预制装配式活性粉末混凝土箱梁桥的结构性能

魏亚雄， 方 志

(湖南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410082)



预制装配式活性粉末混凝土箱梁桥的结构性能

魏亚雄， 方 志

(湖南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410082)

超高性能活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)应用于装配式梁桥中，不仅能有效减轻结构自重、增加结构抵抗使用荷载的有效性，还能充分发挥其在热养护条件下收缩徐变小且耐久性好的优点，是一种极具应用前景的新型水泥基材料。以一座4×30 m的普通预应力混凝土装配式连续箱梁桥为背景，提出了同等跨径的RPC装配式箱梁桥方案，对其结构的受力性能进行了分析，并将二者的经济性能进行了比较。结果表明：提出的RPC箱梁桥整体和局部受力性能均满足现行规范要求，使用阶段应力以及变形尚有较大的安全储备；采用RPC可令主梁板件厚度减小，使混凝土和预应力筋用量分别减少25.4%和27.5%。因此，预制装配式RPC箱梁桥作为一种可供选择的优选方案，具有良好的推广应用前景。

桥梁工程； 活性粉末混凝土； 装配式箱梁桥； 受力性能； 经济性能

0 前言

预制装配式预应力混凝土梁桥因其可批量生产、施工方便以及经济性好等特点在实际工程中得到广泛应用，特别是在中小跨径桥梁建设中优势明显。但普通预应力混凝土预制构件自重较大，受起重运输条件限制，其跨径一般不超过50 m。

作为超高性能混凝土UHPC(Ultra High Performance Concrete)的一种，活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)具有强度高、韧性大、耐久性好等显著特点，且在长期荷载作用下的徐变很小，在热养护条件下几乎没有收缩[1-3]。RPC的工程应用可望从根本上解决普通混凝土桥梁所面临的结构自重过大、跨越能力受限和耐久性不足等问题，其一经出现，便引起土木工程界的极大关注。

采用预制装配式法施工的RPC梁式桥，便于构件采用热养护，可充分发挥RPC的优异性能，保证施工质量。因此，RPC有望成为建造装配式梁桥的一种新型高性能材料。

目前，国外已有一些RPC应用于预制装配式桥梁的工程实例。加拿大于1997年7月建成了世界上第一座RPC人行桥——Sherbrooke桥，桥跨长60 m，采用RPC预制构件现场组装而成。采用RPC后，与使用60 MPa级普通高性能混凝土相比，不仅原材料节省了约60%，而且结构在高湿环境、频繁受除冰盐腐蚀与抗冻融循环作用下的耐久性能得到了大幅提高[4]。2002年韩国建成了跨度为120 m的RPC拱桥——Peace Bridge。该桥由6段长20 m的π形拱肋拼装而成，截面高1.3 m，宽4.3 m，顶板厚仅3 cm[5]。

国内将RPC应用到桥梁工程中的研究也已逐步开展。迁曹铁路滦柏干渠大桥工程中制作了20 m跨的预应力RPC简支T梁，并对其进行了足尺模型试验研究，证明了RPC在铁路预制预应力混凝土桥梁应用中的可行性[6]。文献[7]以主梁的应力和结构的刚度为控制目标，拟定了一座主跨为200 m的RPC连续钢构桥，通过与同跨度预应力普通混凝土连续钢构桥的比较，探讨了RPC在大跨梁式桥中应用的可能性。文献[8]以主跨1008 m的大跨度钢主梁斜拉桥设计方案为例，拟定了一座相同跨度的CFRP拉索、RPC主梁斜拉桥方案，分别对两种方案的受力性能进行了分析与比较，探讨了CFRP和RPC在超大跨度斜拉桥中应用的可能性。

本文结合工程背景，拟定了一座RPC装配式箱梁桥，基于静力性能的分析结果探讨了其在实际工程应用的可行性。

1 方案设计

1.1 总体方案

图1 背景桥横向布置(单位: cm)Figure 1 Transversal lay-out of the bridge in project(unit: cm)

图2 背景桥箱梁跨中截面尺寸及配筋(单位: cm)Figure 2 Dimension and reinforcements at Mid-span Section(unit: cm)

图3 RPC桥梁横向布置(单位： cm)Figure 3 Transversal lay-out of the RPC bridge(units: cm)

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

图5 预应力钢束构造立面(半跨)Figure 5 Elevation of prestressed tendons (half span)

1.2 材料参数

预制梁全部采用立方体抗压强度标准值为120 MPa的RPC并记为R120。参考文献[9、10]并偏安全地考虑，R120的轴心抗压强度标准值取为立方体抗压强度的0.6倍(C80普通混凝土取值0.63)，即72 MPa，抗拉强度标准值按轴心抗压强度标准值的1/10考虑，取为7.2 MPa，材料分项系数取1.5(普通混凝土取值1.45)，弹性模量取46.5 GPa，泊松比0.2，具体取值见表1。

表1 RPC材料参数Table1 MaterialpropertiesofRPC材料弹性模量/GPa泊松比轴心抗压强度/MPa抗拉强度/MPa标准值设计值标准值设计值R12046.50.272.048.07.24.8

[2、3]的试验结果，热养护条件下成型的R120的收缩应变和徐变系数取为普通C50混凝土的20%。配筋RPC箱梁的材料容重取27 kN/m3。

普通HRB400级钢筋的抗拉强度标准值fsk=400 MPa，抗拉强度设计值fsd=330 MPa，弹性模量Es=2.0×105MPa。预应力筋的抗拉强度标准值fpk=1860 MPa，抗拉强度设计值fpd=1260 MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa[11]。

2 结构受力性能分析

2.1 规范适用性讨论

目前，国内关于RPC结构设计理论的研究仍处于起步阶段，没有专门针对RPC桥梁结构的设计规范。因而，这里参考《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62 — 2004)》[11](以下简称《规范》)对RPC箱梁桥进行受力性能分析。

对于截面的抗弯承载力，若采用与《规范》相同的计算方法：极限状态时正截面的应力分布简化为等效矩形分布且不考虑受拉区混凝土的抗拉作用应该是偏于安全。因为RPC在制备过程中掺入了钢纤维，其抗拉强度大约是普通混凝土的10倍[3]，RPC构件在发生受弯破坏时，与普通混凝土受弯构件相比，其截面受拉区混凝土对抗弯承载力的贡献较大，加之前述RPC抗压强度标准值和设计值均较偏安全取值，因此，采用《规范》公式计算正截面承载能力也应该是偏于安全的。此外，RPC箱梁的普通钢筋间距、钢筋保护层厚度等构造要求均参考《规范》的相关规定。由于RPC的耐久性优于普通混凝土，RPC结构按照普通混凝土的构造要求进行布置显然更为有利。

为进一步验证采用《规范》相应公式对RPC构件承载能力分析的适用性，以RPC梁的试验结果对其进一步验证。计算时材料强度取实测的平均值。计算值与文献[12、13]的试验结果比较如表2、表3所示。可见：《规范》公式抗弯能力的计算值与试验结果吻合良好且抗剪承载能力计算偏于安全。因此，采用《规范》公式进行RPC箱梁桥抗弯、抗剪承载能力的计算是安全可行的。

2.2 荷载横向分布系数计算

采用刚接梁法[14]计算箱梁边梁和中梁的活载横向分布系数，分别为0.654和0.608。

由于边梁的受力更为不利，下面仅给出边梁结构性能的分析结果。

2.3 持久状况承载能力极限状态计算

荷载效应包括： 自重、桥面铺装、护栏以及活载。根据背景桥设计文件，桥面铺装自重为4.55 kN/m2，护栏自重取5 kN/m。荷载效应组合采用基本组合，恒载分项系数取1.2，活载分项系数取1.4，结构重要性系数取1.1[11]。

表2 试验梁抗弯承载力试验值与规范计算值比较Table2 Comparisonbetweenthetestandthecomputedvaluesintermsofbendingresistance梁号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标准差——0.11 注:Mexp-抗弯承载力试验值;Mcal-抗弯承载力规范计算值。

表3 试验梁抗剪承载力试验值与规范计算值比较Table3 Comparisonbetweenthetestandthecomputedvaluesintermsofshearresistance梁号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标准差——0.30 注:Vexp-抗剪承载力试验值;Vcal-抗剪承载力规范计算值。

2.3.1 结构整体受力验算

对RPC箱梁的抗弯和抗剪承载力进行了验算。取内力最大截面作为控制截面，按照《规范》[11]相应公式计算得到截面的承载力如表4所示。

表4 整体受力验算Table4 Checkingcalculationofthebendingresistanceandshearresistance项目设计值抗力值设计值<抗力值正弯矩/(kN·m)10151.314591.5是负弯矩/(kN·m)5186.410009.6是剪力/kN1898.54676.3是

2.3.2 桥面板横向抗弯验算

RPC箱梁两横隔板间的顶板长15 m，宽1.89 m，长宽比大于3，因此按单向板对其横向抗弯能力进行验算。顶板内布设双层双向钢筋网，采用HRB400级钢筋，直径8 mm，间距150 mm，保护层厚度取2 cm。

结构验算时，考虑车辆冲击力的影响。参考《规范》[11]，冲击系数μ取0.3，车辆轮压荷载取70 kN(考虑重车后轴重140 kN轴，则单荷载为70 kN)，偏安全地不考虑桥面铺装对车轮局部荷载的扩散，按顺桥向0.2 m、横桥向0.6 m的面力施加在顶板上，并且分别布置于对应验算截面的最不利位置处，计算简图如图6所示。

图6 桥面板横向抗弯计算简图(单位: cm)Figure 6 Diagram for calculating the bending resistance of deck slab(Unit: cm)

按照《规范》[11]相应公式进行计算得到单向板和悬臂板的荷载有效分布宽度分别为1.26 m和1.89 m，截面承载力验算结果如表5所示，表明RPC箱梁顶板的抗弯承载能力满足要求。

表5 桥面板局部抗弯验算Table5 Checkingcalculationofthethebendingresistanceofdeckslab项目截面Ⅰ截面Ⅱ截面Ⅲ单宽弯矩设计值(kN(m·m-1))14.520.420.2单宽弯矩抗力值(kN(m·m-1))15.727.227.2设计值<抗力值是是是

2.3.3 桥面板抗冲切承载力验算

RPC箱梁顶板厚度较薄，仅14 cm，因而有必要对其在车轮荷载作用下的抗冲切承载力进行验算。

目前，针对RPC板抗冲切承载能力的计算公式尚未见到文献报道。但已有学者[15]对RPC板进行了冲切试验，将试验值与各国规范计算值进行了对比，并建议采用修正的美国ACI318规范公式计算RPC板的抗冲切承载力。

本文采用中国规范JTG D62 — 2004[11]、美国规范ACI 318 — 14[16]、欧洲模式规范CEB — FIP MC90[17]以及英国规范BS 8110 — 85[18]中的抗冲切承载力计算公式进行验算，结构验算时考虑车辆冲击力的影响，冲击系数与车轮荷载取值同上节。验算结果如表6所示。可见：各国规范计算值有所差异，但RPC箱梁顶板抗冲切承载力均满足各国规范要求。

表6 RPC箱梁顶板抗冲切验算Table6 CheckingcalculationofthepuncingresistanceofRPCtopslab规范设计值/kN抗力值/kN设计值<抗力值中国规范140.1754.0是美国规范140.1635.8是欧洲模式规范140.1409.2是英国规范140.1390.5是

2.3.4 锚固区局部承压验算

为检验RPC箱梁预应力锚固区局部受力性能，对其进行局部承压区承载力及抗裂性验算。体内束采用群锚15 — 7型锚具，锚垫板尺寸为172 mm×172 mm。锚下RPC按构造要求设置HRB400级螺旋加强筋，直径12 mm，螺旋圈直径d=172 mm，螺距s=50 mm，圈数n=4。负弯矩束采用扁锚15 — 3型锚具，锚垫板尺寸为180 mm×70 mm，不配置加强筋。按照《规范》[11]相应公式对其进行验算，验算结果如表7所示。可见局部承压满足要求。

表7 预应力锚固区局部承压验算Table7 Checkingcalculationofthelocalpressure位置项目设计值抗力值设计值<抗力值局部承压抗裂验算/kN639.91106.4是扁锚锚固区局部承压承载力/kN639.9766.0是局部承压抗裂验算/kN1493.12987.7是群锚锚固区局部承压承载力/kN1493.12853.8是

2.4 持久状况正常使用极限状态计算

荷载效应包括：自重、桥面铺装、护栏、预应力以及活载，其中预应力荷载分项系数取为1.0[11]。

考虑到RPC材料的抗拉强度较高，因此按A类预应力构件设计，并对RPC箱梁桥进行相应的抗裂、应力及挠度验算。

抗裂验算应满足：在作用短期效应组合下，

正截面抗裂σst-σpc≤0.7ftk

(1)

斜截面抗裂σtp≤0.7ftk

(2)

在作用长期效应组合下，

正截面抗裂σlt-σpc≤0

(3)

式中:σst为在作用短期效应组合下构件边缘混凝土法向拉应力；σpc为扣除预应力损失后的预加力在构件边缘产生的混凝土预压应力；σtp为由作用短期效应组合和预加力产生的混凝土主拉应力；ftk为混凝土抗拉强度标准值。

持久状况截面应力验算，截面受压区最大压应力及主压应力须满足：

σkc+σpt≤0.5fck

(4)

σcp≤0.6fck

(5)

式中:σkc+σpt为由作用标准值和预加力产生的构件正截面混凝土的压应力；σcp为由作用标准值和预加力产生的混凝土主压应力；fck为混凝土抗压强度标准值。

挠度验算应满足主梁在消除自重产生的长期挠度后的挠度最大值小于计算跨径的1/600。RPC在长期荷载作用下的徐变很小，设计时偏安全地将其挠度长期增长系数按普通混凝土(C80)的取值进行考虑取1.35[11]。

具体验算结果如表8所示。

表8 使用阶段应力及挠度验算Table8 Checkingcalculationofthestressanddeflectionduringservicestage验算对象正截面抗裂验算/MPa斜截面抗裂验算/MPa压应力验算/MPa主压应力验算/MPa挠度验算/cm短期组合应力限值长期组合应力限值短期组合应力限值标准组合应力限值标准组合应力限值竖向挠度挠度限值RPC0.55.0-0.10.01.95.0-11.9-36.0-11.9-43.22.65.0 注:应力以拉为正,以压为负。

从表中验算结果可见： RPC箱梁桥各项指标均满足《规范》[11]的相关规定，且各项验算值与限值相比具有较大的安全储备，可见RPC箱梁桥结构能够满足正常使用的要求。

综合以上分析结果可知：所提出的RPC箱梁桥方案能够满足结构受力和变形要求。

3 经济性能对比

RPC箱梁桥与背景桥的经济性能指标的对比结果如表9所示。

表9 30m跨连续箱梁经济性能对比Table9 Comparisonofeconomyoftwo30mcontinuousboxgirders项目普通混凝土箱梁RPC箱梁节省量每跨所用混凝土/m3181.8135.646.2(25.4%)预应力钢束/kg9238.56698.52540.0(27.5%)每片梁重量/t85.678.96.7(7.8%) 注:括号内的数字表示采用RPC后箱梁材料节省量与普通混凝土箱梁材料用量之比。

对比可知： 同为30 m跨的连续箱梁桥，RPC箱梁较普混凝土箱梁：混凝土用量减少25.4%、预应力钢筋用量减少27.5%。此外，背景桥每跨横向布置5片箱梁，而RPC箱梁桥仅布置4片箱梁，主梁片数减少20%，但每片梁重却减轻7.8%，可见RPC箱梁桥更具经济性且施工更趋简便。

RPC属于新型建筑材料，目前尚处于研究阶段，工程实际应用较少，使得其市场价格较高。但随着工程应用的不断推广，RPC的材料价格将随之下降。此外，RPC具有极高的耐久性，将大大减少或免除桥梁结构的后期维护费用，延长其使用寿命，从而降低工程建设和使用的综合造价。

4 结语

以一座4×30 m装配式预应力混凝土先简支后连续箱梁桥为背景，基于使用高性能新型材料来减轻结构自重、增加结构耐久性的理念，将活性粉末混凝土RPC应用于工程实例，拟定了一座同等跨径的RPC装配式连续箱梁桥，并对其受力性能进行了分析，得到以下结论：

① 所拟定RPC箱梁桥方案的整体和局部受力性能均满足规范要求且存较大的安全储备。

② 采用RPC可使主梁板件厚度减薄、主梁片数减少，与普通混凝土结构方案相比，整桥混凝土和预应力钢筋用量可分别减少25.4%和27.5%。

因此，RPC箱梁桥作为预制装配式桥梁结构的一种可供选择的方案，具有进一步研究、推广的价值。

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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

教育部高等学校博士点专项科研基金项目(20120161110021)

魏亚雄(1990 — )，男，湖南长沙人，主要研究方向为桥梁工程。

U 448.21+8

A

1674 — 0610(2016)05 — 0011 — 06