超高強(qiáng)度和較高的彈性模量，保證了使用后張法對預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉時，局部受壓區(qū)混凝土不會產(chǎn)生裂縫，降低了錨墊下混凝土因壓縮變形的預(yù)應(yīng)力損失。此外，LUHPC材料自收縮在澆筑前期增長快，一般7 d收縮率達(dá)到平穩(wěn)時的73%，20 d左右其收縮值基本趨于穩(wěn)定，說明預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉之后，因LUHPC材料自身收縮徐變導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力損失較小，有利于保證成橋后的有效預(yù)應(yīng)力。

3.4 抗拉性能

LUHPC材料摻有超高抗拉強(qiáng)度的鋼纖維，其抗拉性能顯著提升。LUHPC軸心抗拉強(qiáng)度為10.2 MPa，遠(yuǎn)高于C50混凝土軸心抗拉強(qiáng)度2.65 MPa。故在箱梁配筋量和正截面承載力計算時，考慮LUHPC抗拉貢獻(xiàn)，既減少鋼筋用量，又滿足正截面承載力驗算要求。斜截面承載力計算時，僅LUHPC抗剪能力即滿足截面設(shè)計要求。另外，LUHPC良好抗拉性能，提高了梁體承載力，延緩、減少裂縫開展，降低預(yù)應(yīng)力鋼筋和普通鋼筋用量，為工程節(jié)省開支。

4 結(jié) 論

a.考慮LUHPC材料輕質(zhì)、高強(qiáng)特性，擬定LUHPC小箱梁橋跨中截面頂板、腹板和底板厚度為160 mm，支點(diǎn)截面頂板160 mm、腹板和底板厚度為220 mm，同原橋相比，截面尺寸減小了約12%。

b.根據(jù)試設(shè)計結(jié)果，建立小箱梁橋有限元模型。LUHPC小箱梁橋恒載與活載的彎矩比為1.75，撓度比3.42；而C50混凝土小箱梁橋分別為2.12和4.15，說明LUHPC小箱梁橋抵抗活載的能力更強(qiáng)。

c.LUHPC小箱梁橋在混凝土和預(yù)應(yīng)力筋的用量上分別減少了9.52%和33.45%，自重降低了163.76 t，恒活載比減小21%；此外，預(yù)應(yīng)力LUHPC小箱梁橋在預(yù)應(yīng)力損失、抗拉性能方面表現(xiàn)更優(yōu)，說明LUHPC材料在未來有良好的工程應(yīng)用前景。