(長沙市公路橋梁建設有限責任公司， 湖南 長沙 410013)

0 引言

預應力混凝土橋梁由于普通混凝土(NC)力學特性低、耐久性差、環(huán)保性較差等問題，將無法滿足橋梁設計發(fā)展要求。從我國綠色、生態(tài)、環(huán)保建設發(fā)展理念出發(fā)，利用現有水泥基原材料，開發(fā)低碳、環(huán)保高性能混凝土橋梁迫在眉睫。活性粉末混凝土(RPC)是一種超高性能混凝土[1]，RPC材料標準抗壓強度在170～220 MPa的范圍內，是NC材料的數倍；其次，RPC材料的斷裂能大于10 kJ/m2，基本與金屬鋁相近。此外，從徐變系數、氯離子擴散速度方面對比發(fā)現，RPC材料的耐久性遠遠優(yōu)于NC材料。因此RPC材料具備超高強、高韌性、耐久性優(yōu)異等特點。RPC材料制作的結構物自重與鋼結構相當，強度卻可與鋼結構媲美，而造價僅為鋼結構的1/3，因此這種材料在各工程領域均具有極高的推廣與應用價值。

在國內外RPC材料已推廣至橋梁領域，1997年加拿大在魁北克省的Magog河上，利用RPC預制構件，采用預應力后張工藝，建設了一座長度達60 m的人行天橋，實現了RPC材料從理論研究到工程實際的飛躍[2];2005年美國在高等級公路上，建設了第1座RPC橋梁——Wapello County Mars Hill Bridge[3]，該橋梁為單跨簡支梁橋，由3片RPC球緣T型梁組成，高跨比1∶31.5，2006年度波特蘭水泥協(xié)會認為該橋是橋梁未來的發(fā)展趨勢，授予了橋梁專項獎。盡管RPC的研究與應用在國內外取得了一些進步[4-7]，但目前國內外關于RPC橋梁經濟性研究甚少，這在一定程度上阻礙了RPC材料在我國橋梁建設中的應用和推廣[8-9]。

橫向分塊的裝配式簡支T型梁橋因標準化預制、運輸、架設、安裝均較簡單，且結構形式、受力原理簡單、合理，是中小跨徑橋梁的主力橋型。為了研究RPC橋梁的經濟性，以一跨40 m預應力鋼絞線普通混凝土簡支T型梁橋為例，用RPC材料替代NC(普通混凝土)，在保證梁板強度、剛度的前提下，對T梁橫截面尺寸進行優(yōu)化研究，提出一種優(yōu)化截面后的預應力鋼絞線RPC梁橋，此外，為對比研究預應力CFRP筋橋梁的經濟性，用CFRP筋替代鋼絞線，提出一種預應力CFRP筋RPC梁橋。對上述3種橋梁的力學特性與經濟性進行對比分析。

1 3種對比橋梁簡介

1.1 預應力鋼絞線NC梁橋

在我國高速公路簡支梁橋中40 m T梁應用較多，40 m跨徑NC簡支T梁的主梁立面圖與橫斷面圖如圖1、圖2所示，預應力筋的立面布置圖如圖3所示。橋面寬度為11 m+2×0.5 m，設計荷載為公路-Ι級，預應力筋為低松弛鋼絞線，公稱直徑d=15.24 mm，標準抗拉強度為1 860 MPa，鋼絞線具體工程量如表1所示，施工工藝為兩端同時對稱張拉，錨下張拉控制應力為0.75倍設計抗拉強度，為1 395 MPa。

圖1 1/2主梁立面(單位：cm)

圖2 梁橋橫斷面圖(單位：cm)

圖3 普通混凝土T梁鋼束立面布置圖(單位：cm)

表1 鋼絞線每束根數根N1N2N3N47799

1.2 預應力鋼絞線RPC梁橋

NC梁橋混凝土C50力學參數參照規(guī)范[10]，本文所涉及的預應力RPC梁橋力學參數參照Wapello County Mars Hill Bridge設計參數[3]，NC與RPC的力學參數如表2所示。

表2 NC(C50)與RPC力學參數材料標準值/MPa設計值/MPa軸心抗壓軸心抗拉軸心抗壓軸心抗拉彈性模量/GPaC5032.42.6423.11.8934.5RPC12012.582.88.645

考慮到RPC梁橋優(yōu)異的力學特性，在預應力鋼絞線NC T梁的基礎上將T梁截面進行優(yōu)化設計，T梁高度由2.5 m調整為1.6 m，翼緣厚度減薄為150 mm，其它尺寸保持不變，優(yōu)化截面后的RPC梁橋預應力筋的布置與NC梁橋相同，預應力筋立面布置圖如圖4所示。由于RPC材料具備優(yōu)異的耐久性，預應力鋼絞線RPC材料T梁可以設計成運營期梁底容許出現拉應力的部分預應力構件(A類構件)，非預應力筋僅包括箍筋，箍筋間距擴大為NC材料T梁的3倍。由于RPC材料具備優(yōu)異的抗壓性能，若如NC梁橋的預應力筋張拉控制應力設置成0.65倍設計抗拉強度，則預應力筋達到設計抗拉強度后，RPC材料的抗壓強度尚處于較低水平，無法充分利用RPC材料優(yōu)異的抗壓強度，經濟性差，因此預應力鋼絞線RPC材料T梁預應力筋錨下控制應力降低為0.65倍設計抗拉強度，為1 209 MPa，施工工藝仍采用兩端同時、對稱張拉。

圖4 RPC梁橋T梁鋼束立面布置圖(單位：cm)

1.3 預應力CFRP筋RPC梁橋

預應力CFRP筋RPC材料梁橋設計參數與預應力鋼絞線RPC材料梁橋設計參數一致，用CFRP筋替代鋼絞線作為梁橋的預應力筋，CFRP筋為近年出現的一種新型碳纖維材料，抗拉強度為1 735 MPa，彈性模量為150 GPa。由于CFRP筋不會銹蝕，同時考慮到RPC材料優(yōu)異的耐久性，預應力CFRP筋RPC梁橋可以設計成梁底容許出現裂縫的部分預應力混凝土構件(B類構件)。T梁非預應力筋僅包括箍筋，箍筋間距擴大為NC材料T梁的3倍。為充分利用RPC材料超高的抗壓強度，并考慮到預應力CFRP筋RPC梁橋為預應力構件中的B類構件，其錨下控制應力可進一步降低為0.55倍設計抗拉強度，為1 402 MPa，施工工藝仍采用兩端同時、對稱張拉。

2 對比分析

2.1 力學性能分析

通過有限元軟件Midas Civil建立預應力鋼絞線NC梁橋與RPC梁橋模型，其中預應力鋼絞線NC梁橋的預應力筋張拉控制應力為1 395 MPa；預應力鋼絞線RPC梁橋的預應力筋張拉控制應力為1209 MPa；預應力CFRP筋RPC梁橋預應力筋張拉控制應力為1 402 MPa，3個模型分別用A0、A1、A2表示。計算得各模型預應力損失、錨下有效控制應力、內力、撓度，計算結果如表3所示。

表3 模型A0、A1、A2計算結果模型預應力/MPa永存預應力/MPa跨中截面彎矩/(kN·m)張拉張拉控制應力1號筋2號筋3號筋4號筋預應力荷載恒載A0后張(75%張拉)1 3951 0141 0401 0691 099-6.63×1035.60×103A1后張(65%張拉)1 2091 0491 0701 0931 115-4.30×1034.61×103A2先張(55%張拉)1 4021 2901 3021 3251 348-2.50×1034.61×103跨中截面彎矩/(kN·m)極限承載力驗算跨中撓度跨中下緣應力/MPa車道荷載極限承載力作用效應S/(kN·m)承載能力設計值R/(kN·m)r0S/R恒載和預應力共同作用/mm車道荷載/mmΔ/l作用長期效應組合作用短期效應組合3.02×1031.09×1041.09×1041.33×1040.820-30.8118.871/3 261-6.60-4.683.02×1039.76×1039.76×1031.07×1040.912-7.9046.221/1 016-1.502.553.02×1039.76×1039.76×1031.06×1040.921-4.0148.151/8823.597.79 注:彎矩以梁底受壓為“-”,受拉為“+”;位移以向下為“+”,向上為“-”;應力以使混凝土纖維受壓為“-”,受拉為“+”。

由表3的數據可知：

依據《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)，預應力鋼絞線RPC梁橋在極限承載組合作用下r0S≤R(r0=1)，即強度驗算合格。在車道荷載及恒載與預應力共同作用下，主橋跨中的豎向撓度最大值為38.32 mm，撓跨比為1/1 016(計算跨徑取38.94 m)，滿足構件在移動荷載作用下的最大豎向撓度不得超過計算跨徑的1/600的要求，即剛度驗算合格。在長期荷載效應作用下，跨中受壓，壓應力為1.50 MPa;短期荷載效應作用下，跨中受拉，拉應力為2.55 MPa(<0.7ftk=8.4 MPa)，滿足A類構件的抗裂驗算要求。

根據《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)，預應力CFRP筋RPC梁橋在極限承載組合作用下r0S≤R(r0=1),即強度驗算合格。在車道荷載及恒載與預應力共同作用下，主橋中跨的豎向撓度最大值為44.14 mm，撓跨比為1/882(計算跨徑取38.94 m)，滿足構件在移動荷載作用下的最大豎向撓度不得超過計算跨徑的1/600的要求，即剛度驗算合格。在長期荷載效應作用下，跨中受拉，拉應力為3.59 MPa；短期荷載效應作用下，跨中受拉，拉應力為7.79 MPa(<0.7ftk=8.4 MPa)，滿足B類構件的抗裂驗算要求。

在NC梁橋基礎上，通過優(yōu)化截面提出的RPC梁橋，結構的剛度、強度滿足設計要求，自重卻大幅度降低，達到22.6%，對提高預制T梁的移動、運輸、安裝效率，降低費用具有重要意義。

2.2 經濟性分析

1片預應力鋼絞線NC梁(B0)、預應力鋼絞線RPC梁(B1)與預應力CFRP筋RPC梁(B2)材料用量如表4所示。以40 m梁橋為例，橋寬24 m，橋梁橫向一跨設置10片預制梁，預應力鋼絞線NC梁橋(C0)、預應力鋼絞線RPC梁橋(C1)與預應力CFRP筋RPC梁橋(C2)的上部結構預制梁預算如表5所示。

橋梁工程經濟性分析不僅包括建設投資，還包括后期的維修、養(yǎng)護投資。已建工程數據表明，正常情況下一座一跨40 m預應力鋼絞線NC(C50混凝土)梁橋的建設總投資約為395萬元，由表5數據可知，上部結構預制T梁的混凝土、鋼絞線與普通鋼筋的投資總計約為60.6萬元，因而除預制T梁部分，其他構建(樁基、下部結構、橋面系等)建設總投資約為334.4萬元。以往數據表明，預應力鋼絞線NC梁橋后期的養(yǎng)護維修費用約占總投資的10%，即39.5萬元。由上述分析可知,一座40 m跨預應力鋼絞線NC簡支梁橋在整個壽命周期內的總投資約為434.5萬元。

表4 1片NC、RPC梁材料表類別混凝土體積/m3預應力筋用量Ⅰ/kg用量Ⅱ/m普通鋼筋用量/kgB036.11 4003 559B127.51 4002 614B227.51 5362 614

表5 NC、RPC梁橋上部結構預制梁預算比較類別混凝土預應力筋普通鋼筋體積/m3單價/(元·m-3)金額/萬元用量Ⅰ/kg用量Ⅱ/m單價Ⅰ/(元·kg-1)單價Ⅱ/(元·m-1)金額/萬元普通鋼筋用量/kg單價/(元·kg-1)金額/萬元金額總計/萬元C036175027.114 0009.212.935 5905.820.660.6C12752 70074.314 0009.212.926 1405.815.2102.4C22752 70074.315 360140215.026 1405.815.2304.5

預應力鋼絞線RPC梁橋除了上部結構預制T梁(T梁混凝土、鋼絞線、普通鋼筋)與預應力鋼絞線NC梁橋不同外，其他建設投資(樁基、下部結構、橋面系等)相同。由表5數據可知,預應力鋼絞線RPC梁橋的上部結構預制T梁投資約為102.4萬元，由于RPC具有很好的耐久性，可以不考慮預應力鋼絞線RPC梁橋后期的養(yǎng)護、維修費用，因此一座40 m預應力鋼絞線RPC簡支梁橋在整個壽命期間的總投資約為436.8萬元。

預應力CFRP筋RPC梁橋除了上部結構預制T梁(T梁混凝土、鋼絞線、普通鋼筋)與預應力鋼絞線NC梁橋不同外，其他建設投資(樁基、下部結構、橋面系等)相同。由表5數據可知,預應力CFRP筋RPC梁橋的上部結構預制T梁總投資約為304.5萬元，由于RPC具有很好的耐久性，以及CFRP筋能夠防銹蝕，預應力CFRP筋RPC梁橋也不需要考慮運營期間的養(yǎng)護、維修費用。因此一座40 m預應力CFRP筋RPC簡支梁橋在整個壽命周期內的總投資約為638.9萬元。

通用對上述3類橋型整個壽命周期的投資分析可知：

1) 相比于40 m跨預應力鋼絞線NC梁橋，預應力鋼絞線RPC梁橋總投資略微增加，僅為0.5%，預應力CFRP筋RPC梁橋的總投資增加幅度較大，達到47.0%。

2) 相比于預應力鋼絞線NC梁橋，預應力CFRP筋RPC梁橋總投資較高，主要是因為CFRP筋的價格很高，因此目前預應力CFRP筋RPC梁橋的建造在經濟上的可行性并不大。

3) 相比于預應力鋼絞線NC梁橋，預應力鋼絞線RPC梁橋總投資提高得很小，可以通過加強工程管理等措施來克服。

4) 在上述分析中尚未考慮由于RPC梁橋自重的減輕所造成的運輸、安裝費用的降低。其次，RPC材料具有很好的耐久性、環(huán)保性，能夠減小結構尺寸、自重，增強結構的抗震、防撞性能，因此預應力鋼絞線RPC梁橋具有較好的綜合經濟優(yōu)勢。

3 結語

通過對預應力鋼絞線NC梁橋、預應力鋼絞線RPC梁橋與預應力CFRP筋RPC梁橋進行受力性能分析與經濟性對比,可以得出：

1) 在滿足結構設計強度、剛度要求的條件下，相比于預應力鋼絞線NC梁橋，預應力鋼絞線RPC梁橋自重減輕達到22.6%，能極大地方便預制梁的吊裝、運輸、安裝，有利于提高橋梁跨越性能。

2) 由于RPC材料優(yōu)異的力學特性，預應力鋼絞線RPC梁橋在滿足受力性能的條件下能夠極大地減小截面尺寸，在建筑高度受限地區(qū)，如城市立交橋、人行天橋等外部環(huán)境受限的條件下，具有廣闊的應用前景。

3) 以橋梁工程整個壽命期間投資為研究對象，預應力鋼絞線RPC梁橋的總投資與預應力鋼絞線NC梁橋基本持平，但RPC梁橋具有很好的耐久性與環(huán)保性，從長遠角度看，預應力鋼絞線RPC梁橋具有較好的綜合經濟優(yōu)勢。