全裝配式UHPC-RC箱形組合梁原型設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)向塊受力性能分析

李劍鸞

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088;2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心,安徽 合肥 230088)

0 引 言

全裝配式UHPC-RC箱形組合梁結(jié)構(gòu)是一種基于超高性能混凝土新材料并采用體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行節(jié)段拼接的新型組合梁結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)是由普通混凝土節(jié)段預(yù)制梁板、超高性能混凝土節(jié)段預(yù)制U形主梁通過(guò)合理的板板連接、板梁連接、梁段間連接組成。相對(duì)傳統(tǒng)中、小跨徑橋梁,全裝配式UHPC-RC箱形組合梁結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)勢(shì):

(1) 結(jié)構(gòu)受力性能優(yōu)異,節(jié)省材料。UHPC材料相較傳統(tǒng)普通混凝土具有超高抗壓強(qiáng)度,可以使得結(jié)構(gòu)在“纖弱”截面下采用預(yù)應(yīng)力“大束”,從而儲(chǔ)備預(yù)應(yīng)力配束帶來(lái)的高壓應(yīng)力;結(jié)合UHPC材料良好的抗拉性能,使得結(jié)構(gòu)梁高相較于傳統(tǒng)普通混凝土,可以做得更小。相較于全UHPC截面,通過(guò)合適的配筋,可以使得受拉區(qū)UHPC材料開(kāi)裂且鋼筋屈服時(shí),受壓區(qū)普通混凝土材料能達(dá)到抗壓極限強(qiáng)度,從而節(jié)省UHPC材料用量,降低工程造價(jià)。同時(shí),UHPC材料優(yōu)異的受力性能,可以使得結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)低梁高且截面纖細(xì)化,減輕上部結(jié)構(gòu)自重,利于下部支撐結(jié)構(gòu)受力。

(2) 施工方便,大幅節(jié)約工期。全裝配式UHPC-RC箱形組合梁可以實(shí)現(xiàn)梁板工廠節(jié)段預(yù)制、主梁工廠節(jié)段預(yù)制,節(jié)段自重較輕,方便吊裝和轉(zhuǎn)運(yùn),解決了傳統(tǒng)整跨預(yù)制梁受預(yù)制場(chǎng)地設(shè)置的制約影響。節(jié)段運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)體外束和濕接縫進(jìn)行拼裝,現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量很小,能大幅度節(jié)約工期,滿(mǎn)足了橋梁結(jié)構(gòu)輕型化和快速架設(shè)的要求。

(3) 質(zhì)量控制高,后期維修養(yǎng)護(hù)少。相對(duì)于傳統(tǒng)普通混凝土結(jié)構(gòu),UHPC材料因較高的致密性從而帶來(lái)優(yōu)異的耐久性能,同時(shí)全裝配式UHPC-RC箱形組合梁可以使得構(gòu)件全部工廠化生產(chǎn),利于質(zhì)量控制,綜合使得UHPC構(gòu)件具有超高耐久性,能有效降低成橋運(yùn)營(yíng)后的后期維養(yǎng)工作量,降低后期維養(yǎng)費(fèi)用。

(4) 利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)。工廠主體構(gòu)件制作,現(xiàn)場(chǎng)僅需簡(jiǎn)單拼裝,裝配施工現(xiàn)場(chǎng)更文明,對(duì)周?chē)匀画h(huán)境和社會(huì)設(shè)施的損壞降到最低。同時(shí)預(yù)制結(jié)構(gòu)外形美觀,與周?chē)h(huán)境協(xié)調(diào)性好,有利于環(huán)境保護(hù),實(shí)現(xiàn)與自然的協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。

(5) 具有良好的經(jīng)濟(jì)性能。結(jié)構(gòu)“纖薄”,自重較輕,可以大幅節(jié)約自身和下部結(jié)構(gòu)材料用量,降低造價(jià);該結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)耐久性能有效降低成橋運(yùn)營(yíng)后的后期維養(yǎng)工作量,降低維養(yǎng)費(fèi)用;結(jié)構(gòu)的全工廠化預(yù)制,制作條件好,質(zhì)量管控高,使得材料用量可以做到精確計(jì)量,從而節(jié)省一定的材料用量;全裝配式結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)施工便捷,吊裝重量小,不需要大型吊裝設(shè)備,且現(xiàn)場(chǎng)工作量小,大幅節(jié)約工期,節(jié)省一定施工措施費(fèi)。

轉(zhuǎn)向塊是全裝配式UHPC-RC組合箱梁結(jié)構(gòu)中的一種傳力構(gòu)件,體外預(yù)應(yīng)力鋼束通過(guò)轉(zhuǎn)向塊傳力至端橫梁位置進(jìn)行錨固。由于體外束的線形布置和轉(zhuǎn)角會(huì)使得轉(zhuǎn)向塊出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,嚴(yán)重則會(huì)影響整個(gè)橋梁的安全和穩(wěn)定。在傳統(tǒng)箱梁體外預(yù)應(yīng)力束轉(zhuǎn)向塊構(gòu)造設(shè)計(jì)中,常采用三種構(gòu)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(tǒng)混凝土箱梁相對(duì)較弱,同時(shí)為避免體外預(yù)應(yīng)力束以“大束”形式出現(xiàn)導(dǎo)致端橫梁和轉(zhuǎn)向塊位置局部應(yīng)力過(guò)大,體外預(yù)應(yīng)力束宜采用分散式布置,因此UHPC箱梁中轉(zhuǎn)向塊的形式宜優(yōu)先采用橫隔板式。由于UHPC構(gòu)件截面較薄,梁體中鋼筋配置過(guò)多會(huì)影響UHPC漿料的澆筑,影響鋼纖維的均勻性,設(shè)計(jì)中UHPC梁體一般不配置鋼筋或配置單層鋼筋網(wǎng)片用以加筋。UHPC轉(zhuǎn)向塊與梁體的腹板和底板相接,轉(zhuǎn)向塊中也不宜配置過(guò)多鋼筋骨架,同時(shí),為節(jié)省UHPC材料用量,UHPC轉(zhuǎn)向塊應(yīng)根據(jù)其局部受力進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)。本文為探究體外預(yù)應(yīng)力下UHPC轉(zhuǎn)向塊的受力特征,分別采用轉(zhuǎn)向塊厚度為50 cm、40 cm、30 cm和20 cm的有限元模型,通過(guò)計(jì)算探究轉(zhuǎn)向塊厚度對(duì)其的受力影響,以進(jìn)一步指導(dǎo)實(shí)際工程設(shè)計(jì)。

1 依托工程原型設(shè)計(jì)

滁州至天長(zhǎng)高速公路(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“滁天高速”),滁天高速全長(zhǎng)67.135 km,是安徽省“四縱八橫”高速公路網(wǎng)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(shí)現(xiàn)交通部倡導(dǎo)的綠色公路理念,該項(xiàng)目擬采用較為先進(jìn)的新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備和新材料,結(jié)合智能化、精細(xì)化、綠色化的技術(shù)手段,實(shí)現(xiàn)工程品質(zhì)的較大提升。滁天高速主線現(xiàn)狀設(shè)計(jì)為雙向四車(chē)道高速公路,設(shè)計(jì)路基寬度為27 m。根據(jù)安徽省高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)留規(guī)劃圖(2020—2035年),滁天高速遠(yuǎn)景設(shè)計(jì)為六車(chē)道高速公路,設(shè)計(jì)路基寬度為34.5 m。該項(xiàng)目擬在主線K40+245處人行天橋中應(yīng)用基于UHPC材料的全裝配式UHPC-RC箱形組合梁。

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)體系為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中,考慮到工廠制作和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸,U形主梁分為多個(gè)節(jié)段,現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)節(jié)段間膠接縫和預(yù)應(yīng)力束進(jìn)行節(jié)段拼接。為體現(xiàn)UHPC高強(qiáng)材料的性能優(yōu)勢(shì),節(jié)省工程造價(jià),預(yù)應(yīng)力束采用體外預(yù)應(yīng)力“大束”形式。預(yù)制橋面板在工廠分多節(jié)段預(yù)制,運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng),通過(guò)現(xiàn)澆濕接縫完成預(yù)制節(jié)段橋面板之間的連接。U形主梁工廠預(yù)制時(shí)須在U形梁上翼緣預(yù)埋抗剪連接件,預(yù)制橋面板通過(guò)抗剪連接件實(shí)現(xiàn)與U形梁的連接形成整體結(jié)構(gòu)。

圖1 全裝配式UHPC-RC箱形組合梁原型設(shè)計(jì)圖

1.1 總體設(shè)計(jì)

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(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)上部結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力UHPC U形梁預(yù)制結(jié)構(gòu),跨中底板厚度為16 cm,腹板厚度為12 cm;支點(diǎn)處底板厚度為22 cm,腹板厚度為16 cm。UHPC主梁分為3個(gè)節(jié)段,節(jié)段長(zhǎng)度分別為13 m、14 m、13 m,節(jié)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)置端橫梁,端橫梁厚度為1.5 m, 在跨中位置設(shè)置兩道轉(zhuǎn)向塊,同梁體一道采用UHPC澆筑。主梁一般構(gòu)造圖具體如圖3所示。

圖2 主梁跨中及支點(diǎn)斷面圖(單位:mm)

圖3 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位:mm)

1.2 連接設(shè)計(jì)

UHPC主梁節(jié)段之間設(shè)置凹凸剪力筋,通過(guò)接縫處全斷面膠結(jié),配合體內(nèi)預(yù)應(yīng)力和體外預(yù)應(yīng)力的壓應(yīng)力儲(chǔ)備,從而實(shí)現(xiàn)UHPC主梁節(jié)段之間的連接。UHPC主梁工廠預(yù)制時(shí)翼緣需預(yù)埋抗剪鋼筋,抗剪鋼筋沿U形梁上翼緣均勻布置,同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)綁扎橋面板鋼筋時(shí),橋面板底層縱筋需穿過(guò)預(yù)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(guò)預(yù)埋剪力筋實(shí)現(xiàn)連接。

1.3 預(yù)應(yīng)力體系設(shè)計(jì)

UHPC主梁體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束設(shè)置在上翼緣,施工階段中體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束給予U形梁節(jié)段間膠接縫一定的預(yù)壓作用,便于膠接縫更好發(fā)揮粘結(jié)作用。U形梁上翼緣體內(nèi)預(yù)應(yīng)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(yīng)力為0.5fpk=930 MPa,預(yù)應(yīng)力管道均采用塑料波紋管。UHPC主梁體外預(yù)應(yīng)力束跨中位置設(shè)置靠近底板位置,自轉(zhuǎn)向塊位置處彎起,在聯(lián)端處錨固。體外預(yù)應(yīng)力共采用4束φs15.2～27鋼絞線,兩端張拉,錨下控制應(yīng)力為0.7fpk=1 302 MPa。

1.4 主要材料技術(shù)指標(biāo)

該橋采用的UHPC材料主要力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 UHPC 力學(xué)性能指標(biāo)

2 全橋?qū)嶓w單元有限元模型

現(xiàn)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(jié)構(gòu)的全橋?qū)嶓w單元模型,其中混凝土橋面板、UHPC主梁、端橫梁和轉(zhuǎn)向塊均采用實(shí)體單元模擬,預(yù)應(yīng)力束采用桁架單元模擬。轉(zhuǎn)向塊位置預(yù)應(yīng)力束與轉(zhuǎn)向塊的連接采用單元共節(jié)點(diǎn)方式進(jìn)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(zhuǎn)向塊局部實(shí)體單元模型

3 轉(zhuǎn)向塊優(yōu)化計(jì)算分析

根據(jù)有限元建模計(jì)算,列出轉(zhuǎn)向塊局部位置的主應(yīng)力云圖如圖5～圖8所示,通過(guò)局部位置的應(yīng)力云圖及大小總結(jié)出UHPC轉(zhuǎn)向塊的受力特征以及轉(zhuǎn)向塊厚度對(duì)局部位置受力的影響。

圖5 50 cm厚轉(zhuǎn)向塊應(yīng)力云圖(單位:MPa)

圖6 40 cm厚轉(zhuǎn)向塊應(yīng)力云圖(單位:MPa)

圖7 30 cm厚轉(zhuǎn)向塊應(yīng)力云圖(單位:MPa)

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

圖8 20 cm厚轉(zhuǎn)向塊應(yīng)力云圖(單位:MPa)

表2 不同厚度轉(zhuǎn)向塊最不利應(yīng)力及位置

從表2中的計(jì)算結(jié)果可知,轉(zhuǎn)向塊的厚度對(duì)轉(zhuǎn)向塊下緣應(yīng)力影響很大,對(duì)轉(zhuǎn)向塊肋板及梁體應(yīng)力影響很小?？梢?jiàn)50 cm厚度下,轉(zhuǎn)向塊最大主拉應(yīng)力小于該橋采用的UHPC材料的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度,同時(shí)梁體最大主壓應(yīng)力也遠(yuǎn)小于0.6fck(fck為抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值)。轉(zhuǎn)向塊肋板的拉應(yīng)力受厚度影響很小,遠(yuǎn)小于UHPC材料的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度,設(shè)計(jì)中可以減薄或者取消。

4 結(jié) 論

全裝配式UHPC-RC箱形組合箱梁結(jié)構(gòu)是一種基于超高性能混凝土新材料并采用體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行節(jié)段拼接的新型組合箱梁結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)是由普通混凝土節(jié)段預(yù)制梁板、超高性能混凝土節(jié)段預(yù)制U形主梁通過(guò)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(yù)應(yīng)力束帶來(lái)的高應(yīng)力問(wèn)題,同時(shí)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(jié)構(gòu)的全橋?qū)嶓w單元有限元模型,并對(duì)基于不同厚度下的全裝配式UHPC-RC組合箱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,得出以下結(jié)論:

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

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

(3) 轉(zhuǎn)向塊的厚度對(duì)轉(zhuǎn)向塊下緣應(yīng)力影響較大,對(duì)轉(zhuǎn)向塊肋板及梁體應(yīng)力影響很小,設(shè)計(jì)中可適當(dāng)減小轉(zhuǎn)向塊肋板厚度,或者取消。

(4) 全裝配式UHPC-RC組合箱梁結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)向塊的設(shè)計(jì),應(yīng)基于體外束線形布置、轉(zhuǎn)角大小及轉(zhuǎn)向塊的局部受力進(jìn)行厚度設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)中僅需適量構(gòu)造配筋即可。