UHPC150大懸臂蓋梁設計和受力特性分析

吳　薇

(廣東省冶金建筑設計研究院，廣東 廣州　510080)

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，簡稱為UHPC)是一種力學性能超高、耐久性能優異、體積穩定性優良的新型水泥基復合材料，在橋梁工程和建筑工程中得到廣泛應用。在現場施工中，自然養護能完全滿足具體工程的要求，降低成本，并且操作簡便，有利于環境保護。為了探求UHPC的更為廣泛的應用途徑，在本研究中，以試驗的形式將UHPC推廣到橋梁蓋梁結構中。

蓋梁是橋梁結構中的受力部件，起著連接上、下部結構的重要作用，它承受著上部構造的恒載及主梁傳遞給它的活載效應，并將這些荷載傳遞給橋墩和基礎[1]。為了兼顧橋梁的周邊環境和施工速度，設計大懸臂內部挖空率大的蓋梁，它是一種很好的施工方案：①大懸臂蓋梁能減少橋墩的數量，保證了下部空間有足夠的行車寬度和視野；②大挖空率蓋梁減輕了蓋梁的自重，順利實現蓋梁一次吊裝，加快了施工速度。然而，大懸臂和大挖空率的蓋梁設計利用普通混凝土是難以實現的[2-5]。因此，將UHPC高性能混凝土推廣到大懸臂和大挖空率蓋梁當中，就能更為突顯其工程價值。

本試驗以農新路高架橋UHPC蓋梁工程為依托，擬分析新型UHPC150混凝土的材料特性；利用Midas軟件，建立UHPC蓋梁橋墩模型；計算分析蓋梁的內力和應力特性，并且對其進行承載能力極限狀態的抗彎計算、正常使用極限狀態的應力和變形計算；參考法國規范《AFGC(UHPFRC)》，對其結構進行抗剪計算；并將其與傳統混凝土蓋梁進行比較，討論混凝土抗拉強度與蓋梁挖空率之間的關系。

1　工程概況

1.1　UHPC蓋梁概況

農新路高架橋工程(云山橋～廣清高速新華站立交)是云山大道的西段，路線呈東西走向，西接廣清高速新華站立交，與新街大道，規劃廣河、廣湛客運專線，在建廣清、廣佛城際輕軌呈十字型交叉，東止于武廣高鐵西側既有云山橋16#墩，路線全長約1.01 km。道路等級為城市主干道，設計行車速度60 km/h；橋梁荷載為城-A級；跨相交道路的橋下凈空不小于5 m(掉頭車道不小于 3.5 m), 跨鐵路的橋下凈空不小于6.6 m。

農新路高架主線橋第五聯蓋梁(13#～16#)為空心箱型結構(如圖1，2所示)，采用UHPC150超高性能混凝土材料整體預制而成，單片蓋梁總重150 t，達到了50%的挖空率，可實現蓋梁的一次吊裝。蓋梁高1.20～2.73 m，寬2.0 m，腹板厚度均為30 cm，頂板厚為25 cm，底板在等厚處為30 cm，懸臂端為20 cm；在支座位置處設置了 15 cm 厚的橫隔板，與墩身相接處則各設置兩道30 cm厚橫隔板。為方便壓漿套筒(型號：GT40)的設置，橋墩部分有60 cm高墩身與蓋梁一起預制。此外，UHPC大懸臂蓋梁采用在工廠預制的施工工藝。

通過農新路的試驗蓋梁設計可知，其挖空率達到50%以上，這會使蓋梁的自重減輕，可實現一次吊裝，且加快了橋梁施工速度。然而，這樣的設計使用普通的混凝土是不安全的，其原因為：①普通混凝土超過50%挖空率蓋梁很難有足夠的承載力抵御上部結構的荷載；②大挖空率蓋梁容易導致混凝土開裂，使得抗裂驗算不能通過。因此，要達到施工和設計要求，必需選用抗拉和抗壓強度大的混凝土。

1.2　UHPC150材料特性

農新路高架主線橋第五聯的下部結構采用正常非隱式蓋梁，并采用超高性能混凝土UHPC150材料。該材料也稱活性粉末砼(Reactive Powder Concrete，簡稱為RPC)或適用于正交異性橋面板的超高韌性混凝土(Super Toughness Concrete，簡稱為STC)材料。它是一種由水泥、礦物摻合料、細集料、鋼纖維及外加劑等材料或由UHPC150材料制成的干混料。該干混料加水拌合并經凝結硬化后，形成一種具有高抗彎強度、高韌性及高耐久性的水泥基復合材料。UHPC的鋼纖維體積含量為2.5%，水膠比宜為0.16～0.22。

圖1　UHPC蓋梁立面圖(單位：cm)Fig. 1　Elevation-view of UHPC beam(unit:cm)

圖2　UHPC蓋梁的俯視圖和剖面圖(單位：cm)Fig. 2　Plan-view and section-view of UHPC bent cap(unit:cm)

UHPC150材料棱柱體抗壓強度標準值取為立方體抗壓強度的0.6倍，材料分項系數按1.5考慮，抗拉強度按抗壓強度的10%考慮，UHPC150具有軸拉應變硬化特性，UHPC150力學性能試驗應參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準(GB/T 50081-2016)》規定的方法進行，立方體抗壓強度試驗應采用100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，加載速率為1.2 MPa/s。混凝土試件強度代表值的確定應符合《混凝土強度檢驗評定標準(GB/T 50107-2010)》中的規定。UHPC150抗凍等級均設計為F500，抗滲等級均為P40。UHPC150材料的主要設計參數為：立方體抗壓強度150 MPa，軸心抗壓強度60 MPa(標準值90 MPa)，軸心抗拉強度6 MPa(標準值9 MPa)，彈性模量45 GPa[6]。

2　UHPC大懸臂蓋梁有限元模型

為了驗證UHPC大懸臂蓋梁是否能通過承載能力極限狀態的抗彎強度的驗算、正常使用極限狀態的應力和抗剪強度的驗算，本研究建立了模擬農新路高架橋的UHPC蓋梁Midas有限元模型，如圖3所示。

圖3　蓋梁有限元模型Fig. 3　Finite element model of bent cap

UHPC蓋梁有限元模型共有95個節點，92個單元和3條預應力鋼束。蓋梁與橋墩采用剛性連接，蓋梁上分布8個支座，上部結構傳遞的力模擬成作用在支座點上的集中力，每個支座受力為162.5 kN，因而，支座上傳遞力和本身蓋梁自重可作為模型恒載。活載采用城-A級移動車輛荷載，3條預應力鋼束的分布如圖4所示。

圖4　預應力鋼束形狀和分布(單位：cm)Fig. 4　The shape and distribution of the prestressed steel(unit:cm)

3　計算結果分析

3.1　UHPC蓋梁內力應力結果

UHPC蓋梁的計算結果包括：位移、內力及應力分析3部分，其短期效應分析分別如圖5～7所示。從圖5中可以看出，其最大位移出現在大懸臂端部，最大位移為3.69 mm，由于UHPC混凝土的彈性模量比普通混凝土的大，而混凝土的彈性模量與蓋梁結構的位移成反比，因此，利用UHPC制成蓋梁的位移較小。大懸臂蓋梁與普通形式蓋梁的位移形式也不相同，因為普通形式蓋梁的最大位移點出現在蓋梁跨中。從圖6中可以看出，彎矩的最大值出現在橋墩與蓋梁連接處外部，為-411 kNm，而且這樣的大懸臂蓋梁都是反彎矩。從圖7中可以看出，最大壓應力(5.7 MPa)位置出現在橋墩和蓋梁連接處的墩頂上，而最大拉應力(2.7 MPa)的位置出現在橋墩與蓋梁連接處上。

圖5　荷載短期效應位移變形Fig. 5　Deflection diagram of short-term effect.

結合Midas數值分析的位移、彎矩及應力結果，由《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范(JTG D62-2012)》要求和UHPC特殊的材料性質可知，UHPC大懸臂承載能力極限狀態的最大彎矩526 kN·m在支點上，且小于規范限值；另外，蓋梁正常使用極限狀態短期效應的拉應力2.7 MPa小于規范值0.7ftk，因而蓋梁滿足正常使用極限狀態抗剪強度的驗算。

圖6　荷載短期效應組合彎矩Fig. 6　Bending moment diagram of short term effect.

圖7　荷載短期效應應力Fig. 7　Stress diagram of short term effect.

大懸臂大挖空蓋梁是彎剪受力為主的構件，在彎曲應力和剪應力的共同作用下，將產生與梁軸線斜交的主拉應力和主壓應力。因混凝土的抗壓強度較高，不會被破壞；而蓋梁的最大拉應力為2.7 MPa，超過了普通混凝土的。例如：C50混凝土的抗拉強度為2.65 MPa。當主拉應力較大時，則可能使構件沿著垂直于主拉應力的方向產生裂縫，并導致蓋梁發生破壞。因此，鋼筋混凝土蓋梁除應進行正截面強度計算外，還需對其抗剪強度進行計算。抗剪強度的計算是大懸臂蓋梁驗算的關鍵。

3.2　UHPC蓋梁挖空率分析

蓋梁截面很少采用大挖空率形式，而這樣的大挖空率形式需要性質很好的混凝土，且大懸臂蓋梁的抗剪驗算是關鍵，通常的大懸臂蓋梁都是因橋墩和蓋梁連接處拉應力較大、出現了裂縫而導致破壞的。通過分析5種挖空形式相近而又有不同的挖空率Midas模型，并計算其在正常使用狀態的最大拉應力，得到挖空率與最大拉應力成正比關系，如圖8所示。

圖8　挖空率與最大拉應力的關系Fig. 8　Maximum tensile stress and hollowed rate

從圖8中可以看出，正常使用狀態的最大拉應力越大，結構在正常使用過程中越容易發生裂縫。且挖空率越大，蓋梁的最大拉應力越大。根據不同的挖空率，選用不同的混凝土，可驗算抗剪強度。本試驗工程中的試驗型超過50%的蓋梁，無疑是選用UHPC150混凝土最為合適。

4　結論

通過采用Midas軟件進行分析和對UHPC大懸臂蓋梁進行計算，得到的結論為：

1) 本蓋梁設計由于懸臂過大，其彎矩圖不顯示正彎矩，最大彎矩點出現在橋墩與蓋梁連接處。

2) 對蓋梁抗剪能力來說，不同挖空率對應不同的抗剪能力。挖空率越大，抗剪能力越差。因而，對于挖空率大的蓋梁，應選用高性能混凝土。

3) 選用UHPC混凝土設計蓋梁能夠有效降低蓋梁的自重(即截面挖空加大)，順利實現蓋梁一次吊裝，且方便施工。

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