浅析活性粉末混凝土（RPC）在沿海港口大跨度轨道梁中应用

◎ 曹昌浩 广东省航运规划设计院有限公司

1.背景

某沿海电厂配套建设10万吨级煤码头采用重力墩式结构，两沉箱间用预应力T型梁及轨道梁连接。轨道梁采用钢箱梁结构，设计梁长22.7m，梁高3m，其中2.6m为钢箱梁，梁顶部设置400mm厚的C50混凝土铺装层，铺装层混凝土在箱梁固定端与墩台上部胸墙混凝土连结成整体，另一端设置伸缩缝与墩台上部胸墙断开。

在沿海由于高温高湿气候，钢箱梁耐腐蚀性较差，为减少未来维护工作量，提出RPC（活性粉末混凝土）梁替代原钢箱梁方案。轨道梁采用后张法预应力预制超高性能混凝土简支T梁，其横断面布置及各片纵梁的编号如图2所示。

图2 拟优化设计断面

2.RPC简介

图1 原结构设计断面

活性粉末混凝土（即Reactive Powder Concrete，简称RPC）是继高强、高性能混凝土之后，在90年代初期由法国最大营造公司之一布伊格（BOUYGUES）集团通过采用超细粒聚密材料与纤维增强材料经高温热合等特定工艺制备出的一种新型超高强度、高耐久性、高韧性和体积稳定性良好的水泥基材料，与常规的高强混凝土相比，RPC 材料的显著特点是抗压强度达200MPa，甚至800MPa，是普通高强混凝土的2～4倍；抗折强度为20～60MPa，是普通高强混凝土的4～6 倍；掺入钢纤维后，其折压比可达1/4左右，断裂韧性可与金属相媲美。

3.主要材料

3.1 超高性能混凝土RPC

超高性能混凝土RPC轨道梁采用超高性能混凝土RPC150，弹性模量Ec=4.615×104MPa，泊松系数v=0.2，钢纤维体积掺量Pf=2%，其长径比为60。RPC150的轴心抗压强度标准值fck=105MPa，轴心抗拉强度标准值ftk=8.35MPa，轴心抗拉初裂强度标准值ft0,k=7.05MPa。

3.2 预应力钢绞线

预应力钢筋采用强度等级为1860MPa的高强度低松弛钢绞线，其弹性模量ES=1.95×105MPa，松弛系数ξ=0.3，抗拉强度标准值为fpk=1860MPa。轨道梁张拉控制应力为σcon,l=0.75fpk=1395MPa；为减小码头梁张拉时的反拱，特别是长期反拱，以适应轨道梁和码头梁徐变不一致造成的影响，码头梁的张拉控制应力取为0.70fpk=1302MPa。

4.结构设计要点

煤码头轨道梁采用超高性能混凝土RPC，其强度等级为R150，梁全长22.70m，计算跨度21.20m，梁截面高度为2.50m，两端距梁端1m范围内为腹板厚度70 cm的T 型截面，1m至5m为变截面段，跨中为腹板厚度30cm的T型截面。其构造如图3所示。

图3 轨道梁构造图（单位：cm）

5.结构计算

5.1 模型建立

采用 midas Civil 2015 软件，建立相应的杆系结构分析模型，依据相应规范对轨道梁的承载能力极限状态和正常使用极限状态进行验算。梁与重力墩之间的连接通过左端对 x，y，z 轴位移约束以及绕 x轴转动约束，右端对 y，z 轴位移约束以及绕 x 轴转动约束来实现。

图4 计算模型

5.2 设计荷载

①预制T梁自重。预制梁自重在Midas 中按材料容重自动计入。

②预应力荷载。计入纵梁、横梁预应力对结构受力的影响，预应力钢束以实际布置方式输入。锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩值6mm。

③机械设备荷载。桥式抓斗卸船机轨距22m，基距16m，8轮/腿，轮距1m，工作状态支腿压力：500kN/轮×8 轮/腿；非工作状态支腿压力：550kN/轮×8 轮/腿。

6.计算结果

依据《水运工程混凝土设计规范》（JTS151-2011）中相关规定，计算结果如图5。

图5 承载能力极限状态正截面抗弯承载力验算结果

从图5可看出，承载能力极限状态基本组合下，距梁端 11.2m 处截面弯矩值最大，小于弯矩抗力，满足规范要求。

从图6 可看出，承载能力极限状态基本组合下，剪力值均处于剪力限值包络范围内。支座截面剪力值抗力值。距离支点4.15m处截面（变截面开始处）剪力值为小于抗力值。梁斜截面受剪承载力满足规范要求。

图6 承载能力极限状态斜截面抗剪承载力验算结果

从图7可看出，正常使用极限状态标准组合作用下，上缘未出现拉应力，满足规程要求。跨中截面下缘出现最大拉应力值小于规范限值，满足规范要求。

图7 正常使用极限状态正截面抗裂准永久组合验算结果

从图8可看出，正常使用极限状态标准组合作用下，跨中截面出现主压应力最大值，小于规范限值，满足规范要求。

图8 斜截面混凝土的主压应力验算结果

从图9可看出，在荷载标准组合下，跨中挠度小于规范限值，满足规范要求。

图9 DZ方向最大位移验算结果

7.结论

（1）根据《水运工程混凝土结构设计规范》，在承载能力极限状态基本组合下，梁斜截面抗剪承载力满足规范要求。

（2）依据《水运工程混凝土结构设计规范》，在荷载效应标准组合下，梁正截面抗裂验算、梁斜截面抗裂验算、梁的主压应力验算均满足抗裂要求。

（3）针对湿热养护的RPC150与自然养护的C50两种混凝土材料在收缩徐变特性上存在较显著的差异，而纵、横梁刚性联结的空间梁格为内部超静定结构，RPC150轨道梁与C50预应力T 梁的收缩徐变步调不一致，将在结构内产生附加内力效应，待下一步进行研究。

（4）本文提出的计算理论和计算方法可为RPC在海港工程中的应用提供参考。