全裝配式UHPC-RC箱形組合梁原型設計及轉向塊受力性能分析

李劍鸞

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088;2.公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心,安徽 合肥 230088)

0 引 言

全裝配式UHPC-RC箱形組合梁結構是一種基于超高性能混凝土新材料并采用體外預應力進行節段拼接的新型組合梁結構,該結構是由普通混凝土節段預制梁板、超高性能混凝土節段預制U形主梁通過合理的板板連接、板梁連接、梁段間連接組成。相對傳統中、小跨徑橋梁,全裝配式UHPC-RC箱形組合梁結構具有以下優勢:

(1) 結構受力性能優異,節省材料。UHPC材料相較傳統普通混凝土具有超高抗壓強度,可以使得結構在“纖弱”截面下采用預應力“大束”,從而儲備預應力配束帶來的高壓應力;結合UHPC材料良好的抗拉性能,使得結構梁高相較于傳統普通混凝土,可以做得更小。相較于全UHPC截面,通過合適的配筋,可以使得受拉區UHPC材料開裂且鋼筋屈服時,受壓區普通混凝土材料能達到抗壓極限強度,從而節省UHPC材料用量,降低工程造價。同時,UHPC材料優異的受力性能,可以使得結構實現低梁高且截面纖細化,減輕上部結構自重,利于下部支撐結構受力。

(2) 施工方便,大幅節約工期。全裝配式UHPC-RC箱形組合梁可以實現梁板工廠節段預制、主梁工廠節段預制,節段自重較輕,方便吊裝和轉運,解決了傳統整跨預制梁受預制場地設置的制約影響。節段運至現場通過體外束和濕接縫進行拼裝,現場作業量很小,能大幅度節約工期,滿足了橋梁結構輕型化和快速架設的要求。

(3) 質量控制高,后期維修養護少。相對于傳統普通混凝土結構,UHPC材料因較高的致密性從而帶來優異的耐久性能,同時全裝配式UHPC-RC箱形組合梁可以使得構件全部工廠化生產,利于質量控制,綜合使得UHPC構件具有超高耐久性,能有效降低成橋運營后的后期維養工作量,降低后期維養費用。

(4) 利于生態環境保護。工廠主體構件制作,現場僅需簡單拼裝,裝配施工現場更文明,對周圍自然環境和社會設施的損壞降到最低。同時預制結構外形美觀,與周圍環境協調性好,有利于環境保護,實現與自然的協調和可持續發展。

(5) 具有良好的經濟性能。結構“纖薄”,自重較輕,可以大幅節約自身和下部結構材料用量,降低造價;該結構的高強耐久性能有效降低成橋運營后的后期維養工作量,降低維養費用;結構的全工廠化預制,制作條件好,質量管控高,使得材料用量可以做到精確計量,從而節省一定的材料用量;全裝配式結構現場施工便捷,吊裝重量小,不需要大型吊裝設備,且現場工作量小,大幅節約工期,節省一定施工措施費。

轉向塊是全裝配式UHPC-RC組合箱梁結構中的一種傳力構件,體外預應力鋼束通過轉向塊傳力至端橫梁位置進行錨固。由于體外束的線形布置和轉角會使得轉向塊出現應力集中現象,嚴重則會影響整個橋梁的安全和穩定。在傳統箱梁體外預應力束轉向塊構造設計中,常采用三種構造形式:塊式、肋式、橫隔板式。由于UHPC梁體一般較為“纖薄”,橫向剛度相比傳統混凝土箱梁相對較弱,同時為避免體外預應力束以“大束”形式出現導致端橫梁和轉向塊位置局部應力過大,體外預應力束宜采用分散式布置,因此UHPC箱梁中轉向塊的形式宜優先采用橫隔板式。由于UHPC構件截面較薄,梁體中鋼筋配置過多會影響UHPC漿料的澆筑,影響鋼纖維的均勻性,設計中UHPC梁體一般不配置鋼筋或配置單層鋼筋網片用以加筋。UHPC轉向塊與梁體的腹板和底板相接,轉向塊中也不宜配置過多鋼筋骨架,同時,為節省UHPC材料用量,UHPC轉向塊應根據其局部受力進行專項設計。本文為探究體外預應力下UHPC轉向塊的受力特征,分別采用轉向塊厚度為50 cm、40 cm、30 cm和20 cm的有限元模型,通過計算探究轉向塊厚度對其的受力影響,以進一步指導實際工程設計。

1 依托工程原型設計

滁州至天長高速公路(以下簡稱“滁天高速”),滁天高速全長67.135 km,是安徽省“四縱八橫”高速公路網中“橫六”的重要組成部分,也是安徽省“北沿江”通道的重要組成部分。為實現交通部倡導的綠色公路理念,該項目擬采用較為先進的新技術、新工藝、新設備和新材料,結合智能化、精細化、綠色化的技術手段,實現工程品質的較大提升。滁天高速主線現狀設計為雙向四車道高速公路,設計路基寬度為27 m。根據安徽省高速公路技術標準預留規劃圖(2020—2035年),滁天高速遠景設計為六車道高速公路,設計路基寬度為34.5 m。該項目擬在主線K40+245處人行天橋中應用基于UHPC材料的全裝配式UHPC-RC箱形組合梁。

本項目結構體系為結構簡支的全裝配式UHPC-RC箱形組合梁,如圖1所示。橋面板采用普通混凝土,U形主梁采用UHPC材料,結構按全預應力混凝土構件設計。設計中,考慮到工廠制作和現場運輸,U形主梁分為多個節段,現場通過節段間膠接縫和預應力束進行節段拼接。為體現UHPC高強材料的性能優勢,節省工程造價,預應力束采用體外預應力“大束”形式。預制橋面板在工廠分多節段預制,運至現場,通過現澆濕接縫完成預制節段橋面板之間的連接。U形主梁工廠預制時須在U形梁上翼緣預埋抗剪連接件,預制橋面板通過抗剪連接件實現與U形梁的連接形成整體結構。

圖1 全裝配式UHPC-RC箱形組合梁原型設計圖

1.1 總體設計

滁天高速K40+245上跨UHPC-RC箱形組合梁,跨徑布置為1×40 m,橋面寬度為5.5 m。按全預應力混凝土構件設計。設計上部結構高為1.91 m,其中UHPC主梁高1.6 m,橋面板梗腋處厚度為0.31 m。主梁采用單箱室預應力UHPC U形梁預制結構,跨中底板厚度為16 cm,腹板厚度為12 cm;支點處底板厚度為22 cm,腹板厚度為16 cm。UHPC主梁分為3個節段,節段長度分別為13 m、14 m、13 m,節段重量分別為35.93 t、28.18 t、35.93 t。橋面板采用C50混凝土,橋面板標準厚度為18 cm,梗腋處厚度為31 cm。UHPC-RC箱形組合梁斷面形式如圖2所示。UHPC-RC箱形組合梁在橋跨兩端設置端橫梁,端橫梁厚度為1.5 m, 在跨中位置設置兩道轉向塊,同梁體一道采用UHPC澆筑。主梁一般構造圖具體如圖3所示。

圖2 主梁跨中及支點斷面圖(單位:mm)

圖3 主梁標準橫斷面圖(單位:mm)

1.2 連接設計

UHPC主梁節段之間設置凹凸剪力筋,通過接縫處全斷面膠結,配合體內預應力和體外預應力的壓應力儲備,從而實現UHPC主梁節段之間的連接。UHPC主梁工廠預制時翼緣需預埋抗剪鋼筋,抗剪鋼筋沿U形梁上翼緣均勻布置,同時現場綁扎橋面板鋼筋時,橋面板底層縱筋需穿過預埋抗剪筋并與抗剪筋綁扎連接。UHPC“U形梁”和混凝土橋面板通過預埋剪力筋實現連接。

1.3 預應力體系設計

UHPC主梁體內預應力束設置在上翼緣,施工階段中體內預應力束給予U形梁節段間膠接縫一定的預壓作用,便于膠接縫更好發揮粘結作用。U形梁上翼緣體內預應力共采用2束φs15.2～3鋼絞線,兩端張拉,張拉端采用圓錨,錨下控制應力為0.5fpk=930 MPa,預應力管道均采用塑料波紋管。UHPC主梁體外預應力束跨中位置設置靠近底板位置,自轉向塊位置處彎起,在聯端處錨固。體外預應力共采用4束φs15.2～27鋼絞線,兩端張拉,錨下控制應力為0.7fpk=1 302 MPa。

1.4 主要材料技術指標

該橋采用的UHPC材料主要力學性能指標見表1。

表1 UHPC 力學性能指標

2 全橋實體單元有限元模型

現采用大型有限元軟件MIDAS FEA建立全裝配式UHPC-RC箱形組合梁結構的全橋實體單元模型,其中混凝土橋面板、UHPC主梁、端橫梁和轉向塊均采用實體單元模擬,預應力束采用桁架單元模擬。轉向塊位置預應力束與轉向塊的連接采用單元共節點方式進行模擬,有限元模型如圖4所示。人行荷載直接以面單元壓力方式施加于橋面板頂面。

圖4 UHPC主梁及轉向塊局部實體單元模型

3 轉向塊優化計算分析

根據有限元建模計算,列出轉向塊局部位置的主應力云圖如圖5～圖8所示,通過局部位置的應力云圖及大小總結出UHPC轉向塊的受力特征以及轉向塊厚度對局部位置受力的影響。

圖5 50 cm厚轉向塊應力云圖(單位:MPa)

圖6 40 cm厚轉向塊應力云圖(單位:MPa)

圖7 30 cm厚轉向塊應力云圖(單位:MPa)

由圖5～圖8可以看出,轉向塊主要受拉,主梁底板和腹板主要受壓,其中最大主拉應力發生在轉向塊下緣位置,最大主壓應力發生在主梁與轉向塊交界位置。50 cm轉向塊,最大主拉應力為7.2 MPa,下緣平均主拉應力為3.5 MPa,轉向塊肋板平均主拉應力為2 MPa;梁體最大主壓應力為21 MPa,主梁與轉向塊交界位置附近平均主壓應力為17 MPa。40 cm轉向塊,最大主拉應力為10 MPa,下緣平均主拉應力為3.3 MPa,轉向塊肋板平均主拉應力為3.3 MPa;梁體最大主壓應力為21 MPa,主梁與轉向塊交界位置附近平均主壓應力為17 MPa。30 cm轉向塊,最大主拉應力為14.2 MPa,下緣平均主拉應力為7.7 MPa,轉向塊肋板平均主拉應力為3.4 MPa;梁體最大主壓應力為22 MPa,主梁與轉向塊交界位置附近平均主壓應力為18 MPa。20 cm轉向塊,最大主拉應力為28 MPa,下緣平均主拉應力為16 MPa,轉向塊肋板平均主拉應力為3.6 MPa;梁體最大主壓應力為22 MPa,主梁與轉向塊交界位置附近平均主壓應力為18 MPa。將轉向塊最不利主應力及位置進行歸納,見表2。

圖8 20 cm厚轉向塊應力云圖(單位:MPa)

表2 不同厚度轉向塊最不利應力及位置

從表2中的計算結果可知,轉向塊的厚度對轉向塊下緣應力影響很大,對轉向塊肋板及梁體應力影響很小。可見50 cm厚度下,轉向塊最大主拉應力小于該橋采用的UHPC材料的抗拉設計強度,同時梁體最大主壓應力也遠小于0.6fck(fck為抗壓強度標準值)。轉向塊肋板的拉應力受厚度影響很小,遠小于UHPC材料的抗拉設計強度,設計中可以減薄或者取消。

4 結 論

全裝配式UHPC-RC箱形組合箱梁結構是一種基于超高性能混凝土新材料并采用體外預應力進行節段拼接的新型組合箱梁結構,該結構是由普通混凝土節段預制梁板、超高性能混凝土節段預制U形主梁通過合理的板板連接、板梁連接、梁段間連接組成。全裝配式UHPC-RC組合箱梁利用UHPC主梁的超高抗壓性能抵抗“纖薄”截面下體外預應力束帶來的高應力問題,同時利用UHPC主梁的高抗折性能使得普通混凝土橋面板做到“物盡其用”。本文采用大型有限元軟件建立全裝配式UHPC-RC組合箱梁結構的全橋實體單元有限元模型,并對基于不同厚度下的全裝配式UHPC-RC組合箱梁結構進行計算,得出以下結論:

(1) 為改善體外預應力束端橫梁錨固位置及轉向塊連接部位的局部受力,體外預應力束宜采用分散式布置,轉向塊的形式宜優先采用橫隔板式。

(2) 荷載作用下,轉向塊主要受拉,主梁底板及腹板主要受壓,其中最大主拉應力發生在轉向塊下緣位置,最大主壓應力發生在主梁與轉向塊交界位置。

(3) 轉向塊的厚度對轉向塊下緣應力影響較大,對轉向塊肋板及梁體應力影響很小,設計中可適當減小轉向塊肋板厚度,或者取消。

(4) 全裝配式UHPC-RC組合箱梁結構中轉向塊的設計,應基于體外束線形布置、轉角大小及轉向塊的局部受力進行厚度設計,設計中僅需適量構造配筋即可。