UHPC與普通混凝土簡支T形梁受力性能對比

易道遠 ，董夏鑫 ，陳賢俊

（同濟大學橋梁工程系，上海 200092）

0 前言

UHPC是一種基于最大密實度原理、低水灰比配制的水泥基復合材料，具有超高抗壓強度（＞150MPa）以及較大的抗拉強度（＞7MPa）和優異耐久性。加入鋼纖維（2%左右）的UHPC還具有了更好的變形性能，其受壓峰值點應變可高達0.0035左右，殘余強度為峰值強度的85%時的極限壓應變可超過0.005，其受拉極限應變大于0.003，彈性模量達到47GPa，遠遠高于普通混凝土和高強混凝土的相應值[1]。就徐變收縮發展速率而言，UHPC也遠快于普通混凝土。

在橋梁結構中，UHPC已被廣泛應用于主梁結構、橋面結構、橋梁接縫及舊橋加固等諸多方面。據不完全統計，目前世界各國已有超過200座采用UHPC作為主要或部分建筑材料的橋梁[2]。從目前的使用情況來看，制約UHPC橋梁結構發展的主要因素一是其高昂的造價。因此不妨考慮只將常規配筋混凝土（Normal Concrete，NC）結構中的抗拉構件、抗剪構件和連接構件等替換為UHPC材料，形成UHPC-NC組合結構橋梁，達到既改善橋梁結構受力性能又降低橋梁造價的目的。

因此本文以先張法預應力T型梁為研究對象，以快速施工理念為指導[3]，對比分析UHPC組合T形梁與普通混凝土T形梁分別采用預應力筋直線和折線配置形式時的受力性能以及施工性能和經濟性。

1 結構概述

1.1 工程概況

某城市橋梁擬采用22m先張法T型簡支梁形式，橫向布置圖如圖1所示。預制梁長2196cm，計算跨徑2144cm，梁高均為95cm（高跨比1/23.16），梁中距120cm。

圖1 橋梁橫向布置圖

此類型低高度先張法T形梁是較適合中小跨徑快速施工的梁型，能夠滿足城市橋梁對于文明施工的要求。

1.2 梁的構造簡要

普通混凝土梁采用C60混凝土；UHPC梁橋面板采用C60混凝土，梁肋采用UHPC；經過初步設計及計算后的結果進行優化，擬定出梁的截面及預應力鋼絞線布置詳見圖2，梁的預應力鋼絞線起彎點設在在距離梁端9m和13m位置。

圖2 直線配置鋼絞線梁的截面

2 分析方法及主要參數

2.1 分析模型

為了分析UHPC組合T梁與普通混凝土T梁受力性能的區別，建立有限元分析模型，進行從施工至成橋全過程分析，分別對兩根梁的主要受力性能指標進行計算對比。圖4為單主梁模型，圖5為其預應力筋配置。

2.2 分析采用的主要參數

圖3 折線配置鋼絞線梁的截面

圖4 單主梁模型

圖5 模型預應力筋配置

C60、C80混凝土、鋼絞線材性參數按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）[5]選用；UHPC 材性參數按照瑞士規范[7]選用。主要材料參數見表1。

單主梁模型主要材料參數 表1

梁上10cm瀝青+10cm混凝土鋪裝的容重分別為：24kN/m3、25kN/m3；欄桿重量取 10kN/m/道，欄桿重量由邊梁承擔。

考慮先張法鋼絞線彎折后的強度折減[4]，張拉控制應力值取1340MPa；直線配筋張拉控制應力值取1395MPa。

汽車荷載采用《城市橋梁設計規范》（CJJ 11-2011）[6]的城-A級，同時采用公路一級荷載進行驗算。

除自重、預應力、汽車荷載，溫度，收縮徐變作用外，暫不考慮其他作用，作用效應組合按《城市橋梁設計規范》（CJJ 11-2011）[6]和《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）的有關規定執行。

橫向分布系數統一按照梁格模型和剛接板梁法計算結果的最大值選取，等效梁格法計算值為0.326，剛接板梁法計算值為0.256，雙T邊梁橫向分布系數取為0.326。

考慮溫度梯度效應，按照按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）[4]的有關規定，考慮橋面鋪裝的影響，取值為：升溫T1=14℃、T2=5.5℃；降溫 T1=-7℃、T2=-2.75℃。

施工階段定義如下：①張拉預應力束并澆筑混凝土；②養護3d后放張預應力束；③存梁60d；④鋪裝完成；⑤成橋通車。

3 受力性能對比

為了判斷兩根梁的受力性能，按照有關規范的要求，對其抗裂性、抗彎和抗剪承載力及剛度進行對比分析。

3.1 抗裂性

抗裂性主要考慮正截面抗裂，主要按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）[5]的6.3.1中的A類構件驗算。在作用（或荷載）短期效應組合下

但在荷載長期效應組合下

式中：σst為在作用（或荷載）短期效應組合下構件抗裂驗算邊緣混凝土法向拉應力；σlt為在作用（或荷載）長期效應組合下構件抗裂驗算邊緣混凝土法向拉應力；σpc為扣除全部預應力損失后的預加力在構件抗裂驗算邊緣產生的混凝土預壓應力；ftk為混凝土抗拉強度標準值，對于C60、C80、UHPC，ftk的值分別為 2.85MPa[5]、3.1MPa[5]、7MPa[7]。應力計算結果如表 2所示。

主要階段應力結果（“-”為壓應力） 表2

從表格中四種梁的應力結果來看，在預應力筋放張時，普通混凝土直線配筋、UHPC直線配筋、UHPC彎折配筋三種梁在支點附近均因為預應力過大，導致上緣C60混凝土出現拉應力。在作用（或荷載）短期效應組合下四種梁的下緣應力均小于0.7ftk（2.0MPa、2.0MPa、4.9MPa、4.9MPa）。

對于預應力鋼絞線直線配置來說，當預應力鋼絞線放張時，在靠近支點附近梁的上緣會產生較大的拉應力，這需要對端部預應力鋼絞線進行套管等絕緣鋼絞線應力的操作。

對于預應力鋼絞線彎折配筋而言，由于預應力鋼絞線彎折導致的鋼絞線張拉控制應力的降低，可以通過增加鋼絞線數量克服，整個施工階段階段的應力狀況優于直線配筋，但其張拉設備和鋼絞線起彎器需要特殊設計。

3.2 抗彎承載力

抗彎承載力主要考慮跨中和四分之一處截面抗力，按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）[5]的 5.2.3 進行計算：

對于普通混凝土梁：

對于UHPC組合梁受力模式參考瑞士規范《MCS_EPFL Recommendation UHPFRC 17April2016》[8]，計算模型見圖6，計算方法如下：

圖6 梁截面抗彎內力和抗力計算結果

以上式中Mud為設計抗彎承載力；fpd為預應力鋼絞線設計抗拉強度；fcd為HRB400鋼筋設計抗拉強度；futd為C60混凝土設計抗壓強度；bf為UHPC設計抗拉強度（7MPa/1.3=5.4MPa）；bf為橋面板寬度；b 為兩個UHPC肋寬度之和；h為梁；h0=h-ap，ap為預應力鋼絞線形心距離梁下緣距離；x為受壓區高度。當0.9（h-x）大于 UHPC 梁肋高度（0.75m）時，0.9（h-x）取值為0.75m。

梁截面內力和抗力計算結果如表3所示。

上述計算結果中，NC直線和NC彎折考慮了四根直徑25mm的HRB400普通鋼筋的抗彎貢獻，UHPC梁則沒有考慮普通鋼筋的抗彎貢獻，UHPC梁肋對抗彎承載力的貢獻占到20%左右。從結果來看，截面的抗彎承載能力大于內力，滿足規范要求。

梁截面抗彎內力和抗力計算結果 表3

3.3 抗剪承載力

抗剪計算考慮支點附近一倍梁高處的剪力，按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）[5]的 5.2.7 進行計算：

對于普通混凝土梁，截面配置HRB400雙支準12間距150mm箍筋：

式中：Vud為截面抗剪承載力；Vcs為斜截面內混凝土和箍筋共同的抗剪承載力；Vpb為與斜截面相交的預應力彎起鋼筋抗剪承載力；其他參數請參考《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）[5]的 5.2.7。

對于UHPC組合梁，截面抗剪計算參考瑞士規范[7]：

式中：VRd為UHPC截面總抗剪承載力，UHPC組合梁不配置箍筋，所以箍筋項 VRd，S為 0；VRd，U為 UHPC抗剪承載力貢獻。futed為彈性階段設計抗拉強度，取值4.31MPa；futed為強化階段設計抗拉強度，取值4.74MPa；其他參數詳情情參考瑞士規范[7]選用。

法國橋梁荷載分項系數取用參照歐洲荷載規范BS EN選用，其恒載分項系數為1.15，汽車荷載分項系數為1.5（中國橋梁荷載兩項分項系數分別為1.2和 1.4）。

梁截面抗剪內力和抗力計算結果 表4

截面抗剪計算結果如表3所示。四個梁肋的抗剪承載力均能滿足規范要求。但是普通混凝土截面考慮了箍筋的抗剪貢獻，而UHPC截面未考慮箍筋，從計算結果上來看，同類型配筋UHPC的組合截面的抗剪承載力要大于普通40%左右；而彎折配筋也能使得截面抗剪承載能力有所增大，增大幅度與鋼絞線起彎角度以及起彎數量有關。

3.4 撓度

撓度計算考慮跨中撓度，按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）[5]的6.5進行計算，計算結果如表5所示：

不同階段跨中撓度計算結果（“-”為下撓） 表5

四種梁在預應力筋放張時都會產生上拱，期間直線配筋的上拱量會大于彎折配筋的上拱量，UHPC組合梁的上拱量比普通混凝土的小，這是由于UHPC的彈性模量比普通混凝土大；在存梁期上拱有所增大，但UHPC組合梁上拱增量明顯比普通混凝泥土梁大，這是因為UHPC前期的徐變收縮速度比普通混凝土快很多，且UHPC組合梁截面尺寸小，其剛度比普通混凝土梁小。成橋十年時普通混凝土的上拱量相比成橋初期增加，而UHPC組合梁的上拱量相比成橋初期有所減小，原因在于UHPC后期徐變收縮比較小，而普通混凝土在后期依然有較大徐變收縮。

活載采用公路一級，計算結果均小于《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）[5]的規定的L/600=36.7mm，滿足規范要求。

4 施工性能和經濟性能對比（重量，鋼絞線和混凝土用量）

主要材料用量如表6所示。NC直線、NC彎折、UHPC直線、UHPC彎折的鋼絞線數量分別為23、24、20、22，UHPC組合梁的鋼絞線用量比普通混凝土梁小。對于結構重量，UHPC組合梁的重量約為普通混凝土梁的80%，這意味著能夠用減小對下部結構的荷載作用，以及使用更小的吊機，方便操作空間較為狹窄的城市橋梁的施工。

材料用量表 表6

5 結論

本文基于UHPC材料的力學性能，初步設計一根UHPC組合T形簡支梁和一根普通混凝土T形簡支梁，采用有限元的分析方法，對比分析這兩根梁在預應力筋直線配置和折線配置情況下的施工階段和成橋階段的全過程受力性能以及經濟性。

①對于梁高較低的普通混凝土梁，若加大鋼絞線直線配筋量會使得預應力筋放張階段，普通混凝土梁下緣的應力容易超限；若不加大預應力配筋量，則抗裂性不容易滿足全預應力構件的要求。彎折配筋能夠降低梁端附近較大的壓應力，雖然張拉應力有所降低，但能夠通過增加較少預應力筋數量解決。因此對于普通混凝土梁，預應力鋼絞線彎折配筋的形式性能更優。

②對于UHPC組合梁，UHPC能承受很大的壓應力，同時在考慮的兩個UHPC組合梁模型中，UHPC對抗彎承載力的提高量超過40%；即使在鋼絞線直線配筋梁端對鋼絞線絕緣的情況下，UHPC仍能提供足夠大的抗彎貢獻，因此鋼絞線直線配筋更適合UHPC組合截面。

③在滿足橋梁功能要求的前提下，UHPC組合梁比普通混凝土梁的預應力鋼束用量減小了10%以上，這將減小了施工階段預制梁上緣的拉應力，降低了存梁期預制梁的上拱值，從而避免了由此帶來的截面上緣耐久性差的問題。

④UHPC組合梁自重比普通混凝土梁減小了20%，這將降低對橋梁下部結構的荷載作用，減少橋梁下部結構的造價，在計算橋梁造價時應計入這一因素。

⑤此外UHPC組合梁位于受拉區的UHPC在抗滲等耐久性方面的優勢還將進一步提高其使用壽命。