大跨度預應力NSC-UHPC混合連續(xù)箱梁橋研究

曹赟干 ， 張 陽

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司, 能力 湖南 長沙 410200； 2.湖南大學 風工程與橋梁工程湖南省重點實驗室， 湖南 長沙 410082)

0 引言

梁體開裂與主跨過度下?lián)鲜谴罂珙A應力混凝土(PC)梁橋的兩大病害，并且普遍存在，嚴重威脅結構安全運營和耐久性，至今無法有效解決，已經(jīng)成為制約此類橋梁建設的主要技術瓶頸[1-3]。研究表明，大跨PC梁橋開裂和下?lián)系母驹蛟谟谥髁鹤灾剡^大、常規(guī)混凝土(NSC)材料抗拉強度低和徐變效應無法避免[4-5]。對于連續(xù)梁橋，減輕跨中區(qū)段自重對減小大跨PC梁橋結構內(nèi)力、增大跨越能力最為有效?，F(xiàn)有2座主跨超過300m的梁橋便是跨中區(qū)段采用了輕型化措施：挪威Stolma橋(主跨301m)采用了182m輕質(zhì)陶?；炷料淞?、重慶石板坡長江大橋復線橋(主跨330m)采用了108m鋼箱梁[6]。由于輕質(zhì)陶?；炷列阅懿粔蛲怀觯⑶易灾販p輕有限(約降低20%左右)，Stolma橋運營3年后出現(xiàn)92mm的下?lián)蟍7]。石板坡復線橋跨中梁段自重降低約75%，且鋼箱梁材料強度高、無徐變問題，效果明顯，橋梁運營后未見開裂和下?lián)系南嚓P報道。但是，鋼箱梁存在著鋼材銹蝕防腐、鋼橋面疲勞開裂和鋪裝層易破損等耐久性問題，因此全壽命周期成本較高。

采用高性能、高強度材料是未來橋梁發(fā)展的主要方向[8]。超高性能混凝土UHPC(Ultra High Performance Concrete)具有高模量、高抗壓和抗拉強度、超韌、耐久性好、徐變較小等優(yōu)點[9]，因此在橋梁領域的應用越來越廣泛。工程實踐表明[10-11]：UHPC能進一步減小構件幾何尺寸、減輕自重、提高結構抵抗荷載的有效性和增大結構跨越能力?；谝陨峡紤]，本文從前述3個根本病害成因入手，結合UHPC的超高性能并將其用于能夠充分發(fā)揮材料性能優(yōu)勢的部位，提出跨中區(qū)段采用預制拼裝UHPC箱梁的大跨預應力NSC(UHPC-常規(guī)混凝土-超高性能混凝土)混合連續(xù)箱梁橋新體系，以解決大跨PC梁橋下?lián)吓c開裂問題。并以紅巖溪大橋為依托工程，研究新體系橋梁的潛在優(yōu)勢。

1 大跨預應力NSC-UHPC混合連續(xù)箱梁橋

所謂大跨預應力NSC-UHPC混合連續(xù)箱梁橋，是一種將跨中區(qū)段混凝土箱梁采用密集橫隔板預制UHPC薄壁箱梁代替得到的混合梁橋(見圖1)。UHPC具有優(yōu)異的抗拉壓性能，得益于此，UHPC箱梁的截面尺寸較混凝土梁要小得多，從而大幅降低跨中區(qū)段自重(跨中輕型化)?？缰袇^(qū)段自重對連續(xù)梁橋結構內(nèi)力影響是最大的，減輕跨中自重是減小大跨PC梁橋結構內(nèi)力的最有效辦法。

可以預見新體系混合梁橋?qū)⒕哂幸韵绿攸c： ①與NSC箱梁相比，UHPC箱梁可減輕跨中梁段自重55%～60%，能大幅降低結構內(nèi)力，減少NSC梁段徐變變形，提高混凝土梁橋的跨越能力；②UHPC箱梁抗裂性強、徐變變形小、蒸養(yǎng)下無收縮，能有效降低梁體開裂和跨中過度下?lián)巷L險；③UHPC薄壁箱梁采用單向預應力(體內(nèi)與體外相結合)，梁段可預制懸拼施工，接縫采用鍵齒+螺栓連接或預應力干縫連接，施工簡便快捷，質(zhì)量容易控制；④與鋼箱梁相比，除自重稍大外，UHPC箱梁無需防腐涂裝、也不存在鋼橋面疲勞開裂和鋪裝層極易損壞等問題，在耐久性和全壽命周期成本上具有明顯優(yōu)勢。

為了進一步探究新體系混合梁橋的潛在優(yōu)勢，以紅巖溪大橋為依托工程，將跨中部分的NSC箱梁替換為預制UHPC箱梁，重新設計得到新體系混合梁橋，建立新橋與原橋的有限元模型，并在內(nèi)力、應力、變形等層面將兩者進行比較，探究新體系混合梁橋在防止梁體開裂與跨中下?lián)现械淖饔谩?/p>

圖1 大跨預應力NSC-UHPC混合連續(xù)箱梁橋

2 新體系混合梁橋方案設計

2.1 依托工程

紅巖溪大橋位于湖南省，是一座跨徑(116+220+116)m的大跨PC連續(xù)剛構橋。主梁關鍵截面尺寸如圖2所示。梁高從根部的13.4 m按1.8次拋物線變化至跨中的4 m。箱梁頂板寬12 m，厚0.3 m(根部加厚至0.6 m)；底板寬6.5 m，厚0.32～1.2 m，按1.8次拋物線變化。腹板厚度分別為 105、95、80、65、50 cm。主梁采用懸臂澆筑，單“T”共分 27 段澆筑,0#梁段長12 m， 1#～26#梁段分段為5×300 cm+4×350 cm+5×400cm+12×450 cm。邊跨和中跨合攏段長均為 200 cm，邊跨合攏段長5 m。兩空心主墩高分別為100m和52m。

全橋縱向預應力布置為：0#～20#梁段布置80束25φs15.2前期腹板下彎束，0#～26#梁段布置120束27φs15.2前期頂板束，中跨15#梁段～中跨合攏段布置20束27φs15.2后期底板束和2束19φs15.2后期頂板束，邊跨布置16束19φs15.2后期底板束和8束27φs15.2后期頂板束。預應力張拉控制應力為1 395 MPa，部分控制截面的預應力布置見圖2。

圖2 紅巖溪大橋關鍵截面尺寸與預應力布置(單位： cm)

2.2 新體系混合梁橋設計

以紅巖溪大橋為原型，將跨中74 m混凝土箱梁換成預制UHPC箱梁，得到新體系混合梁橋(下稱新橋)。新橋UHPC箱梁的截面尺寸如圖3所示，并每隔4 m布置有15 cm的橫隔板。為了方便與原橋進行比較，新橋設計參數(shù)盡量與原橋保持一致，因此新橋的跨徑、梁高、線型、混凝土梁段截面尺寸等均與原橋一致。新體系混合梁橋的NSC梁段仍然采用懸臂澆筑，預制UHPC梁段則進行分段拼裝。

圖3 新橋UHPC箱梁截面尺寸(單位： cm)

新橋縱向預應力布置為：NSC梁段布置72束25φs15.2前期下彎束，112束27φs15.2前期頂板束；中跨UHPC箱梁內(nèi)布置14束21φs15.2后期底板束和6束12φs15.2后期頂板束；邊跨布置有20束19φs15.2后期底板束和8束27φs15.2后期頂板束。中跨后期束主要位于預制UHPC薄壁箱梁，所以采用體外束并錨固于橫隔板處。部分控制截面的預應力布置如圖4所示。

圖4 新橋部分控制截面預應力布置

3 有限元分析

3.1 計算模型

為了探究跨中采用預制UHPC箱梁后對橋梁的受力與變形影響，采用橋梁分析軟件Midas分別建立紅巖溪大橋與新體系混合梁橋的有限元分析模型。模型主墩采用C50混凝土，主梁NSC梁段采用C55混凝土，材料抗壓強度、彈性模量、收縮徐變等材料特性根據(jù)規(guī)范[12]選取。

原橋模型：模型梁單元劃分與施工節(jié)段一致，共145個節(jié)點、136個單元；施工階段完全模擬實橋的懸臂澆筑，邊主跨合攏，施加二期恒載，共62個施工階段。預應力張拉控制應力為1 395 MPa。

新橋模型：模型共157個節(jié)點、136個單元?？缰?4 m 箱梁取常用的200 MPa級UHPC材料，彈性模量42 GPa，徐變計算采用規(guī)程[13]提出的預測模型，由于是預制UHPC箱梁，因此收縮忽略不計。其余混凝土部分的截面尺寸與材料特性與原橋一致。施工順序參考現(xiàn)有鋼-混連續(xù)剛構梁橋施工[6]：先懸臂澆筑NSC梁段，之后邊跨合攏，最后拼裝預制UHPC梁段。預應力張拉控制應力：體內(nèi)束1 395 MPa，體外束1 209 MPa。新橋模型如圖5所示。

3.2 計算結果分析比較

建立有限元模型得到計算結果，提取兩橋模型關鍵截面的內(nèi)力、應力、及長期變形進行分析比較如下。

3.2.1內(nèi)力比較

大跨PC梁橋自重占總荷載比重大，而跨中部分的自重對結構內(nèi)力影響是最大的。選取自重作用下幾個關鍵節(jié)點的彎矩、剪力及預應力重量進行比較，如表1所示。

圖5 NSC-UHPC混合梁橋計算模型

由表1可知，跨中74 m的預制UHPC箱梁比NSC箱梁體積減少40.6%，由于兩種材料容重相差不大，所以采用薄壁UHPC箱梁后將使跨中自重減小40%左右。由于跨中自重減小，新橋的支點負彎矩分別減少13.6%和12.6%，跨中正彎矩減小25.3%，支點剪力也減小5.8%。由此可見，新橋自重產(chǎn)生的內(nèi)力減小了。由于自重內(nèi)力減小，用于平衡自重內(nèi)力所用的預應力也相應減小17%，有利于節(jié)約成本。值得注意的是，在減輕跨中自重以后，由于邊跨長度并未改變，導致邊跨合攏段附近出現(xiàn)較大正彎矩，最大彎矩增加了380.3%，因此在之后的設計中，對于混合梁橋應盡量減小邊主跨比。

表1 關鍵截面內(nèi)力內(nèi)力彎矩/(×103kN·m)邊跨支點主跨支點跨中邊跨最大支點剪力/(103kN)預應力/kN跨中74 m體積/m3原橋2 850.12 959.134.412.270.77 290.8930.7新橋2 461.22 585.825.758.666.66 050.1552.9

3.2.2壓應力驗算

大跨PC梁橋使用階段壓應力應滿足公路橋規(guī)中[12]第7.1.5條第1點的要求，圖6為兩橋使用階段正截面最大壓應力圖。由圖可知，原橋NSC最大壓應力17.1 MPa<0.5fck=17.75 MPa；新橋NSC梁段最大壓應力14.3 MPa<0.5fck=17.75 MPa，UHPC梁段最大壓應力19.6 MPa<0.5fck=42.3 MPa；即兩橋的壓應力均滿足規(guī)范對混凝土抗壓強度要求。

圖6 使用階段正截面最大壓應力

由圖6還能發(fā)現(xiàn)新橋NSC梁段中的壓應力要小于原橋，這是由于新橋自重降低，預應力用量減小，導致恒載減小，進而使混凝土壓應力水平降低，壓應力水平降低將有助于減小混凝土的徐變效應。跨中UHPC箱梁截面尺寸小，因此壓應力比原橋大，但UHPC抗壓強度高，仍能滿足規(guī)范要求，UHPC超高抗壓強度的特性得以發(fā)揮。

表2則為原橋與新橋在成橋階段以及經(jīng)歷了10 a收縮徐變以后橋梁關鍵截面的上下緣壓應力。

表2 兩橋成橋及10 a收縮徐變后應力對比MPa施工階段(應力)支點1/4跨跨中原橋上緣-10.9-12.4-7.9下緣-10.9-8.4-10.4成橋階段新橋上緣-10.2-11.1-7.5下緣-9.5-7.5-12.8原橋上緣-10.1-11.5-8.4下緣-11.1-8.5-810 a收縮徐變后新橋上緣-9.8-10.3-7.6下緣-9.7-7.6-12.1

由表2可知，原橋與新橋的支點上緣及1/4跨上緣(即支點負彎矩區(qū)域的上緣)壓應力均有所減小，但新橋減小幅度小于原橋，同時這些位置的下緣壓應力是增加的；這是由于主梁的收縮徐變導致了橋梁的下?lián)吓c預應力損失，進而使支點上緣壓應力減?。活A應力損失也導致了跨中下緣壓應力減小，上緣壓應力增加。

由表2還能發(fā)現(xiàn)原橋支點上下緣壓應力相等，而新橋支點上緣壓應力大于下緣，如圖7所示。按照徐變理論，構件徐變應變與其承受的應力成線性關系，則新橋的上緣徐變應變將大于下緣應變，主梁將在徐變作用下產(chǎn)生上撓作用，所以新橋的成橋支點截面應力梯度對減小橋梁跨中下?lián)细欣?/p>

圖7 成橋階段兩橋支點應力梯度對比

3.2.3截面抗裂驗算

根據(jù)橋規(guī)中[12]第6.3.1條第1點正截面不應出現(xiàn)拉應力?；炷量估瓘姸鹊?，大跨PC梁橋按全預應力構件設計，使用階段作用短期荷載效應組合下控制截面的受拉邊緣不能出現(xiàn)拉應力，即要使全橋處于受壓狀態(tài)。圖8、圖9為使用階段正截面上下緣抗裂驗算結果，由圖可知兩橋正截面均未出現(xiàn)拉應力，滿足抗裂要求。

圖8 上緣使用階段短期荷載組合下最小壓應力圖

圖9 下緣使用階段短期荷載組合下最小壓應力圖

支點負彎矩區(qū)截面的上緣及跨中正彎矩區(qū)截面的下緣是大跨PC梁橋的受拉區(qū)邊緣，這些區(qū)域通過預應力施加預壓應力來抵消拉應力，是壓應力的低谷區(qū)，也是抗裂驗算重點關注區(qū)域。從圖7可發(fā)現(xiàn)新橋在上述區(qū)域的壓應力均比原橋要高，這是由于降低跨中自重減小了支點負彎矩，雖然預應力用量也相應減小，但計算結果表明，新橋在使用階段作用短期荷載效應組合下支點附近的彎矩已經(jīng)變?yōu)檎龔澗?，說明自重減小對內(nèi)力的影響大于預應力減小，最終使得新橋支點負彎矩區(qū)的壓應力比原橋高。而受拉區(qū)邊緣壓應力的提高將使橋梁結構具有更好的抗裂性能。

3.2.4長期變形比較

混凝土徐變收縮效應是大跨PC梁橋下?lián)系闹饕蛩刂?，因此有必要對原橋和新橋由徐變收縮引起的長期變形進行比較分析。兩橋由10 a徐變收縮引起的橋梁長期下?lián)吓c轉(zhuǎn)角Ry曲線如圖10、圖11所示，兩橋最大下?lián)虾娃D(zhuǎn)角Ry如表3所示。

圖10 10 a收縮徐變下?lián)锨€

圖11 10 a收縮徐變轉(zhuǎn)角Ry曲線

表3 10 a收縮徐變最大變形模型下?lián)?mm轉(zhuǎn)角/(×10-4rad)原橋-64.56.29新橋-39.74.40

由圖10、圖11及表3可知：新橋主跨的下?lián)吓c轉(zhuǎn)角Ry有明顯降低；原橋最大下?lián)线_到64.5mm，新橋最大下?lián)辖禐?9.7 mm，降幅達38.4%；原橋最大轉(zhuǎn)角6.29×10-4rad，新橋最大轉(zhuǎn)角4.40×10-4rad，下降30.9%。新橋撓度減小的原因有兩方面：一方面預制UHPC無收縮，且只有很小的徐變系數(shù)，因此收縮徐變效應很小，從圖10、圖11也可以明顯看出跨中區(qū)域UHPC梁段的下?lián)吓c轉(zhuǎn)角Ry均趨于平緩，從而減小了跨中下?lián)?；另一方面，新橋自重減輕，應力降低，徐變效應減小，從而減小了主跨的下?lián)?。新橋長期下?lián)吓c轉(zhuǎn)角Ry的減小說明跨中采用UHPC箱梁代替確實有利于減小跨中下?lián)稀?/p>

4 結論

大跨預應力NSC-UHPC混合連續(xù)箱梁橋新體系在跨中采用了預制UHPC薄壁箱梁實現(xiàn)跨中輕型化以后：

1) 跨中區(qū)段自重降低40%左右，結構自重產(chǎn)生的內(nèi)力下降。支點負彎矩平均下降13.2%，跨中正彎矩下降23.5%，預應力用量也隨之減少17%。

2) 新體系混合梁橋混凝土區(qū)域的應力水平整體降低，且支點應力梯度對減小混凝土的徐變效應有利。

3) 新體系混合梁橋在受拉區(qū)邊緣的最小壓應力增加，說明壓應力儲備增加，這對結構抗裂有益。

4) 新體系橋梁主跨長期變形明顯減小，最大下?lián)吓c轉(zhuǎn)角相較原橋分別下降38.4%與30.0%；由此可見，大跨預應力NSC-UHPC混合連續(xù)梁橋新體系對解決梁體開裂與主跨過度下?lián)嫌行А?/p>