跨海大橋施工棧橋UHPC橋面板承載性能試驗研究

覃宗華 李自強 陳 平 楊榮輝

(中交第二航務工程局有限公司1) 武漢 430040) (公路長大橋建設國家工程研究中心2) 北京 100088)

0 引 言

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)是基于DSP材料體系上發展起來的相較于普通混凝土具有更密實微觀結構、更優異宏觀力學性能的新型混凝土材料，通常由水泥、硅灰、磨細石英砂和超高效減水劑在極低水灰比情況下摻入鋼纖維拌制而成[1]，為了降低成本也可摻入礦物摻合料和級配良好的粗骨料[2].由于其優異的力學性能和長期耐久性[3-4]，UHPC已廣泛用于工程實踐中[5].自1997年世界上第一座UHPC橋梁在加拿大魁北克省建成，至今已建成超過40座UHPC橋梁[6-7]，此外UHPC材料還被廣泛應用于石油、核電、軍事、海洋等工程中[8].目前UHPC已孕育出了眾多商業品牌[9]，被市場廣為接受，被譽為”未來的材料”.

在水上橋梁施工過程中，通常需要搭設臨時棧橋，作為材料、設備、人員進出通道.目前棧橋結構面板均為鋼結構面層或鋼筋混凝土預制面板形式，鋼面板在外海環境下易于腐蝕，橋面板剛度小[10]；鋼筋混凝土面板自重大，現場濕接縫工作量大，質量難以保證.

文中提出了將UHPC用于施工棧橋面板中，使得棧橋更輕巧、耐久，易于拆卸，可重復使用.本文依托福廈高鐵跨海大橋，對UHPC面板施工棧橋構造設計方案進行了荷載計算分析，通過模型試驗重點研究了UHPC橋面板在棧橋運營荷載作用下的力學性能，探討了其抗裂性和承載能力.

1 工程概況

新建福州至廈門鐵路位于福建省沿海地區，北起福州市，南至廈門市和漳州市，其中設置泉州灣特大橋跨越泉州灣.為了滿足泉州灣特大橋施工需要，需要修建施工棧橋，棧橋采用簡支梁橋，設計使用年限為4年，橋面板節段長2 m，寬7.5 m，貝雷最大支撐間距1.4 m，見圖1.原設計橋面板采用20 cm厚的C30鋼筋混凝土，設計變更后擬采用12 cm厚的配筋UHPC.UHPC預制橋面板與下方貝雷梁通過U型螺栓快速連接，節段間則通過預埋鋼板進行焊接.

圖1 設計棧橋斷面

2 棧橋有限元分析

從棧橋中截取梁段采用ANSYS建立局部計算模型，橋面板橫橋向取1.4 m(貝雷支撐間距)，縱橋向取節段面板長度2 m，計算中考慮的荷載包括UHPC橋面板自重和車輛荷載，.綜合考慮四種加載工況(50 t砂料車中置和偏置，100 t履帶吊正吊和側吊)，計算不同加載工況條件下正常使用極限狀態設計拉應力和承載能力極限設計彎矩，計算結果見表1.

表1 UHPC橋面板計算結果

3 施工棧橋UHPC橋面板模型試驗

由于目前國內并無UHPC結構設計規范可參考，有必要通過模型試驗驗證UHPC面板的抗裂性和承載能力能否滿足表1中的極限狀態設計受力要求.考慮到試驗條件，先從棧橋面板截取局部承載梁段進行靜載模型試驗.

選取的簡支棧橋面板模型尺寸為1.6 m×0.5 m×0.12 m(實橋橫橋向為連續板結構，試驗模型為簡支梁結構，受力情況較實橋更為惡劣).面板內部配制鋼筋，鋼筋型號HRB400，受力鋼筋直徑12 mm，分布鋼筋直徑8 mm，見圖2.根據以往經驗，將裂縫寬度0.15 mm定義為試件開裂寬度，即試件裂縫寬度達到0.15 mm時試件即開裂破壞.

圖2 面板模型尺寸及鋼筋配置

試驗采用四種UHPC配合比，共制作了8塊棧橋面板模型，面板尺寸相同但配筋方式略有差異，以此討論粗骨料、鋼纖維形狀、配筋率對面板力學性能的影響.具體UHPC配合比及試驗模型參數見表2～3.澆筑試驗面板的同時成型100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm試塊用于抗壓抗折性能測試，測試結果見表4，試塊與試驗面板同條件自然養護.

彎曲測試采用1 000 kN伺服加載系統對模型梁板進行加載，分配梁和板體之間布置砂袋來模擬車輪荷載，見圖3.加載過程分為預加載、正式加載、卸載三個階段.在受拉主筋屈服之前，加載等級采用力控制，受拉主筋接近屈服后，采用位移控制.加載過程中，主要測試板體的跨中撓度和裂縫發展(寬度及數量).傳感器數據采集采用DH-3816靜態數據采集儀，裂縫觀測采用智能裂縫測寬儀.

表2 UHPC配合比 kg/m3

表3 試件匯總 mm

表4 UHPC 28 d抗壓及抗折強度 MPa

圖3 面板加載布置圖

4 試驗結果與分析

所有試驗板均出現典型的彎曲破壞，即裂縫首先出現荷載作用區域正下方的底緣，隨著荷載增大，裂縫寬度及數量持續增長.最終破壞形態包括底緣嚴重開裂、荷載無法增加、變形過大、頂部局部壓碎等.

不同試件荷載位移曲線大致可以分為四個階段：彈性階段、彈塑性階段、裂縫發展階段和屈服階段.彈性階段荷載位移曲線基本呈直線；隨著荷載增加，荷載位移曲線進入彈塑性階段，微裂縫逐漸產生；荷載繼續增加，構件加載點與純彎段逐漸出現裂縫，構件抗彎剛度下降，進入裂縫發展階段；裂縫發展到一定程度，鋼筋開始屈服，構件進入了屈服階段，構件受彎破壞.由荷載-撓度曲線可知，隨著配筋率的增大試件的抗彎剛度增大，其極限承載能力也隨之增大.同樣，端鉤形鋼纖維的摻入也增大了試件的極限承載能力，這是因為相較于直線型鋼纖維，端鉤形纖維提供了額外的機械咬合力，增大了界面粘結強度，從而提高了承載能力.

通過智能裂縫測寬儀可得到所有試件的荷載-裂縫寬度關系，見圖4，具體數據見表5，試件名義拉應力與裂縫寬度間的對應關系見圖5.根據試驗極限荷載可計算出試件的極限承載能力，結果見圖5，表6.

圖4 荷載-撓度曲線

由圖4～5可知，配筋率的增加對試件的抗裂能力影響并不大但可以增加試件的極限承載能力，端鉤形鋼纖維的摻入可顯著提高試件的開裂應力，這也是其表面性質所決定的.所有試件裂縫寬度為0.15 mm時的名義拉應力和極限彎矩都遠大于正常使用狀態的設計拉應力和彎矩，說明UHPC棧橋面板設計方案能滿足承載極限狀態的受力要求.

表5 應力-裂縫寬度 MPa

注：①名義拉應力是根據試驗荷載按線彈性假設計算得到的；②單向板計算寬度：試驗板取0.5 m；實際棧橋面板，50 t局部車輛荷載作用下，中置時取1.2 m，偏置時取0.7 m.

圖5 名義拉應力-裂縫寬度關系

5 結 論

1) 設計工況下的跨中斷面下緣拉應力均小于0.15 mm特征裂縫對應下的名義拉應力，控制工況設計彎矩小于各試件極限彎矩，因此，12 cm厚UHPC橋面板設計方案能滿足正常使用狀態以及承載能力極限狀態受力要求.

2) 多配筋能提高橋面板極限承載能力，但對提高UHPC面板抗裂性能影響不大.

3) 端鉤形纖維的摻入不僅能提高UHPC面板的初裂應力，也能提高試件的極限承載能力，極大改善結構的受力性能.

4) 摻粗骨料UHPC所成型橋面板，同一裂縫寬度對應下的荷載及應力水平離散性較大，而無粗骨料UHPC所成型面板相對較好，且粗骨料的摻入會降低UHPC的初裂應力.