LUHPC小箱梁桥试设计及参数分析

2022-03-04李敬南卢志芳

建材世界 2022年1期

李敬南，卢志芳

(武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室，武汉 430070)

随着RPC、UHPC材料兴起，许多实际工程项目将RPC、UHPC成功应用到桥梁结构中[1]，但UHPC和RPC容重较大，不利于桥梁跨径上的突破。课题组研发了轻质超高性能混凝土(简称LUHPC)，该混凝土具有表观密度小、强度高、耐久性强和免蒸养等优点；此外，预应力混凝土小箱梁桥凭借其受力合理、施工速度快、造型美观、行车舒适等特点，在20～30 m的中小跨径桥梁中应用广泛[2]。

因此，以某30 m预应力C50混凝土小箱梁桥为例，开展预应力LUHPC小箱梁桥的试设计研究。通过改变LUHPC小箱梁桥的截面尺寸，节省材料用量、提升桥梁承载能力，明确桥梁受力性能的改变，使桥梁结构步入轻质化，高强化。

1 LUHPC材料性能试验

1.1 LUHPC原材料及拌合工艺

试验原材料包括P.O52.5硅酸盐水泥、硅灰、粉煤灰微珠、粒径为0.075～2.36 mm连续级配细陶砂、钢纤维、聚羧酸高效减水剂以及符合国家标准的自来水。基于弹性模量的轻集料组成设计和混凝土紧密堆积设计原理，保证粉料和轻集料可以在混凝土中达到最密集堆积状态。搅拌前先润锅，再将粉料加入干拌，随后加入水和减水剂，形成有流动度胶凝状浆体后添加预湿好的陶砂；待搅拌均匀，用筛选的方式加入钢纤维。拌合过程控制在15 min。将搅拌好的LUHPC浆体装进模板中，常温养护24 h脱模，之后潮湿养护28 d[3]。

1.2 力学性能试验

对养护完成的试件开展力学性能测试，为后续LUHPC小箱梁桥试设计提供设计参数。具体试验结果如表1所示。

表1 LUHPC材料力学性能

2 LUHPC小箱梁桥试设计研究

2.1 LUHPC小箱梁桥试设计

以某30 m预应力C50混凝土小箱梁桥为例，该小箱梁桥单幅横断面由五片箱梁组成。沿桥跨方向外部轮廓尺寸保持不变。考虑LUHPC材料的优越性，经过结构尺寸试设计，拟定LUHPC小箱梁桥截面尺寸。与原C50混凝土桥相比，其中箱梁梁高1 600 mm，边梁梁宽2 850 mm，中梁梁宽2 400 mm均保持不变。跨中截面顶板、底板和腹板的厚度由180 mm变为160 mm，减小约12%；支点截面顶板厚度由180 mm变为160 mm，底板和腹板的厚度由250 mm变为220 mm，减小约12%。根据拟定尺寸，绘制箱梁的截面图，如图1所示。

开展LUHPC小箱梁桥内力计算及配筋设计时，选择截面作用效应组合最大的边梁为设计对象。根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60 2015)[4]、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)[5]和课题组关于LUHPC梁抗弯承载力和抗剪承载力研究成果[6]对主梁进行验算，LUHPC小箱梁设计满足相关要求，如表2所示。

表2 LUHPC小箱梁验算结果

2.2 LUHPC小箱梁桥运营阶段受力分析

利用Midas/Civil建立有限元模型，对比分析预应力LUHPC小箱梁桥和预应力C50混凝土小箱梁桥截面承载能力、抗裂性和挠度的变化规律。

1)承载能力分析

依据《公路桥涵设计通用规范》中的有关规定，进行截面承载能力计算时，按照以下的荷载组合形式进行分析：1.2恒载+1.4汽车荷载+1.0混凝土收缩徐变+1.05温度荷载。

由表3中数据可知，LUHPC小箱梁桥承载能力满足要求。此外，对比LUHPC小箱梁桥和C50混凝土小箱梁桥有限元模型可以得到：LUHPC小箱梁桥恒载弯矩和活载弯矩的比值为1.75；而C50混凝土小箱梁桥恒载弯矩和活载弯矩的比值为2.12，这说明LUHPC小箱梁桥更主要是用来抵抗活载所产生的内力，而非抵抗自身的重量。

表3 承载能力极限状态计算结果

2)抗裂性分析

预加力和荷载在LUHPC小箱梁桥边缘处混凝土产生的应力与试设计理论值计算结果相差不大，故试设计的LUHPC小箱梁桥抗裂性满足规范要求。与LUHPC小箱梁桥相比，C50混凝土小箱梁桥预压应力和混凝土法向拉应力偏大，主要原因是C50混凝土小箱梁桥自重和预加力较大。

3)挠度分析

LUHPC小箱梁桥有限元计算值在自重+二期恒载、可变荷载作用、预加力+荷载短期效应组合下挠度值与试设计计算的理论值相差不大，说明LUHPC小箱梁桥挠度验算满足要求。对比LUHPC小箱梁桥与C50混凝土小箱梁桥在荷载组合下的挠度，发现预应力产生的上拱主要是用来抵抗自重产生的下挠。故在LUHPC小箱梁桥设计中，利用LUHPC材料轻质超高性能，能有效降低LUHPC小箱梁桥自重和预应力筋用量。

3 LUHPC小箱梁桥参数分析

3.1 材料用量

LUHPC小箱梁桥混凝土、预应力钢筋用量分别为169.82 m3和3.96 t，同C50混凝土小箱梁桥相比，减少了9.52%和33.45%，数据见表4。主要是因为LUHPC材料具有轻质、高强性能，使结构使用较小截面尺寸和较少的预应力筋就可以满足荷载作用下的受力要求。

表4 两种桥型的材料用量

3.2 恒活载之比

较C50混凝土小箱梁桥，LUHPC小箱梁桥恒载显著降低。因为LUHPC材料容重减小17.4%，截面尺寸减小12%、预应力钢筋用量减少33.45%。由表5可知，LUHPC小箱梁桥恒活载比优于C50混凝土小箱梁桥，为后者的0.79。说明LUHPC小箱梁桥承载力可更好抵抗活载，而非桥梁自重；也反映在相同设计荷载下，LUHPC小箱梁桥具有更好的跨越能力。

表5 恒载与活载集度比较

3.3 预应力损失

同C50混凝土相比，LUHPC材料的超高强度和较高的弹性模量，保证了使用后张法对预应力钢筋张拉时，局部受压区混凝土不会产生裂缝，降低了锚垫下混凝土因压缩变形的预应力损失。此外，LUHPC材料自收缩在浇筑前期增长快，一般7 d收缩率达到平稳时的73%，20 d左右其收缩值基本趋于稳定，说明预应力钢筋张拉之后，因LUHPC材料自身收缩徐变导致的预应力损失较小，有利于保证成桥后的有效预应力。

3.4 抗拉性能

LUHPC材料掺有超高抗拉强度的钢纤维，其抗拉性能显著提升。LUHPC轴心抗拉强度为10.2 MPa，远高于C50混凝土轴心抗拉强度2.65 MPa。故在箱梁配筋量和正截面承载力计算时，考虑LUHPC抗拉贡献，既减少钢筋用量，又满足正截面承载力验算要求。斜截面承载力计算时，仅LUHPC抗剪能力即满足截面设计要求。另外，LUHPC良好抗拉性能，提高了梁体承载力，延缓、减少裂缝开展，降低预应力钢筋和普通钢筋用量，为工程节省开支。