活性粉末混凝土梁桥的经济性研究

(长沙市公路桥梁建设有限责任公司， 湖南 长沙 410013)

0 引言

预应力混凝土桥梁由于普通混凝土(NC)力学特性低、耐久性差、环保性较差等问题，将无法满足桥梁设计发展要求。从我国绿色、生态、环保建设发展理念出发，利用现有水泥基原材料，开发低碳、环保高性能混凝土桥梁迫在眉睫。活性粉末混凝土(RPC)是一种超高性能混凝土[1]，RPC材料标准抗压强度在170～220 MPa的范围内，是NC材料的数倍；其次，RPC材料的断裂能大于10 kJ/m2，基本与金属铝相近。此外，从徐变系数、氯离子扩散速度方面对比发现，RPC材料的耐久性远远优于NC材料。因此RPC材料具备超高强、高韧性、耐久性优异等特点。RPC材料制作的结构物自重与钢结构相当，强度却可与钢结构媲美，而造价仅为钢结构的1/3，因此这种材料在各工程领域均具有极高的推广与应用价值。

在国内外RPC材料已推广至桥梁领域，1997年加拿大在魁北克省的Magog河上，利用RPC预制构件，采用预应力后张工艺，建设了一座长度达60 m的人行天桥，实现了RPC材料从理论研究到工程实际的飞跃[2];2005年美国在高等级公路上，建设了第1座RPC桥梁——Wapello County Mars Hill Bridge[3]，该桥梁为单跨简支梁桥，由3片RPC球缘T型梁组成，高跨比1∶31.5，2006年度波特兰水泥协会认为该桥是桥梁未来的发展趋势，授予了桥梁专项奖。尽管RPC的研究与应用在国内外取得了一些进步[4-7]，但目前国内外关于RPC桥梁经济性研究甚少，这在一定程度上阻碍了RPC材料在我国桥梁建设中的应用和推广[8-9]。

横向分块的装配式简支T型梁桥因标准化预制、运输、架设、安装均较简单，且结构形式、受力原理简单、合理，是中小跨径桥梁的主力桥型。为了研究RPC桥梁的经济性，以一跨40 m预应力钢绞线普通混凝土简支T型梁桥为例，用RPC材料替代NC(普通混凝土)，在保证梁板强度、刚度的前提下，对T梁横截面尺寸进行优化研究，提出一种优化截面后的预应力钢绞线RPC梁桥，此外，为对比研究预应力CFRP筋桥梁的经济性，用CFRP筋替代钢绞线，提出一种预应力CFRP筋RPC梁桥。对上述3种桥梁的力学特性与经济性进行对比分析。

1 3种对比桥梁简介

1.1 预应力钢绞线NC梁桥

在我国高速公路简支梁桥中40 m T梁应用较多，40 m跨径NC简支T梁的主梁立面图与横断面图如图1、图2所示，预应力筋的立面布置图如图3所示。桥面宽度为11 m+2×0.5 m，设计荷载为公路-Ι级，预应力筋为低松弛钢绞线，公称直径d=15.24 mm，标准抗拉强度为1 860 MPa，钢绞线具体工程量如表1所示，施工工艺为两端同时对称张拉，锚下张拉控制应力为0.75倍设计抗拉强度，为1 395 MPa。

图1 1/2主梁立面(单位：cm)

图2 梁桥横断面图(单位：cm)

图3 普通混凝土T梁钢束立面布置图(单位：cm)

表1 钢绞线每束根数根N1N2N3N47799

1.2 预应力钢绞线RPC梁桥

NC梁桥混凝土C50力学参数参照规范[10]，本文所涉及的预应力RPC梁桥力学参数参照Wapello County Mars Hill Bridge设计参数[3]，NC与RPC的力学参数如表2所示。

表2 NC(C50)与RPC力学参数材料标准值/MPa设计值/MPa轴心抗压轴心抗拉轴心抗压轴心抗拉弹性模量/GPaC5032.42.6423.11.8934.5RPC12012.582.88.645

考虑到RPC梁桥优异的力学特性，在预应力钢绞线NC T梁的基础上将T梁截面进行优化设计，T梁高度由2.5 m调整为1.6 m，翼缘厚度减薄为150 mm，其它尺寸保持不变，优化截面后的RPC梁桥预应力筋的布置与NC梁桥相同，预应力筋立面布置图如图4所示。由于RPC材料具备优异的耐久性，预应力钢绞线RPC材料T梁可以设计成运营期梁底容许出现拉应力的部分预应力构件(A类构件)，非预应力筋仅包括箍筋，箍筋间距扩大为NC材料T梁的3倍。由于RPC材料具备优异的抗压性能，若如NC梁桥的预应力筋张拉控制应力设置成0.65倍设计抗拉强度，则预应力筋达到设计抗拉强度后，RPC材料的抗压强度尚处于较低水平，无法充分利用RPC材料优异的抗压强度，经济性差，因此预应力钢绞线RPC材料T梁预应力筋锚下控制应力降低为0.65倍设计抗拉强度，为1 209 MPa，施工工艺仍采用两端同时、对称张拉。

图4 RPC梁桥T梁钢束立面布置图(单位：cm)

1.3 预应力CFRP筋RPC梁桥

预应力CFRP筋RPC材料梁桥设计参数与预应力钢绞线RPC材料梁桥设计参数一致，用CFRP筋替代钢绞线作为梁桥的预应力筋，CFRP筋为近年出现的一种新型碳纤维材料，抗拉强度为1 735 MPa，弹性模量为150 GPa。由于CFRP筋不会锈蚀，同时考虑到RPC材料优异的耐久性，预应力CFRP筋RPC梁桥可以设计成梁底容许出现裂缝的部分预应力混凝土构件(B类构件)。T梁非预应力筋仅包括箍筋，箍筋间距扩大为NC材料T梁的3倍。为充分利用RPC材料超高的抗压强度，并考虑到预应力CFRP筋RPC梁桥为预应力构件中的B类构件，其锚下控制应力可进一步降低为0.55倍设计抗拉强度，为1 402 MPa，施工工艺仍采用两端同时、对称张拉。

2 对比分析

2.1 力学性能分析

通过有限元软件Midas Civil建立预应力钢绞线NC梁桥与RPC梁桥模型，其中预应力钢绞线NC梁桥的预应力筋张拉控制应力为1 395 MPa；预应力钢绞线RPC梁桥的预应力筋张拉控制应力为1209 MPa；预应力CFRP筋RPC梁桥预应力筋张拉控制应力为1 402 MPa，3个模型分别用A0、A1、A2表示。计算得各模型预应力损失、锚下有效控制应力、内力、挠度，计算结果如表3所示。

表3 模型A0、A1、A2计算结果模型预应力/MPa永存预应力/MPa跨中截面弯矩/(kN·m)张拉张拉控制应力1号筋2号筋3号筋4号筋预应力荷载恒载A0后张(75%张拉)1 3951 0141 0401 0691 099-6.63×1035.60×103A1后张(65%张拉)1 2091 0491 0701 0931 115-4.30×1034.61×103A2先张(55%张拉)1 4021 2901 3021 3251 348-2.50×1034.61×103跨中截面弯矩/(kN·m)极限承载力验算跨中挠度跨中下缘应力/MPa车道荷载极限承载力作用效应S/(kN·m)承载能力设计值R/(kN·m)r0S/R恒载和预应力共同作用/mm车道荷载/mmΔ/l作用长期效应组合作用短期效应组合3.02×1031.09×1041.09×1041.33×1040.820-30.8118.871/3 261-6.60-4.683.02×1039.76×1039.76×1031.07×1040.912-7.9046.221/1 016-1.502.553.02×1039.76×1039.76×1031.06×1040.921-4.0148.151/8823.597.79 注:弯矩以梁底受压为“-”,受拉为“+”;位移以向下为“+”,向上为“-”;应力以使混凝土纤维受压为“-”,受拉为“+”。

由表3的数据可知：

依据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)，预应力钢绞线RPC梁桥在极限承载组合作用下r0S≤R(r0=1)，即强度验算合格。在车道荷载及恒载与预应力共同作用下，主桥跨中的竖向挠度最大值为38.32 mm，挠跨比为1/1 016(计算跨径取38.94 m)，满足构件在移动荷载作用下的最大竖向挠度不得超过计算跨径的1/600的要求，即刚度验算合格。在长期荷载效应作用下，跨中受压，压应力为1.50 MPa;短期荷载效应作用下，跨中受拉，拉应力为2.55 MPa(<0.7ftk=8.4 MPa)，满足A类构件的抗裂验算要求。

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)，预应力CFRP筋RPC梁桥在极限承载组合作用下r0S≤R(r0=1),即强度验算合格。在车道荷载及恒载与预应力共同作用下，主桥中跨的竖向挠度最大值为44.14 mm，挠跨比为1/882(计算跨径取38.94 m)，满足构件在移动荷载作用下的最大竖向挠度不得超过计算跨径的1/600的要求，即刚度验算合格。在长期荷载效应作用下，跨中受拉，拉应力为3.59 MPa；短期荷载效应作用下，跨中受拉，拉应力为7.79 MPa(<0.7ftk=8.4 MPa)，满足B类构件的抗裂验算要求。

在NC梁桥基础上，通过优化截面提出的RPC梁桥，结构的刚度、强度满足设计要求，自重却大幅度降低，达到22.6%，对提高预制T梁的移动、运输、安装效率，降低费用具有重要意义。

2.2 经济性分析

1片预应力钢绞线NC梁(B0)、预应力钢绞线RPC梁(B1)与预应力CFRP筋RPC梁(B2)材料用量如表4所示。以40 m梁桥为例，桥宽24 m，桥梁横向一跨设置10片预制梁，预应力钢绞线NC梁桥(C0)、预应力钢绞线RPC梁桥(C1)与预应力CFRP筋RPC梁桥(C2)的上部结构预制梁预算如表5所示。

桥梁工程经济性分析不仅包括建设投资，还包括后期的维修、养护投资。已建工程数据表明，正常情况下一座一跨40 m预应力钢绞线NC(C50混凝土)梁桥的建设总投资约为395万元，由表5数据可知，上部结构预制T梁的混凝土、钢绞线与普通钢筋的投资总计约为60.6万元，因而除预制T梁部分，其他构建(桩基、下部结构、桥面系等)建设总投资约为334.4万元。以往数据表明，预应力钢绞线NC梁桥后期的养护维修费用约占总投资的10%，即39.5万元。由上述分析可知,一座40 m跨预应力钢绞线NC简支梁桥在整个寿命周期内的总投资约为434.5万元。

表4 1片NC、RPC梁材料表类别混凝土体积/m3预应力筋用量Ⅰ/kg用量Ⅱ/m普通钢筋用量/kgB036.11 4003 559B127.51 4002 614B227.51 5362 614

表5 NC、RPC梁桥上部结构预制梁预算比较类别混凝土预应力筋普通钢筋体积/m3单价/(元·m-3)金额/万元用量Ⅰ/kg用量Ⅱ/m单价Ⅰ/(元·kg-1)单价Ⅱ/(元·m-1)金额/万元普通钢筋用量/kg单价/(元·kg-1)金额/万元金额总计/万元C036175027.114 0009.212.935 5905.820.660.6C12752 70074.314 0009.212.926 1405.815.2102.4C22752 70074.315 360140215.026 1405.815.2304.5

预应力钢绞线RPC梁桥除了上部结构预制T梁(T梁混凝土、钢绞线、普通钢筋)与预应力钢绞线NC梁桥不同外，其他建设投资(桩基、下部结构、桥面系等)相同。由表5数据可知,预应力钢绞线RPC梁桥的上部结构预制T梁投资约为102.4万元，由于RPC具有很好的耐久性，可以不考虑预应力钢绞线RPC梁桥后期的养护、维修费用，因此一座40 m预应力钢绞线RPC简支梁桥在整个寿命期间的总投资约为436.8万元。

预应力CFRP筋RPC梁桥除了上部结构预制T梁(T梁混凝土、钢绞线、普通钢筋)与预应力钢绞线NC梁桥不同外，其他建设投资(桩基、下部结构、桥面系等)相同。由表5数据可知,预应力CFRP筋RPC梁桥的上部结构预制T梁总投资约为304.5万元，由于RPC具有很好的耐久性，以及CFRP筋能够防锈蚀，预应力CFRP筋RPC梁桥也不需要考虑运营期间的养护、维修费用。因此一座40 m预应力CFRP筋RPC简支梁桥在整个寿命周期内的总投资约为638.9万元。

通用对上述3类桥型整个寿命周期的投资分析可知：

1) 相比于40 m跨预应力钢绞线NC梁桥，预应力钢绞线RPC梁桥总投资略微增加，仅为0.5%，预应力CFRP筋RPC梁桥的总投资增加幅度较大，达到47.0%。

2) 相比于预应力钢绞线NC梁桥，预应力CFRP筋RPC梁桥总投资较高，主要是因为CFRP筋的价格很高，因此目前预应力CFRP筋RPC梁桥的建造在经济上的可行性并不大。

3) 相比于预应力钢绞线NC梁桥，预应力钢绞线RPC梁桥总投资提高得很小，可以通过加强工程管理等措施来克服。

4) 在上述分析中尚未考虑由于RPC梁桥自重的减轻所造成的运输、安装费用的降低。其次，RPC材料具有很好的耐久性、环保性，能够减小结构尺寸、自重，增强结构的抗震、防撞性能，因此预应力钢绞线RPC梁桥具有较好的综合经济优势。

3 结语

通过对预应力钢绞线NC梁桥、预应力钢绞线RPC梁桥与预应力CFRP筋RPC梁桥进行受力性能分析与经济性对比,可以得出：

1) 在满足结构设计强度、刚度要求的条件下，相比于预应力钢绞线NC梁桥，预应力钢绞线RPC梁桥自重减轻达到22.6%，能极大地方便预制梁的吊装、运输、安装，有利于提高桥梁跨越性能。

2) 由于RPC材料优异的力学特性，预应力钢绞线RPC梁桥在满足受力性能的条件下能够极大地减小截面尺寸，在建筑高度受限地区，如城市立交桥、人行天桥等外部环境受限的条件下，具有广阔的应用前景。

3) 以桥梁工程整个寿命期间投资为研究对象，预应力钢绞线RPC梁桥的总投资与预应力钢绞线NC梁桥基本持平，但RPC梁桥具有很好的耐久性与环保性，从长远角度看，预应力钢绞线RPC梁桥具有较好的综合经济优势。