淺析活性粉末混凝土（RPC）在沿海港口大跨度軌道梁中應用

◎ 曹昌浩 廣東省航運規劃設計院有限公司

1.背景

某沿海電廠配套建設10萬噸級煤碼頭采用重力墩式結構，兩沉箱間用預應力T型梁及軌道梁連接。軌道梁采用鋼箱梁結構，設計梁長22.7m，梁高3m，其中2.6m為鋼箱梁，梁頂部設置400mm厚的C50混凝土鋪裝層，鋪裝層混凝土在箱梁固定端與墩臺上部胸墻混凝土連結成整體，另一端設置伸縮縫與墩臺上部胸墻斷開。

在沿海由于高溫高濕氣候，鋼箱梁耐腐蝕性較差，為減少未來維護工作量，提出RPC（活性粉末混凝土）梁替代原鋼箱梁方案。軌道梁采用后張法預應力預制超高性能混凝土簡支T梁，其橫斷面布置及各片縱梁的編號如圖2所示。

圖2 擬優化設計斷面

2.RPC簡介

圖1 原結構設計斷面

活性粉末混凝土（即Reactive Powder Concrete，簡稱RPC）是繼高強、高性能混凝土之后，在90年代初期由法國最大營造公司之一布伊格（BOUYGUES）集團通過采用超細粒聚密材料與纖維增強材料經高溫熱合等特定工藝制備出的一種新型超高強度、高耐久性、高韌性和體積穩定性良好的水泥基材料，與常規的高強混凝土相比，RPC 材料的顯著特點是抗壓強度達200MPa，甚至800MPa，是普通高強混凝土的2～4倍；抗折強度為20～60MPa，是普通高強混凝土的4～6 倍；摻入鋼纖維后，其折壓比可達1/4左右，斷裂韌性可與金屬相媲美。

3.主要材料

3.1 超高性能混凝土RPC

超高性能混凝土RPC軌道梁采用超高性能混凝土RPC150，彈性模量Ec=4.615×104MPa，泊松系數v=0.2，鋼纖維體積摻量Pf=2%，其長徑比為60。RPC150的軸心抗壓強度標準值fck=105MPa，軸心抗拉強度標準值ftk=8.35MPa，軸心抗拉初裂強度標準值ft0,k=7.05MPa。

3.2 預應力鋼絞線

預應力鋼筋采用強度等級為1860MPa的高強度低松弛鋼絞線，其彈性模量ES=1.95×105MPa，松弛系數ξ=0.3，抗拉強度標準值為fpk=1860MPa。軌道梁張拉控制應力為σcon,l=0.75fpk=1395MPa；為減小碼頭梁張拉時的反拱，特別是長期反拱，以適應軌道梁和碼頭梁徐變不一致造成的影響，碼頭梁的張拉控制應力取為0.70fpk=1302MPa。

4.結構設計要點

煤碼頭軌道梁采用超高性能混凝土RPC，其強度等級為R150，梁全長22.70m，計算跨度21.20m，梁截面高度為2.50m，兩端距梁端1m范圍內為腹板厚度70 cm的T 型截面，1m至5m為變截面段，跨中為腹板厚度30cm的T型截面。其構造如圖3所示。

圖3 軌道梁構造圖（單位：cm）

5.結構計算

5.1 模型建立

采用 midas Civil 2015 軟件，建立相應的桿系結構分析模型，依據相應規范對軌道梁的承載能力極限狀態和正常使用極限狀態進行驗算。梁與重力墩之間的連接通過左端對 x，y，z 軸位移約束以及繞 x軸轉動約束，右端對 y，z 軸位移約束以及繞 x 軸轉動約束來實現。

圖4 計算模型

5.2 設計荷載

①預制T梁自重。預制梁自重在Midas 中按材料容重自動計入。

②預應力荷載。計入縱梁、橫梁預應力對結構受力的影響，預應力鋼束以實際布置方式輸入。錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮值6mm。

③機械設備荷載。橋式抓斗卸船機軌距22m，基距16m，8輪/腿，輪距1m，工作狀態支腿壓力：500kN/輪×8 輪/腿；非工作狀態支腿壓力：550kN/輪×8 輪/腿。

6.計算結果

依據《水運工程混凝土設計規范》（JTS151-2011）中相關規定，計算結果如圖5。

圖5 承載能力極限狀態正截面抗彎承載力驗算結果

從圖5可看出，承載能力極限狀態基本組合下，距梁端 11.2m 處截面彎矩值最大，小于彎矩抗力，滿足規范要求。

從圖6 可看出，承載能力極限狀態基本組合下，剪力值均處于剪力限值包絡范圍內。支座截面剪力值抗力值。距離支點4.15m處截面（變截面開始處）剪力值為小于抗力值。梁斜截面受剪承載力滿足規范要求。

圖6 承載能力極限狀態斜截面抗剪承載力驗算結果

從圖7可看出，正常使用極限狀態標準組合作用下，上緣未出現拉應力，滿足規程要求?？缰薪孛嫦戮壋霈F最大拉應力值小于規范限值，滿足規范要求。

圖7 正常使用極限狀態正截面抗裂準永久組合驗算結果

從圖8可看出，正常使用極限狀態標準組合作用下，跨中截面出現主壓應力最大值，小于規范限值，滿足規范要求。

圖8 斜截面混凝土的主壓應力驗算結果

從圖9可看出，在荷載標準組合下，跨中撓度小于規范限值，滿足規范要求。

圖9 DZ方向最大位移驗算結果

7.結論

（1）根據《水運工程混凝土結構設計規范》，在承載能力極限狀態基本組合下，梁斜截面抗剪承載力滿足規范要求。

（2）依據《水運工程混凝土結構設計規范》，在荷載效應標準組合下，梁正截面抗裂驗算、梁斜截面抗裂驗算、梁的主壓應力驗算均滿足抗裂要求。

（3）針對濕熱養護的RPC150與自然養護的C50兩種混凝土材料在收縮徐變特性上存在較顯著的差異，而縱、橫梁剛性聯結的空間梁格為內部超靜定結構，RPC150軌道梁與C50預應力T 梁的收縮徐變步調不一致，將在結構內產生附加內力效應，待下一步進行研究。

（4）本文提出的計算理論和計算方法可為RPC在海港工程中的應用提供參考。