淺析活性粉末混凝土（RPC）在沿海港口大跨度軌道梁中應(yīng)用

◎ 曹昌浩 廣東省航運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司

1.背景

某沿海電廠配套建設(shè)10萬(wàn)噸級(jí)煤碼頭采用重力墩式結(jié)構(gòu)，兩沉箱間用預(yù)應(yīng)力T型梁及軌道梁連接。軌道梁采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)梁長(zhǎng)22.7m，梁高3m，其中2.6m為鋼箱梁，梁頂部設(shè)置400mm厚的C50混凝土鋪裝層，鋪裝層混凝土在箱梁固定端與墩臺(tái)上部胸墻混凝土連結(jié)成整體，另一端設(shè)置伸縮縫與墩臺(tái)上部胸墻斷開。

在沿海由于高溫高濕氣候，鋼箱梁耐腐蝕性較差，為減少未來維護(hù)工作量，提出RPC（活性粉末混凝土）梁替代原鋼箱梁方案。軌道梁采用后張法預(yù)應(yīng)力預(yù)制超高性能混凝土簡(jiǎn)支T梁，其橫斷面布置及各片縱梁的編號(hào)如圖2所示。

圖2 擬優(yōu)化設(shè)計(jì)斷面

2.RPC簡(jiǎn)介

圖1 原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)斷面

活性粉末混凝土（即Reactive Powder Concrete，簡(jiǎn)稱RPC）是繼高強(qiáng)、高性能混凝土之后，在90年代初期由法國(guó)最大營(yíng)造公司之一布伊格（BOUYGUES）集團(tuán)通過采用超細(xì)粒聚密材料與纖維增強(qiáng)材料經(jīng)高溫?zé)岷系忍囟üに囍苽涑龅囊环N新型超高強(qiáng)度、高耐久性、高韌性和體積穩(wěn)定性良好的水泥基材料，與常規(guī)的高強(qiáng)混凝土相比，RPC 材料的顯著特點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度達(dá)200MPa，甚至800MPa，是普通高強(qiáng)混凝土的2～4倍；抗折強(qiáng)度為20～60MPa，是普通高強(qiáng)混凝土的4～6 倍；摻入鋼纖維后，其折壓比可達(dá)1/4左右，斷裂韌性可與金屬相媲美。

3.主要材料

3.1 超高性能混凝土RPC

超高性能混凝土RPC軌道梁采用超高性能混凝土RPC150，彈性模量Ec=4.615×104MPa，泊松系數(shù)v=0.2，鋼纖維體積摻量Pf=2%，其長(zhǎng)徑比為60。RPC150的軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=105MPa，軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=8.35MPa，軸心抗拉初裂強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ft0,k=7.05MPa。

3.2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線

預(yù)應(yīng)力鋼筋采用強(qiáng)度等級(jí)為1860MPa的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，其彈性模量ES=1.95×105MPa，松弛系數(shù)ξ=0.3，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為fpk=1860MPa。軌道梁張拉控制應(yīng)力為σcon,l=0.75fpk=1395MPa；為減小碼頭梁張拉時(shí)的反拱，特別是長(zhǎng)期反拱，以適應(yīng)軌道梁和碼頭梁徐變不一致造成的影響，碼頭梁的張拉控制應(yīng)力取為0.70fpk=1302MPa。

4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

煤碼頭軌道梁采用超高性能混凝土RPC，其強(qiáng)度等級(jí)為R150，梁全長(zhǎng)22.70m，計(jì)算跨度21.20m，梁截面高度為2.50m，兩端距梁端1m范圍內(nèi)為腹板厚度70 cm的T 型截面，1m至5m為變截面段，跨中為腹板厚度30cm的T型截面。其構(gòu)造如圖3所示。

圖3 軌道梁構(gòu)造圖（單位：cm）

5.結(jié)構(gòu)計(jì)算

5.1 模型建立

采用 midas Civil 2015 軟件，建立相應(yīng)的桿系結(jié)構(gòu)分析模型，依據(jù)相應(yīng)規(guī)范對(duì)軌道梁的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算。梁與重力墩之間的連接通過左端對(duì) x，y，z 軸位移約束以及繞 x軸轉(zhuǎn)動(dòng)約束，右端對(duì) y，z 軸位移約束以及繞 x 軸轉(zhuǎn)動(dòng)約束來實(shí)現(xiàn)。

圖4 計(jì)算模型

5.2 設(shè)計(jì)荷載

①預(yù)制T梁自重。預(yù)制梁自重在Midas 中按材料容重自動(dòng)計(jì)入。

②預(yù)應(yīng)力荷載。計(jì)入縱梁、橫梁預(yù)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，預(yù)應(yīng)力鋼束以實(shí)際布置方式輸入。錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮值6mm。

③機(jī)械設(shè)備荷載。橋式抓斗卸船機(jī)軌距22m，基距16m，8輪/腿，輪距1m，工作狀態(tài)支腿壓力：500kN/輪×8 輪/腿；非工作狀態(tài)支腿壓力：550kN/輪×8 輪/腿。

6.計(jì)算結(jié)果

依據(jù)《水運(yùn)工程混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS151-2011）中相關(guān)規(guī)定，計(jì)算結(jié)果如圖5。

圖5 承載能力極限狀態(tài)正截面抗彎承載力驗(yàn)算結(jié)果

從圖5可看出，承載能力極限狀態(tài)基本組合下，距梁端 11.2m 處截面彎矩值最大，小于彎矩抗力，滿足規(guī)范要求。

從圖6 可看出，承載能力極限狀態(tài)基本組合下，剪力值均處于剪力限值包絡(luò)范圍內(nèi)。支座截面剪力值抗力值。距離支點(diǎn)4.15m處截面（變截面開始處）剪力值為小于抗力值。梁斜截面受剪承載力滿足規(guī)范要求。

圖6 承載能力極限狀態(tài)斜截面抗剪承載力驗(yàn)算結(jié)果

從圖7可看出，正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，上緣未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)程要求。跨中截面下緣出現(xiàn)最大拉應(yīng)力值小于規(guī)范限值，滿足規(guī)范要求。

圖7 正常使用極限狀態(tài)正截面抗裂準(zhǔn)永久組合驗(yàn)算結(jié)果

從圖8可看出，正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，跨中截面出現(xiàn)主壓應(yīng)力最大值，小于規(guī)范限值，滿足規(guī)范要求。

圖8 斜截面混凝土的主壓應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果

從圖9可看出，在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下，跨中撓度小于規(guī)范限值，滿足規(guī)范要求。

圖9 DZ方向最大位移驗(yàn)算結(jié)果

7.結(jié)論

（1）根據(jù)《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，在承載能力極限狀態(tài)基本組合下，梁斜截面抗剪承載力滿足規(guī)范要求。

（2）依據(jù)《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，梁正截面抗裂驗(yàn)算、梁斜截面抗裂驗(yàn)算、梁的主壓應(yīng)力驗(yàn)算均滿足抗裂要求。

（3）針對(duì)濕熱養(yǎng)護(hù)的RPC150與自然養(yǎng)護(hù)的C50兩種混凝土材料在收縮徐變特性上存在較顯著的差異，而縱、橫梁剛性聯(lián)結(jié)的空間梁格為內(nèi)部超靜定結(jié)構(gòu)，RPC150軌道梁與C50預(yù)應(yīng)力T 梁的收縮徐變步調(diào)不一致，將在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生附加內(nèi)力效應(yīng)，待下一步進(jìn)行研究。

（4）本文提出的計(jì)算理論和計(jì)算方法可為RPC在海港工程中的應(yīng)用提供參考。