高速鐵路48 m跨度超高性能混凝土簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)及抗彎性能試驗(yàn)研究

劉 琛

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043;2.軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，陜西 西安 710043)

根據(jù)我國(guó)既有鐵路和高速鐵路常用跨度橋梁建設(shè)和運(yùn)營(yíng)實(shí)踐，并通過(guò)反復(fù)的研究論證,確定我國(guó)高速鐵路橋梁以等跨布置的預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)為主，主型簡(jiǎn)支箱梁跨度為32 m，建造方法主要采用沿線設(shè)置梁場(chǎng)預(yù)制、運(yùn)梁車運(yùn)輸和架橋機(jī)建設(shè)[1]。楊宜謙等[2]針對(duì)高速鐵路32 m簡(jiǎn)支箱梁的剛度、基頻、車橋動(dòng)力特性等開展相關(guān)研究。牛斌[3]對(duì)高速鐵路40 m 簡(jiǎn)支箱梁設(shè)計(jì)參數(shù)、足尺試驗(yàn)、運(yùn)架設(shè)備、經(jīng)濟(jì)性等開展了理論研究和試驗(yàn)研究。高速鐵路32 m整孔箱梁質(zhì)量一般在850 t左右，鄭濟(jì)高速鐵路試制40 m整孔箱梁質(zhì)量約 1 000 t。簡(jiǎn)支梁向更大跨度發(fā)展，梁質(zhì)量將顯著增加，工程經(jīng)濟(jì)性及整孔運(yùn)架設(shè)備能力限制的難題難以解決。

超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete，UHPC)是一種具有高強(qiáng)度力學(xué)性能的混凝土(又稱活性粉末混凝土或RPC)。文獻(xiàn)[4-6]進(jìn)行了一系列的UHPC材料和結(jié)構(gòu)的理論研究和試驗(yàn)研究。包括UHPC軸拉性能試驗(yàn)研究、高強(qiáng)鋼筋活性粉末混凝土梁抗彎性能試驗(yàn)研究、大跨度活性粉末混凝土簡(jiǎn)支梁截面形式研究、UHPC薄板屈曲試驗(yàn)研究等。

本文提出48 m UHPC膠拼簡(jiǎn)支梁主要計(jì)算方法并進(jìn)行理論計(jì)算分析，結(jié)合1∶2縮尺模型梁抗彎性能試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證其計(jì)算方法的合理性，最終提出此類結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)方法和受力規(guī)律，實(shí)現(xiàn)利用UHPC力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)，將48 m簡(jiǎn)支箱梁梁質(zhì)量控制在850 t以內(nèi)，為整孔運(yùn)架簡(jiǎn)支梁向更大跨度發(fā)展提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算方法

1.1 UHPC材料設(shè)計(jì)參數(shù)

理論計(jì)算及模型梁制作時(shí)采用的配合比[7]見表1。預(yù)應(yīng)力UHPC結(jié)構(gòu)澆筑完成后均應(yīng)進(jìn)行高溫蒸養(yǎng)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ土翰捎?40±5)℃恒溫養(yǎng)護(hù)24 h，箱梁脫模后(70±5)℃蒸汽養(yǎng)護(hù)48 h，結(jié)構(gòu)首次加載齡期不小于30 d。UHPC材料力學(xué)性能參數(shù)主要包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、受壓和受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線等。模型梁試驗(yàn)實(shí)測(cè)UHPC力學(xué)參數(shù)為:立方體強(qiáng)度f(wàn)ck=120 MPa；軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c=88 MPa，軸心抗拉強(qiáng)度f(wàn)ct=6 MPa，彈性模量E=44 GPa；重度為26 kN/m3。

表1 UHPC 基體配合比 (kg·m-3)

1.2 橋梁設(shè)計(jì)參數(shù)

速度350 km/h；有砟軌道；線間距5 m，箱梁頂寬12.6 m、梁高4 m；二期恒載180 kN/m；雙線ZK活載；沖擊系數(shù)、離心力、搖擺力制動(dòng)力按TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》取值；預(yù)應(yīng)力鋼束采用 1 860 MPa 級(jí)鋼絞線，金屬波紋管成孔。

1.3 主要計(jì)算方法

48 m UHPC簡(jiǎn)支箱梁縱向按全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除按TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》執(zhí)行外，還應(yīng)遵循：①對(duì)于加載齡期大于4 d的UHPC，高溫蒸養(yǎng)48 h后，徐變終極值為0.5[8]，收縮應(yīng)變終極值為500×10-6。②計(jì)入箱梁有效寬度折減系數(shù)，跨中及1/4跨為0.97，梁端為0.81。③各種工況下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)不小于5。④節(jié)段拼裝接縫面抗彎強(qiáng)度折減系數(shù)0.95。⑤接縫正截面抗剪強(qiáng)度依據(jù)美國(guó)GuideSpecificationsforDesignandConstrmctionofSegmentalConcreteBridges計(jì)算。⑥抗裂計(jì)算時(shí)，UHPC膠接拼裝箱梁抗拉極限強(qiáng)度塑性修正系數(shù)為0.5。

2 截面形式研究

由于UHPC結(jié)構(gòu)需采用高溫蒸養(yǎng)工藝，施工方案設(shè)計(jì)時(shí)宜采用工廠預(yù)制，并結(jié)合高速鐵路橋梁制梁場(chǎng)的布設(shè)，對(duì)32 m梁制梁場(chǎng)既有蒸養(yǎng)環(huán)境的合理改造而避免制梁場(chǎng)建設(shè)中過(guò)多的經(jīng)濟(jì)投入。因此，48 m UHPC簡(jiǎn)支梁縱向分3段預(yù)制，跨中梁段長(zhǎng)度16 m，梁端梁段長(zhǎng)度16.75 m，見圖1。

圖1 48 m UHPC梁縱向分段示意(單位：cm)

圖2 各方案箱梁截面示意(單位：cm)

本次研究48 m UHPC簡(jiǎn)支箱梁截面形式共3種[9]，如圖2所示。圖中，方案1為單箱單室UHPC薄壁截面，方案2為單箱單室UHPC拼接板截面，方案3為UHPC與普通混凝土橋面板組合截面。

3個(gè)方案結(jié)構(gòu)剛度均能滿足要求，方案2剛度最大。方案3組合截面為二次受力結(jié)構(gòu),U梁應(yīng)力水平較高，能夠發(fā)揮材料優(yōu)勢(shì)，受力更為合理。施工方案優(yōu)缺點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)性比較見表2。可知，盡管方案3受力更為合理，但整孔梁質(zhì)量達(dá) 1 150 t，無(wú)法使用高速鐵路900 t架橋機(jī)進(jìn)行架設(shè)，考慮到運(yùn)架裝備技術(shù)能力限制，本次推薦方案1。

表2 各方案施工及經(jīng)濟(jì)性綜合比較

施工步驟為：梁段預(yù)制蒸養(yǎng)→梁段存放→臺(tái)座上預(yù)拼裝→接縫面涂環(huán)氧膠→張拉頂?shù)装寰埪菁y鋼→永久鋼束張拉成孔→架橋機(jī)架設(shè)→現(xiàn)澆C50橋面板→施工橋面設(shè)施→成橋。

3 理論分析

3.1 靜力計(jì)算

48 m UHPC簡(jiǎn)支梁梁高4.0 m，頂寬12.6 m，底寬6.0 m，頂板厚0.12 m，腹板及底板厚0.25 m。箱梁頂板設(shè)置0.15～0.24 m厚C50混凝土橋面板。每孔梁分3個(gè)梁段設(shè)2處膠接縫。頂板為滿足薄板翹曲失穩(wěn)及架橋機(jī)過(guò)孔和架梁?jiǎn)栴}，間距1.5 m左右設(shè)置1道橫向加勁肋。UHPC梁質(zhì)量830 t，現(xiàn)澆C50橋面板質(zhì)量290 t。底板和腹板共布置26束17-7φ5鋼束，梁體構(gòu)造及鋼束布置見圖3，靜力計(jì)算主要結(jié)果見表3。可知，各項(xiàng)計(jì)算值滿足TB 10621—2014的要求。

圖3 梁體構(gòu)造及鋼束布置示意(單位：cm)

表3 靜力計(jì)算結(jié)果

注：L為跨度。

3.2 動(dòng)力特性計(jì)算

根據(jù)規(guī)范要求,48 m 簡(jiǎn)支箱梁豎向自振頻率不應(yīng)小于23.58L-0.592=1.875 Hz。由動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果可知，一階為橫向扭轉(zhuǎn)，二階為豎向彎曲(如圖4所示)，對(duì)應(yīng)自振頻率2.480 Hz，滿足動(dòng)力特性要求。

圖4 動(dòng)力特性計(jì)算(二階豎向彎曲)

3.3 穩(wěn)定性計(jì)算

箱梁頂板承受較大壓應(yīng)力且厚度較小，為避免薄板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞先于材料強(qiáng)度破壞，對(duì)鋼束張拉階段、運(yùn)架梁階段、運(yùn)營(yíng)階段進(jìn)行穩(wěn)定性分析。施工階段UHPC梁自重為常量，預(yù)應(yīng)力鋼束荷載為變量；成橋后自重及鋼束荷載為常量，架橋機(jī)及運(yùn)梁車荷載為變量；運(yùn)營(yíng)階段恒載為常量，活載、溫度力等為變量。各階段屈曲模態(tài)見表4。可知，施工階段穩(wěn)定安全系數(shù)18.5，運(yùn)營(yíng)階段穩(wěn)定安全系數(shù)10.5，均滿足規(guī)范要求。

表4 施工階段及運(yùn)營(yíng)階段屈曲分析

3.4 橫向計(jì)算

橫向計(jì)算時(shí)考慮加勁肋的影響，施工階段計(jì)算截面為UHPC箱形截面，運(yùn)營(yíng)階段計(jì)算計(jì)入C50混凝土橋面板對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響。橫向計(jì)算工況共分為：①自重+運(yùn)梁車;②恒載+雙線ZK活載;③恒載+雙線ZK活載+日照升溫;④恒載+雙線ZK活載+寒潮降溫。控制截面應(yīng)力檢算結(jié)果見表5。可知，工況①頂板跨中下緣超出6 MPa的允許值，需通過(guò)布置一定數(shù)量的鋼筋滿足受力要求。

表5 控制截面應(yīng)力檢算結(jié)果(拉為負(fù)，不計(jì)鋼筋影響)MPa

4 縮尺試驗(yàn)研究

4.1 模型梁設(shè)計(jì)

圖5 48 m UHPC梁1∶2縮尺模型梁構(gòu)造及鋼束示意(單位：cm)

對(duì)整孔運(yùn)架48 m UHPC簡(jiǎn)支梁開展薄壁箱梁模型試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)和計(jì)算方法的合理性。模型梁為1孔24 m單箱單室箱梁并按照1∶2縮尺設(shè)計(jì)、制作和測(cè)試。48 m UHPC梁1∶2縮尺后跨度24 m，梁高2 m，取消懸臂板后頂板寬度3.8 m，頂?shù)装寮案拱搴穸劝床y管構(gòu)造控制為0.18 m,底板和腹板共布置14束7-7φ5鋼束，分為9個(gè)預(yù)制梁段，采用膠拼施工。模型梁構(gòu)造及鋼束布置見圖5，48 m UHPC簡(jiǎn)支梁與模型梁設(shè)計(jì)荷載對(duì)比見表6，主要計(jì)算結(jié)果見表7。可知，各項(xiàng)計(jì)算值滿足TB 10621—2014的要求。

表6 48 m UHPC工程梁與模型梁設(shè)計(jì)荷載 (kN·m-1)

表7 主要計(jì)算結(jié)果

注：L為跨度。

4.2 試驗(yàn)方案

加載方案采用縱向5點(diǎn)加載[10]，反力架縱向間距4 m，橫向采用2點(diǎn)加載，加載點(diǎn)作用于箱梁腹板中心處頂板，跨中截面布置20個(gè)縱向振弦式應(yīng)變傳感器測(cè)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，見圖6。測(cè)試內(nèi)容包括預(yù)應(yīng)力張拉測(cè)試、動(dòng)力特性、荷載撓度曲線、不同荷載下應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律、裂縫的分布、發(fā)展規(guī)律等。靜載試驗(yàn)最大加載至971 kN，對(duì)應(yīng)單點(diǎn)加載值為 1 039 kN，等效跨中加載彎矩 37 386 kN·m。

圖6 模型梁靜載試驗(yàn)加載示意(單位：cm)

4.3 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

破壞荷載2次加載過(guò)程中，試驗(yàn)加載值與UHPC模型梁的變形及與應(yīng)變關(guān)系見圖7。可知：①加載至574 kN，撓度變化平穩(wěn)，卸載后撓度變形基本恢復(fù)至初始狀態(tài)，隨后加載撓度變化加快。②第1次加載至574 kN，跨中截面中性軸在 1 100 mm 左右，跨中底板UHPC應(yīng)變與加載值呈線性關(guān)系，測(cè)試位置處于彈性狀態(tài)；加載至618 kN之后，跨中膠縫開裂，中性軸開始移向受壓區(qū)；加載至971 kN，腹板實(shí)測(cè)中性軸最高為 1 445 mm；第2次加載由于跨中底板和南側(cè)腹板裂縫逐漸開展，中性軸變化與第1次不同。③加載至640 kN，跨中節(jié)段兩端的膠縫先開裂；加載至751 kN，距離跨中1.5倍節(jié)段長(zhǎng)度膠縫開裂，其他膠縫未開裂，梁體未發(fā)現(xiàn)可見裂縫；加載至832 kN以后，南側(cè)底板逐漸出現(xiàn)混凝土裂縫，跨中偏西的部分混凝土測(cè)點(diǎn)(4,5,6)應(yīng)變急劇增大。④加載過(guò)程中，跨中頂板應(yīng)變隨著加載值變化平穩(wěn)，加載至971 kN，平均應(yīng)變507×10-6，模型梁壓區(qū)混凝土受力安全。

圖7 試驗(yàn)加載值與變形、應(yīng)變關(guān)系

24 m UHPC模型梁主要理論、試驗(yàn)結(jié)果見表8。可知，使用實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力狀態(tài)等與理論計(jì)算結(jié)果基本相符。

表8 24 m UHPC模型梁主要理論、試驗(yàn)結(jié)果

UHPC 24 m跨預(yù)應(yīng)力模型箱梁設(shè)計(jì)、施工、試驗(yàn)滿足各項(xiàng)要求，開裂前模型梁處于彈性工作狀態(tài)，且試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力狀態(tài)等參數(shù)與理論計(jì)算基本相符。抗裂安全系數(shù)實(shí)測(cè)值與理論值偏差較大,達(dá)1.2倍。

環(huán)氧樹脂接縫拼裝梁抗裂系數(shù)計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中：Kf為抗裂安全系數(shù)；σc為扣除預(yù)應(yīng)力損失后的預(yù)壓應(yīng)力；γ為混凝土塑性修正系數(shù)；σ為外荷載在截面受拉邊緣產(chǎn)生的拉應(yīng)力；S0為換算截面重心軸以下的面積對(duì)重心軸的面積矩；W0為對(duì)所檢算的拉應(yīng)力邊緣的換算截面抵抗矩。

根據(jù)式(2)計(jì)算UHPC塑性修正系數(shù)γ理論值為1.3,此時(shí)按式(1)計(jì)算抗裂安全系數(shù)為1.55。對(duì)于本試驗(yàn)梁實(shí)測(cè)抗裂安全系數(shù)1.80，推算塑性修正系數(shù)γ為1.5。影響抗裂系數(shù)差異較大的原因?yàn)閁HPC的塑性修正系數(shù)取值。

5 結(jié)論

1)高速鐵路48 m UHPC箱梁通過(guò)理論分析各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，整孔梁質(zhì)量控制在830 t可實(shí)現(xiàn)整孔運(yùn)架。運(yùn)架裝備改造理論可行，后期還應(yīng)開展運(yùn)架裝備研究。

2)提出高速鐵路UHPC節(jié)段預(yù)制、膠接拼裝簡(jiǎn)支箱梁主要的設(shè)計(jì)參數(shù)和計(jì)算方法，并制作24 m跨度的UHPC箱梁開展抗彎性能試驗(yàn)研究。

3)UHPC模型梁抗彎性能試驗(yàn)表明：開裂荷載前模型梁為彈性工作狀態(tài)，理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。開裂荷載至破壞荷載加載，撓度變化加快，加載至破壞荷載，頂板平均壓應(yīng)力22.3 MPa，模型梁仍受力安全。

4)UHPC箱梁抗裂系數(shù)理論值小于實(shí)測(cè)值，結(jié)構(gòu)偏于安全。一般抗裂計(jì)算可參考本試驗(yàn)梁的UHPC塑性修正系數(shù)1.5或根據(jù)具體試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整。