魏亞雄， 方 志

(湖南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410082)

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預制裝配式活性粉末混凝土箱梁橋的結構性能

魏亞雄， 方 志

(湖南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410082)

超高性能活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)應用于裝配式梁橋中，不僅能有效減輕結構自重、增加結構抵抗使用荷載的有效性，還能充分發(fā)揮其在熱養(yǎng)護條件下收縮徐變小且耐久性好的優(yōu)點，是一種極具應用前景的新型水泥基材料。以一座4×30 m的普通預應力混凝土裝配式連續(xù)箱梁橋為背景，提出了同等跨徑的RPC裝配式箱梁橋方案，對其結構的受力性能進行了分析，并將二者的經(jīng)濟性能進行了比較。結果表明：提出的RPC箱梁橋整體和局部受力性能均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，使用階段應力以及變形尚有較大的安全儲備；采用RPC可令主梁板件厚度減小，使混凝土和預應力筋用量分別減少25.4%和27.5%。因此，預制裝配式RPC箱梁橋作為一種可供選擇的優(yōu)選方案，具有良好的推廣應用前景。

橋梁工程； 活性粉末混凝土； 裝配式箱梁橋； 受力性能； 經(jīng)濟性能

0 前言

預制裝配式預應力混凝土梁橋因其可批量生產(chǎn)、施工方便以及經(jīng)濟性好等特點在實際工程中得到廣泛應用，特別是在中小跨徑橋梁建設中優(yōu)勢明顯。但普通預應力混凝土預制構件自重較大，受起重運輸條件限制，其跨徑一般不超過50 m。

作為超高性能混凝土UHPC(Ultra High Performance Concrete)的一種，活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)具有強度高、韌性大、耐久性好等顯著特點，且在長期荷載作用下的徐變很小，在熱養(yǎng)護條件下幾乎沒有收縮[1-3]。RPC的工程應用可望從根本上解決普通混凝土橋梁所面臨的結構自重過大、跨越能力受限和耐久性不足等問題，其一經(jīng)出現(xiàn)，便引起土木工程界的極大關注。

采用預制裝配式法施工的RPC梁式橋，便于構件采用熱養(yǎng)護，可充分發(fā)揮RPC的優(yōu)異性能，保證施工質(zhì)量。因此，RPC有望成為建造裝配式梁橋的一種新型高性能材料。

目前，國外已有一些RPC應用于預制裝配式橋梁的工程實例。加拿大于1997年7月建成了世界上第一座RPC人行橋——Sherbrooke橋，橋跨長60 m，采用RPC預制構件現(xiàn)場組裝而成。采用RPC后，與使用60 MPa級普通高性能混凝土相比，不僅原材料節(jié)省了約60%，而且結構在高濕環(huán)境、頻繁受除冰鹽腐蝕與抗凍融循環(huán)作用下的耐久性能得到了大幅提高[4]。2002年韓國建成了跨度為120 m的RPC拱橋——Peace Bridge。該橋由6段長20 m的π形拱肋拼裝而成，截面高1.3 m，寬4.3 m，頂板厚僅3 cm[5]。

國內(nèi)將RPC應用到橋梁工程中的研究也已逐步開展。遷曹鐵路灤柏干渠大橋工程中制作了20 m跨的預應力RPC簡支T梁，并對其進行了足尺模型試驗研究，證明了RPC在鐵路預制預應力混凝土橋梁應用中的可行性[6]。文獻[7]以主梁的應力和結構的剛度為控制目標，擬定了一座主跨為200 m的RPC連續(xù)鋼構橋，通過與同跨度預應力普通混凝土連續(xù)鋼構橋的比較，探討了RPC在大跨梁式橋中應用的可能性。文獻[8]以主跨1008 m的大跨度鋼主梁斜拉橋設計方案為例，擬定了一座相同跨度的CFRP拉索、RPC主梁斜拉橋方案，分別對兩種方案的受力性能進行了分析與比較，探討了CFRP和RPC在超大跨度斜拉橋中應用的可能性。

本文結合工程背景，擬定了一座RPC裝配式箱梁橋，基于靜力性能的分析結果探討了其在實際工程應用的可行性。

1 方案設計

1.1 總體方案

圖1 背景橋橫向布置(單位: cm)Figure 1 Transversal lay-out of the bridge in project(unit: cm)

圖2 背景橋箱梁跨中截面尺寸及配筋(單位: cm)Figure 2 Dimension and reinforcements at Mid-span Section(unit: cm)

圖3 RPC橋梁橫向布置(單位： cm)Figure 3 Transversal lay-out of the RPC bridge(units: cm)

圖4 RPC橋中梁截面尺寸及配筋Figure 4 Dimension and reinforcements at interior girder section

圖5 預應力鋼束構造立面(半跨)Figure 5 Elevation of prestressed tendons (half span)

1.2 材料參數(shù)

預制梁全部采用立方體抗壓強度標準值為120 MPa的RPC并記為R120。參考文獻[9、10]并偏安全地考慮，R120的軸心抗壓強度標準值取為立方體抗壓強度的0.6倍(C80普通混凝土取值0.63)，即72 MPa，抗拉強度標準值按軸心抗壓強度標準值的1/10考慮，取為7.2 MPa，材料分項系數(shù)取1.5(普通混凝土取值1.45)，彈性模量取46.5 GPa，泊松比0.2，具體取值見表1。

表1 RPC材料參數(shù)Table1 MaterialpropertiesofRPC材料彈性模量/GPa泊松比軸心抗壓強度/MPa抗拉強度/MPa標準值設計值標準值設計值R12046.50.272.048.07.24.8

[2、3]的試驗結果，熱養(yǎng)護條件下成型的R120的收縮應變和徐變系數(shù)取為普通C50混凝土的20%。配筋RPC箱梁的材料容重取27 kN/m3。

普通HRB400級鋼筋的抗拉強度標準值fsk=400 MPa，抗拉強度設計值fsd=330 MPa，彈性模量Es=2.0×105MPa。預應力筋的抗拉強度標準值fpk=1860 MPa，抗拉強度設計值fpd=1260 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa[11]。

2 結構受力性能分析

2.1 規(guī)范適用性討論

目前，國內(nèi)關于RPC結構設計理論的研究仍處于起步階段，沒有專門針對RPC橋梁結構的設計規(guī)范。因而，這里參考《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范(JTG D62 — 2004)》[11](以下簡稱《規(guī)范》)對RPC箱梁橋進行受力性能分析。

對于截面的抗彎承載力，若采用與《規(guī)范》相同的計算方法：極限狀態(tài)時正截面的應力分布簡化為等效矩形分布且不考慮受拉區(qū)混凝土的抗拉作用應該是偏于安全。因為RPC在制備過程中摻入了鋼纖維，其抗拉強度大約是普通混凝土的10倍[3]，RPC構件在發(fā)生受彎破壞時，與普通混凝土受彎構件相比，其截面受拉區(qū)混凝土對抗彎承載力的貢獻較大，加之前述RPC抗壓強度標準值和設計值均較偏安全取值，因此，采用《規(guī)范》公式計算正截面承載能力也應該是偏于安全的。此外，RPC箱梁的普通鋼筋間距、鋼筋保護層厚度等構造要求均參考《規(guī)范》的相關規(guī)定。由于RPC的耐久性優(yōu)于普通混凝土，RPC結構按照普通混凝土的構造要求進行布置顯然更為有利。

為進一步驗證采用《規(guī)范》相應公式對RPC構件承載能力分析的適用性，以RPC梁的試驗結果對其進一步驗證。計算時材料強度取實測的平均值。計算值與文獻[12、13]的試驗結果比較如表2、表3所示?？梢姡骸兑?guī)范》公式抗彎能力的計算值與試驗結果吻合良好且抗剪承載能力計算偏于安全。因此，采用《規(guī)范》公式進行RPC箱梁橋抗彎、抗剪承載能力的計算是安全可行的。

2.2 荷載橫向分布系數(shù)計算

采用剛接梁法[14]計算箱梁邊梁和中梁的活載橫向分布系數(shù)，分別為0.654和0.608。

由于邊梁的受力更為不利，下面僅給出邊梁結構性能的分析結果。

2.3 持久狀況承載能力極限狀態(tài)計算

荷載效應包括： 自重、橋面鋪裝、護欄以及活載。根據(jù)背景橋設計文件，橋面鋪裝自重為4.55 kN/m2，護欄自重取5 kN/m。荷載效應組合采用基本組合，恒載分項系數(shù)取1.2，活載分項系數(shù)取1.4，結構重要性系數(shù)取1.1[11]。

表2 試驗梁抗彎承載力試驗值與規(guī)范計算值比較Table2 Comparisonbetweenthetestandthecomputedvaluesintermsofbendingresistance梁號Mexp/(kN·m)Mcal/(kN·m)Mexp/(Mcal)B1225.4209.81.07B2249.5210.31.19B3245.6210.21.17B4187.9164.21.14B5214.2205.31.04B6208.0205.81.01B7190.2197.90.96B8150.6181.40.83B9139.8137.51.02平均值——1.05標準差——0.11 注:Mexp-抗彎承載力試驗值;Mcal-抗彎承載力規(guī)范計算值。

表3 試驗梁抗剪承載力試驗值與規(guī)范計算值比較Table3 Comparisonbetweenthetestandthecomputedvaluesintermsofshearresistance梁號Vexp/kNVcal/kNVexp/VcalB-2-60-90318.5138.12.31B-2-60-180282.0110.02.56B-2-30-90314.0140.12.24B-2-30-180249.0100.12.49B-2-0-90291.5109.82.65B-2-0-180250.079.93.13B-3-60-90285.5128.92.21B-1-60-90367.5140.02.63平均值——2.53標準差——0.30 注:Vexp-抗剪承載力試驗值;Vcal-抗剪承載力規(guī)范計算值。

2.3.1 結構整體受力驗算

對RPC箱梁的抗彎和抗剪承載力進行了驗算。取內(nèi)力最大截面作為控制截面，按照《規(guī)范》[11]相應公式計算得到截面的承載力如表4所示。

表4 整體受力驗算Table4 Checkingcalculationofthebendingresistanceandshearresistance項目設計值抗力值設計值<抗力值正彎矩/(kN·m)10151.314591.5是負彎矩/(kN·m)5186.410009.6是剪力/kN1898.54676.3是

2.3.2 橋面板橫向抗彎驗算

RPC箱梁兩橫隔板間的頂板長15 m，寬1.89 m，長寬比大于3，因此按單向板對其橫向抗彎能力進行驗算。頂板內(nèi)布設雙層雙向鋼筋網(wǎng)，采用HRB400級鋼筋，直徑8 mm，間距150 mm，保護層厚度取2 cm。

結構驗算時，考慮車輛沖擊力的影響。參考《規(guī)范》[11]，沖擊系數(shù)μ取0.3，車輛輪壓荷載取70 kN(考慮重車后軸重140 kN軸，則單荷載為70 kN)，偏安全地不考慮橋面鋪裝對車輪局部荷載的擴散，按順橋向0.2 m、橫橋向0.6 m的面力施加在頂板上，并且分別布置于對應驗算截面的最不利位置處，計算簡圖如圖6所示。

圖6 橋面板橫向抗彎計算簡圖(單位: cm)Figure 6 Diagram for calculating the bending resistance of deck slab(Unit: cm)

按照《規(guī)范》[11]相應公式進行計算得到單向板和懸臂板的荷載有效分布寬度分別為1.26 m和1.89 m，截面承載力驗算結果如表5所示，表明RPC箱梁頂板的抗彎承載能力滿足要求。

表5 橋面板局部抗彎驗算Table5 Checkingcalculationofthethebendingresistanceofdeckslab項目截面Ⅰ截面Ⅱ截面Ⅲ單寬彎矩設計值(kN(m·m-1))14.520.420.2單寬彎矩抗力值(kN(m·m-1))15.727.227.2設計值<抗力值是是是

2.3.3 橋面板抗沖切承載力驗算

RPC箱梁頂板厚度較薄，僅14 cm，因而有必要對其在車輪荷載作用下的抗沖切承載力進行驗算。

目前，針對RPC板抗沖切承載能力的計算公式尚未見到文獻報道。但已有學者[15]對RPC板進行了沖切試驗，將試驗值與各國規(guī)范計算值進行了對比，并建議采用修正的美國ACI318規(guī)范公式計算RPC板的抗沖切承載力。

本文采用中國規(guī)范JTG D62 — 2004[11]、美國規(guī)范ACI 318 — 14[16]、歐洲模式規(guī)范CEB — FIP MC90[17]以及英國規(guī)范BS 8110 — 85[18]中的抗沖切承載力計算公式進行驗算，結構驗算時考慮車輛沖擊力的影響，沖擊系數(shù)與車輪荷載取值同上節(jié)。驗算結果如表6所示?？梢姡焊鲊?guī)范計算值有所差異，但RPC箱梁頂板抗沖切承載力均滿足各國規(guī)范要求。

表6 RPC箱梁頂板抗沖切驗算Table6 CheckingcalculationofthepuncingresistanceofRPCtopslab規(guī)范設計值/kN抗力值/kN設計值<抗力值中國規(guī)范140.1754.0是美國規(guī)范140.1635.8是歐洲模式規(guī)范140.1409.2是英國規(guī)范140.1390.5是

2.3.4 錨固區(qū)局部承壓驗算

為檢驗RPC箱梁預應力錨固區(qū)局部受力性能，對其進行局部承壓區(qū)承載力及抗裂性驗算。體內(nèi)束采用群錨15 — 7型錨具，錨墊板尺寸為172 mm×172 mm。錨下RPC按構造要求設置HRB400級螺旋加強筋，直徑12 mm，螺旋圈直徑d=172 mm，螺距s=50 mm，圈數(shù)n=4。負彎矩束采用扁錨15 — 3型錨具，錨墊板尺寸為180 mm×70 mm，不配置加強筋。按照《規(guī)范》[11]相應公式對其進行驗算，驗算結果如表7所示?？梢娋植砍袎簼M足要求。

表7 預應力錨固區(qū)局部承壓驗算Table7 Checkingcalculationofthelocalpressure位置項目設計值抗力值設計值<抗力值局部承壓抗裂驗算/kN639.91106.4是扁錨錨固區(qū)局部承壓承載力/kN639.9766.0是局部承壓抗裂驗算/kN1493.12987.7是群錨錨固區(qū)局部承壓承載力/kN1493.12853.8是

2.4 持久狀況正常使用極限狀態(tài)計算

荷載效應包括：自重、橋面鋪裝、護欄、預應力以及活載，其中預應力荷載分項系數(shù)取為1.0[11]。

考慮到RPC材料的抗拉強度較高，因此按A類預應力構件設計，并對RPC箱梁橋進行相應的抗裂、應力及撓度驗算。

抗裂驗算應滿足：在作用短期效應組合下，

正截面抗裂σst-σpc≤0.7ftk

(1)

斜截面抗裂σtp≤0.7ftk

(2)

在作用長期效應組合下，

正截面抗裂σlt-σpc≤0

(3)

式中:σst為在作用短期效應組合下構件邊緣混凝土法向拉應力；σpc為扣除預應力損失后的預加力在構件邊緣產(chǎn)生的混凝土預壓應力；σtp為由作用短期效應組合和預加力產(chǎn)生的混凝土主拉應力；ftk為混凝土抗拉強度標準值。

持久狀況截面應力驗算，截面受壓區(qū)最大壓應力及主壓應力須滿足：

σkc+σpt≤0.5fck

(4)

σcp≤0.6fck

(5)

式中:σkc+σpt為由作用標準值和預加力產(chǎn)生的構件正截面混凝土的壓應力；σcp為由作用標準值和預加力產(chǎn)生的混凝土主壓應力；fck為混凝土抗壓強度標準值。

撓度驗算應滿足主梁在消除自重產(chǎn)生的長期撓度后的撓度最大值小于計算跨徑的1/600。RPC在長期荷載作用下的徐變很小，設計時偏安全地將其撓度長期增長系數(shù)按普通混凝土(C80)的取值進行考慮取1.35[11]。

具體驗算結果如表8所示。

表8 使用階段應力及撓度驗算Table8 Checkingcalculationofthestressanddeflectionduringservicestage驗算對象正截面抗裂驗算/MPa斜截面抗裂驗算/MPa壓應力驗算/MPa主壓應力驗算/MPa撓度驗算/cm短期組合應力限值長期組合應力限值短期組合應力限值標準組合應力限值標準組合應力限值豎向撓度撓度限值RPC0.55.0-0.10.01.95.0-11.9-36.0-11.9-43.22.65.0 注:應力以拉為正,以壓為負。

從表中驗算結果可見： RPC箱梁橋各項指標均滿足《規(guī)范》[11]的相關規(guī)定，且各項驗算值與限值相比具有較大的安全儲備，可見RPC箱梁橋結構能夠滿足正常使用的要求。

綜合以上分析結果可知：所提出的RPC箱梁橋方案能夠滿足結構受力和變形要求。

3 經(jīng)濟性能對比

RPC箱梁橋與背景橋的經(jīng)濟性能指標的對比結果如表9所示。

表9 30m跨連續(xù)箱梁經(jīng)濟性能對比Table9 Comparisonofeconomyoftwo30mcontinuousboxgirders項目普通混凝土箱梁RPC箱梁節(jié)省量每跨所用混凝土/m3181.8135.646.2(25.4%)預應力鋼束/kg9238.56698.52540.0(27.5%)每片梁重量/t85.678.96.7(7.8%) 注:括號內(nèi)的數(shù)字表示采用RPC后箱梁材料節(jié)省量與普通混凝土箱梁材料用量之比。

對比可知： 同為30 m跨的連續(xù)箱梁橋，RPC箱梁較普混凝土箱梁：混凝土用量減少25.4%、預應力鋼筋用量減少27.5%。此外，背景橋每跨橫向布置5片箱梁，而RPC箱梁橋僅布置4片箱梁，主梁片數(shù)減少20%，但每片梁重卻減輕7.8%，可見RPC箱梁橋更具經(jīng)濟性且施工更趨簡便。

RPC屬于新型建筑材料，目前尚處于研究階段，工程實際應用較少，使得其市場價格較高。但隨著工程應用的不斷推廣，RPC的材料價格將隨之下降。此外，RPC具有極高的耐久性，將大大減少或免除橋梁結構的后期維護費用，延長其使用壽命，從而降低工程建設和使用的綜合造價。

4 結語

以一座4×30 m裝配式預應力混凝土先簡支后連續(xù)箱梁橋為背景，基于使用高性能新型材料來減輕結構自重、增加結構耐久性的理念，將活性粉末混凝土RPC應用于工程實例，擬定了一座同等跨徑的RPC裝配式連續(xù)箱梁橋，并對其受力性能進行了分析，得到以下結論：

① 所擬定RPC箱梁橋方案的整體和局部受力性能均滿足規(guī)范要求且存較大的安全儲備。

② 采用RPC可使主梁板件厚度減薄、主梁片數(shù)減少，與普通混凝土結構方案相比，整橋混凝土和預應力鋼筋用量可分別減少25.4%和27.5%。

因此，RPC箱梁橋作為預制裝配式橋梁結構的一種可供選擇的方案，具有進一步研究、推廣的價值。

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Behaviors of Precast Fabricated Box Girder Bridge using Reactive Powder Concrete

WEI Yaxiong , FANG Zhi

(College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha, Hunan 410082, China)

A new kind of ultra-high performance cement-based material, RPC(Reactive Powder Concrete), can significantly reduce the weight of structure and decrease the inertia load, when applying to build the prefabricated beam of bridge. It has lower shrinkage and high durability after hot water curing. Base on a project of a 4×30 m prefabricated PC continuous box girder bridge, a prefabricated box girder bridge with the same span using RPC was designed. Its mechanical properties were studied and a comparative study of the economy of the PC and RPC bridges were carried out. The results showed that, both the overall and the local mechanical properties of the RPC bridge met the specification requirements, and its stress level or deformation during service even had more safety margin. The plate section of girder became thinner, and the consumption of concrete and prestressd tendons decreased by 25.4% and 27.5%. Therefore, the prefabricated RPC box girder bridge was proven to be a favorable plan and can be applied widely in the future.

bridge engineering; reactive powder concrete; prefabricated box girder bridge; mechanical properties; economy

2015 — 05 — 26

教育部高等學校博士點專項科研基金項目(20120161110021)

魏亞雄(1990 — )，男，湖南長沙人，主要研究方向為橋梁工程。

U 448.21+8

A

1674 — 0610(2016)05 — 0011 — 06