曹赟干 ， 張 陽

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司, 能力 湖南 長沙 410200； 2.湖南大學(xué) 風(fēng)工程與橋梁工程湖南省重點實驗室， 湖南 長沙 410082)

0 引言

梁體開裂與主跨過度下?lián)鲜谴罂珙A(yù)應(yīng)力混凝土(PC)梁橋的兩大病害，并且普遍存在，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營和耐久性，至今無法有效解決，已經(jīng)成為制約此類橋梁建設(shè)的主要技術(shù)瓶頸[1-3]。研究表明，大跨PC梁橋開裂和下?lián)系母驹蛟谟谥髁鹤灾剡^大、常規(guī)混凝土(NSC)材料抗拉強(qiáng)度低和徐變效應(yīng)無法避免[4-5]。對于連續(xù)梁橋，減輕跨中區(qū)段自重對減小大跨PC梁橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力、增大跨越能力最為有效?，F(xiàn)有2座主跨超過300m的梁橋便是跨中區(qū)段采用了輕型化措施：挪威Stolma橋(主跨301m)采用了182m輕質(zhì)陶?；炷料淞?、重慶石板坡長江大橋復(fù)線橋(主跨330m)采用了108m鋼箱梁[6]。由于輕質(zhì)陶?；炷列阅懿粔蛲怀觯⑶易灾販p輕有限(約降低20%左右)，Stolma橋運(yùn)營3年后出現(xiàn)92mm的下?lián)蟍7]。石板坡復(fù)線橋跨中梁段自重降低約75%，且鋼箱梁材料強(qiáng)度高、無徐變問題，效果明顯，橋梁運(yùn)營后未見開裂和下?lián)系南嚓P(guān)報道。但是，鋼箱梁存在著鋼材銹蝕防腐、鋼橋面疲勞開裂和鋪裝層易破損等耐久性問題，因此全壽命周期成本較高。

采用高性能、高強(qiáng)度材料是未來橋梁發(fā)展的主要方向[8]。超高性能混凝土UHPC(Ultra High Performance Concrete)具有高模量、高抗壓和抗拉強(qiáng)度、超韌、耐久性好、徐變較小等優(yōu)點[9]，因此在橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。工程實踐表明[10-11]：UHPC能進(jìn)一步減小構(gòu)件幾何尺寸、減輕自重、提高結(jié)構(gòu)抵抗荷載的有效性和增大結(jié)構(gòu)跨越能力?；谝陨峡紤]，本文從前述3個根本病害成因入手，結(jié)合UHPC的超高性能并將其用于能夠充分發(fā)揮材料性能優(yōu)勢的部位，提出跨中區(qū)段采用預(yù)制拼裝UHPC箱梁的大跨預(yù)應(yīng)力NSC(UHPC-常規(guī)混凝土-超高性能混凝土)混合連續(xù)箱梁橋新體系，以解決大跨PC梁橋下?lián)吓c開裂問題。并以紅巖溪大橋為依托工程，研究新體系橋梁的潛在優(yōu)勢。

1 大跨預(yù)應(yīng)力NSC-UHPC混合連續(xù)箱梁橋

所謂大跨預(yù)應(yīng)力NSC-UHPC混合連續(xù)箱梁橋，是一種將跨中區(qū)段混凝土箱梁采用密集橫隔板預(yù)制UHPC薄壁箱梁代替得到的混合梁橋(見圖1)。UHPC具有優(yōu)異的抗拉壓性能，得益于此，UHPC箱梁的截面尺寸較混凝土梁要小得多，從而大幅降低跨中區(qū)段自重(跨中輕型化)。跨中區(qū)段自重對連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響是最大的，減輕跨中自重是減小大跨PC梁橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力的最有效辦法。

可以預(yù)見新體系混合梁橋?qū)⒕哂幸韵绿攸c： ①與NSC箱梁相比，UHPC箱梁可減輕跨中梁段自重55%～60%，能大幅降低結(jié)構(gòu)內(nèi)力，減少NSC梁段徐變變形，提高混凝土梁橋的跨越能力；②UHPC箱梁抗裂性強(qiáng)、徐變變形小、蒸養(yǎng)下無收縮，能有效降低梁體開裂和跨中過度下?lián)巷L(fēng)險；③UHPC薄壁箱梁采用單向預(yù)應(yīng)力(體內(nèi)與體外相結(jié)合)，梁段可預(yù)制懸拼施工，接縫采用鍵齒+螺栓連接或預(yù)應(yīng)力干縫連接，施工簡便快捷，質(zhì)量容易控制；④與鋼箱梁相比，除自重稍大外，UHPC箱梁無需防腐涂裝、也不存在鋼橋面疲勞開裂和鋪裝層極易損壞等問題，在耐久性和全壽命周期成本上具有明顯優(yōu)勢。

為了進(jìn)一步探究新體系混合梁橋的潛在優(yōu)勢，以紅巖溪大橋為依托工程，將跨中部分的NSC箱梁替換為預(yù)制UHPC箱梁，重新設(shè)計得到新體系混合梁橋，建立新橋與原橋的有限元模型，并在內(nèi)力、應(yīng)力、變形等層面將兩者進(jìn)行比較，探究新體系混合梁橋在防止梁體開裂與跨中下?lián)现械淖饔谩?/p>

圖1 大跨預(yù)應(yīng)力NSC-UHPC混合連續(xù)箱梁橋

2 新體系混合梁橋方案設(shè)計

2.1 依托工程

紅巖溪大橋位于湖南省，是一座跨徑(116+220+116)m的大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋。主梁關(guān)鍵截面尺寸如圖2所示。梁高從根部的13.4 m按1.8次拋物線變化至跨中的4 m。箱梁頂板寬12 m，厚0.3 m(根部加厚至0.6 m)；底板寬6.5 m，厚0.32～1.2 m，按1.8次拋物線變化。腹板厚度分別為 105、95、80、65、50 cm。主梁采用懸臂澆筑，單“T”共分 27 段澆筑,0#梁段長12 m， 1#～26#梁段分段為5×300 cm+4×350 cm+5×400cm+12×450 cm。邊跨和中跨合攏段長均為 200 cm，邊跨合攏段長5 m。兩空心主墩高分別為100m和52m。

全橋縱向預(yù)應(yīng)力布置為：0#～20#梁段布置80束25φs15.2前期腹板下彎束，0#～26#梁段布置120束27φs15.2前期頂板束，中跨15#梁段～中跨合攏段布置20束27φs15.2后期底板束和2束19φs15.2后期頂板束，邊跨布置16束19φs15.2后期底板束和8束27φs15.2后期頂板束。預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa，部分控制截面的預(yù)應(yīng)力布置見圖2。

圖2 紅巖溪大橋關(guān)鍵截面尺寸與預(yù)應(yīng)力布置(單位： cm)

2.2 新體系混合梁橋設(shè)計

以紅巖溪大橋為原型，將跨中74 m混凝土箱梁換成預(yù)制UHPC箱梁，得到新體系混合梁橋(下稱新橋)。新橋UHPC箱梁的截面尺寸如圖3所示，并每隔4 m布置有15 cm的橫隔板。為了方便與原橋進(jìn)行比較，新橋設(shè)計參數(shù)盡量與原橋保持一致，因此新橋的跨徑、梁高、線型、混凝土梁段截面尺寸等均與原橋一致。新體系混合梁橋的NSC梁段仍然采用懸臂澆筑，預(yù)制UHPC梁段則進(jìn)行分段拼裝。

圖3 新橋UHPC箱梁截面尺寸(單位： cm)

新橋縱向預(yù)應(yīng)力布置為：NSC梁段布置72束25φs15.2前期下彎束，112束27φs15.2前期頂板束；中跨UHPC箱梁內(nèi)布置14束21φs15.2后期底板束和6束12φs15.2后期頂板束；邊跨布置有20束19φs15.2后期底板束和8束27φs15.2后期頂板束。中跨后期束主要位于預(yù)制UHPC薄壁箱梁，所以采用體外束并錨固于橫隔板處。部分控制截面的預(yù)應(yīng)力布置如圖4所示。

圖4 新橋部分控制截面預(yù)應(yīng)力布置

3 有限元分析

3.1 計算模型

為了探究跨中采用預(yù)制UHPC箱梁后對橋梁的受力與變形影響，采用橋梁分析軟件Midas分別建立紅巖溪大橋與新體系混合梁橋的有限元分析模型。模型主墩采用C50混凝土，主梁NSC梁段采用C55混凝土，材料抗壓強(qiáng)度、彈性模量、收縮徐變等材料特性根據(jù)規(guī)范[12]選取。

原橋模型：模型梁單元劃分與施工節(jié)段一致，共145個節(jié)點、136個單元；施工階段完全模擬實橋的懸臂澆筑，邊主跨合攏，施加二期恒載，共62個施工階段。預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa。

新橋模型：模型共157個節(jié)點、136個單元?？缰?4 m 箱梁取常用的200 MPa級UHPC材料，彈性模量42 GPa，徐變計算采用規(guī)程[13]提出的預(yù)測模型，由于是預(yù)制UHPC箱梁，因此收縮忽略不計。其余混凝土部分的截面尺寸與材料特性與原橋一致。施工順序參考現(xiàn)有鋼-混連續(xù)剛構(gòu)梁橋施工[6]：先懸臂澆筑NSC梁段，之后邊跨合攏，最后拼裝預(yù)制UHPC梁段。預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力：體內(nèi)束1 395 MPa，體外束1 209 MPa。新橋模型如圖5所示。

3.2 計算結(jié)果分析比較

建立有限元模型得到計算結(jié)果，提取兩橋模型關(guān)鍵截面的內(nèi)力、應(yīng)力、及長期變形進(jìn)行分析比較如下。

3.2.1內(nèi)力比較

大跨PC梁橋自重占總荷載比重大，而跨中部分的自重對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響是最大的。選取自重作用下幾個關(guān)鍵節(jié)點的彎矩、剪力及預(yù)應(yīng)力重量進(jìn)行比較，如表1所示。

圖5 NSC-UHPC混合梁橋計算模型

由表1可知，跨中74 m的預(yù)制UHPC箱梁比NSC箱梁體積減少40.6%，由于兩種材料容重相差不大，所以采用薄壁UHPC箱梁后將使跨中自重減小40%左右。由于跨中自重減小，新橋的支點負(fù)彎矩分別減少13.6%和12.6%，跨中正彎矩減小25.3%，支點剪力也減小5.8%。由此可見，新橋自重產(chǎn)生的內(nèi)力減小了。由于自重內(nèi)力減小，用于平衡自重內(nèi)力所用的預(yù)應(yīng)力也相應(yīng)減小17%，有利于節(jié)約成本。值得注意的是，在減輕跨中自重以后，由于邊跨長度并未改變，導(dǎo)致邊跨合攏段附近出現(xiàn)較大正彎矩，最大彎矩增加了380.3%，因此在之后的設(shè)計中，對于混合梁橋應(yīng)盡量減小邊主跨比。

表1 關(guān)鍵截面內(nèi)力內(nèi)力彎矩/(×103kN·m)邊跨支點主跨支點跨中邊跨最大支點剪力/(103kN)預(yù)應(yīng)力/kN跨中74 m體積/m3原橋2 850.12 959.134.412.270.77 290.8930.7新橋2 461.22 585.825.758.666.66 050.1552.9

3.2.2壓應(yīng)力驗算

大跨PC梁橋使用階段壓應(yīng)力應(yīng)滿足公路橋規(guī)中[12]第7.1.5條第1點的要求，圖6為兩橋使用階段正截面最大壓應(yīng)力圖。由圖可知，原橋NSC最大壓應(yīng)力17.1 MPa<0.5fck=17.75 MPa；新橋NSC梁段最大壓應(yīng)力14.3 MPa<0.5fck=17.75 MPa，UHPC梁段最大壓應(yīng)力19.6 MPa<0.5fck=42.3 MPa；即兩橋的壓應(yīng)力均滿足規(guī)范對混凝土抗壓強(qiáng)度要求。

圖6 使用階段正截面最大壓應(yīng)力

由圖6還能發(fā)現(xiàn)新橋NSC梁段中的壓應(yīng)力要小于原橋，這是由于新橋自重降低，預(yù)應(yīng)力用量減小，導(dǎo)致恒載減小，進(jìn)而使混凝土壓應(yīng)力水平降低，壓應(yīng)力水平降低將有助于減小混凝土的徐變效應(yīng)。跨中UHPC箱梁截面尺寸小，因此壓應(yīng)力比原橋大，但UHPC抗壓強(qiáng)度高，仍能滿足規(guī)范要求，UHPC超高抗壓強(qiáng)度的特性得以發(fā)揮。

表2則為原橋與新橋在成橋階段以及經(jīng)歷了10 a收縮徐變以后橋梁關(guān)鍵截面的上下緣壓應(yīng)力。

表2 兩橋成橋及10 a收縮徐變后應(yīng)力對比MPa施工階段(應(yīng)力)支點1/4跨跨中原橋上緣-10.9-12.4-7.9下緣-10.9-8.4-10.4成橋階段新橋上緣-10.2-11.1-7.5下緣-9.5-7.5-12.8原橋上緣-10.1-11.5-8.4下緣-11.1-8.5-810 a收縮徐變后新橋上緣-9.8-10.3-7.6下緣-9.7-7.6-12.1

由表2可知，原橋與新橋的支點上緣及1/4跨上緣(即支點負(fù)彎矩區(qū)域的上緣)壓應(yīng)力均有所減小，但新橋減小幅度小于原橋，同時這些位置的下緣壓應(yīng)力是增加的；這是由于主梁的收縮徐變導(dǎo)致了橋梁的下?lián)吓c預(yù)應(yīng)力損失，進(jìn)而使支點上緣壓應(yīng)力減?。活A(yù)應(yīng)力損失也導(dǎo)致了跨中下緣壓應(yīng)力減小，上緣壓應(yīng)力增加。

由表2還能發(fā)現(xiàn)原橋支點上下緣壓應(yīng)力相等，而新橋支點上緣壓應(yīng)力大于下緣，如圖7所示。按照徐變理論，構(gòu)件徐變應(yīng)變與其承受的應(yīng)力成線性關(guān)系，則新橋的上緣徐變應(yīng)變將大于下緣應(yīng)變，主梁將在徐變作用下產(chǎn)生上撓作用，所以新橋的成橋支點截面應(yīng)力梯度對減小橋梁跨中下?lián)细欣?/p>

圖7 成橋階段兩橋支點應(yīng)力梯度對比

3.2.3截面抗裂驗算

根據(jù)橋規(guī)中[12]第6.3.1條第1點正截面不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力。混凝土抗拉強(qiáng)度低，大跨PC梁橋按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計，使用階段作用短期荷載效應(yīng)組合下控制截面的受拉邊緣不能出現(xiàn)拉應(yīng)力，即要使全橋處于受壓狀態(tài)。圖8、圖9為使用階段正截面上下緣抗裂驗算結(jié)果，由圖可知兩橋正截面均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足抗裂要求。

圖8 上緣使用階段短期荷載組合下最小壓應(yīng)力圖

圖9 下緣使用階段短期荷載組合下最小壓應(yīng)力圖

支點負(fù)彎矩區(qū)截面的上緣及跨中正彎矩區(qū)截面的下緣是大跨PC梁橋的受拉區(qū)邊緣，這些區(qū)域通過預(yù)應(yīng)力施加預(yù)壓應(yīng)力來抵消拉應(yīng)力，是壓應(yīng)力的低谷區(qū)，也是抗裂驗算重點關(guān)注區(qū)域。從圖7可發(fā)現(xiàn)新橋在上述區(qū)域的壓應(yīng)力均比原橋要高，這是由于降低跨中自重減小了支點負(fù)彎矩，雖然預(yù)應(yīng)力用量也相應(yīng)減小，但計算結(jié)果表明，新橋在使用階段作用短期荷載效應(yīng)組合下支點附近的彎矩已經(jīng)變?yōu)檎龔澗?，說明自重減小對內(nèi)力的影響大于預(yù)應(yīng)力減小，最終使得新橋支點負(fù)彎矩區(qū)的壓應(yīng)力比原橋高。而受拉區(qū)邊緣壓應(yīng)力的提高將使橋梁結(jié)構(gòu)具有更好的抗裂性能。

3.2.4長期變形比較

混凝土徐變收縮效應(yīng)是大跨PC梁橋下?lián)系闹饕蛩刂?，因此有必要對原橋和新橋由徐變收縮引起的長期變形進(jìn)行比較分析。兩橋由10 a徐變收縮引起的橋梁長期下?lián)吓c轉(zhuǎn)角Ry曲線如圖10、圖11所示，兩橋最大下?lián)虾娃D(zhuǎn)角Ry如表3所示。

圖10 10 a收縮徐變下?lián)锨€

圖11 10 a收縮徐變轉(zhuǎn)角Ry曲線

表3 10 a收縮徐變最大變形模型下?lián)?mm轉(zhuǎn)角/(×10-4rad)原橋-64.56.29新橋-39.74.40

由圖10、圖11及表3可知：新橋主跨的下?lián)吓c轉(zhuǎn)角Ry有明顯降低；原橋最大下?lián)线_(dá)到64.5mm，新橋最大下?lián)辖禐?9.7 mm，降幅達(dá)38.4%；原橋最大轉(zhuǎn)角6.29×10-4rad，新橋最大轉(zhuǎn)角4.40×10-4rad，下降30.9%。新橋撓度減小的原因有兩方面：一方面預(yù)制UHPC無收縮，且只有很小的徐變系數(shù)，因此收縮徐變效應(yīng)很小，從圖10、圖11也可以明顯看出跨中區(qū)域UHPC梁段的下?lián)吓c轉(zhuǎn)角Ry均趨于平緩，從而減小了跨中下?lián)?；另一方面，新橋自重減輕，應(yīng)力降低，徐變效應(yīng)減小，從而減小了主跨的下?lián)?。新橋長期下?lián)吓c轉(zhuǎn)角Ry的減小說明跨中采用UHPC箱梁代替確實有利于減小跨中下?lián)稀?/p>

4 結(jié)論

大跨預(yù)應(yīng)力NSC-UHPC混合連續(xù)箱梁橋新體系在跨中采用了預(yù)制UHPC薄壁箱梁實現(xiàn)跨中輕型化以后：

1) 跨中區(qū)段自重降低40%左右，結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的內(nèi)力下降。支點負(fù)彎矩平均下降13.2%，跨中正彎矩下降23.5%，預(yù)應(yīng)力用量也隨之減少17%。

2) 新體系混合梁橋混凝土區(qū)域的應(yīng)力水平整體降低，且支點應(yīng)力梯度對減小混凝土的徐變效應(yīng)有利。

3) 新體系混合梁橋在受拉區(qū)邊緣的最小壓應(yīng)力增加，說明壓應(yīng)力儲備增加，這對結(jié)構(gòu)抗裂有益。

4) 新體系橋梁主跨長期變形明顯減小，最大下?lián)吓c轉(zhuǎn)角相較原橋分別下降38.4%與30.0%；由此可見，大跨預(yù)應(yīng)力NSC-UHPC混合連續(xù)梁橋新體系對解決梁體開裂與主跨過度下?lián)嫌行А?/p>