活性粉末混凝土混合梁桥性能研究

卢祖梁， 方 志

(湖南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410082)



活性粉末混凝土混合梁桥性能研究

卢祖梁， 方 志

(湖南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410082)

以活性粉末混凝土取代钢材和轻质混凝土应用于混合梁桥中，在有效减轻结构自重、增大结构跨越能力的同时可避免采用构造复杂的钢-混结合段及性能欠佳的轻质混凝土，并能增强结构的耐久性。以一座主跨180 m的普通预应力混凝土高墩大跨连续刚构桥为背景，拟定了一座主跨330 m、RPC+C60混凝土混合主梁的大跨径预应力混凝土箱梁桥，对其受力性能进行了分析。结果表明：RPC+C60混凝土混合主梁方案在施工和正常使用阶段结构的局部和整体受力、变形均满足规范要求，结构受力性能良好，经济合理，具备实际应用的可行性。

桥梁工程； 混合梁桥； 活性粉末混凝土； 结构性能

0 前言

基于利用轻质、高强材料减轻结构自重的理念，重庆石板坡长江大桥复线桥[1]和挪威的Stolma大桥[2]分别在主跨中间区段采用了钢箱梁和高强轻质混凝土而形成混合梁结构体系，以此实现了桥梁结构自重减轻和跨径增大。然而，以上两者均存在不足：钢-混结合段构造复杂，耐久性不易保证；轻质混凝土弹性模量较小，收缩、徐变效应较大，耐久性也欠佳。

活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)具有高强度、高韧性和高耐久性等特点[3-6]。其优异的性能引起了工程界的广泛关注并已应用到部分中小桥或人行桥中[7]。其在大跨桥梁中的应用研究也已初步开展[6，8，9]，但未见RPC和普通混凝土混合梁桥研究和应用的相关文献报道。

以RPC取代钢材或轻质混凝土应用于混合梁桥中，在使结构自重减轻进而增大其跨越能力的同时可避免采用构造复杂的钢-混结合段和目前性能欠佳的轻质混凝土。因此，RPC有望成为建造混合梁桥的一种新型高性能材料。

本文结合工程背景，提出一种RPC与普通混凝土组合的混合梁桥方案，并基于结构受力性能及有效性、经济性的分析结果来探讨其在实际工程中应用的可行性。

1 方案设计

1.1 RPC+C60混凝土混合主梁方案

以某大桥为工程背景，其主桥为96+180+96 m的预应力混凝土连续刚构桥，两端引桥均为2×40 m的预制预应力混凝土简支变连续T梁，桥墩最高达122 m。其总体布置如图1(a)所示。

参阅相关资料[8-10]，拟定了一座101+330+101 m的RPC+C60混凝土混合梁连续刚构桥，以下简称混合梁方案。其主跨跨中142 m区段主梁采用RPC，其材料按照新发布的《活性粉末混凝土》(GB/T 31387-2015)[11]取用R160级RPC，其余部分主梁采用C60混凝土，桥墩采用C50混凝土，立面布置如图1(b)所示。混合梁方案由于跨度增大和边主跨比降低，主墩墩高降低了近一半，且无需布置引桥。

图1 总体布置(单位： m)Figure 1 Layout of bridge(unit： m)

主梁及桥墩关键截面构造如图2所示。RPC箱梁每个节段设置一道15 cm厚的横隔板，以使箱梁顶板成为受力性能更好的双向板并便于体外预应力筋的布置[9]。主梁C60区段采用悬臂浇筑施工；因热养成型RPC的收缩徐变大幅降低，具有更好的物理力学性能，因此RPC区段采用预制节段拼装施工。桥墩采用双肢墩身，单肢截面为单箱单室截面，净距7 m，墩高分别为66 m和67 m。

图2 关键截面尺寸(单位： cm)Figure 2 Detail of key sections(unit： cm)

考虑到RPC箱梁的板厚相对较薄，宜采用体外预应力，因此主梁采用体内、体外混合配置的预应力体系。C60区段配置体内束，墩支点顶板束和下弯束分别布置于顶板和腹板内；边跨顶板束布置于边跨距梁端32 m范围内，边跨底板束布置于边跨距梁端46 m范围内。RPC区段配置体外束，其墩支点顶板束一端锚固于相应节段的横隔板处，另一端锚固于边跨顶板的齿板上；主跨跨中底板束布置于跨中120 m范围内。预应力钢束配置如表1及图3所示。

表1 预应力钢束Table1 Prestressedtendons主梁位置钢束类型型号束数C60区段墩支点顶板束27ΦS15.284墩支点下弯束24ΦS15.284边跨顶板束13ΦS15.212边跨底板束13ΦS15.220RPC区段墩支点顶板束33ΦS15.248跨中底板束27ΦS15.218

图3 主梁根部截面及跨中截面的预应力布置Figure 3 Layout of prestressed tendons of root section and mid-span section

为确保施工平衡以及边跨支座不出现上拔力，在两边跨靠近梁端37 m范围内填充铁砂混凝土(容重32 kN/m3)压重。压重以结构两端悬臂自重对主梁根部弯矩相近为原则，并同时考虑二期恒载和活载产生的不平衡弯矩。

1.2 材料参数

我国RPC材料标准《活性粉末混凝土》(GB/T 31387-2015)[11]于2015年2月份发布并将于同年11月开始实施。其基于边长100 mm立方体试件抗压强度将RPC分为R100、R120、R140、R160、R180五个等级，本文取R160级。用于设计须将立方体抗压强度折算为轴心抗压强度，参考普通混凝土的折算系数(C80以下为0.67～0.71)并考虑尺寸换算系数(100 mm立方体换算为标准试件，抗压强度值应乘以0.95)，将R160的折算系数保守地取为0.6，即其轴心抗压强度标准值取为96 MPa。此外，抗拉强度偏保守取抗压强度的1/15(C60为1/13.5)，即取为6.4 MPa；弹性模量取45 GPa；泊松比取0.2。根据《公路钢筋混凝土及预应力桥涵设计规范》(JTG D62-2004)[10](以下简称《04公路桥规》)，普通混凝土材料分项系数取1.45，R160的材料分项系数保守地取为1.5。表2给出了主要材料参数。表2给出了主要材料参数。

表2 材料参数Table2 Materialparameters材料弹模/MPa泊松比抗压强度/MPa抗拉强度/MPa标准值设计值标准值设计值C60360000.238.526.52.851.96C50345000.232.422.42.651.83R160450000.296646.44.27

文献[5，6]对RPC的收缩、徐变特性进行了试验研究，本文参考其试验结果，将R160的收缩应变和徐变系数取为普通混凝土(C60)的20%。C60主梁区段容重取26 kN/m3，考虑到R160主梁区段因板件较薄使得其配筋率较大而取其容重为27 kN/m3。

2 RPC箱梁局部受力验算

2.1 RPC箱梁局部稳定验算

RPC优异的材料性能使其截面薄壁化，拟定的顶板及底板厚为180 mm，腹板厚为200 mm。因此，必须对RPC截面进行相应的局部稳定验算。

RPC箱梁壁板的局部稳定验算偏安全地按四边简支板考虑。单向受压四边简支矩形板的临界应力按式(1)计算[12]：

(1)

板件局部稳定要求其临界失稳应力不小于材料的强度，以保证失稳破坏不先于材料破坏。

RPC箱梁各板件局部稳定验算时，屈曲系数k取其最小值为4，弹性模量E按表2取值为4.5 GPa，泊松比γ取0.2。顶板、底板和腹板的厚度t和宽度b取值如下：

① 顶板厚0.18 m，宽度取腹板间距6.3 m；

② 底板厚0.18 m，宽度取腹板间距6.3 m；

③ 腹板厚度和宽度按RPC区段腹板宽厚比最大截面取值，分别为0.2 m和7.1 m。

计算结果见表3，可见：即使偏安全地按四边简支板考虑，RPC箱梁各壁板的局部失稳临界应力均大于R160的轴心抗压强度，局部稳定满足要求。

表3 局部稳定验算Table3 CheckingcalculationoflocalstabilityMPa项目顶板底板腹板σcr126126122f969696是否满足局部稳定要求满足满足满足 注:σcr为局部失稳临界应力;f为R160的材料抗压强度标准值。

2.2 RPC箱梁顶板抗冲切承载力验算

RPC箱梁顶板厚度较薄，在车辆荷载作用下有可能发生冲切破坏，因而有必要进行冲切承载力验算。Harris等进行了RPC板冲切试验，并将试验结果与多种计算模型的结果对比，指出ACI318规范能较好地预测RPC板的抗冲切承载力[13]。这里分别采用美国规范ACI318-11、欧洲规范CEB-FIP MC90和我国规范JTG D62-2004分别对RPC抗冲切承载能力进行计算。

验算时车辆荷载取70 kN(考虑重车后轴重140 kN，则单轮荷载为70 kN)，不考虑桥面铺装对车轮局部荷载的扩散，偏安全地按顺桥向0.2 m、横桥向0.6 m的面力施加在顶板上，考虑冲击力的影响，冲击系数取0.3[10]。活载分项系数为1.4，结构重要性系数为1.1。计算所得结果如表4所示。

从表4中可以看出：我国规范计算得到的冲切承载力最大，美国规范次之，欧洲规范最小，而计算承载力最小的欧洲规范的结果也接近冲切荷载的4倍，说明RPC箱梁顶板抗冲切承载力满足要求且有较大富余。

表4 RPC箱梁顶板抗冲切验算Table4 CheckingcalculationofpunchingresistanceofRPCdeckslabkN规范ACI318-11CEB-FIPMC90JTGD62-2004冲切承载力700556896冲切荷载140140140是否满足要求满足满足满足

2.3 RPC箱梁顶板局部抗弯验算

为满足RPC箱梁顶板局部受力要求，对其进行局部抗弯承载力验算。

目前，RPC结构设计理论尚处于研究起步阶段，国内还没有专门针对RPC桥梁结构的设计规范，因此本文参考《04公路桥规》对RPC箱梁顶板局部抗弯承载力进行计算。在此之前，首先对其适用性进行讨论。将文献[14]通过试验获得的RPC梁极限弯矩与按照《04公路桥规》正截面抗弯承载力计算公式求得的极限弯矩进行比较，对比结果如表5所示。

表5 试验梁抗弯承载力试验值与规范计算值比较Table5 Comparisonbetweenthetestandthecomputedvaluesinternsofbendingresistance试验梁号Mexp/(kN·m)Mcal/(kN·m)Mexp/McalB1225.4209.81.07B2249.5210.31.19B3245.6210.21.17B4187.9164.21.14B5214.2205.31.04B6208205.81.01B7190.2197.90.96B8150.6181.40.83B9139.8137.51.02平均值——1.05标准差——0.11 注:Mexp和Mcal分别为抗弯承载力试验值和规范计算值。

可见：绝大多数RPC试验梁的极限弯矩大于规范计算结果，从平均值来看，试验值是规范公式计算结果的1.05倍，可见规范公式计算结果偏于保守，以其计算RPC构件抗弯承载力安全可行。

RPC箱梁顶板属于双向板，其内布设了双层双向钢筋网，钢筋采用HRB400级，直径14 mm，间距100 mm，保护层厚度取30 mm。

为得到双向板较准确的内力计算结果，应用ANSYS软件中的solid95单元建立局部节段模型进行分析。模型两端约束纵向、横向、竖向位移和扭转。为消除模型两端边界条件简化对区格板受力分析的影响，考虑圣维南原理，取较长的主梁节段(30 m)并以节段中间的区格板作为分析对象。

荷载效应包括：自重、桥面铺装、护栏以及车辆荷载。根据背景桥设计，桥面铺装自重取4.15 kN/m2，护栏自重取16 kN/m。车辆荷载取值同2.2节，并且分别布置在对应验算截面的最不利位置。恒载、活载分项系数分别取1.2、1.4，重要性系数取1.1[10]。计算结果显示：车轮局部荷载作用下，RPC箱梁顶板的横向受力更为不利，因此仅对横向关键截面进行验算。验算截面位置见图4，验算结果如表6所示。从表6中可以看出：各控制截面箱梁顶板的弯矩设计值均小于其抗力，因此RPC箱梁顶板满足局部抗弯承载力要求。

图4 验算截面位置示意Figure 4 The position of checking sections

表6 RPC箱梁顶板局部抗弯验算Table6 CheckingcalculationofbendingresistanceofRPCdeckslabkN·m项目截面Ⅰ-Ⅰ截面Ⅱ-Ⅱ截面Ⅲ-Ⅲ弯矩设计值55.170.8184.1弯矩抗力值70.670.6223.0设计值<抗力值是是是 注:表中设计值及抗力值为1m板宽的计算值;抗力值偏安全按单筋截面计算。

3 结构静力分析

利用MIDAS CIVIL有限元软件，建立了从施工到成桥的全过程杆系分析模型。模型的边界条件为墩底固结，桥墩与主梁刚接，边支座设沿桥梁纵向的滑动支座。施工阶段荷载包括自重、平衡压重、预应力和施工荷载(挂篮、吊机和临时荷载)；运营阶段荷载包括自重、平衡压重、预应力、二期恒载和活载(汽车、温度荷载等)。

根据《04公路桥规》对混合梁方案进行了施工阶段和使用阶段的应力和位移验算。由于其仅适用于混凝土为C80级以下的结构，其对RPC材料的适用性还有待研究论证。为确保安全合理，以下各项验算中混合梁方案RPC区段的各项应力容许限制均在规范取值的基础上进行10%的折减，即取为规范值的0.9倍。

3.1 施工阶段验算

施工阶段截面边缘法向压应力应满足：

(2)

表7为施工阶段挠度及应力验算结果，可见：各方案施工阶段结构应力满足规范相应要求。

表7 施工阶段应力验算Table7 CheckingcalculationofstressduringconstructionstageMPa验算对象应力验算最大压应力应力限值RPC区段-22.0-60.5C60区段-14.8-26.9

3.2 使用阶段验算

抗裂验算应满足：在作用短期效应组合下：

正截面抗裂σst-0.8σpc≤0

(3)

斜截面抗裂σtp≤0.4ftk

(4)

式中：σst为在作用短期效应组合下构件边缘混凝土的法向拉应力；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

(5)

σcp≤0.6fck

(6)

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为混凝土轴心抗压强度标准值。

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。

具体验算结果如表8所示。可见：混合梁方案各项指标都满足规范中的相关规定且RPC区段各项验算值与限值相比均有较大安全储备。因此，RPC箱梁受力状态良好，混合梁方案的静力性能能够满足要求，且从静力性能的角度而言方案具有可行性。

表8 使用阶段应力及挠度验算Table8 Checkingcalculationofstressanddeflectionduringservicestage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/mm短期组合限值短期组合限值标准组合限值标准组合限值竖向挠度限值混合梁方案C60-2.400.871.14-18.3-19.2-18.3-23.1R160-6.501.292.30-35.2-43.2-35.3-51.8223550

4 方案对比

4.1 结构有效性分析

桥梁结构的活荷载效应比(活载效应与总效应之比)反映了结构抵抗使用荷载的有效性并决定其跨越能力。选取主梁根部截面弯矩来比较原桥和混合梁方案抵抗使用荷载的有效性，结果如表9所示。由表9可见：原桥活荷载效应仅占总荷载效应的8.7%；而混合梁桥方案由于其上构自重减轻，其荷载效应比不减反增，达10.3%。因此，采用RPC的混合梁桥方案可有效提高结构抵抗使用荷载的有效性，进而增大梁式桥的适用跨径。

表9 结构有效性及上部结构自重比较Table9 Comparisonofstructurevalidity方案活载效应/(kN·m)总效应/(kN·m)效应比/%原方案1.23×1051.41×1068.70混合梁方案4.52×1054.39×10610.30

4.2 经济性分析

经济性是桥梁方案比选的决定性因素之一，而RPC尚处于开发应用阶段，其单价相对较高，因此有必要对混合梁方案的经济性进行考察。

表10给出了混合梁方案方案的主要材料用量和造价，其中各材料单价考虑材料费用、建安费、人工费等。由表可知：RPC单价是普通混凝土的8.3倍，但由于混合梁方案仅在跨中区段采用RPC且RPC箱梁板厚很小，R160材料用量不及C60混凝土的1/10，故全桥RPC材料费用所占比例很小，仅为总价11.1%。因此，该方案不至因昂贵的RPC而影响其经济性。此外，RPC材料价格随着其研究和应用的不断推进必然会逐步降低，因此混合梁方案的造价还将降低。

表10 主要材料用量及造价Table10 Consumptionandcostofmainmaterial材料单价/万元混合梁方案数量造价/万元R160/m30.5001022511C60/m30.06011164670C50/m30.0554736260铁砂混凝土/m30.050139470普通钢筋/t0.40049151966钢绞线/t1.2009211105总价——4582

5 结论

本文基于利用RPC比强度高的特性实现结构自重减轻的理念，拟定了一座大跨径且具有低边主跨比的RPC混合梁桥，并对其受力性能进行了分析，主要得到以下结论：

① 混合梁方案中RPC箱梁的局部受力性能满足要求，各板件厚度取值合理。

② 混合梁方案在施工和使用阶段，结构应力、变形均满足规范要求，静力性能良好。

③ 采用RPC能有效减轻上部结构自重，使混合梁方案在跨径增大近一倍的同时还保证了结构抵抗使用荷载有效性。

④ 混合梁方案通过控制RPC的用量避免了造价攀升，确保了方案的经济合理性。

综上，RPC+C60混合梁桥具有良好的结构受力性能和经济性，可作为大跨径梁式桥体系中一种可供选择的结构方案。

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Performance Research on Hybrid Girder Bridge of RPC and Normal Concrete

LU Zuliang， FANG Zhi

(College of Civil Engineering， Hunan University， Changsha， Hunan 410082， China)

The application of Reactive Powder Concrete(RPC)，instead of steel and lightweight concrete，in hybrid girder bridge could not only lead to the decrease of gravity load of superstructure and the increase of span，but also avoid the complicated steel-concrete joint and the disadvantage of lightweight concrete.Moreover，the durability of the structure would be enhanced.This paper，based on a continuous rigid frame bridge with main span length of 180 m，proposed a RPC-normal concrete hybrid girder bridge with a main span of 330 m(hereafter called the RPC hybrid girder bridge).The mechanical performance of the RPC hybrid girder bridge was studied.And the results show that，during the construction and service stage，the RPC hybrid girder bridge could meet the code requirements of stress and deformation，and the local performance of RPC box girder is guaranteed.In conclusion，the RPC hybrid girder bridge has good mechanical performance and an economic feasibility.

bridge engineering； hybrid girder bridge； reactive powder concrete； structure performance

2015 — 05 — 26

教育部高等学校博士点专项科研基金项目(20120161110021)

卢祖梁(1989 — )，男，福建龙岩人，硕士，主要研究方向为桥梁工程。

U 448.38

A

1674 — 0610(2016)05 — 0022 — 06