高強輕骨料混凝土大跨徑橋梁結構設計研究

王瀟碧

（四川大學錦城學院，四川 成都 611731）

1 高強輕骨料混凝土分析

高強輕骨料混凝土是指選用輕砂作為細骨料，配以水泥、水等材料，拌合而成的混凝土。和普通混凝土相比，高強輕骨料混凝土的密度更低、抗壓強度較高。在大跨徑橋梁工程中，高強輕骨料混凝土表現出如下優勢：

第一，使用壽命長。高強輕骨料混凝土在使用期間，不會出現堿骨料反應，表現出優異的抗滲性能與抗凍性能，確保大跨徑橋梁在惡劣環境下，保持穩定可靠性，從而延長大跨徑橋梁的使用壽命。同時，高強輕骨料混凝土的材料間性能差異較小，相容性更強，集中應力的產生難度較大，降低結構裂縫出現的概率，且輕骨料可使混凝土結構進行自養護，強化混凝土結構的性能，提升其耐久性。

第二，穩定性強。高強輕骨料混凝土可提升大跨徑橋梁的抗震性能與抗裂性能，提升結構穩定性。就抗震性能而言，基于高強輕骨料混凝土的自重低特點，可緩解水平地震的負面影響，提升橋梁的變形能力，在出現振動可抵消更多的變性能，抵御地震的損壞；就抗裂性能而言，高強輕骨料混凝土的彈性模量及熱膨脹系數偏低，可產生較低應力，避免裂縫的出現，提升抗裂性能。

第三，輕質高強。相關研究數據表明，在高強輕骨料混凝土的密度處于1800-1900kg/m3時，其強度可達到CL50-CL60 左右，但此時混凝土結構的重量僅為普通高強混凝土的70%-80%。可見，高強輕骨料混凝土具有輕質高強特征，基于該特征，大跨徑橋梁的跨度有所提升，可減少橋墩設置的數量、鋼筋的使用量，還可簡化橋梁基礎處理施工，從而降低橋梁工程成本。同時，在高強度支持下，大跨徑橋梁的結構荷載有較大提升，在恒載不變的情況下，可適當增加橋梁截面高度，強化橋梁工程效益[1]。

2 大跨徑橋梁結構設計分析

2.1 收縮形變參數設計

和普通高強混凝土相比，高強輕骨料混凝土的收縮形變有顯著差異，后者的數值更大。基于不同的混凝土密度，設計單位明確的收縮形變參數有所不同。縱觀國內外的大跨徑橋梁計算標準，收縮徐變參數的計算公式較為多元化。在美國PCI 協會發布的設計手冊中，認為可參照普通高強混凝土的收縮參數計算方式，明確高強輕骨料混凝土的參數；荷蘭規范認為高強輕骨料混凝土有其獨有的材料特性，應用徐變修正系數計算收縮徐變參數。同樣地，德國及歐洲規范，也引進徐變修正系數，但三者的引進方式與數值均不同。借鑒國外的標準規范，國內在關于收縮徐變的參數規范如下：參照CL20-CL30 混凝土試驗結果，明確收縮形變系數的數值。

另外，在高強輕骨料混凝土結構設計中，有大跨徑橋梁在收縮徐變的影響下，出現質量問題，需受到設計人員的重視。例如，在美國1978年完工的Parrotts 渡橋，于1990年出現主跨下垂現象。根據橋梁結構參數檢測結果，發現出現該問題的原因在于收縮形變數值選擇錯誤，設計單位應用的數值為密封條件下的參數，導致橋梁使用期間出現收縮徐變差異，引發質量通病。就此，設計單位需根據大跨徑橋梁的使用場景和環境，明確參數選取條件，選擇正確的計算模型與規范，保障大跨徑橋梁的質量。

2.2 彈性模量參數設計

在大跨徑橋梁結構設計中，高強輕骨料混凝土的彈性模量會影響結構的抗震性能，需受到設計單位的重視。和普通強度混凝土相比，高強輕骨料混凝土的彈性模量更小。有學者在研究中指出，在水灰比處于0.32～0.43 的范圍時，強度處于CL60～CL90 時，在彈性模量參數中，高強輕骨料混凝土要低30%。同時，在高強輕骨料混凝土結構設計中，其彈性模量會受到強度及密度的雙重影響。就此，在結算結構的彈性模量時，設計人員需采用如下公式：

其中，ρc是指表觀密度；fc是指抗壓強度。

在設計彈性模量時，數值過大會引發結構變形，降低結構穩定性；數值過小會降低結構延性，導致收縮徐變應力過大。所以設計人員需在設計期間開展多次試驗，明確最佳的彈性模量參數，提升大跨徑橋梁的結構穩定性。

2.3 荷載極限參數設計

在橋梁結構設計中，荷載極限包括承載能力極限及正常使用極限兩類，在橋梁投入使用后，其運行參數需控制在荷載極限內，方可保障橋梁的長久發展。在承載能力極限參數設計中，設計人員需考慮折減的彈性模量，再結合混凝土外側壓應變，計算混凝土構件截面的承載力，保障結構的整體安全性；在正常使用極限參數設計中，設計人員需根據相應的折減系數，明確橋梁結構的正常使用極限狀態。在進行跨度有效深度計算時，折減系數選為0.85；在進行梁的長高比計算時，折減系數選為0.9。同時，如果大跨徑橋梁的運行環境較惡劣，設計單位需設置厚度約為10mm 的保護層，延長橋梁的使用壽命。

另外，在大跨徑橋梁結構設計中，設計人員需考慮高強輕骨料混凝土的泵送性能，在明確水灰比的情況下，選擇合理的外加劑，提升混凝土的流動性，為橋梁施工提供便利[2]。

3 結語

綜上所述，高強輕骨料混凝土是目前大跨徑橋梁常用的材料，需通過合理設計發揮其優勢。通過本文的分析可知，設計單位需做好大跨徑橋梁的收縮形變、彈性模量及荷載極限設計，確保大跨徑橋梁的承載能力符合工程要求，提高橋梁工程的質量，促進橋梁工程的可持續發展。