LUHPC小箱梁橋試設計及參數分析

李敬南，盧志芳

(武漢理工大學道路橋梁與結構工程湖北省重點實驗室，武漢 430070)

隨著RPC、UHPC材料興起，許多實際工程項目將RPC、UHPC成功應用到橋梁結構中[1]，但UHPC和RPC容重較大，不利于橋梁跨徑上的突破。課題組研發了輕質超高性能混凝土(簡稱LUHPC)，該混凝土具有表觀密度小、強度高、耐久性強和免蒸養等優點；此外，預應力混凝土小箱梁橋憑借其受力合理、施工速度快、造型美觀、行車舒適等特點，在20～30 m的中小跨徑橋梁中應用廣泛[2]。

因此，以某30 m預應力C50混凝土小箱梁橋為例，開展預應力LUHPC小箱梁橋的試設計研究。通過改變LUHPC小箱梁橋的截面尺寸，節省材料用量、提升橋梁承載能力，明確橋梁受力性能的改變，使橋梁結構步入輕質化，高強化。

1 LUHPC材料性能試驗

1.1 LUHPC原材料及拌合工藝

試驗原材料包括P.O52.5硅酸鹽水泥、硅灰、粉煤灰微珠、粒徑為0.075～2.36 mm連續級配細陶砂、鋼纖維、聚羧酸高效減水劑以及符合國家標準的自來水。基于彈性模量的輕集料組成設計和混凝土緊密堆積設計原理，保證粉料和輕集料可以在混凝土中達到最密集堆積狀態。攪拌前先潤鍋，再將粉料加入干拌，隨后加入水和減水劑，形成有流動度膠凝狀漿體后添加預濕好的陶砂；待攪拌均勻，用篩選的方式加入鋼纖維。拌合過程控制在15 min。將攪拌好的LUHPC漿體裝進模板中，常溫養護24 h脫模，之后潮濕養護28 d[3]。

1.2 力學性能試驗

對養護完成的試件開展力學性能測試，為后續LUHPC小箱梁橋試設計提供設計參數。具體試驗結果如表1所示。

表1 LUHPC材料力學性能

2 LUHPC小箱梁橋試設計研究

2.1 LUHPC小箱梁橋試設計

以某30 m預應力C50混凝土小箱梁橋為例，該小箱梁橋單幅橫斷面由五片箱梁組成。沿橋跨方向外部輪廓尺寸保持不變。考慮LUHPC材料的優越性，經過結構尺寸試設計，擬定LUHPC小箱梁橋截面尺寸。與原C50混凝土橋相比，其中箱梁梁高1 600 mm，邊梁梁寬2 850 mm，中梁梁寬2 400 mm均保持不變。跨中截面頂板、底板和腹板的厚度由180 mm變為160 mm，減小約12%；支點截面頂板厚度由180 mm變為160 mm，底板和腹板的厚度由250 mm變為220 mm，減小約12%。根據擬定尺寸，繪制箱梁的截面圖，如圖1所示。

開展LUHPC小箱梁橋內力計算及配筋設計時，選擇截面作用效應組合最大的邊梁為設計對象。根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60 2015)[4]、《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362—2018)[5]和課題組關于LUHPC梁抗彎承載力和抗剪承載力研究成果[6]對主梁進行驗算，LUHPC小箱梁設計滿足相關要求，如表2所示。

表2 LUHPC小箱梁驗算結果

2.2 LUHPC小箱梁橋運營階段受力分析

利用Midas/Civil建立有限元模型，對比分析預應力LUHPC小箱梁橋和預應力C50混凝土小箱梁橋截面承載能力、抗裂性和撓度的變化規律。

1)承載能力分析

依據《公路橋涵設計通用規范》中的有關規定，進行截面承載能力計算時，按照以下的荷載組合形式進行分析：1.2恒載+1.4汽車荷載+1.0混凝土收縮徐變+1.05溫度荷載。

由表3中數據可知，LUHPC小箱梁橋承載能力滿足要求。此外，對比LUHPC小箱梁橋和C50混凝土小箱梁橋有限元模型可以得到：LUHPC小箱梁橋恒載彎矩和活載彎矩的比值為1.75；而C50混凝土小箱梁橋恒載彎矩和活載彎矩的比值為2.12，這說明LUHPC小箱梁橋更主要是用來抵抗活載所產生的內力，而非抵抗自身的重量。

表3 承載能力極限狀態計算結果

2)抗裂性分析

預加力和荷載在LUHPC小箱梁橋邊緣處混凝土產生的應力與試設計理論值計算結果相差不大，故試設計的LUHPC小箱梁橋抗裂性滿足規范要求。與LUHPC小箱梁橋相比，C50混凝土小箱梁橋預壓應力和混凝土法向拉應力偏大，主要原因是C50混凝土小箱梁橋自重和預加力較大。

3)撓度分析

LUHPC小箱梁橋有限元計算值在自重+二期恒載、可變荷載作用、預加力+荷載短期效應組合下撓度值與試設計計算的理論值相差不大，說明LUHPC小箱梁橋撓度驗算滿足要求。對比LUHPC小箱梁橋與C50混凝土小箱梁橋在荷載組合下的撓度，發現預應力產生的上拱主要是用來抵抗自重產生的下撓。故在LUHPC小箱梁橋設計中，利用LUHPC材料輕質超高性能，能有效降低LUHPC小箱梁橋自重和預應力筋用量。

3 LUHPC小箱梁橋參數分析

3.1 材料用量

LUHPC小箱梁橋混凝土、預應力鋼筋用量分別為169.82 m3和3.96 t，同C50混凝土小箱梁橋相比，減少了9.52%和33.45%，數據見表4。主要是因為LUHPC材料具有輕質、高強性能，使結構使用較小截面尺寸和較少的預應力筋就可以滿足荷載作用下的受力要求。

表4 兩種橋型的材料用量

3.2 恒活載之比

較C50混凝土小箱梁橋，LUHPC小箱梁橋恒載顯著降低。因為LUHPC材料容重減小17.4%，截面尺寸減小12%、預應力鋼筋用量減少33.45%。由表5可知，LUHPC小箱梁橋恒活載比優于C50混凝土小箱梁橋，為后者的0.79。說明LUHPC小箱梁橋承載力可更好抵抗活載，而非橋梁自重；也反映在相同設計荷載下，LUHPC小箱梁橋具有更好的跨越能力。

表5 恒載與活載集度比較

3.3 預應力損失

同C50混凝土相比，LUHPC材料的超高強度和較高的彈性模量，保證了使用后張法對預應力鋼筋張拉時，局部受壓區混凝土不會產生裂縫，降低了錨墊下混凝土因壓縮變形的預應力損失。此外，LUHPC材料自收縮在澆筑前期增長快，一般7 d收縮率達到平穩時的73%，20 d左右其收縮值基本趨于穩定，說明預應力鋼筋張拉之后，因LUHPC材料自身收縮徐變導致的預應力損失較小，有利于保證成橋后的有效預應力。

3.4 抗拉性能

LUHPC材料摻有超高抗拉強度的鋼纖維，其抗拉性能顯著提升。LUHPC軸心抗拉強度為10.2 MPa，遠高于C50混凝土軸心抗拉強度2.65 MPa。故在箱梁配筋量和正截面承載力計算時，考慮LUHPC抗拉貢獻，既減少鋼筋用量，又滿足正截面承載力驗算要求。斜截面承載力計算時，僅LUHPC抗剪能力即滿足截面設計要求。另外，LUHPC良好抗拉性能，提高了梁體承載力，延緩、減少裂縫開展，降低預應力鋼筋和普通鋼筋用量，為工程節省開支。

4 結 論

a.考慮LUHPC材料輕質、高強特性，擬定LUHPC小箱梁橋跨中截面頂板、腹板和底板厚度為160 mm，支點截面頂板160 mm、腹板和底板厚度為220 mm，同原橋相比，截面尺寸減小了約12%。

b.根據試設計結果，建立小箱梁橋有限元模型。LUHPC小箱梁橋恒載與活載的彎矩比為1.75，撓度比3.42；而C50混凝土小箱梁橋分別為2.12和4.15，說明LUHPC小箱梁橋抵抗活載的能力更強。

c.LUHPC小箱梁橋在混凝土和預應力筋的用量上分別減少了9.52%和33.45%，自重降低了163.76 t，恒活載比減小21%；此外，預應力LUHPC小箱梁橋在預應力損失、抗拉性能方面表現更優，說明LUHPC材料在未來有良好的工程應用前景。