劉 琛,陳應(yīng)陶,楊少軍,高明昌,王飛華

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

超高性能混凝土UHPC (Ultra-high Performance Concrete)是當(dāng)今國際上最具創(chuàng)新性和實(shí)用性的水泥基復(fù)合材料。由于UHPC具有優(yōu)異的力學(xué)和耐久性能，在橋梁工程需求輕質(zhì)高強(qiáng)、快速架設(shè)、經(jīng)久耐用的背景下，引起了橋梁界的極大興趣和高度重視，在橋梁領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。在中國工程院戰(zhàn)略咨詢中心等單位發(fā)布的《全球工程前沿2018》報告中，超高性能混凝土與智能水泥基復(fù)合材料列在土木、水利與建筑工程中工程前沿發(fā)展態(tài)勢的第2位[2]。

世界各國應(yīng)用UHPC作為主體結(jié)構(gòu)材料的公路及市政橋梁已超過150座，而鐵路UHPC橋梁未見應(yīng)用報道。為促進(jìn)UHPC在鐵路橋梁主體受力結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列的理論研究和試驗(yàn)研究。邵旭東[3]等研發(fā)了裝配式UHPC箱梁結(jié)構(gòu)、全預(yù)制UHPCπ形梁和全預(yù)制鋼-UHPC輕型組合π形梁3類UHPC裝配式橋梁結(jié)構(gòu)的受力性能；吳延偉[4]開展了UHPC箱梁的薄板屈曲研究，通過試驗(yàn)歸納了UHPC薄板的屈曲破壞形態(tài)以及屈曲荷載計(jì)算方法，通過理論公式推導(dǎo)了UHPC箱梁懸臂板和腹板間頂板的臨界板厚比；孫明德[5-6]研究了高強(qiáng)鋼筋活性粉末混凝土構(gòu)件抗彎及穩(wěn)定性能，提出了UHPC軸拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的實(shí)用簡化模型、高強(qiáng)鋼筋和活性粉末混凝土的粘結(jié)應(yīng)力-滑移過程和破壞形式等；劉琛[7-8]開展了高速鐵路簡支梁截面形式研究和48 m UHPC簡支箱梁設(shè)計(jì)研究，并對1∶2縮尺模型梁在靜載彎曲試驗(yàn)中的受力特性進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[9-16]還對UHPC橋梁其他關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了研究。

盡管UHPC鐵路橋梁的各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)和設(shè)計(jì)方法，以及抗拉、抗彎、抗剪等試驗(yàn)研究已取得一定的成果，但是UHPC鐵路橋梁在國內(nèi)仍然沒有應(yīng)用先例。結(jié)合中國國家鐵路集團(tuán)有限公司關(guān)于UHPC簡支梁課題研究的最新成果，擬在蘭州至張掖高速鐵路十八里堡特大橋開展UHPC橋梁的首次建造應(yīng)用。

1 項(xiàng)目概況

蘭州至張掖鐵路是中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃中的高速鐵路區(qū)域連接線，中川機(jī)場至武威段是蘭州至張掖鐵路的組成部分。本項(xiàng)目十八里堡特大橋位于甘肅省武威市古浪縣附近，橋位見圖1。該橋地處動峰值加速度0.3g的高烈度地震區(qū)，橋梁高度達(dá)55 m，線路縱坡25‰。該橋設(shè)計(jì)需解決大跨度混凝土橋梁地震響應(yīng)大這一突出問題。利用UHPC材料高力學(xué)性能的特點(diǎn)建造56 m UHPC組合簡支梁，使本橋具有梁重輕、溫度跨小、徐變小等優(yōu)勢。十八里堡特大橋施工圖批復(fù)采用的孔跨布置為9-56 m UHPC組合簡支梁+(2 m×56 m)預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)，56 m UHPC簡支梁采用梁場節(jié)段預(yù)制后造橋機(jī)拼裝施工，2 m×56 m預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)采用懸臂澆筑后轉(zhuǎn)體施工。該橋主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下。

(1)設(shè)計(jì)使用年限：100年。

(2)設(shè)計(jì)速度：250 km/h。

(3)線路標(biāo)準(zhǔn)：雙線，線間距4.6 m，CRTSⅠ雙塊式無砟軌道，軌面至梁頂平坡段軌道結(jié)構(gòu)高度725 mm。

(4)活載：ZK活載。

圖1 十八里堡特大橋橋位

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 梁體構(gòu)造及鋼束布置

梁體采用單箱單室組合截面(先期U形UHPC+C50混凝土橋面板)。計(jì)算跨度54.8 m，梁全長57.1 m，梁頂寬12.2 m，底寬6 m，最低點(diǎn)梁高5.3 m。箱梁下部底板及腹板采用UHPC材料，腹板厚度25 cm，底板厚度25 cm，U梁頂板厚30 cm，寬度90 cm，梁端部分對頂?shù)装寮案拱搴穸冗M(jìn)行加強(qiáng)。箱梁上部C50混凝土橋面板厚度30～50 cm。箱梁兩端設(shè)置150 cm厚橫隔墻?？缰邢淞簲嗝嫒鐖D2所示。根據(jù)以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，1孔梁UHPC圬工310 m3，C50混凝土圬工285 m3，合計(jì)595 m3，遠(yuǎn)低于常規(guī)普通混凝土56 m簡支梁825 m3。

圖2 1/2 跨度56 m UHPC組合梁跨中截面(單位：cm)

U梁腹板及底板預(yù)應(yīng)力鋼束均采用1 860 MPa級的體內(nèi)束，底板布置12束15-φj15.2 mm鋼束，腹板布置14束15-φj15.2 mm鋼束。C50混凝土橋面板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2.2 梁段劃分

箱梁預(yù)制段長度按照梁段吊裝質(zhì)量控制在200 t以內(nèi)，并以減少梁段種類為原則進(jìn)行劃分。每跨箱梁采用奇數(shù)分塊，跨中不設(shè)接縫，對稱布置。本橋56 m簡支箱梁預(yù)制梁段1號段長度5.4 m，其他梁段長度4.25 m。整孔梁共分為11個梁段，10個接縫。1號段和11號段最重，吊裝質(zhì)量179.8 t，跨中梁段質(zhì)量127 t，梁段劃分及接縫位置示意見圖3。全橋總質(zhì)量為1 547 t，而普通混凝土膠拼簡支梁梁質(zhì)量為2 145 t，UHPC組合梁質(zhì)量約為普通混凝土梁質(zhì)量的72%。

圖3 1/2 跨度56 m UHPC組合梁梁段劃分示意

2.3 剪力鍵構(gòu)造

由于頂?shù)装寮袅︽I抗剪效應(yīng)不明顯，設(shè)計(jì)計(jì)算時只考慮腹板剪力鍵。剪力鍵按密鍵形式布置，除在腹板布置剪力鍵外，還在底板和頂板布置定位剪力鍵，剪力鍵采用梯形，鍵頂寬18 cm，鍵根部寬30 cm，鍵高6 cm。因本梁為薄壁箱形截面，底板和腹板剪力鍵設(shè)置沿板厚通長。頂板剪力鍵在頂板頂面設(shè)擠膠槽口，槽口深1 cm，寬2 cm?？缰辛憾渭袅︽I構(gòu)造如圖4所示。

圖4 跨中梁段剪力鍵構(gòu)造示意(單位：cm)

3 施工步驟

UHPC同普通混凝土相比，因采用較小的水膠比而坍落擴(kuò)展度較低、工作性能較差，且需要高溫蒸養(yǎng)[17]?？紤]到工作性能問題和蒸養(yǎng)環(huán)境問題所限，設(shè)計(jì)推薦采用工廠節(jié)段預(yù)制并高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)后，造橋機(jī)膠接拼裝成孔。

主要施工步驟為：在梁場預(yù)制U形 UHPC梁段→UHPC梁段高溫蒸養(yǎng)→U形梁段強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后在U形梁段頂部澆筑C50混凝土橋面板，橋面板通過U形梁段預(yù)留鋼筋進(jìn)行連接→整個節(jié)段養(yǎng)生→利用既有梁段匹配制作下一梁段→所有梁段制作完成后吊裝至造橋機(jī)→梁段就位并涂刷環(huán)氧膠→張拉臨時預(yù)應(yīng)力鋼筋→張拉預(yù)應(yīng)力鋼束→施工橋面附屬設(shè)施→成橋運(yùn)營。圖5為U形梁段和整孔梁段斷面示意。

圖5 U形梁段和整孔梁段斷面示意

4 UHPC組合簡支梁計(jì)算分析

UHPC組合簡支梁同常規(guī)節(jié)段預(yù)制拼裝混凝土簡支梁相比，還具有以下特點(diǎn)，應(yīng)在計(jì)算分析時著重考慮。

4.1 UHPC組合梁計(jì)算模型

UHPC組合梁應(yīng)采用有限元軟件建立雙層空間梁單元計(jì)算分析，根據(jù)施工順序，組合截面形成后，作用在組合截面上的彎矩M由3部分組成[18]，一是C50橋面板承擔(dān)的彎矩MC50，二是U梁承擔(dān)的彎矩MU，三是分別作用在兩者之上的軸向力構(gòu)成的力偶矩。彎矩分配示意見圖6，對U梁和C50混凝土橋面板應(yīng)分別檢算，運(yùn)營階段主要計(jì)算結(jié)果見表1，根據(jù)表1可知，本橋計(jì)算滿足規(guī)范相關(guān)規(guī)定。

圖6 UHPC組合簡支梁計(jì)算圖示

表1 主力工況主要計(jì)算結(jié)果

4.2 箱梁薄壁效應(yīng)計(jì)算

板的厚度t與板的最小寬度b相比，當(dāng)(1∶80)～(1∶100)

(1)剪力滯效應(yīng)

剪力滯效應(yīng)的主要分析方法有彈性理論解法、比擬桿法、能量變分法、有限元數(shù)值法等。本次設(shè)計(jì)采用實(shí)體單元有限元數(shù)值法計(jì)算，主要計(jì)算截面恒載應(yīng)力見圖7及表2。從圖7及表2可知，頂板和底板實(shí)體模型計(jì)算結(jié)果顯示受力較均勻，跨度56 m UHPC箱梁剪力滯效應(yīng)并不突出，頂板剪力滯系數(shù)在1.09～0.91，底板剪力滯系數(shù)約為1.0。

圖7 剪力滯計(jì)算圖示(單位： MPa)

表2 恒載剪力滯系數(shù)計(jì)算

(2)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

高速鐵路列車在豎向靜活載作用下梁體扭轉(zhuǎn)引起的軌面不平順限值，在3 m長的線路范圍一線兩根鋼軌的豎向相對變形量不應(yīng)超過1.5 mm。建立全橋?qū)嶓w模型，UHPC和C50橋面板均采用6面體實(shí)體單元，模型見圖8，該工況位移計(jì)算結(jié)果見圖9及表3。

圖8 梁體1/4實(shí)體模型圖示

圖9 靜活載作用下梁體豎向位移(單位：mm)

表3 梁體扭轉(zhuǎn)引起的軌面位移差

從表3可知，單線ZK荷載作用下的位移最大值在跨中，下?lián)?.2 mm(↓)。設(shè)線路左軌下箱梁節(jié)點(diǎn)位移為Dz，橋長增加3 m處右軌下箱梁節(jié)點(diǎn)豎向位移為Dy，L/8跨附近兩者差值最大為1.17 mm，滿足規(guī)范不超過1.5 mm的要求。

(3)箱梁穩(wěn)定性分析

施工階段計(jì)算時箱梁自重設(shè)為常量，二期恒載、腹板鋼束張拉力、底板鋼束張拉力為變量，最小穩(wěn)定安全系數(shù)26.8，失穩(wěn)模態(tài)為預(yù)應(yīng)力鋼束張拉引起的底板局部屈曲，見圖10。運(yùn)營階段計(jì)算時，箱梁自重及二期恒載為常量，左線ZK荷載、右線ZK荷載為變量，最小穩(wěn)定安全系數(shù)110.5，施工及運(yùn)營階段均滿足規(guī)范要求。

圖10 施工階段1階失穩(wěn)模態(tài)

4.3 UHPC收縮徐變計(jì)算

(1)收縮效應(yīng)

UHPC需高溫蒸養(yǎng)，蒸養(yǎng)后收縮基本為0，而普通混凝土收縮一般在3年以后才終止。因此，UHPC組合梁存在相對收縮問題，即在U梁上現(xiàn)澆橋面板時，橋面板收縮受U梁約束產(chǎn)生拉應(yīng)力。

橫向相對收縮采用對整體灌注的C50混凝土橋面板按降低溫度15 ℃計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖11，梁段約束方向水平最大位移0.8 mm；最大主拉應(yīng)力1.9 MPa、最大主壓應(yīng)力4 MPa。U梁與橋面板連接位置應(yīng)力較為集中，U梁和橋面板在收縮方向應(yīng)配置一定數(shù)量的鋼筋承擔(dān)相對收縮應(yīng)力。

縱向相對收縮按本文推薦的雙層空間梁單元模型計(jì)算時，其結(jié)果已包含縱向相對收縮的影響。具體分析該項(xiàng)增量時，可按照鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常采用的基于有效彈性模量的虛擬荷載法計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，收縮引起橋面板上緣拉應(yīng)力0.9 MPa，下緣拉應(yīng)力1.1 MPa，U梁上緣壓應(yīng)力2.2 MPa，U梁下緣壓應(yīng)力0.2 MPa。

圖11 梁段收縮效應(yīng)計(jì)算圖示

(2)徐變效應(yīng)

鐵路及公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范中，普通混凝土徐變系數(shù)終極值最低為1.0，現(xiàn)行的各有限元計(jì)算軟件在計(jì)算混凝土徐變效應(yīng)時最低系數(shù)采用該值。而對于UHPC，在高溫蒸養(yǎng)48 h后，徐變系數(shù)終極值僅為0.5～0.3[20]，與普通混凝土差異較大。因此，采用有限元分析軟件計(jì)算徐變效應(yīng)時應(yīng)對其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。建議方法為：建立雙層空間梁單元模型，調(diào)整UHPC梁的濕周和首次加載齡期，使其徐變系數(shù)終極值為1.0，計(jì)算U梁徐變系數(shù)為1的各截面應(yīng)力分布，將UHPC梁近似為鋼梁計(jì)算U梁徐變系數(shù)為0的各截面應(yīng)力分布，兩項(xiàng)結(jié)果平均后可近似作為UHPC梁經(jīng)相對徐變影響后的實(shí)際應(yīng)力。

5 結(jié)論

(1)蘭州至張掖高速鐵路十八里堡特大橋主跨56 m UHPC組合簡支箱梁的設(shè)計(jì)批復(fù)，為高速鐵路橋梁建設(shè)主體結(jié)構(gòu)采用鋼、混凝土之外提供了一種新型建筑材料，56 m UHPC簡支梁僅為同跨普通混凝土梁梁質(zhì)量的72%。

(2)提出UHPC組合薄壁簡支梁剪力鍵的主要構(gòu)造形式。

(3)結(jié)合UHPC材料施工工藝特點(diǎn)，提出適于坍落擴(kuò)展度較低、易于高溫蒸養(yǎng)的節(jié)段預(yù)制后高溫蒸養(yǎng)、造橋機(jī)膠拼施工的主要施工步驟及注意事項(xiàng)。

(4)建立UHPC組合簡支梁的有限元計(jì)算模型和提出薄壁箱梁剪力滯、扭轉(zhuǎn)、失穩(wěn)特性等檢算重點(diǎn)；UHPC收縮大，按降溫方法計(jì)算相對收縮后提出兩種材料連接界面橫向應(yīng)力較為集中，應(yīng)加強(qiáng)橫向鋼筋布置；UHPC徐變小，提出有限元程序計(jì)算局限和修正方法。