RPC混凝土-螺栓連接分段拼裝梁構思

項育德

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋隧處，西安　710043)

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RPC混凝土-螺栓連接分段拼裝梁構思

項育德

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋隧處，西安710043)

摘要：活性粉末混凝土(RPC)是一種新發展起來的超高性能水泥基復合混凝土，其抗壓強度、抗拉強度遠高于普通混凝土或者高性能混凝土，被稱之為“類鋼”材料，而鋼結構又具有工廠精密加工，工地現場安裝等特點。探討將RPC混凝土這種“類鋼”材料在工廠預制構件，現場用鋼節點板和高強螺栓連接成形的設計構思，介紹RPC混凝土與鋼節點板采用高強螺栓連接、分段拼裝的板式橋梁設計。

關鍵詞：鋼-RPC組合橋梁；活性粉末混凝土(RPC)；節點板分段拼裝、；高強螺栓連接；設計

1概況

項目背景：在2012年9月16日舉辦的“國際橋梁與隧道工程技術高峰論壇暨茅以升先生誕辰115周年紀念大會”上，茅以升科技教育基金會正式啟動“小橋工程”公益項目。該項目旨在為我國邊遠貧困地區的少年兒童架設安全求學之橋，為土木工程專業的學子搭建社會實踐的平臺。2013年10月，第十一屆鐵路橋梁設計年會組委會向全路各設計院發出倡議書——“茅以升公益橋小橋工程，給孩子一座橋，鐵道工程師倡議書”。 “RPC混凝土-鋼節點板分段拼裝梁”為鐵一院4種推薦橋型之一。

項目要求：橋梁構造簡單新穎、跨度較小、造價較低；同時山區交通不便，要求方便施工；后期維修困難，要求材料耐久性較高。

2建設條件

2.1項目選址位置

“小橋工程”項目選址以鐵一院推薦的佛坪縣下沙窩村為該公益橋的建設場地。項目建設地址距漢中市150 km。

2.2自然特征

橋址區屬亞熱帶北緣山地暖溫帶溫潤季風氣候，7～10月份為集中降雨期。年平均氣溫 11.6 ℃，年平均降水量913 mm。

2.3橋址地質構造及地層巖性

地質資料顯示，橋址范圍內地層主要為第四系全新統膨脹土、細砂、粗砂、礫砂、細圓礫土、粗圓礫土、卵石土、漂石土、太古界片麻巖夾片巖，局部夾云母片巖，基巖埋深相對較淺。

2.4地震及凍結資料

地震動峰值加速度為0.05g(相當于地震基本烈度6度)，反應譜特征周期0.45 s。土壤最大凍結深度50 cm。

3設計思路、原則及標準

3.1設計思路

本次公益橋按人行橋設計，橋梁的總體設計貫徹“功能完善、實施簡便、經濟合理、體現水平”的設計思路。

3.2設計原則

根據當地功能要求及建橋條件，在保證結構安全性、可行性、耐久性及經濟性的前提下，使施工具有可操作性及簡便性，并努力做到景觀協調、保護環境。

3.3設計標準

橋梁設計荷載：人群荷載 5 kPa；設計洪水頻率：1/100；結構設計安全等級：二級。設計基準期：100年； 參考：城市、公路相關規范及強制性條文、標準[1]。

4橋式方案及結構

4.1橋式方案

本橋為跨越山區河溝，連接兩側道路而設，考慮到最終確定的橋址處地形、地貌及地質條件，本次設計方案統一按橋長30 m開展方案設計。結合兩岸地形地貌RPC混凝土-鋼節點板分段拼裝梁效果圖如圖1所示。

4.2全橋立面

孔跨布置為2孔15 m RPC節點板分段拼裝簡支梁[2]，橋全長31.9 m。梁寬3.44 m，全橋立面如圖2所示。

圖2　全橋立面(單位：cm)

4.3主梁橫斷面

橋面布置為：0.22 m(人行道欄桿)+3.0 m(人行道寬度)+0.22 m(人行道欄桿)。主梁采用兩片寬0.22 m×高1.1 m的RPC縱梁與3.5 m寬×0.08 m厚的RPC蓋板組合結構。在縱梁預制時預埋連接螺栓，橋面板對應位置預留螺栓孔，欄桿底座鋼板對應位置預留螺栓孔。現場拼接時先將橋面板與縱梁連接，澆入環氧樹脂砂漿密封，再將欄桿底座鋼板與螺栓連接，螺母套緊。主梁橫斷面如圖3所示。

圖3　主梁橫斷面圖(單位：cm)

4.4主梁縱向結構

每片縱梁分為3個節段，2個節點板接縫，每段長5 m。為節約RPC混凝土用量，減小梁部橫向風力，并提高梁體美觀性，在縱梁上開0.8 m×0.5 m的矩形帶倒角的孔洞。每孔梁在兩接縫和梁端處設4道橫向型鋼支撐連接，蓋板與縱梁用螺栓連接，螺栓孔澆筑環氧樹脂砂漿封死，提高橫向穩定性。主梁縱向結構構造如圖4所示。

圖4　1/2主梁縱向結構(單位：cm)

4.5縱梁連接方式

每片縱梁厚22 cm、高110 cm、長500 cm，在縱梁端頭設置厚10 mm的預埋鋼板。接縫采用縱向60 cm、豎向110 cm的鋼節點板，節點板與預埋鋼板用66個高強螺栓連接[3]。其連接A大樣如圖5所示。

圖5　RPC縱梁與鋼節點板連接示意(單位：cm)

本構思在2片縱梁相接處采用預埋U形鋼板的方式，為了加強截面的抗剪能力，也可參照國內目前的節段拼裝梁，設置剪力鍵[4]，同時加強縱梁間的連接，也可采用膠接等措施[5]。

4.6兩片縱梁之間橫向連接

為提高梁體橫向剛度，加強2片縱梁間的橫向聯系，在支座處采用縱梁內側預埋鋼板，橫向鋼箱連接；橋跨縱梁分節段處采用角鋼W撐聯接，以提高兩縱梁之間的聯系及整橋的橫向剛度，如圖6所示。

圖6　縱梁橫向連接示意(單位：cm)

5主要計算

5.1荷載

自重： 1孔15 m RPC混凝土-鋼節點板分段拼裝梁共用11.6 m3RPC混凝土，耐候鋼3 t。換算每延米自重22 kN/m。

人群荷載：按5 kN/m2計，換算縱向每延米15 kN/m。

5.2截面計算

按簡支結構計算，每片縱梁：

均勻線荷載q=(22+15)/2=18.5 kN/m

跨中最大彎矩M=q×L2/8=520.3 kN·m

縱梁抵抗矩W=b×H2/6=0.044 4 m3

計算最大拉應力=M/W/1 000=11.72 MPa。

根據RPC200混凝土的材料力學性能，其抗拉強度可取30 MPa，其容許拉應力可按0.55×30=16.5 MPa計[6]，受力滿足要求。

5.3混凝土剪應力及疲勞應力

由MIDAS建模計算，得出最大混凝土剪應力為3 MPa，而一般RPC混凝土抗剪強度為18 MPa[7]。人群荷載對應混凝土疲勞應力為2.75 MPa，類比普通鋼筋混凝土的疲勞應力，基本可以滿足要求[8]。

5.4高強螺栓計算

按高強螺栓摩擦型等強連接計算，縱梁截面容許拉力：0.2 m×1.1 m×16.5 MPa×1 000=3 630 kN。

高強螺栓容許抗滑承載力[9]

式中m——連接處抗滑面數，取66×2=132；

μ——連接鋼材表面抗滑移系數，取0.35；

N——螺栓設計預拉力，取150 kN；

K——安全系數，取1.7。

計算得，P=4 076.5 kN>3 630 kN，滿足要求。

為保證節點板高強螺栓連接安全，在梁體縱向跨中范圍內為5 m一節的預制縱梁，最大正彎矩處不設節點板連接。

由上述計算可見，RPC混凝土縱梁用高強螺栓連接時，高強螺栓的個數已經相對較多，因此，本構思的適用范圍僅為人行天橋等荷載較小的橋梁。

6施工組織方案

(1)RPC混凝土采用鍍銅鋼纖維作為混凝土的骨架結構，細骨料選用多粒徑的石英砂[10]，應選擇合理的水膠比和砂膠比，制造滿足性能要求的RPC混凝土。

(2)縱梁分節(5 m一節)在工廠預制，注意預埋節點板鋼板、高強螺栓孔、連接螺栓等預埋件，縱梁應在工廠試拼合格后運往現場。

(3)橋面板分節(3 m一節)在工廠預制，注意預留螺栓孔。

(4)現場在縱梁分節處搭設支架，支架應滿足相關規定。在支架上拼接縱梁，安裝節點板及高強螺栓。

(5)安裝支點及分節出橫向連接鋼箱及W撐。

(6)安裝橋面板、欄桿。

7該構思的特點

活性粉末混凝土是20世紀90年代中期研發出的超高強度、高韌性、高耐久性、體積穩定性良好的復合材料。抗壓強度可以達到200 MPa，抗拉強度可以達到20～30 MPa。目前在國外，如日本的GSE橋、韓國的首爾和平橋、美國的Mars Hill Bridge等，均是采用預應力與RPC混凝土梁體進行組合[11]。我國也將該材料運用于無筋RPC空心蓋板、鐵路人行道板[12]、20 m跨鐵路低高度簡支T形梁中[13]，20 m以上的梁，如32 m簡支T梁，國內也只是做了一些相關的工藝探討[14]。但是國內外尚未有將RPC混凝土梁用高強螺栓連接的構思或實例。

首次將RPC橋梁節段主梁以高強螺栓方式進行連接；其縱梁及橋面板采用活性粉末混凝土(RPC)，不必配置鋼筋或預應力鋼絞線，充分利用RPC混凝土的抗拉、抗壓設計強度，將結構輕型化、標準化、工廠化；考慮山區或偏遠地區運輸及架設條件較差，整孔梁運輸困難，將主梁縱梁分節段(縱向5 m一節)在工廠預制，現場用節點板高強螺栓連接，每節重僅為3 t，完全可用小型運輸車輛運送。

所采用的RPC混凝土沒有相關的設計規范，RPC混凝土縱梁用高強螺栓節點板連接也沒有相關規范及實例。因此，在后續的工作中，應進行相關的縮尺模型試驗，研究混凝土局部壓應力、裂縫開展情況及高強螺栓連接的節點性能等，為該“RPC混凝土-鋼節點板分段拼裝梁”的構思提供試驗支撐和科研結論。

8結語

RPC混凝土-鋼節點板分段拼裝采用的主梁材料新穎、連接方式新型，首次采用RPC作為主梁材料，并首次將RPC橋梁節段主梁以高強螺栓的方式連接。目前，橋梁節段拼裝結構中大多采用鋼筋和預應力鋼筋連接，此種連接方式中結構受拉主要靠鋼筋或預應力鋼筋承受[15]。在RPC橋梁節段拼裝結構中，為了充分利用RPC的抗拉性能，采用高強螺栓節點板連接，不僅形式新穎而且結構合理。

參考文獻：

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收稿日期：2015-11-15； 修回日期：2015-11-25

作者簡介：項育德(1982—)，男，工程師，2006年畢業于西南交通大學 土木工程系，工學學士，E-mail：252655766@qq.com。

文章編號：1004-2954(2016)07-0090-04

中圖分類號：U448.21+8

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.021

An Approach to RPC Concrete-bolted Segmental Beams

XIANG Yu-de

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：Reactive Powder Concrete (RPC) is a newly developed ultra-high performance cement-based composite concrete. Its compressive strength and tensile strength are much higher than that of the ordinary concrete and high performance concrete. It is also called “like steel” material. The steels structure is featured by shop precision machining and construction site installation. This paper presents the idea to have such “like steel” material prefabricated in the factory and connected into form on-site with high-strength bolts. This paper also introduces the design concept to connect RPC concrete with steel gusset plate by high strength bolts to form segmental plate bridge．

Key words：Steel-RPC combination bridge; Reactive powder concrete (RPC); Gusset plate segmental assembly; High strength bolt connection; Design