半預制UHPC外殼疊合蓋梁試設計研究

孫明松， 李嘉維， 夏 堅， 夏樟華

(1.福州大學 土木工程學院， 福建 福州 350108；2.陽光學院 土木工程學院, 福建 福州 350015)

蓋梁起著承上啟下的作用，將上部結構的荷載通過自身的作用傳遞給墩柱和基礎等下部結構，是橋墩的重要組成部分[1]，其施工方法主要有2種：整體現澆施工方法和預制施工方法。其中整體現澆施工方法存在現場作業勞動力需求大、工期長、影響現有交通的問題，且耐久性不足進而影響橋梁的使用壽命[2]；全預制蓋梁雖是目前常用的施工方法，但整體全預制蓋梁自重很大[3]，對起重機和運輸機械的要求特別高，而分段預制蓋梁拼接縫容易發生滲水，影響耐久性，縱筋被分段，在節段分界面上不連續，不能連續傳力[4]。

針對上述現澆混凝土蓋梁和預制蓋梁存在的問題，根據應用高性能材料的趨勢[5-8]，從常規混凝土蓋梁易開裂、輕量化施工以及整體性能的角度，提出“預制超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，簡稱UHPC)外殼+后澆混凝土”的蓋梁預制方案[9]，稱這種蓋梁為半預制UHPC外殼疊合蓋梁(下稱URC蓋梁)。該新型的預制蓋梁兼容了整澆和全預制施工方法的優點，起吊設備要求不高、整體性好且免立模澆筑，易實現墩柱和蓋梁的連接，可作為預制蓋梁體系的補充，以適應不同的施工環境以及吊裝設備的不足。

為探討URC蓋梁的可行性，本文進行了試設計研究。以福州洪山橋至洪塘大橋拓寬改建工程(洪山橋至三環路段)的某天橋為工程背景，進行URC蓋梁的試設計，建立蓋梁的有限元模型并進行后澆混凝土和運營階段的結構計算分析，考察試設計方案和原設計方案蓋梁的內力變化，為進一步研究URC蓋梁提供基礎資料。

1 URC蓋梁試設計

1.1 工程背景

該天橋是福州洪山橋至洪塘大橋拓寬改建工程項目，位于洪山橋至三環路段。天橋上部采用一跨38.6 m鋼桁架拱結構，下部橋墩、承臺及樁基均采用鋼筋混凝土結構，蓋梁原設計方案見圖1。

圖1 原設計方案蓋梁尺寸圖(單位：mm)

1.2 試設計方案

試設計方案URC蓋梁幾何尺寸與配筋率與原設計方案RC蓋梁相同，均采用HRB400鋼筋以及C35商品混凝土，不同之處是URC蓋梁的UHPC外殼沒有進行回收，而是直接作為URC蓋梁的保護層，且為受力的一部分。參考《活性粉末混凝土》[10](GB/T 31387—2015)，取UHPC的抗壓強度為130 MPa，抗折強度取為18 MPa，彈性模量取40 GPa。

考慮到URC蓋梁的UHPC外殼在運輸、吊裝及二次澆注過程中可能會出現開裂、損傷的情況，故UHPC外殼應能抵抗正常使用階段下的荷載，壁厚不宜太小；另外，UHPC外殼壁厚太大不利于構件的運輸和吊裝，且整體造價高，所以其壁厚應有一個適當的取值[11]。在實際工程中蓋梁的保護層厚度一般取為30 mm，且《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[12](JTG 3362—2018)中第9.1.1條第三款規定對于工廠預制的混凝土試件，其保護層最小厚度可適當減小5 mm。同時為使UHPC外殼整體性能更好，在其內部設置了φ6的構造鋼筋骨架，縱橫向間距均為200 mm，考慮到鋼筋骨架應有足夠的保護層厚度，UHPC外殼側板的壁厚擬采用60 mm，另考慮到UHPC外殼底部設有通孔，以便墩柱的縱筋穿過，與墩柱頂端連接，故UHPC外殼底部厚度擬采用100 mm。

URC蓋梁與預制墩柱的連接簡單，僅需吊裝URC蓋梁的UHPC外殼至預制墩柱上方，將墩柱縱筋上端穿過通孔，使UHPC外殼架設于預制墩柱上，并對UHPC外殼底部與預制墩柱接縫位置涂抹環氧樹脂膠體材料，如圖2(a)所示；固定完畢并吊裝好蓋梁鋼筋籠后便可澆筑混凝土，混凝土進入墩柱后澆槽與UHPC外殼內并將預制墩柱與UHPC外殼連接為一體，URC蓋梁澆筑完成后的構造示意圖如圖2(b)所示。

圖2 URC蓋梁構造圖(單位：mm)

2 試設計結構計算分析

2.1 吊裝階段

2.1.1 吊環設計

試設計方案中，蓋梁采用UHPC預先制成的外殼來作為后澆核心混凝土的免拆模板，將UHPC外殼運輸至現場，并進行吊裝。UHPC外殼重1.5 t，在其兩端各設置1個直徑為16 mm的鋼筋吊環。

在基本組合作用下吊環應力計算結果為：σ=F/A=20.25/(2×2×201)=25.2 MPa，小于鋼筋的抗拉強度，滿足要求。

2.1.2 吊裝階段驗算

采用有限元軟件ABAQUS進行UHPC外殼在吊裝階段的驗算，預制結構在吊裝過程中考慮1.25的動力系數[13]，將荷載組合施加在模型中(見圖3)。

圖3 UHPC外殼吊裝階段受力模型

UHPC抗折強度與軸心抗拉強度存在著約0.45倍的關系[14]，故取UHPC軸心抗拉強度為8.1 MPa。計算得到UHPC外殼在吊裝階段下的應力云圖如圖4所示，最大拉應力為1.0×10-4MPa，滿足要求。

圖4 UHPC外殼吊裝階段應力云圖

同時得到UHPC外殼在此階段下的撓度如圖5所示，最大撓度位于UHPC外殼底板跨中，為4.3×10-6mm，小于《建筑施工模板安全技術規范》[15](JGJ 162—2008)中規定的撓度限值l/250，即11.2 mm，滿足要求。故URC蓋梁在吊裝階段是安全可行的。

圖5 UHPC外殼吊裝階段撓度圖

2.2 后澆混凝土階段

2.2.1 荷載組合

吊裝完畢后直接澆筑內部的混凝土。在UHPC外殼后澆混凝土階段的施工中，UHPC外殼應有足夠的剛度和強度，以保證在后澆混凝土的側壓力下不至于發生破壞[16]。

根據《建筑施工模板安全技術規范》(JGJ 162—2008)[15]規定，作用于模板的荷載共七項：(1)模板自重(G1k)；(2)新澆筑混凝土自重(G2k)；(3)鋼筋自重(G3k)；(4)新澆筑混凝土作用于模板的側壓力(G4k)；(5)施工人員及設備荷載(Q1k)；(6)振搗混凝土時所產生的荷載(Q2k)；(7)傾倒混凝土時產生的水平荷載(Q3k)；分別計算其在承載能力極限狀態下和正常使用極限狀態下的荷載組合，各項荷載標準值組合見表1。

表1 荷載效應組合表

試設計中取混凝土重度為25 kN/m3、施工人員及設計荷載取2.5 kN/m2、振搗混凝土時對水平模板和垂直面模板的荷載分別取2.0 kN/m2和4.0 kN/m2。計算承載能力應采用荷載標準值乘以對應的荷載分項系數，分別取恒載和活載分項系數為1.35和1.40。計算得UHPC底板在承載能力極限狀態和正常使用極限狀態下的荷載組合為31.4 kN/m2和21.2 kN/m2，UHPC側板在承載能力極限狀態和正常使用極限狀態下的荷載組合為29.2 kN/m2和17.5 kN/m2。

2.2.2 承載能力極限狀態

進行UHPC外殼在后澆混凝土階段的承載能力極限狀態模擬，將荷載組合施加在模型中。實際施工中，蓋梁與墩柱通過后澆混凝土形成一個整體，為簡化模型，采用綁定的約束方式來定義蓋梁與墩柱之間的接觸關系，模型如圖6所示。

圖6 UHPC外殼后澆混凝土階段受力模型

計算得到UHPC外殼在后澆混凝土階段承載能力極限狀態下的應力云圖如圖7所示，最大拉應力為6.9 MPa，因此其在承載能力極限狀態下的強度滿足要求。

圖7 UHPC外殼后澆混凝土階段應力云圖

2.2.3 正常使用極限狀態

同樣對UHPC外殼進行后澆混凝土階段的正常使用極限狀態模擬，得到UHPC外殼在此階段下的撓度如圖8所示，最大撓度位于UHPC外殼側板跨中，為14.1 mm，大于《建筑施工模板安全技術規范》[15](JGJ 162—2008)中規定的撓度限值l/250，即11.2 mm。

圖8 UHPC外殼后澆混凝土階段撓度圖

因此有必要對UHPC外殼增加支護措施，以減小其在正常使用極限狀態下的撓度。此處對UHPC外殼兩側采用一對5#槽鋼作對拉槽，在對拉槽上下各設一條M12的螺桿作為拉桿，如圖9所示。計算得到增加支護后的UHPC外殼在此階段下的撓度如圖10所示，最大撓度位于UHPC外殼側板跨中，為3.1 mm，小于《建筑施工模板安全技術規范》[15](JGJ 162—2008)中規定的撓度限值l/250，即11.2 mm。因此其在正常使用極限狀態下的撓度滿足要求，故URC蓋梁在后澆混凝土階段是安全可行的。

圖9 增加支護后后澆混凝土階段受力模型

圖10 增加支護后后澆混凝土階段撓度圖

2.3 運營階段

2.3.1 荷載組合

綜合考慮鋼筋混凝土鋪裝加地磚平均厚10 cm，加上欄桿及其它荷載(橫隔板重等)，取16.5 kN/m；人群荷載取3.5 kN/m。計算承載能力采用荷載標準值乘以對應的荷載分項系數，分別取恒載和活載分項系數為1.2和1.4。計算結果施加在每個支座上，承載能力極限狀態和正常使用狀態下的荷載組合為430 kN和280 kN。

2.3.2 承載能力極限狀態

進行URC蓋梁在運營階段的承載能力極限狀態模擬，將荷載組合施加在模型中，模型如圖11所示。

圖11 URC蓋梁運營階段受力模型

得到URC蓋梁在運營階段承載能力極限狀態下，UHPC外殼和核心混凝土的應變云圖如圖12(a)和圖12(b)所示，最大壓應變分別為79με和156με，均小于混凝土的峰值壓應變；箍筋和縱筋的應力云圖如圖12(c)和圖12(d)所示，最大應力分別為51 MPa和22 MPa，均小于鋼筋的屈服強度，因此URC蓋梁在承載能力極限狀態下的強度滿足要求。

圖12 URC蓋梁運營階段應力應變云圖

將同樣的荷載施加在原設計方案RC蓋梁上，得到RC蓋梁試件在運營階段承載能力極限狀態下，混凝土的應變云圖如圖13(a)所示，最大壓應變為114με，小于混凝土的峰值壓應變；箍筋和縱筋的應力云圖如圖13(b)和圖13(c)所示，最大應力分別為23 MPa和17 MPa，與URC蓋梁試件相近，說明兩者受力性能比較接近。

圖13 RC蓋梁運營階段應力應變云圖

2.3.3 正常使用極限狀態

同樣對URC蓋梁和RC蓋梁進行在運營階段的正常使用極限狀態模擬，得到URC蓋梁和RC蓋梁在此階段下的撓度如圖14所示，最大撓度均位于蓋梁兩端，分別為0.38 mm和0.30 mm，兩者較為接近，且遠小于《混凝土結構設計規范》[17](GB/T 50010—2002)中規定的撓度限值l/250，即11.2 mm。因此URC蓋梁在正常使用極限狀態下的撓度滿足要求，故URC蓋梁在運營階段是安全可行的。

圖14 運營階段撓度圖

3 結 語

(1) URC蓋梁兼容了整澆和全預制蓋梁的優點，起吊設備要求不高、節省模板、施工周期短、耐久性好，可作為預制蓋梁體系的補充，以適應不同的施工環境以及吊裝設備的不足。

(2) 吊裝階段中，考慮1.25的動力系數，得到UHPC外殼最大拉應力為和撓度分別為1.0×10-4MPa和4.3×10-6mm，均滿足規范要求，故URC蓋梁在吊裝階段是安全可行的。

(3) 后澆混凝土階段中，URC蓋梁的UHPC外殼在承載能力極限狀態下的最大應力為6.9 MPa，增加支護后的UHPC外殼在正常使用極限狀態下的撓度為為3.1 mm，均滿足規范要求，故URC蓋梁在后澆混凝土施工階段是安全可行的。

(4) 運營階段中，URC蓋梁在承載能力極限狀態下，UHPC外殼和核心混凝土的最大壓應變均小于混凝土的峰值壓應變，箍筋和縱筋的最大應力均小于鋼筋的屈服強度，與施加同樣荷載的RC蓋梁內力相近；URC蓋梁和RC蓋梁正常使用極限狀態下的撓度分別為0.38 mm和0.30 mm，兩者較為接近，且滿足規范要求，故URC蓋梁在運營階段是安全可行的。