蘭張高鐵十八里堡特大橋56 m UHPC組合簡支梁設計研究

劉 琛,陳應陶,楊少軍,高明昌,王飛華

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

超高性能混凝土UHPC (Ultra-high Performance Concrete)是當今國際上最具創新性和實用性的水泥基復合材料。由于UHPC具有優異的力學和耐久性能，在橋梁工程需求輕質高強、快速架設、經久耐用的背景下，引起了橋梁界的極大興趣和高度重視，在橋梁領域具有廣闊的應用前景[1]。在中國工程院戰略咨詢中心等單位發布的《全球工程前沿2018》報告中，超高性能混凝土與智能水泥基復合材料列在土木、水利與建筑工程中工程前沿發展態勢的第2位[2]。

世界各國應用UHPC作為主體結構材料的公路及市政橋梁已超過150座，而鐵路UHPC橋梁未見應用報道。為促進UHPC在鐵路橋梁主體受力結構的應用，國內外學者進行了一系列的理論研究和試驗研究。邵旭東[3]等研發了裝配式UHPC箱梁結構、全預制UHPCπ形梁和全預制鋼-UHPC輕型組合π形梁3類UHPC裝配式橋梁結構的受力性能；吳延偉[4]開展了UHPC箱梁的薄板屈曲研究，通過試驗歸納了UHPC薄板的屈曲破壞形態以及屈曲荷載計算方法，通過理論公式推導了UHPC箱梁懸臂板和腹板間頂板的臨界板厚比；孫明德[5-6]研究了高強鋼筋活性粉末混凝土構件抗彎及穩定性能，提出了UHPC軸拉應力-應變關系的實用簡化模型、高強鋼筋和活性粉末混凝土的粘結應力-滑移過程和破壞形式等；劉琛[7-8]開展了高速鐵路簡支梁截面形式研究和48 m UHPC簡支箱梁設計研究，并對1∶2縮尺模型梁在靜載彎曲試驗中的受力特性進行研究。文獻[9-16]還對UHPC橋梁其他關鍵技術問題進行了研究。

盡管UHPC鐵路橋梁的各項計算參數和設計方法，以及抗拉、抗彎、抗剪等試驗研究已取得一定的成果，但是UHPC鐵路橋梁在國內仍然沒有應用先例。結合中國國家鐵路集團有限公司關于UHPC簡支梁課題研究的最新成果，擬在蘭州至張掖高速鐵路十八里堡特大橋開展UHPC橋梁的首次建造應用。

1 項目概況

蘭州至張掖鐵路是中長期鐵路網規劃中的高速鐵路區域連接線，中川機場至武威段是蘭州至張掖鐵路的組成部分。本項目十八里堡特大橋位于甘肅省武威市古浪縣附近，橋位見圖1。該橋地處動峰值加速度0.3g的高烈度地震區，橋梁高度達55 m，線路縱坡25‰。該橋設計需解決大跨度混凝土橋梁地震響應大這一突出問題。利用UHPC材料高力學性能的特點建造56 m UHPC組合簡支梁，使本橋具有梁重輕、溫度跨小、徐變小等優勢。十八里堡特大橋施工圖批復采用的孔跨布置為9-56 m UHPC組合簡支梁+(2 m×56 m)預應力混凝土T構，56 m UHPC簡支梁采用梁場節段預制后造橋機拼裝施工，2 m×56 m預應力混凝土T構采用懸臂澆筑后轉體施工。該橋主要技術標準如下。

(1)設計使用年限：100年。

(2)設計速度：250 km/h。

(3)線路標準：雙線，線間距4.6 m，CRTSⅠ雙塊式無砟軌道，軌面至梁頂平坡段軌道結構高度725 mm。

(4)活載：ZK活載。

圖1 十八里堡特大橋橋位

2 結構設計

2.1 梁體構造及鋼束布置

梁體采用單箱單室組合截面(先期U形UHPC+C50混凝土橋面板)。計算跨度54.8 m，梁全長57.1 m，梁頂寬12.2 m，底寬6 m，最低點梁高5.3 m。箱梁下部底板及腹板采用UHPC材料，腹板厚度25 cm，底板厚度25 cm，U梁頂板厚30 cm，寬度90 cm，梁端部分對頂底板及腹板厚度進行加強。箱梁上部C50混凝土橋面板厚度30～50 cm。箱梁兩端設置150 cm厚橫隔墻。跨中箱梁斷面如圖2所示。根據以上結構設計，1孔梁UHPC圬工310 m3，C50混凝土圬工285 m3，合計595 m3，遠低于常規普通混凝土56 m簡支梁825 m3。

圖2 1/2 跨度56 m UHPC組合梁跨中截面(單位：cm)

U梁腹板及底板預應力鋼束均采用1 860 MPa級的體內束，底板布置12束15-φj15.2 mm鋼束，腹板布置14束15-φj15.2 mm鋼束。C50混凝土橋面板為鋼筋混凝土結構。

2.2 梁段劃分

箱梁預制段長度按照梁段吊裝質量控制在200 t以內，并以減少梁段種類為原則進行劃分。每跨箱梁采用奇數分塊，跨中不設接縫，對稱布置。本橋56 m簡支箱梁預制梁段1號段長度5.4 m，其他梁段長度4.25 m。整孔梁共分為11個梁段，10個接縫。1號段和11號段最重，吊裝質量179.8 t，跨中梁段質量127 t，梁段劃分及接縫位置示意見圖3。全橋總質量為1 547 t，而普通混凝土膠拼簡支梁梁質量為2 145 t，UHPC組合梁質量約為普通混凝土梁質量的72%。

圖3 1/2 跨度56 m UHPC組合梁梁段劃分示意

2.3 剪力鍵構造

由于頂底板剪力鍵抗剪效應不明顯，設計計算時只考慮腹板剪力鍵。剪力鍵按密鍵形式布置，除在腹板布置剪力鍵外，還在底板和頂板布置定位剪力鍵，剪力鍵采用梯形，鍵頂寬18 cm，鍵根部寬30 cm，鍵高6 cm。因本梁為薄壁箱形截面，底板和腹板剪力鍵設置沿板厚通長。頂板剪力鍵在頂板頂面設擠膠槽口，槽口深1 cm，寬2 cm。跨中梁段剪力鍵構造如圖4所示。

圖4 跨中梁段剪力鍵構造示意(單位：cm)

3 施工步驟

UHPC同普通混凝土相比，因采用較小的水膠比而坍落擴展度較低、工作性能較差，且需要高溫蒸養[17]。考慮到工作性能問題和蒸養環境問題所限，設計推薦采用工廠節段預制并高溫蒸汽養護后，造橋機膠接拼裝成孔。

主要施工步驟為：在梁場預制U形 UHPC梁段→UHPC梁段高溫蒸養→U形梁段強度達到設計要求后在U形梁段頂部澆筑C50混凝土橋面板，橋面板通過U形梁段預留鋼筋進行連接→整個節段養生→利用既有梁段匹配制作下一梁段→所有梁段制作完成后吊裝至造橋機→梁段就位并涂刷環氧膠→張拉臨時預應力鋼筋→張拉預應力鋼束→施工橋面附屬設施→成橋運營。圖5為U形梁段和整孔梁段斷面示意。

圖5 U形梁段和整孔梁段斷面示意

4 UHPC組合簡支梁計算分析

UHPC組合簡支梁同常規節段預制拼裝混凝土簡支梁相比，還具有以下特點，應在計算分析時著重考慮。

4.1 UHPC組合梁計算模型

UHPC組合梁應采用有限元軟件建立雙層空間梁單元計算分析，根據施工順序，組合截面形成后，作用在組合截面上的彎矩M由3部分組成[18]，一是C50橋面板承擔的彎矩MC50，二是U梁承擔的彎矩MU，三是分別作用在兩者之上的軸向力構成的力偶矩。彎矩分配示意見圖6，對U梁和C50混凝土橋面板應分別檢算，運營階段主要計算結果見表1，根據表1可知，本橋計算滿足規范相關規定。

圖6 UHPC組合簡支梁計算圖示

表1 主力工況主要計算結果

4.2 箱梁薄壁效應計算

板的厚度t與板的最小寬度b相比，當(1∶80)～(1∶100)

(1)剪力滯效應

剪力滯效應的主要分析方法有彈性理論解法、比擬桿法、能量變分法、有限元數值法等。本次設計采用實體單元有限元數值法計算，主要計算截面恒載應力見圖7及表2。從圖7及表2可知，頂板和底板實體模型計算結果顯示受力較均勻，跨度56 m UHPC箱梁剪力滯效應并不突出，頂板剪力滯系數在1.09～0.91，底板剪力滯系數約為1.0。

圖7 剪力滯計算圖示(單位： MPa)

表2 恒載剪力滯系數計算

(2)扭轉效應

高速鐵路列車在豎向靜活載作用下梁體扭轉引起的軌面不平順限值，在3 m長的線路范圍一線兩根鋼軌的豎向相對變形量不應超過1.5 mm。建立全橋實體模型，UHPC和C50橋面板均采用6面體實體單元，模型見圖8，該工況位移計算結果見圖9及表3。

圖8 梁體1/4實體模型圖示

圖9 靜活載作用下梁體豎向位移(單位：mm)

表3 梁體扭轉引起的軌面位移差

從表3可知，單線ZK荷載作用下的位移最大值在跨中，下撓7.2 mm(↓)。設線路左軌下箱梁節點位移為Dz，橋長增加3 m處右軌下箱梁節點豎向位移為Dy，L/8跨附近兩者差值最大為1.17 mm，滿足規范不超過1.5 mm的要求。

(3)箱梁穩定性分析

施工階段計算時箱梁自重設為常量，二期恒載、腹板鋼束張拉力、底板鋼束張拉力為變量，最小穩定安全系數26.8，失穩模態為預應力鋼束張拉引起的底板局部屈曲，見圖10。運營階段計算時，箱梁自重及二期恒載為常量，左線ZK荷載、右線ZK荷載為變量，最小穩定安全系數110.5，施工及運營階段均滿足規范要求。

圖10 施工階段1階失穩模態

4.3 UHPC收縮徐變計算

(1)收縮效應

UHPC需高溫蒸養，蒸養后收縮基本為0，而普通混凝土收縮一般在3年以后才終止。因此，UHPC組合梁存在相對收縮問題，即在U梁上現澆橋面板時，橋面板收縮受U梁約束產生拉應力。

橫向相對收縮采用對整體灌注的C50混凝土橋面板按降低溫度15 ℃計算，計算結果見圖11，梁段約束方向水平最大位移0.8 mm；最大主拉應力1.9 MPa、最大主壓應力4 MPa。U梁與橋面板連接位置應力較為集中，U梁和橋面板在收縮方向應配置一定數量的鋼筋承擔相對收縮應力。

縱向相對收縮按本文推薦的雙層空間梁單元模型計算時，其結果已包含縱向相對收縮的影響。具體分析該項增量時，可按照鋼-混凝土組合結構設計通常采用的基于有效彈性模量的虛擬荷載法計算。經計算，收縮引起橋面板上緣拉應力0.9 MPa，下緣拉應力1.1 MPa，U梁上緣壓應力2.2 MPa，U梁下緣壓應力0.2 MPa。

圖11 梁段收縮效應計算圖示

(2)徐變效應

鐵路及公路橋涵設計規范中，普通混凝土徐變系數終極值最低為1.0，現行的各有限元計算軟件在計算混凝土徐變效應時最低系數采用該值。而對于UHPC，在高溫蒸養48 h后，徐變系數終極值僅為0.5～0.3[20]，與普通混凝土差異較大。因此，采用有限元分析軟件計算徐變效應時應對其計算結果進行修正。建議方法為：建立雙層空間梁單元模型，調整UHPC梁的濕周和首次加載齡期，使其徐變系數終極值為1.0，計算U梁徐變系數為1的各截面應力分布，將UHPC梁近似為鋼梁計算U梁徐變系數為0的各截面應力分布，兩項結果平均后可近似作為UHPC梁經相對徐變影響后的實際應力。

5 結論

(1)蘭州至張掖高速鐵路十八里堡特大橋主跨56 m UHPC組合簡支箱梁的設計批復，為高速鐵路橋梁建設主體結構采用鋼、混凝土之外提供了一種新型建筑材料，56 m UHPC簡支梁僅為同跨普通混凝土梁梁質量的72%。

(2)提出UHPC組合薄壁簡支梁剪力鍵的主要構造形式。

(3)結合UHPC材料施工工藝特點，提出適于坍落擴展度較低、易于高溫蒸養的節段預制后高溫蒸養、造橋機膠拼施工的主要施工步驟及注意事項。

(4)建立UHPC組合簡支梁的有限元計算模型和提出薄壁箱梁剪力滯、扭轉、失穩特性等檢算重點；UHPC收縮大，按降溫方法計算相對收縮后提出兩種材料連接界面橫向應力較為集中，應加強橫向鋼筋布置；UHPC徐變小，提出有限元程序計算局限和修正方法。