RPC混凝土-螺栓连接分段拼装梁构思

项育德

(中铁第一勘察设计院集团有限公司桥隧处，西安　710043)



RPC混凝土-螺栓连接分段拼装梁构思

项育德

(中铁第一勘察设计院集团有限公司桥隧处，西安710043)

摘要：活性粉末混凝土(RPC)是一种新发展起来的超高性能水泥基复合混凝土，其抗压强度、抗拉强度远高于普通混凝土或者高性能混凝土，被称之为“类钢”材料，而钢结构又具有工厂精密加工，工地现场安装等特点。探讨将RPC混凝土这种“类钢”材料在工厂预制构件，现场用钢节点板和高强螺栓连接成形的设计构思，介绍RPC混凝土与钢节点板采用高强螺栓连接、分段拼装的板式桥梁设计。

关键词：钢-RPC组合桥梁；活性粉末混凝土(RPC)；节点板分段拼装、；高强螺栓连接；设计

1概况

项目背景：在2012年9月16日举办的“国际桥梁与隧道工程技术高峰论坛暨茅以升先生诞辰115周年纪念大会”上，茅以升科技教育基金会正式启动“小桥工程”公益项目。该项目旨在为我国边远贫困地区的少年儿童架设安全求学之桥，为土木工程专业的学子搭建社会实践的平台。2013年10月，第十一届铁路桥梁设计年会组委会向全路各设计院发出倡议书——“茅以升公益桥小桥工程，给孩子一座桥，铁道工程师倡议书”。 “RPC混凝土-钢节点板分段拼装梁”为铁一院4种推荐桥型之一。

项目要求：桥梁构造简单新颖、跨度较小、造价较低；同时山区交通不便，要求方便施工；后期维修困难，要求材料耐久性较高。

2建设条件

2.1项目选址位置

“小桥工程”项目选址以铁一院推荐的佛坪县下沙窝村为该公益桥的建设场地。项目建设地址距汉中市150 km。

2.2自然特征

桥址区属亚热带北缘山地暖温带温润季风气候，7～10月份为集中降雨期。年平均气温 11.6 ℃，年平均降水量913 mm。

2.3桥址地质构造及地层岩性

地质资料显示，桥址范围内地层主要为第四系全新统膨胀土、细砂、粗砂、砾砂、细圆砾土、粗圆砾土、卵石土、漂石土、太古界片麻岩夹片岩，局部夹云母片岩，基岩埋深相对较浅。

2.4地震及冻结资料

地震动峰值加速度为0.05g(相当于地震基本烈度6度)，反应谱特征周期0.45 s。土壤最大冻结深度50 cm。

3设计思路、原则及标准

3.1设计思路

本次公益桥按人行桥设计，桥梁的总体设计贯彻“功能完善、实施简便、经济合理、体现水平”的设计思路。

3.2设计原则

根据当地功能要求及建桥条件，在保证结构安全性、可行性、耐久性及经济性的前提下，使施工具有可操作性及简便性，并努力做到景观协调、保护环境。

3.3设计标准

桥梁设计荷载：人群荷载 5 kPa；设计洪水频率：1/100；结构设计安全等级：二级。设计基准期：100年； 参考：城市、公路相关规范及强制性条文、标准[1]。

4桥式方案及结构

4.1桥式方案

本桥为跨越山区河沟，连接两侧道路而设，考虑到最终确定的桥址处地形、地貌及地质条件，本次设计方案统一按桥长30 m开展方案设计。结合两岸地形地貌RPC混凝土-钢节点板分段拼装梁效果图如图1所示。

4.2全桥立面

孔跨布置为2孔15 m RPC节点板分段拼装简支梁[2]，桥全长31.9 m。梁宽3.44 m，全桥立面如图2所示。

图2　全桥立面(单位：cm)

4.3主梁横断面

桥面布置为：0.22 m(人行道栏杆)+3.0 m(人行道宽度)+0.22 m(人行道栏杆)。主梁采用两片宽0.22 m×高1.1 m的RPC纵梁与3.5 m宽×0.08 m厚的RPC盖板组合结构。在纵梁预制时预埋连接螺栓，桥面板对应位置预留螺栓孔，栏杆底座钢板对应位置预留螺栓孔。现场拼接时先将桥面板与纵梁连接，浇入环氧树脂砂浆密封，再将栏杆底座钢板与螺栓连接，螺母套紧。主梁横断面如图3所示。

图3　主梁横断面图(单位：cm)

4.4主梁纵向结构

每片纵梁分为3个节段，2个节点板接缝，每段长5 m。为节约RPC混凝土用量，减小梁部横向风力，并提高梁体美观性，在纵梁上开0.8 m×0.5 m的矩形带倒角的孔洞。每孔梁在两接缝和梁端处设4道横向型钢支撑连接，盖板与纵梁用螺栓连接，螺栓孔浇筑环氧树脂砂浆封死，提高横向稳定性。主梁纵向结构构造如图4所示。

图4　1/2主梁纵向结构(单位：cm)

4.5纵梁连接方式

每片纵梁厚22 cm、高110 cm、长500 cm，在纵梁端头设置厚10 mm的预埋钢板。接缝采用纵向60 cm、竖向110 cm的钢节点板，节点板与预埋钢板用66个高强螺栓连接[3]。其连接A大样如图5所示。

图5　RPC纵梁与钢节点板连接示意(单位：cm)

本构思在2片纵梁相接处采用预埋U形钢板的方式，为了加强截面的抗剪能力，也可参照国内目前的节段拼装梁，设置剪力键[4]，同时加强纵梁间的连接，也可采用胶接等措施[5]。

4.6两片纵梁之间横向连接

为提高梁体横向刚度，加强2片纵梁间的横向联系，在支座处采用纵梁内侧预埋钢板，横向钢箱连接；桥跨纵梁分节段处采用角钢W撑联接，以提高两纵梁之间的联系及整桥的横向刚度，如图6所示。

图6　纵梁横向连接示意(单位：cm)

5主要计算

5.1荷载

自重： 1孔15 m RPC混凝土-钢节点板分段拼装梁共用11.6 m3RPC混凝土，耐候钢3 t。换算每延米自重22 kN/m。

人群荷载：按5 kN/m2计，换算纵向每延米15 kN/m。

5.2截面计算

按简支结构计算，每片纵梁：

均匀线荷载q=(22+15)/2=18.5 kN/m

跨中最大弯矩M=q×L2/8=520.3 kN·m

纵梁抵抗矩W=b×H2/6=0.044 4 m3

计算最大拉应力=M/W/1 000=11.72 MPa。

根据RPC200混凝土的材料力学性能，其抗拉强度可取30 MPa，其容许拉应力可按0.55×30=16.5 MPa计[6]，受力满足要求。

5.3混凝土剪应力及疲劳应力

由MIDAS建模计算，得出最大混凝土剪应力为3 MPa，而一般RPC混凝土抗剪强度为18 MPa[7]。人群荷载对应混凝土疲劳应力为2.75 MPa，类比普通钢筋混凝土的疲劳应力，基本可以满足要求[8]。

5.4高强螺栓计算

按高强螺栓摩擦型等强连接计算，纵梁截面容许拉力：0.2 m×1.1 m×16.5 MPa×1 000=3 630 kN。

高强螺栓容许抗滑承载力[9]

式中m——连接处抗滑面数，取66×2=132；

μ——连接钢材表面抗滑移系数，取0.35；

N——螺栓设计预拉力，取150 kN；

K——安全系数，取1.7。

计算得，P=4 076.5 kN>3 630 kN，满足要求。

为保证节点板高强螺栓连接安全，在梁体纵向跨中范围内为5 m一节的预制纵梁，最大正弯矩处不设节点板连接。

由上述计算可见，RPC混凝土纵梁用高强螺栓连接时，高强螺栓的个数已经相对较多，因此，本构思的适用范围仅为人行天桥等荷载较小的桥梁。

6施工组织方案

(1)RPC混凝土采用镀铜钢纤维作为混凝土的骨架结构，细骨料选用多粒径的石英砂[10]，应选择合理的水胶比和砂胶比，制造满足性能要求的RPC混凝土。

(2)纵梁分节(5 m一节)在工厂预制，注意预埋节点板钢板、高强螺栓孔、连接螺栓等预埋件，纵梁应在工厂试拼合格后运往现场。

(3)桥面板分节(3 m一节)在工厂预制，注意预留螺栓孔。

(4)现场在纵梁分节处搭设支架，支架应满足相关规定。在支架上拼接纵梁，安装节点板及高强螺栓。

(5)安装支点及分节出横向连接钢箱及W撑。

(6)安装桥面板、栏杆。

7该构思的特点

活性粉末混凝土是20世纪90年代中期研发出的超高强度、高韧性、高耐久性、体积稳定性良好的复合材料。抗压强度可以达到200 MPa，抗拉强度可以达到20～30 MPa。目前在国外，如日本的GSE桥、韩国的首尔和平桥、美国的Mars Hill Bridge等，均是采用预应力与RPC混凝土梁体进行组合[11]。我国也将该材料运用于无筋RPC空心盖板、铁路人行道板[12]、20 m跨铁路低高度简支T形梁中[13]，20 m以上的梁，如32 m简支T梁，国内也只是做了一些相关的工艺探讨[14]。但是国内外尚未有将RPC混凝土梁用高强螺栓连接的构思或实例。

首次将RPC桥梁节段主梁以高强螺栓方式进行连接；其纵梁及桥面板采用活性粉末混凝土(RPC)，不必配置钢筋或预应力钢绞线，充分利用RPC混凝土的抗拉、抗压设计强度，将结构轻型化、标准化、工厂化；考虑山区或偏远地区运输及架设条件较差，整孔梁运输困难，将主梁纵梁分节段(纵向5 m一节)在工厂预制，现场用节点板高强螺栓连接，每节重仅为3 t，完全可用小型运输车辆运送。

所采用的RPC混凝土没有相关的设计规范，RPC混凝土纵梁用高强螺栓节点板连接也没有相关规范及实例。因此，在后续的工作中，应进行相关的缩尺模型试验，研究混凝土局部压应力、裂缝开展情况及高强螺栓连接的节点性能等，为该“RPC混凝土-钢节点板分段拼装梁”的构思提供试验支撑和科研结论。

8结语

RPC混凝土-钢节点板分段拼装采用的主梁材料新颖、连接方式新型，首次采用RPC作为主梁材料，并首次将RPC桥梁节段主梁以高强螺栓的方式连接。目前，桥梁节段拼装结构中大多采用钢筋和预应力钢筋连接，此种连接方式中结构受拉主要靠钢筋或预应力钢筋承受[15]。在RPC桥梁节段拼装结构中，为了充分利用RPC的抗拉性能，采用高强螺栓节点板连接，不仅形式新颖而且结构合理。

参考文献：

[1]中华人民共和国建设部.CJJ69—95城市人行天桥与人行地道技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，1995.

[2]项育德，高明昌，等.一种钢-RPC组合桥梁：中国，ZL2013207 04411.x[P].2014-04-23.

[3]陈侃，项育德，等.一种桥梁节段连接结构：中国，ZL2013207 05150.3[P].2014-04-23.

[4]申兆繁.广州地铁4号线节段拼装梁设计[J].铁道标准设计，2008(8)：46-49.

[5]张立青.铁路节段预制胶接拼装法建造桥梁技术与应用[J].铁道建筑技术，2015(1)：8-11.

[6]周焕廷，等.高强螺栓连接的极限承载能力研究[J].武汉理工大学学报，2009(9)：49-51.

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[8]于秀梅.高强钢筋混凝土梁疲劳变形的理论与试验研究[J].铁道标准设计，2008(9)：12-14.

[9]中华人民共和国铁道部.TB10002.2—2005铁路桥梁钢结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[10]王克文.大西客运专线活性粉末混凝土(RPC130) 配制试验研究[J].铁道标准设计，2011(S)：117-118.

[11]陈超，等.预应力RPC简支梁受弯性能浅析[C]∥第十一届后张预应力学术交流会论文集，2011:79-84.

[12]闫志刚，等.铁路活性粉末混凝土桥梁优化设计研究[J].中国工程科学，2009(2)：38-42.

[13]赵晶石.活性粉末混凝土(RPC)人行天桥槽形梁的结构优化设计及稳定性研究[D].北京：北京交通大学，2006.

[14]张劭明，等.铁路32 m跨度RPC简支T梁预制工艺探讨[J].铁道标准设计，2010(11)：71-74.

[15]梁小燕，等.RPC混凝土T梁极限承载力研究[J].工业建筑，2005，35(S)：244-246.

收稿日期：2015-11-15； 修回日期：2015-11-25

作者简介：项育德(1982—)，男，工程师，2006年毕业于西南交通大学 土木工程系，工学学士，E-mail：252655766@qq.com。

文章编号：1004-2954(2016)07-0090-04

中图分类号：U448.21+8

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.021

An Approach to RPC Concrete-bolted Segmental Beams

XIANG Yu-de

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：Reactive Powder Concrete (RPC) is a newly developed ultra-high performance cement-based composite concrete. Its compressive strength and tensile strength are much higher than that of the ordinary concrete and high performance concrete. It is also called “like steel” material. The steels structure is featured by shop precision machining and construction site installation. This paper presents the idea to have such “like steel” material prefabricated in the factory and connected into form on-site with high-strength bolts. This paper also introduces the design concept to connect RPC concrete with steel gusset plate by high strength bolts to form segmental plate bridge．

Key words：Steel-RPC combination bridge; Reactive powder concrete (RPC); Gusset plate segmental assembly; High strength bolt connection; Design