全预制钢-UHPC轻型组合梁在中小跨径桥梁中的设计与应用
研究
赵明; 何湘峰; 邱明红; 晏班夫; 邵旭东 【期刊名称】《《公路工程》》 【年(卷),期】2019(044)005 【总页数】4页(P63-66)
【关键词】桥梁工程; 超高性能混凝土; 组合梁; 耐久性; 装配式结构 【作 者】赵明; 何湘峰; 邱明红; 晏班夫; 邵旭东
【作者单位】广东省路桥建设发展有限公司 广东广州 510635; 湖南大学土木工程学院 湖南长沙410082 【正文语种】中 文 【中图分类】U443.32 0 引言
预制混凝土桥梁具有结构简单、受力明确、造价低廉等优点，在中小跨径桥梁结构中得到了大量的应用[1]。但已有的工程实践表明，现有的预制混凝土桥梁仍存在诸多的技术瓶颈，如预制混凝土桥梁横向连接构造易破损和易出现耐久性病害[2-3]。为减轻自重和节省材料，钢-混凝土组合梁因可充分发挥钢材受拉、混凝土受压的优势而得以发展，但存在负弯矩区混凝土板易开裂的难题[4]。
建筑材料的发展与变革是引领今后桥梁发展的主要动力[5]。超高性能混凝土(Ultra
high performance concrete, UHPC)是一种纤维增强水泥基复合材料，其抗压强度超过150 MPa，抗拉强度超过7 MPa[6-7]。已有工程实践表明[8-12]，UHPC构件具有结构自重较小、设计自由度大、韧性好、耐久性高、符合可持续发展等优点。若将UHPC材料应用于高速公路桥梁结构，可以更加充分的发挥材料优异的性能，减轻桥梁结构自重、降低施工难度、减小基础工程量、提高结构耐久性、减轻后期管养难度、增大桥梁的跨越能力。
为克服上述的不足和缺陷，湖南大学高性能桥梁结构研发团队基于性能优异的超高性能混凝土(Ultra-High-Performance Concrete，简称 UHPC)提出一种自重轻、跨度适中、可不设置预应力、耐久性好、全寿命费用低的全预制钢-UHPC轻型组合π形梁[13]。
汕(头)湛(江)高速公路三标的麻埔停车区跨线桥拟采用钢-UHPC轻型组合梁方案。本文以麻埔停车区跨线桥为工程背景，介绍了钢-UHPC轻型组合梁方案的设计要点，并与常规的预应力混凝土小箱梁方案和常规的钢板组合梁方案对比分析了钢-UHPC组合梁方案的应用前景，结果表明钢-UHPC轻型组合梁方案具有构造简洁和良好的受力性能，在经济性、施工性和耐久性方面具有显著的优势，具有良好的应用前景。
1 钢-UHPC轻型组合梁设计 1.1 总体概况
麻埔停车区跨线桥跨越山间洼地，桥位属丘陵地貌，地势起伏较大，丘陵坡地上植被较为茂盛，为连接乡道而设置。结合桥位处地形、地质和场地条件等特点，考虑工程的安全性、经济性、施工可行性及景观性，桥型方案上部结构共设置一联：4×25 m。上部结构采用钢-UHPC轻型组合π梁，下部桥墩采用圆柱墩，桥台采用柱式台。 1.2 技术标准
a.汽车荷载：公路I级。
b.桥梁宽度：0.5 m (护栏)+7.0 m(行车道)+0.5 m(护栏)=8.5 m。 c.设计安全等级：一级，桥梁结构重要性系数取1.1。 d.结构设计基准期：100 a。 e.桥面横坡：2%。 1.3 钢-UHPC组合梁方案
桥梁断面全宽8.5 m，横向由3片全预制钢-UHPC组合π梁组成，单片π梁标准宽度为2.8 m。梁高1.0 m，其中UHPC桥面板厚0.12 m，工字梁高0.88 m，标准断面如图 1所示。
图1 标准断面(单位：cm)Figure 1 Sectional view (Unit: cm) a.钢梁设计。
工字钢梁主要由上翼缘板、腹板、下翼缘板焊接组成。工字钢梁采用Q345D钢，上翼缘宽280 mm，厚12 mm；腹板高840～848 mm，厚16 mm；下翼缘宽500 mm，厚20 mm。在跨中钢-UHPC组合π梁内，设置H形断面小横梁，高300 mm，翼缘宽280 mm，腹板、翼缘板厚12 mm。综合考虑景观效果和焊接工作量，钢腹板不设置竖向加劲肋以及水平加劲肋，按照《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D-2015)第5.3.3条进行验算，腹板高厚比满足规范局部稳定要求。 b.UHPC桥面板设计。
UHPC桥面板上不设调平层，桥面板全为预制结构，为一次成型，可提高混凝土板与钢梁的组合效率，充分利用组合梁简支状态下钢结构受拉、混凝土受压的材料特性；同时没有后浇调平层，减少现场工作量，提高施工效率。预制板横向划分为A、B两类板，每片板内均含有2片工字梁。A类预制板宽275 cm，B类预制板宽260 cm。预制板标准厚度为12 cm，接缝处采用局部加高的T形接缝构造，加厚至20 cm，大样如图 2所示。
图2 桥面板接缝大样(单位：mm)Figure 2 Detail drawing of field-cast joint in deck slab (Unit: mm) c.剪力钉设计。
UHPC桥面板和钢主梁通过剪力钉连接。剪力钉规格为22 mm×80 mm，纵桥向间距为15 cm，单个工字梁上翼缘横向布置2列。 d.组合梁墩顶负弯矩区设计。
组合梁墩顶负弯矩处承担巨大的剪力与弯矩，是确保组合梁桥结构安全的关键构造，且组合梁负弯矩处上缘混凝土板易出现开裂问题，影响结构的安全性和耐久性。本项目结合技术特点和实际情况，同时满足施工便捷、造价经济的要求，采用如图 3所示的负弯矩“T”形接缝方案，可实现现场零焊接。该构造具有如下特点：①上缘带槽口的“T”接缝，其中设置槽口的目的主要是将纤维不连续的薄弱面设置在低拉应力区和通过槽口阻滞现浇UHPC的收缩；②通过嵌入式的钢板和剪力钉增强现浇UHPC与预制钢梁的连接作用。
图3 组合梁墩顶负弯矩区构造示意Figure 3 Diagram of negative moment zone in composite girder 2 钢-UHPC轻型组合梁应用前景 2.1 经济性分析
本文分别对相同跨径和相同技术标准的预应力混凝土小箱梁、常规钢-混凝土组合梁和钢-UHPC轻型组合梁方案的经济性进行分析，结果如表 1所示。根据市场行业，主要材料的综合单价分别按表 1所示取值。由表 1结果可以看出，与预应力混凝土小箱梁相比，钢-UHPC组合梁方案综合单价仅增加约6%，常规钢-混凝土组合梁综合单价增加约11%；与常规钢-混凝土组合梁相比，钢-UHPC组合梁方案综合单价减小约4.3%。由此可见，钢-UHPC组合梁方案具有良好的经济优势。 2.2 施工性分析
预应力混凝土小箱梁现场施工需要绑扎和焊接湿接缝钢筋，现场焊接作业量大，装配化率有待提高，当采用较大跨径时，梁体高、自重大，并不利于结构运输及吊装；而对于常规的装配式钢-混凝土组合梁，钢主梁和预制混凝土板在工厂预制，然后运输到位，进行拼装焊接，浇筑槽孔及接缝区域，现场浇筑桥面板接缝工作量大。全预制钢-UHPC轻型组合π梁的钢主梁与UHPC桥面板均在工厂预制，一次成型，现场仅需浇筑纵向湿接缝，便于进行快速化施工。
表1 方案经济比选表Table 1 Economic performance between different schemes方案名称预应力混凝土小箱梁常规钢-混凝土组合梁钢-UHPC组合梁方案 每平米用量每平米单价/(元·m-2) 每平米用量每平米单价/(元·m-2) 每平米用量每平米单价/(元·m-2)C50或UHPC预应力筋上部结构钢材整体化层小计桥墩+盖梁+桩顶系梁桩基上部结构运输吊装费用综合单价(元/m2) 0.44 m31 320 0.28 m3840 0.126 m31 13018.3 kg275 00 00 001901 9001501 500 0.11 m3200 00 00 /1 795 /2 740 /2 630 0.23 m3505 0.18 m34000.18 m3400204Ф1.5 m全桥1 200204Ф1.2 m全桥800204Ф1.2 m全桥800 1 200 kg180 920 kg140 500 kg753 680(100%)4 080(111%)3 905(106%) 备注: 主梁普通混凝土(含钢筋)3 000元/m3 ;配筋UHPC 9 000元/m3;下部结构普通混凝土(含钢筋)2 200元/m3;预应力筋15 000元/t;钢材10 000元/t;1.5 m桩5 000元/m;1.2 m桩3 300元/m;运输吊装150元/t。
以跨径为25 m为例，单片预应力混凝土小箱梁的吊装重量约为80 t；当钢-混凝土组合梁采用预制装配时，钢梁吊装重量小于15 t；当钢与混凝土连接后吊装的施工方法时，其吊装重量约为60t；而全预制的钢-UHPC 组合梁吊装重量约为36 t，分别是预应力混凝土小箱梁和钢-混凝土组合梁的吊装重量的45%和80%。 由此可知全预制钢-UHPC 轻型组合梁吊装重量轻、现场施工作业量少，具有良好的施工性能。
2.3 耐久性分析
根据已有工程实践表明，预应力混凝土小箱梁运营期梁体和湿接缝易出现开裂病害，影响结构安全性和耐久性。常规的钢-混凝土组合梁的耐久性问题主要是负弯矩区混凝土开裂引起的钢筋及钢梁锈蚀等问题，影响结构安全性和耐久性。
UHPC 材料基于最大密实度理论构建：毫米级颗粒(细石英砂骨料)的间隙由微米级颗粒(水泥、粉煤灰等)填充，而微米级颗粒的间隙由亚微米级颗粒(硅灰)填充[5]。这种配置原理使得材料内部结构十分致密，外界有害物质难以渗入，具有优异的耐久性指标，而且徐变系数远小于普通混凝土，蒸养后的UHPC 材料收缩基本为零，长期性能优良。而钢结构的防腐技术发展到今天，技术已经相对成熟，防护出来相对容易，质量更容易控制。
由此可见，与预应力混凝土小箱梁和常规钢-混凝土组合梁相比，全预制钢-UHPC轻型组合梁在耐久性方面具有较大优势。 3 结论
汕(头)湛(江)高速公路三标的麻埔停车区跨线桥拟采用钢-UHPC轻型组合梁方案，本文介绍了钢-UHPC轻型组合梁方案的设计要点,并与常规的预应力混凝土小箱梁方案和常规的钢板组合梁方案对比分析了钢-UHPC组合梁方案的应用前景，得到的主要结论如下：
a.钢-UHPC轻型组合梁方案具有构造简洁，综合考虑上下部结构造价，与常规的预应力混凝土小箱梁造价相当。
b.钢-UHPC轻型组合梁方案装配化水平高，吊装重量轻，快速化施工现场可实现现场零焊接，可实现快速化架设。
c.钢-UHPC轻型组合梁方案可避免传统组合梁负弯矩混凝土易开裂的风险，UHPC材料内部致密，耐久性良好，可大幅减少结构后期维护。 [参考文献]
【相关文献】
[1] 邵旭东.桥梁工程(第四版)[M].北京:人民交通出版社股份有限公司, 2016. [2] 王岗.混凝土空心板梁桥典型病害机理研究 [D].杭州: 浙江大学,2016: 8-11.
[3] 储兵, 杨未蓬.简支变结构连续T梁病害原因分析及处理措施[J].工程建设, 2018,50(3):50-53. [4] 聂建国.钢-混凝土组合结构桥梁 [M].北京:人民交通出版社, 2011:134. [5] 邵旭东.钢-超高性能混凝土轻型组合桥梁结构[M].北京:人民交通出版社, 2015.
[6] LARRARD F.De,SEDRAN T.Optimization of ultra-high-performance concrete by using a packing model [J].Cement and Concrete Research, 1994, 24(6): 997-1009. [7] RICHARD Pierre,CHEYREZY Marcel.Composition of reactive powder concretes[J].Cement and Concrete Composites,1995,25(7):1501-1511.
[8] 邵旭东,曹君辉.面向未来的高性能桥梁结构研发与应用[J].建筑科学与工程学报, 2017, 34(5):41-57.
[9] 邵旭东,邱明红,晏班夫,等.超高性能混凝土在国内外桥梁工程中的研究与应用进展[J].材料导报,2017,31(12):33-43.
[10] 吴佳佳,邵旭东,刘榕.钢-UHPC轻型组合梁桥面板结构型式研究[J].公路工程, 2017, 42(4):76-101.
[11] 魏亚雄,方志.预制装配式活性粉末混凝土箱梁桥的结构性能[J].公路工程,2016,41(5):11-27. [12] 卢祖梁,方志.活性粉末混凝土混合梁桥性能研究[J].公路工程, 2016, 41(5):22-27.
[13] 邓舒文,邵旭东,晏班夫,等.全预制快速架设钢-UHPC轻型组合城市桥梁[J].中国公路学报, 2017, 30(3):159-166.
[14] 马哲.CFRP预应力筋在预制节段拼装桥梁中的应用研究[J].交通科学与工程，2017,33(3):50-55.
[15] 曹雅蒙，彭乐宁，陈子昂.地震波作用下木-混组合梁桥的动力响应[J].湖南交通科技，2018，44(1):123-125.
