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        超高性能混凝土(UHPC)π型梁人行天橋設計與施工

        2023-03-12 02:30:06陳洪偉
        城市道橋與防洪 2023年2期
        關鍵詞:人行天橋抗剪腹板

        吳 亮,陳洪偉

        (創(chuàng)輝達設計股份有限公司,湖南 長沙 410219)

        0 引言

        隨著橋梁技術的發(fā)展,市政項目尤其在城市快速化改造項目中,為了最大限度減小對地面交通及周邊環(huán)境的影響,同時兼顧一定的景觀效果,對于過街人行天橋結構提出了“快速施工、輕巧美觀”的要求。常規(guī)混凝土結構笨重、造型單調、耐久性差;鋼結構造價高、現場拼接質量難控制、防腐疲勞問題突出;具備良好力學性能且質量較輕、易于架設安裝的超高性能混凝土(UHPC)結構應運而生[1]。目前,加拿大、法國、馬來西亞等國家已建成多座結構型式各異的UHPC 橋梁,國內UHPC 橋梁研究應用稍晚些,將UHPC 材料應用到橋梁主體受力結構中的工程案例較少,大多處于探索、研究階段[2]。以下主要介紹超高性能混凝土結構(UHPC)在湘潭“兩干”項目人行天橋中的大面積實際應用情況。

        1 工程概況

        湖南省湘潭市已建成通車的潭州大道(湘潭段)(14.7 km)、芙蓉大道(湘潭段)(12 km)快速化改造項目,屬于湖南省委、省政府部署安排開展“三干兩軌”項目,是連接湘潭與長沙高、快速路網的關鍵項目,均采用一級公路標準兼顧城市快速道路功能。全線共設18 座人行天橋,原設計為鋼結構人行天橋,建設單位為優(yōu)化建設成本并推廣使用新材料,變更為UHPC 結構,實現了UHPC 在國內人行天橋主體受力結構中首次大規(guī)模應用。

        本項目于2020 年10 月建成并投入使用。

        2 結構設計

        2.1 總體布置

        本項目人行天橋的設置旨在解決行人立體過街需求。根據道路總體布置,于側分帶立墩,以減小橋梁跨徑,采用兩跨或三跨等高簡支超高性能混凝土(UHPC)結構,中跨跨越行車道,典型跨徑為34 m,橋面凈寬3 m,兩側各20 cm 欄桿,總寬3.4 m;橋墩采用帶擴頭的普通鋼筋混凝土花瓶墩,為保持外觀材質協調統(tǒng)一,梯道采用普通混凝土結構,下部基礎均為鉆孔灌注樁基礎。橋面鋪裝采用水泥砂漿+3 cm 火燒面防滑花崗巖瓷磚。人行天橋典型立面布置圖如圖1所示。

        圖1 人行天橋典型立面布置圖(單位:cm)

        2.2 主梁構造

        主梁采用經濟、受力狀態(tài)好且易于架設的π 型截面[3],由兩片單T 梁通過濕接縫及橫隔板連接而成,π 型梁為整體整跨架設,無需現場連接,亦無需搭設支架或臨時墩,施工便捷。

        π 型梁梁高1.6 m,支座處及跨中各設置一道橫隔板,橫隔板高147.5 cm,厚15 cm。π 型梁頂板寬3.4 m,頂板厚10 cm,濕接縫寬30 cm??缰薪孛嫒鐖D2 所示,頂板與腹板加液尺寸為37 cm×10 cm,腹板厚16 cm,馬蹄寬40 cm,高12.5 cm;支點截面如圖3 所示,頂板與腹板加液尺寸為35 cm×20 cm,腹板厚20 cm,馬蹄寬40 cm,高45 cm。距梁端1 m 位置腹板厚度開始變化,變化長度為2 m。

        圖2 主梁跨中截面(單位:cm)

        圖3 主梁支點截面(單位:cm)

        中跨34 m 跨徑,縱橋向分三段預制,各梁段間結合面采用剪力鍵齒和環(huán)氧樹脂接縫,在預壓狀態(tài)下拼接為整體,其中最大節(jié)段長度約13 m。

        2.3 預應力布置

        主梁為預應力UHPC π 型簡支梁,采用體內預應力體系,縱橋向按全預應力混凝土構件進行設計。π 型梁縱向預應力采用φs15.2 鋼絞線,標準強度fpk=1 860 MPa,錨下張拉控制應力1 302 MPa,采用塑料波紋管成孔真空壓漿,錨具采用與之配套的夾片錨。典型34 m 跨徑,頂板設置兩孔7 根φs15.2 鋼絞線,底板設置兩孔15 根φs15.2 鋼絞線,均設置于腹板中心線,待兩片T 梁形成π 型梁且UHPC 強度達到設計強度的85%時,方可兩端對稱張拉鋼絞線,鋼束張拉順序為N1→N2。主梁預應力布置斷面圖如圖4、圖5 所示。

        圖4 跨中截面預應力布置圖(單位:cm)

        圖5 支點截面預應力布置圖(單位:cm)

        2.4 普通鋼筋配置

        主梁為預應力構件,全截面受壓,縱向普通鋼筋不參與受力,僅滿足最低構造要求配置普通鋼筋。梁底縱筋直徑16 mm,其余縱筋直徑10 mm,間距130~200 mm,橋面板橫向鋼筋直徑12 mm,間距200~400 mm,腹板設雙肢箍,箍筋直徑10 mm,跨中間距400 mm,支點位置加密至200 mm,以滿足抗剪承載力要求。

        3 UHPC 材料參數

        與常規(guī)混凝土材料相比,UHPC 材料的組分去除了粒徑大于1 mm 的粗骨料,代之以石英砂、石英粉,并摻入一定比例的粉煤灰、硅灰、高效減水劑和鋼纖維,進而形成一種低孔隙率、低水膠比、含有較高比例微細短鋼纖維的纖維增強水泥基復合材料,具有超高強度、超高韌性、低滲透性和高體積穩(wěn)定性等性能特點[4],抗壓強度是常規(guī)混凝土的2 倍以上,軸拉強度是4 倍以上,彎折強度是6 倍以上。

        本項目UHPC 材料,規(guī)格為RPC140,其力學指標依據湖南省地方標準《活性粉末混凝土結構設計規(guī)程》(DBJ43/T 325—2017)取值,纖維采用鍍銅鋼纖維,抗拉強度≥2 000 MPa,規(guī)格為0.2 mm×20 mm,體積摻量取2%。具體參數見表1。

        表1 RP C140 力學指標匯總 單位:MPa

        4 計算分析

        4.1 承載能力極限狀態(tài)

        構件正截面承載能力應按下列基本假定計算:

        (1)構件彎曲后,其變形后仍然為平面,并且同變形后的桿件軸線垂直;

        (2)截面受拉超高性能混凝土的抗拉強度不予考慮;

        (3)縱向體內鋼筋的應力等于鋼筋應變與其彈性模量的乘積。

        斜截面抗剪承載力的計算按式(1)計算:

        其斜截面抗剪承載能力Vu應按式(2)計算:

        式中:γ0為橋梁結構的重要性系數;Vd為剪力組合設計值;Vu為構件斜截面抗剪承載能力;Vc為超高性能混凝土基體抗剪承載力設計值;Vf為構件斜截面上纖維抗剪承載力設計值;Vp為構件斜截面上預應力彎起鋼筋抗剪承載力設計值。

        其中,超高性能混凝土基體抗剪承載力設計值Vc:

        式中:fcuk為立方體抗壓強度標準值,按本文表1 取值;b 為矩形截面寬度或T 形截面腹板寬度;z 為彎矩作用下構件的內力臂,取z=0.9 h0;h0為截面受壓邊緣到縱向受拉鋼筋的距離,取h0=7/8h;kN為荷載或預應力提高系數;γc為超高性能混凝土材料分項系數,取1.45。

        纖維抗剪承載力設計值Vf:

        式中:εu為承載能力極限狀態(tài)最大彎拉應變計算值;εu,lim為超高性能混凝土抗拉極限應變;εel為超高性能混凝土彈性極限應變。

        預應力彎起鋼筋抗剪承載力設計值Vp:

        式中:fpd,i為體內預應力筋抗拉強度設計值;Ap,i為斜截面內彎起體內預應力鋼筋的截面面積;θp,i為體內預應力筋彎起鋼筋(在斜截面受壓端正截面處)的切線與水平線夾角。

        矩形、T 形和1 形截面的受彎構件,其抗剪截面尺寸應符合下列要求:

        式中:αcc為荷載長期效應系數,取0.85;γc為超高性能混凝土材料分項系數,取1.45;b 為腹板厚度;z 為彎矩作用下構件的內力臂,取z=0.9 h0;fcuk為立方體抗壓強度標準值;θ 為臨界斜裂縫與梁軸線間夾角,建議取值不小于30°。

        抗彎承載能力依據湖南省地方標準《活性粉末混凝土結構設計規(guī)程》(DBJ43/T 325—2017)相關條文公式計算,從模型提取內力進行驗算,具體結果見表2。

        表2 抗彎、抗剪承載能力驗算

        由表2 驗算結果可知,主梁正截面抗彎承載力、斜截面抗剪承載力均滿足規(guī)范要求。

        4.2 正常使用極限狀態(tài)

        本項目主梁為預應力UHPC π 型簡支梁,受力模式簡單,采用MIDAS Civil 2020 軟件建立34 m 典型跨徑主梁單梁模型,模擬了各施工過程及運營階段受力情況,主梁按全預應力混凝土構件進行驗算。主梁有限元模型如圖6、圖7 所示。

        圖6 π 型梁上緣應力包絡圖(單位:MPa)

        圖7 π 型梁下緣應力包絡圖(單位:MPa)

        從以上計算結果可得,持久狀況正常使用極限狀態(tài)正截面上、下緣均為壓應力,表明主梁全截面處于受壓狀態(tài),跨中下緣壓應力儲備3 MPa。

        同時采用MIDAS FEA 3.7.0 軟件建立34 m 典型跨徑主梁實體模型與單梁模型進行對照驗算,發(fā)現實體模型跨中下緣壓應力儲備為2.5 MPa 與單梁模型結果相近,表明UHPC π 型簡支梁受力滿足平截面假定等初等材料力學假定,單梁模型計算結果可滿足工程要求。

        5 施工過程

        UHPC 優(yōu)越的工程使用性能,得益于其各組分適當的配合比以及高溫蒸汽養(yǎng)護,其施工要求較常規(guī)混凝土嚴格許多,現場澆筑條件有限,質量難以保證,所以一般為工廠預制成品。

        本項目UHPC 材料配合比設計符合《活性粉末混凝土》(GB/T 31387—2015)要求,并達到設計需求的各項力學指標。UHPC 材料原材料、攪拌、運輸、澆筑、養(yǎng)護等符合湖南省地方標準《活性粉末混凝土結構設計規(guī)程》(DBJ43/T 325—2017)相關要求。

        主要施工步驟[5]為:

        (1)在工廠分節(jié)段預制UHPC 梁,并蒸汽養(yǎng)護成型;

        (2)節(jié)段臨時拼裝,在接縫處采用硅酮硫密封膠,安裝預應力管道密封圈,移動待拼梁段,準確對位拼接,初張拉使環(huán)氧樹脂在不小于0.3 MPa 的壓力下固化;

        (3)澆筑濕接縫,形成π 型梁;

        (4)對稱張拉預應力,壓漿封錨;

        (5)運輸、整孔吊裝就位;

        (6)施工橋面系及附屬設施。

        主要施工過程現場照片如圖8、圖9 所示。

        圖8 綁扎鋼筋

        圖9 π 型梁成型

        6 結語

        超高性能混凝土(UHPC)材料具有優(yōu)良的力學性能,在橋梁工程中的實踐案例越來越多。本項目首次在橋梁主體結構中大規(guī)模應用了UHPC,取得了一定成效——不到40 天時間,18 座人行天橋主梁全部架設完畢,縮短了工期;相比原設計鋼結構天橋,建安費節(jié)約了約10%,建設效果良好。表明UHPCπ 型梁是一種有競爭力的人行天橋方案,特別是大規(guī)模應用時,相比鋼結構有經濟優(yōu)勢,具有廣闊的應用前景。

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