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超高性能混凝土桥面板的应用分析

2019-08-15

中国公路 2019年14期
关键词:挠度桥面高性能

(石家庄市交建高速公路建设管理有限公司石衡分公司,河北 石家庄 050000)

一、引言

众所周知,公路桥梁结构物的自重占全部设计荷载的很大一部分,且桥梁跨度越大,自重所占比例越高。对于需要经常开合的跨河活动桥,在桥梁结构物自重方面有着更为严格的要求,因此一般设计成开口式格构钢桥面。就目前的应用来看,钢桥面板表现出抗滑力小、耐久性差、维修造价高、振动幅度强、噪声大等缺陷,亟需探索一种新材料、新工艺、新体系的桥面板。

超高性能混凝土在解决噪声大、舒适性差、抗滑力小等方面具有极大的潜能,且后期养护费用也大大低于钢桥面,但关键在于解决重量问题。多年来,业内专家提出了许多新材料的替代方案,如将纤维增强聚合物、铝合金、超高性能混凝土等材料做成桥面板。但有的材料重量很大,无法很好地应用于桥梁建设中。

二、超高性能混凝土桥面板的构造

超高性能混凝土是由高强度水泥基材料和钢纤维组合成的复合材料,也是一种新型建筑材料。与常规水泥混凝土相比,它具有高强度和高耐久性。其抗压强度是常规水泥混凝土的4~8倍,摩擦力是常规水泥混凝土的8倍以上;其抗拉强度为6.2Mpa~11.7Mpa,抗压强度为150Mpa。在标准抗弯强度实验中,其抗弯强度可达到34.5Mpa~49.7Mpa。经过研究发现,将超高性能混凝土构件浸入900℃的水中养生48小时后,其抗压强度和弹性模量将大大提高,长期收缩将得到消除。目前,澳大利亚、日本、新西兰、韩国及一些欧美国家已经将超高性能混凝土用于公路桥、人行桥梁施工中,但用其替代钢桥面时,自重太大的劣势仍然存在。

本文介绍了一种截面小、重量轻的超高性能混凝土桥面板,其截面和配筋均按现行规范计算。这种桥面板是一种具有主肋和次肋的格构薄板,桥面板总厚127mm;主肋高(包括翼缘板)127mm,间距300mm;次肋高76mm,间距406mm,与主肋浇成一体,形成格构板;顶板兼做主肋、次肋的翼缘板,厚度为32mm。这种桥面板的重量仅有1.2KN/m2,与钢桥面重量相当。

超高性能混凝土的组分包括:水泥、硅灰、石英粉、砂、超级塑化剂、钢纤维,钢纤维的体积比为0.2%,直径为0.2mm,长度为13mm。主肋的下缘配一根φ22钢筋,上缘配三根φ10钢筋;次肋仅下缘配一根φ13的钢筋,上下保护层均为13mm。钢筋的屈服强度为690Mpa,屈服应变为0.004,弹性模量为20万Mpa。这种高强度钢筋没有屈服台阶,屈服强度按残余变形0.2%测得。

这种桥面板采用预制组装施工,相邻桥面板之间、桥面板与梁之间均采用特殊的连接构造。以下讨论这些连接构造对桥梁荷载横向分布及疲劳荷载的影响。

(一)桥面板与主梁的连接

预制的桥面板搭设在钢主梁顶端的双肩上,中间留一处矩形后浇槽。在该槽内的主梁顶板上焊接一个直径12.7mm、长102mm的栓钉,并将栓钉埋入后浇的超高性能混凝土中。栓钉沿主梁顶板均匀布置,间距为300mm,屈服强度为350Mpa,极限强度为448Mpa,主要是为了避免桥面板在汽车制动力和水平风力作用下发生滑移。矩形后浇槽宽51mm、长76mm、深127mm,用超高性能混凝土填满。

需要注意的是,栓钉除了抵御水平剪力外,还要经得起风力的向上分力,确保在风力作用下不会出现上浮。因此,可在栓钉顶部戴上“钉帽”,以避免出现浮起现象。

(二)相邻桥面板间的连接

相邻桥面板间的连接非常重要,它是桥面板间传递车轮荷载的关键。如果连接遭到破坏,可能会导致桥面板产生变形,甚至出现断裂或磨耗层分离。因此,在预制过程中,桥面板侧面应设置混凝土舌榫和相对应的凹槽。桥面板总厚度127mm,伸出的舌榫呈梯形,端部高51mm,根部高77mm,伸出长度51mm。相邻桥面板的凹槽尺寸应和舌榫相契合,尽量做到密切接触,必要时可在缝隙内灌入环氧树脂,做成无缝连接。

(三)荷载的横向分布

桥面板除了在横桥方向设置跨越主梁的主肋外,还在顺桥方向设置了几条次肋,次肋和主肋浇筑在一起形成格构结构。车轮荷载如何向下传递,则需要通过加载实验进行观察测量,可以将荷载布置在不同位置,求得各肋的分布系数。分布系数按下式计算:

DFi为某肋的荷载分布系数,△i为该肋的挠度,Σ△i为各肋的挠度总和,桥面板在此阶段处于弹性范围内方可应用这一公式。观测结果表明,车轮荷载被很好地分配给几条肋,避免了某一条肋单独负担过大的荷载。这就意味着,桥面板的断面还有潜力可挖,还可以进一步优化,降低桥面板的总重量。

相邻桥面板间设置了舌榫和凹槽连接进行荷载传递。当荷载加在凹槽一侧时,舌榫一侧的桥面板承受的荷载有所减少,比对侧减少了6%,这意味着相邻桥面板间的连接结构并未把所有荷载都传递过来。因此要采取相应的措施,如在预制桥面板时,相邻桥面板需进行匹配浇筑,确保严丝合缝;还可以在桥面板间的接触面涂刷环氧树脂。

(四)疲劳性能和剩余强度

为评价这种预制、组装的桥面板的疲劳性能和剩余强度,本文进行了疲劳实验,主要是为了验证桥面板之间、桥面板与梁之间连接构造的可靠性。

本次疲劳实验采用了大比例尺试件,设置成两跨连续梁,尺寸为2×1220mm。横桥向由两块桥面板组成,全宽762mm,桥面板总厚127mm。在带有凹槽的一侧桥面板上通过加载钢板垫施加荷载,荷载幅度从2.2KN~71.2KN,频率为4Hz,桥面板经受了200万次循环荷载,连续时间为6天。施加荷载过程中,每循环1000次,记录一次荷载、挠度、应变。在实验中和实验后,要认真观测桥面板和连接处的裂缝情况。

实验结果表明,桥面板并未出现破坏性裂缝,一些小裂缝是由环氧树脂开裂造成的。200万次循环荷载作用后,桥面板的最大挠度为L/320,循环荷载产生的混凝土压应力为17.2Mpa~33.8Mpa,钢筋拉应力为38Mpa~115Mpa。

三、结语

本文提出的使用超高性能混凝土制成的桥面板,采用高强度混凝土和高强度钢筋组建的结构,能尽可能缩小截面、降低总重量。桥面板采用预制、安装的办法成桥,可以提高施工进度,但出现了桥面板之间、桥面板与梁之间的连接问题。为验证连接的可靠性及使用性能,评价连接结构的疲劳性能和剩余强度,本文还进行了加载实验和疲劳实验。

实验证明,桥面板顺桥向的各条肋间,较合理地分担了车轮荷载,桥面上传来的荷载由它正下方的肋和相邻的肋共同分担。在疲劳实验中,桥面板钢筋和混凝土的剩余应力,分别比设计值高出了47%和94%。在施加荷载时,桥面板出现了很大的挠度,表明了它有很好的延性,在破坏时能给出预警信号。鉴于此,笔者认为,超高性能混凝土与高强度钢筋的搭配,将会在未来的桥梁设中做出巨大的贡献。

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