RPC混凝土在簡支變連續橋梁中的應用研究

李軍昌

(中鐵二十一局集團有限公司 甘肅蘭州 730030)

1 前言

隨著我國高速公路建設的迅速發展，為了適應高速公路對橋面平整度和行車舒適性的要求，簡支變連續橋梁這一結構形式在大量中小跨徑橋梁中逐漸發展起來。該類橋型利用預制混凝土梁作為簡支構件，在整跨梁架設就位后，通過在支座處現澆混凝土接頭，然后張拉頂板預應力鋼束以實現結構連續[1]。與簡支梁橋相比，該類橋梁可以提供較長的連續橋面，減少伸縮縫數量；相對于連續梁橋，該類橋梁施工簡便，采用預制主梁便于施工質量控制，且架設時僅需吊裝設備即可，減少了施工設備又可避免造成地面障礙。

隨著此類橋梁的大量應用，也逐漸暴露出以下問題[2-5]:(1)對于現澆段的力學行為研究不夠深入，預應力筋的配置缺乏相應的理論依據；(2)現澆段的配筋方式和配筋量沒有統一的規定，設計帶有一定的主觀性；(3)施工工藝上對于后張預應力鋼束缺乏重視，存在張拉不到位的現象，且由于后張預應力鋼束長度較短，預應力損失較大，造成運營后現澆段附近頂板出現大量裂縫。

本文以一座簡支變連續箱梁橋為例，研究在不采用后張預應力束的情況下，引入活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，RPC)，利用其高強度、高韌性的特點[6]，使得結構能夠滿足設計規范要求，從而簡化設計施工流程并避免運營期現澆段頂板開裂問題。

2 工程背景

該橋為某跨海大橋引橋，采用先簡支后連續形式。設計荷載為公路Ⅰ級，5跨一聯，單孔跨徑70 m，墩頂現澆段長度0.9 m。主梁采用等高度單箱單室斜腹板斷面，材料為C55混凝土，箱梁頂寬12.55 m，底寬5.5 m，兩側外懸翼緣板寬2.95 m，頂板厚度墩頂加厚段采用125 cm，墩頂兩側2.6～5.4 m范圍內為80 cm，隨后在6 m范圍內漸變至50 cm。跨中底板厚度為27 cm，墩頂加厚段為95 cm；跨中腹板厚45 cm，變厚段漸變至70 cm，墩頂加厚段腹板厚度110 cm。預應力鋼束采用Фs15.24高強度鋼絞線，標準抗拉強度fpk＝1 860 MPa。腹板共設置10束(W1～W5)，除W3為12股外，其余均為22股；底板共14束(B1～B7)，每束均為15股；頂板共設置16束(T1～T8)，每束19股。除頂板束和W3、B5鋼束在現澆墩頂接頭后張拉外，其余鋼束均在預制階段張拉。鋼束布置及主梁橫截面見圖1～圖2。

圖1 鋼束布置(單位:cm)

圖2 主梁橫斷面(單位:cm)

圖3 整體結構有限元模型

3 整體分析結果

利用Midas Civil建立全橋整體分析模型，如圖3所示，模型共計114個梁單元，按照實際支座位置布置約束。原設計狀態下各截面驗算結果均能滿足規范要求，此處不再贅述。在模型中去除頂板鋼束后重新進行驗算，結果如圖4～圖6所示(圖中應力受壓為正，受拉為負)。

圖4 長期組合正截面抗裂驗算結果

圖5 短期組合正截面抗裂驗算結果

圖6 斜截面抗裂驗算結果

從圖中可以看出，墩頂后澆塊已不滿足規范對于A類預應力混凝土的相關規定。對于原設計狀態，長期荷載組合下梁體正截面全截面受壓，最小壓應力為0.28 MPa，發生在梁體端部截面；短期荷載組合下梁體端部正截面出現拉應力，最大拉應力為0.68 MPa，斜截面最大拉應力為0.82 MPa，均滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[7]6.3.1條對于A類預應力混凝土的相關規定。去除頂板鋼束后，梁體壓應力減小，抗裂性能有所降低，長期荷載組合下梁體正截面在墩頂位置出現拉應力，最大拉應力為1.35 MPa；短期荷載組合下最大拉應力為3.83 MPa，仍發生在墩頂位置，斜截面最大拉應力為3.91 MPa，已不滿足規范6.3.1條的相關規定。除墩頂后澆塊外，其余梁體仍滿足規范要求。

4 應用RPC混凝土后局部分析結果

4.1 局部分析模型

根據上述分析結果，去除頂板預應力鋼束后，墩頂后澆段混凝土抗裂性不能滿足規范要求，因此考慮將墩頂后澆段普通混凝土更換為RPC混凝土。RPC混凝土具有優異的力學性能和耐久性，是一種高強度、高韌性、低空隙率的超高性能混凝土。根據相關研究成果，其抗壓強度可達200～800 MPa，同時可具有30～80 MPa的抗折強度[8-12]。本次考慮采用RPC100混凝土，抗壓強度為100 MPa，抗折強度在12 MPa以上，彈性模量為40 GPa。計算時為保證結構安全，可參考《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》取材料安全系數為1.45，將RPC的名義拉應力控制在8.27 MPa以內。

采用Midas FEA建立墩頂箱梁的局部模型，考慮到需確定采用RPC范圍以及邊界條件的影響，從墩頂支座處向兩邊各取8 m長度箱梁進行建模，混凝土采用六面體劃分單元。模型共計543 826個單元，411 479個節點，邊界條件采用剛性邊界法，在箱梁兩端通過節點的剛性連接在中性軸位置施加整體模型對應工況的內力，在墩頂支座位置處通過約束相應節點的自由度模擬實際支座。有限元模型如圖7所示。

圖7 箱梁局部有限元模型

4.2 荷載工況

分別選取承載能力極限狀態下墩頂最大負彎矩工況(工況一)、荷載短期(工況二)及長期效應組合(工況三)下正常使用極限狀態正截面抗裂驗算最大拉應力工況、斜截面抗裂驗算最大拉應力工況(工況四)進行分析。各工況對應內力邊界條件見表1，其中工況二和工況四所對應的荷載組合相同。

表1 各工況對應內力邊界條件

4.3 分析結果

為便于給出分析結果，本文按照圖8所示對主梁截面進行編號。每個工況下均給出各截面順橋向正應力以及主應力分析結果，各截面分別給出圖2中所標出的4個點的應力結果。

圖8 梁體截面編號(單位:cm)

(1)工況一分析結果

承載能力極限狀態下，墩頂最大負彎矩工況對應各截面順橋向正應力分析結果見圖9。

圖9 工況一順橋向正應力分析結果

根據分析結果，在承載能力極限狀態下，順橋向頂板最大拉應力為5.53 MPa，發生在5＃截面處，最大壓應力為1.34 MPa，發生在1＃截面處；底板順橋向最小壓應力為0.15 MPa，發生在1＃截面處，最大壓應力為12.5 MPa，發生在4＃截面處。為研究RPC混凝土應用范圍，給出主梁主拉應力大于0.7ftk＝1.92 MPa的范圍，見圖10。

圖10 工況一主拉應力分析結果

從圖10可以看出，除主梁兩端剛性范圍外，主拉應力大于1.92 MPa的單元主要分布在支座兩側2.6 m范圍內，主拉應力最大值為6.53 MPa，發生在5＃截面頂板處。

(2)工況二/四分析結果

正常使用極限狀態下，荷載短期效應組合下正截面拉應力和斜截面拉應力最大值工況對應的各截面順橋向正應力分析結果見圖11。根據分析結果，荷載短期效應組合下，順橋向頂板最大拉應力為2.28 MPa，發生在5＃位置截面處，最大壓應力為1.39 MPa，發生在1＃截面處；底板順橋向最小壓應力為6.97 MPa，發生在8＃截面支座位置，最大壓應力為11.34 MPa，發生在3＃截面位置。主梁主拉應力大于1.92 MPa范圍如圖12所示。

圖11 工況二/四順橋向正應力分析結果

圖12 工況二/四主拉應力分析結果

從圖12可以看出，主拉應力大于1.92 MPa的單元主要分布在支座兩側3.5 m范圍內，主拉應力最大值為4.46 MPa，發生在墩頂支座處。

(3)工況三分析結果

正常使用極限狀態下，荷載長期效應組合下正截面拉應力最大值工況對應的各截面順橋向正應力分析結果見圖13。

圖13 工況三順橋向正應力分析結果

荷載長期效應組合下，順橋向頂板最大拉應力為1.11 MPa，發生在4＃位置截面處，最大壓應力為2.98 MPa，發生在9＃截面處；底板順橋向最小壓應力為6.85 MPa，發生在2＃截面，最大壓應力為11.22 MPa，發生在4＃截面。主梁主拉應力大于1.92 MPa范圍如圖14所示。

圖14 工況三主拉應力分析結果

從圖14可以看出，主拉應力大于1.92 MPa的單元主要分布在支座兩側2.7 m范圍內，主拉應力最大值為2.83 MPa，發生在墩頂支座處。

5 結論

(1)去除頂板預應力鋼束后，結構驗算不能滿足規范對于A類預應力混凝土抗裂性的相關規定，長期組合下梁體正截面在墩頂位置出現拉應力，最大值為1.35 MPa，短期組合下最大拉應力為3.83 MPa，仍發生在墩頂位置；斜截面最大拉應力為3.91 MPa，除墩頂后澆段外，其它梁體仍滿足規范要求。

(2)工況一局部分析結果表明，順橋向頂板最大拉應力為5.53 MPa，發生在5＃截面；底板均處于受壓狀態，最大壓應力為12.5 MPa，發生在4＃截面。主拉應力大于1.92 MPa的單元主要分布在支座兩側2.6 m范圍內，主拉應力最大值為6.53 MPa，發生在5＃截面頂板處。

(3)工況二/四局部分析結果表明，順橋向頂板最大拉應力為2.28 MPa，發生在5＃截面；底板均處于受壓狀態，最大壓應力為11.34 MPa，發生在3＃截面。主拉應力大于1.92 MPa的單元主要分布在支座兩側3.5 m范圍內，主拉應力最大值為4.46 MPa，發生在墩頂支座處。

(4)工況三局部分析結果表明，順橋向頂板最大拉應力為1.11 MPa，發生在4＃截面；底板均處于受壓狀態，最大壓應力為11.22 MPa，發生在4＃截面。主拉應力大于1.92 MPa的單元主要分布在支座兩側2.7 m范圍內，主拉應力最大值為2.83 MPa，發生在墩頂支座處。

(5)綜合以上分析結果可以得出，墩頂現澆段采用RPC100混凝土后，在不配置負彎矩預應力鋼束的情況下，不會出現梁體開裂情況，但墩頂附近梁段會出現主拉應力超出規范允許值的情況。為確保結構安全，對于本橋來說，RPC混凝土的應用范圍應擴展至支座兩側各3.5 m范圍內。

(6)本文從理論方面分析了RPC混凝土用于簡支變連續橋梁以避免設置負彎矩鋼束的可行性，可為該項技術的實際工程應用及同類型橋梁提供參考。