UHPC与普通混凝土简支T形梁受力性能对比
2019-04-22易道远董夏鑫陈贤俊
易道远 ,董夏鑫 ,陈贤俊
(同济大学桥梁工程系,上海 200092)
0 前言
UHPC是一种基于最大密实度原理、低水灰比配制的水泥基复合材料,具有超高抗压强度(>150MPa)以及较大的抗拉强度(>7MPa)和优异耐久性。加入钢纤维(2%左右)的UHPC还具有了更好的变形性能,其受压峰值点应变可高达0.0035左右,残余强度为峰值强度的85%时的极限压应变可超过0.005,其受拉极限应变大于0.003,弹性模量达到47GPa,远远高于普通混凝土和高强混凝土的相应值[1]。就徐变收缩发展速率而言,UHPC也远快于普通混凝土。
在桥梁结构中,UHPC已被广泛应用于主梁结构、桥面结构、桥梁接缝及旧桥加固等诸多方面。据不完全统计,目前世界各国已有超过200座采用UHPC作为主要或部分建筑材料的桥梁[2]。从目前的使用情况来看,制约UHPC桥梁结构发展的主要因素一是其高昂的造价。因此不妨考虑只将常规配筋混凝土(Normal Concrete,NC)结构中的抗拉构件、抗剪构件和连接构件等替换为UHPC材料,形成UHPC-NC组合结构桥梁,达到既改善桥梁结构受力性能又降低桥梁造价的目的。
因此本文以先张法预应力T型梁为研究对象,以快速施工理念为指导[3],对比分析UHPC组合T形梁与普通混凝土T形梁分别采用预应力筋直线和折线配置形式时的受力性能以及施工性能和经济性。
1 结构概述
1.1 工程概况
某城市桥梁拟采用22m先张法T型简支梁形式,横向布置图如图1所示。预制梁长2196cm,计算跨径2144cm,梁高均为95cm(高跨比1/23.16),梁中距120cm。
图1 桥梁横向布置图
此类型低高度先张法T形梁是较适合中小跨径快速施工的梁型,能够满足城市桥梁对于文明施工的要求。
1.2 梁的构造简要
普通混凝土梁采用C60混凝土;UHPC梁桥面板采用C60混凝土,梁肋采用UHPC;经过初步设计及计算后的结果进行优化,拟定出梁的截面及预应力钢绞线布置详见图2,梁的预应力钢绞线起弯点设在在距离梁端9m和13m位置。
图2 直线配置钢绞线梁的截面
2 分析方法及主要参数
2.1 分析模型
为了分析UHPC组合T梁与普通混凝土T梁受力性能的区别,建立有限元分析模型,进行从施工至成桥全过程分析,分别对两根梁的主要受力性能指标进行计算对比。图4为单主梁模型,图5为其预应力筋配置。
2.2 分析采用的主要参数
图3 折线配置钢绞线梁的截面
图4 单主梁模型
图5 模型预应力筋配置
C60、C80混凝土、钢绞线材性参数按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)[5]选用;UHPC 材性参数按照瑞士规范[7]选用。主要材料参数见表1。
单主梁模型主要材料参数 表1
梁上10cm沥青+10cm混凝土铺装的容重分别为:24kN/m3、25kN/m3;栏杆重量取 10kN/m/道,栏杆重量由边梁承担。
考虑先张法钢绞线弯折后的强度折减[4],张拉控制应力值取1340MPa;直线配筋张拉控制应力值取1395MPa。
汽车荷载采用《城市桥梁设计规范》(CJJ 11-2011)[6]的城-A级,同时采用公路一级荷载进行验算。
除自重、预应力、汽车荷载,温度,收缩徐变作用外,暂不考虑其他作用,作用效应组合按《城市桥梁设计规范》(CJJ 11-2011)[6]和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)的有关规定执行。
横向分布系数统一按照梁格模型和刚接板梁法计算结果的最大值选取,等效梁格法计算值为0.326,刚接板梁法计算值为0.256,双T边梁横向分布系数取为0.326。
考虑温度梯度效应,按照按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)[4]的有关规定,考虑桥面铺装的影响,取值为:升温T1=14℃、T2=5.5℃;降温 T1=-7℃、T2=-2.75℃。
施工阶段定义如下:①张拉预应力束并浇筑混凝土;②养护3d后放张预应力束;③存梁60d;④铺装完成;⑤成桥通车。
3 受力性能对比
为了判断两根梁的受力性能,按照有关规范的要求,对其抗裂性、抗弯和抗剪承载力及刚度进行对比分析。
3.1 抗裂性
抗裂性主要考虑正截面抗裂,主要按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)[5]的6.3.1中的A类构件验算。在作用(或荷载)短期效应组合下
但在荷载长期效应组合下
式中:σst为在作用(或荷载)短期效应组合下构件抗裂验算边缘混凝土法向拉应力;σlt为在作用(或荷载)长期效应组合下构件抗裂验算边缘混凝土法向拉应力;σpc为扣除全部预应力损失后的预加力在构件抗裂验算边缘产生的混凝土预压应力;ftk为混凝土抗拉强度标准值,对于C60、C80、UHPC,ftk的值分别为 2.85MPa[5]、3.1MPa[5]、7MPa[7]。应力计算结果如表 2所示。
主要阶段应力结果(“-”为压应力) 表2
从表格中四种梁的应力结果来看,在预应力筋放张时,普通混凝土直线配筋、UHPC直线配筋、UHPC弯折配筋三种梁在支点附近均因为预应力过大,导致上缘C60混凝土出现拉应力。在作用(或荷载)短期效应组合下四种梁的下缘应力均小于0.7ftk(2.0MPa、2.0MPa、4.9MPa、4.9MPa)。
对于预应力钢绞线直线配置来说,当预应力钢绞线放张时,在靠近支点附近梁的上缘会产生较大的拉应力,这需要对端部预应力钢绞线进行套管等绝缘钢绞线应力的操作。
对于预应力钢绞线弯折配筋而言,由于预应力钢绞线弯折导致的钢绞线张拉控制应力的降低,可以通过增加钢绞线数量克服,整个施工阶段阶段的应力状况优于直线配筋,但其张拉设备和钢绞线起弯器需要特殊设计。
3.2 抗弯承载力
抗弯承载力主要考虑跨中和四分之一处截面抗力,按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)[5]的 5.2.3 进行计算:
对于普通混凝土梁:
对于UHPC组合梁受力模式参考瑞士规范《MCS_EPFL Recommendation UHPFRC 17April2016》[8],计算模型见图6,计算方法如下:
图6 梁截面抗弯内力和抗力计算结果
以上式中Mud为设计抗弯承载力;fpd为预应力钢绞线设计抗拉强度;fcd为HRB400钢筋设计抗拉强度;futd为C60混凝土设计抗压强度;bf为UHPC设计抗拉强度(7MPa/1.3=5.4MPa);bf为桥面板宽度;b 为两个UHPC肋宽度之和;h为梁;h0=h-ap,ap为预应力钢绞线形心距离梁下缘距离;x为受压区高度。当0.9(h-x)大于 UHPC 梁肋高度(0.75m)时,0.9(h-x)取值为0.75m。
梁截面内力和抗力计算结果如表3所示。
上述计算结果中,NC直线和NC弯折考虑了四根直径25mm的HRB400普通钢筋的抗弯贡献,UHPC梁则没有考虑普通钢筋的抗弯贡献,UHPC梁肋对抗弯承载力的贡献占到20%左右。从结果来看,截面的抗弯承载能力大于内力,满足规范要求。
梁截面抗弯内力和抗力计算结果 表3
3.3 抗剪承载力
抗剪计算考虑支点附近一倍梁高处的剪力,按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)[5]的 5.2.7 进行计算:
对于普通混凝土梁,截面配置HRB400双支准12间距150mm箍筋:
式中:Vud为截面抗剪承载力;Vcs为斜截面内混凝土和箍筋共同的抗剪承载力;Vpb为与斜截面相交的预应力弯起钢筋抗剪承载力;其他参数请参考《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)[5]的 5.2.7。
对于UHPC组合梁,截面抗剪计算参考瑞士规范[7]:
式中:VRd为UHPC截面总抗剪承载力,UHPC组合梁不配置箍筋,所以箍筋项 VRd,S为 0;VRd,U为 UHPC抗剪承载力贡献。futed为弹性阶段设计抗拉强度,取值4.31MPa;futed为强化阶段设计抗拉强度,取值4.74MPa;其他参数详情情参考瑞士规范[7]选用。
法国桥梁荷载分项系数取用参照欧洲荷载规范BS EN选用,其恒载分项系数为1.15,汽车荷载分项系数为1.5(中国桥梁荷载两项分项系数分别为1.2和 1.4)。
梁截面抗剪内力和抗力计算结果 表4
截面抗剪计算结果如表3所示。四个梁肋的抗剪承载力均能满足规范要求。但是普通混凝土截面考虑了箍筋的抗剪贡献,而UHPC截面未考虑箍筋,从计算结果上来看,同类型配筋UHPC的组合截面的抗剪承载力要大于普通40%左右;而弯折配筋也能使得截面抗剪承载能力有所增大,增大幅度与钢绞线起弯角度以及起弯数量有关。
3.4 挠度
挠度计算考虑跨中挠度,按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)[5]的6.5进行计算,计算结果如表5所示:
不同阶段跨中挠度计算结果(“-”为下挠) 表5
四种梁在预应力筋放张时都会产生上拱,期间直线配筋的上拱量会大于弯折配筋的上拱量,UHPC组合梁的上拱量比普通混凝土的小,这是由于UHPC的弹性模量比普通混凝土大;在存梁期上拱有所增大,但UHPC组合梁上拱增量明显比普通混凝泥土梁大,这是因为UHPC前期的徐变收缩速度比普通混凝土快很多,且UHPC组合梁截面尺寸小,其刚度比普通混凝土梁小。成桥十年时普通混凝土的上拱量相比成桥初期增加,而UHPC组合梁的上拱量相比成桥初期有所减小,原因在于UHPC后期徐变收缩比较小,而普通混凝土在后期依然有较大徐变收缩。
活载采用公路一级,计算结果均小于《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)[5]的规定的L/600=36.7mm,满足规范要求。
4 施工性能和经济性能对比(重量,钢绞线和混凝土用量)
主要材料用量如表6所示。NC直线、NC弯折、UHPC直线、UHPC弯折的钢绞线数量分别为23、24、20、22,UHPC组合梁的钢绞线用量比普通混凝土梁小。对于结构重量,UHPC组合梁的重量约为普通混凝土梁的80%,这意味着能够用减小对下部结构的荷载作用,以及使用更小的吊机,方便操作空间较为狭窄的城市桥梁的施工。
材料用量表 表6
5 结论
本文基于UHPC材料的力学性能,初步设计一根UHPC组合T形简支梁和一根普通混凝土T形简支梁,采用有限元的分析方法,对比分析这两根梁在预应力筋直线配置和折线配置情况下的施工阶段和成桥阶段的全过程受力性能以及经济性。
①对于梁高较低的普通混凝土梁,若加大钢绞线直线配筋量会使得预应力筋放张阶段,普通混凝土梁下缘的应力容易超限;若不加大预应力配筋量,则抗裂性不容易满足全预应力构件的要求。弯折配筋能够降低梁端附近较大的压应力,虽然张拉应力有所降低,但能够通过增加较少预应力筋数量解决。因此对于普通混凝土梁,预应力钢绞线弯折配筋的形式性能更优。
②对于UHPC组合梁,UHPC能承受很大的压应力,同时在考虑的两个UHPC组合梁模型中,UHPC对抗弯承载力的提高量超过40%;即使在钢绞线直线配筋梁端对钢绞线绝缘的情况下,UHPC仍能提供足够大的抗弯贡献,因此钢绞线直线配筋更适合UHPC组合截面。
③在满足桥梁功能要求的前提下,UHPC组合梁比普通混凝土梁的预应力钢束用量减小了10%以上,这将减小了施工阶段预制梁上缘的拉应力,降低了存梁期预制梁的上拱值,从而避免了由此带来的截面上缘耐久性差的问题。
④UHPC组合梁自重比普通混凝土梁减小了20%,这将降低对桥梁下部结构的荷载作用,减少桥梁下部结构的造价,在计算桥梁造价时应计入这一因素。
⑤此外UHPC组合梁位于受拉区的UHPC在抗渗等耐久性方面的优势还将进一步提高其使用寿命。