超高性能混凝土在簡支變連續橋梁負彎矩區的應用

潘竺蘭

（浙江浙交檢測技術有限公司，杭州310000）

1 引言

超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）是21世紀最有前景的新型結構材料之一，可有效減輕結構自重、提高結構承載能力和耐久性，是工程結構技術進步的基礎和重要推動力，是結構工程研究和設計的核心內容之一。國內外很多學者已經聚焦于將超高性能混凝土應用于橋梁負彎矩區濕接縫中。目前，常見的超高性能混凝土抗壓強度高，但韌性不足，對于負彎矩區濕接縫這樣的結構適用性不夠，此結構需要混凝土具有超高的抗裂能力和抗拉強度。

2 橋梁負彎矩區病害情況

目前，公路橋梁設計中常規路段一般選擇施工簡便、造價低的先簡支后連續結構體系，如預應力混凝土小箱梁及預應力混凝土T梁等，預制構件通過縱向、橫向濕接縫形成整體，共同受力[1]。預制構件的翼緣板通過縱向濕接縫連接，縱向濕接縫受力與布梁間距有關，一般較小；先簡支后連續梁結構墩頂通過橫向濕接縫連接，一般采用墩頂后張預應力束實現體系轉換，隨著橋梁跨徑的增大，墩頂受力也會增大。預制梁板架梁到位后，現場進行墩頂負彎矩區預應力束穿束、張拉、封錨，實際施工時容易出現預應力束預留管道錯位等導致穿束施工困難。另外，墩頂負彎矩區開裂后，水容易進入預應力管道腐蝕預應力筋等，影響結構承載力及耐久性。

鋼板組合梁采用的預制橋面板結構也是通過縱向、橫向濕接縫將橋面板與鋼梁連接成整體。此種濕接縫因要與鋼梁連接，受力較為復雜，可做專門研究[2]。根據結構受力特點，本項目主要針對小箱梁或T梁橋梁墩頂負彎矩區的橫向濕接縫，提出一種構造設計思路，如果超抗裂混凝土能達到相關技術指標要求，該構造設計將有很大的應用前景[3]。

3 結構分析

3.1 負彎矩濕接縫合理構造確定

先簡支后連續結構墩頂通過橫向濕接縫連接，一般通過墩頂后張預應力束實現體系轉換（見圖1），不配頂板負彎矩鋼束時，簡支變連續結構中支點出現超限拉應力的范圍較大。除現澆橫梁外，中支點附近一定范圍內的頂板可能也需要采用高性能混凝土才能滿足受力要求[4]。在這種構造形式下，可以根據數值分析，研究最不利荷載作用下，T梁和小箱梁超高性能混凝土濕接縫尺寸對關鍵截面處應力的影響，確定超高性能混凝土濕接縫合理的構造參數（見圖2，a為中支點附近使用高性能混凝土區域的寬度）。為了降低成本，濕接縫受壓區范圍（高度d范圍內）可以考慮采用普通混凝土材料。

圖1 簡支變連續T梁負彎矩濕接縫示意圖（單位：cm）

圖2 超高性能混凝土負彎矩濕接縫示意圖

3.2 對比分析

以4×30m簡支變連續T梁為例，橋寬16.5 m（7片T梁），采用M IDAS軟件建模計算（見圖3），分別驗算正常設置墩頂負彎矩區預應力鋼束以及墩頂負彎矩區取消預應力鋼束采用超高性能混凝土2種工況，從受力、社會效益、經濟效益方面進行綜合對比分析。

圖3 計算模型

3.2.1 承載能力

取消1號墩頂負彎矩束后，墩頂負彎矩為3 848.5 kN·m，減小32%，邊跨跨中正彎矩為7 570.5 kN·m，增大11%。經計算，取消負彎矩束后，需考慮UHPC材料的抗拉強度或將橋面鋪裝加強鋼筋改為C22，抗彎承載能力才能滿足規范要求。剪力變化較小，此處未列入。

3.2.2 正常使用

墩頂負彎矩區預應力取消后，墩頂拉應力由1.2 MPa增加到4.6 MPa，大于C5 0混凝土的抗裂強度0.7 ftk＝1.855 MPa（ftk為混凝土抗拉強度標準值），如在墩頂左右各1m范圍內采用抗拉標準強度達到7MPa的UHPC（超高性能混凝土）材料，則4.6 MPa≤0.7 f tk＝4.9 MPa，滿足要求。

3.2.3 經濟性分析

原設計1道墩頂現澆段及墩頂束齒塊的工程量見表1。

按正常設計1道墩頂現澆段及墩頂束齒塊的工程量算得建筑安裝工程費為16.95 萬元，施工工期15 d；改用超高性能混凝土（單價按1萬元/m3計）后，算得建筑安裝工程費為18.95 萬元，施工工期3 d。雖然建筑安裝工程費用略高，但是，可以大大節省工期，加快施工進度，社會、經濟效益顯著。

表1 墩頂現澆段及墩頂束齒塊工程量對比表

4 結語

本文經過對簡支變連續橋梁常見病害情況進行分析，提出了在橋梁墩頂負彎矩區采用超高性能混凝土的構造設計。通過對結構受力以及社會、經濟效益方面進行綜合對比分析，可以看出，該構造在實際應用中有廣闊的應用前景。

目前，常見的超高性能混凝土抗壓強度高，但韌性不足，對于橋梁負彎矩區濕接縫這樣的結構適用性不夠強，此構造設計需要混凝土具有超高的抗裂能力和抗拉強度，同時，如能達到低收縮免蒸養則更能滿足常規工程建設需求，希望本論文能為超高性能混凝土的實用研究方向提供參考。