兰张高铁十八里堡特大桥56 m UHPC组合简支梁设计研究

刘 琛,陈应陶,杨少军,高明昌,王飞华

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

超高性能混凝土UHPC (Ultra-high Performance Concrete)是当今国际上最具创新性和实用性的水泥基复合材料。由于UHPC具有优异的力学和耐久性能，在桥梁工程需求轻质高强、快速架设、经久耐用的背景下，引起了桥梁界的极大兴趣和高度重视，在桥梁领域具有广阔的应用前景[1]。在中国工程院战略咨询中心等单位发布的《全球工程前沿2018》报告中，超高性能混凝土与智能水泥基复合材料列在土木、水利与建筑工程中工程前沿发展态势的第2位[2]。

世界各国应用UHPC作为主体结构材料的公路及市政桥梁已超过150座，而铁路UHPC桥梁未见应用报道。为促进UHPC在铁路桥梁主体受力结构的应用，国内外学者进行了一系列的理论研究和试验研究。邵旭东[3]等研发了装配式UHPC箱梁结构、全预制UHPCπ形梁和全预制钢-UHPC轻型组合π形梁3类UHPC装配式桥梁结构的受力性能；吴延伟[4]开展了UHPC箱梁的薄板屈曲研究，通过试验归纳了UHPC薄板的屈曲破坏形态以及屈曲荷载计算方法，通过理论公式推导了UHPC箱梁悬臂板和腹板间顶板的临界板厚比；孙明德[5-6]研究了高强钢筋活性粉末混凝土构件抗弯及稳定性能，提出了UHPC轴拉应力-应变关系的实用简化模型、高强钢筋和活性粉末混凝土的粘结应力-滑移过程和破坏形式等；刘琛[7-8]开展了高速铁路简支梁截面形式研究和48 m UHPC简支箱梁设计研究，并对1∶2缩尺模型梁在静载弯曲试验中的受力特性进行研究。文献[9-16]还对UHPC桥梁其他关键技术问题进行了研究。

尽管UHPC铁路桥梁的各项计算参数和设计方法，以及抗拉、抗弯、抗剪等试验研究已取得一定的成果，但是UHPC铁路桥梁在国内仍然没有应用先例。结合中国国家铁路集团有限公司关于UHPC简支梁课题研究的最新成果，拟在兰州至张掖高速铁路十八里堡特大桥开展UHPC桥梁的首次建造应用。

1 项目概况

兰州至张掖铁路是中长期铁路网规划中的高速铁路区域连接线，中川机场至武威段是兰州至张掖铁路的组成部分。本项目十八里堡特大桥位于甘肃省武威市古浪县附近，桥位见图1。该桥地处动峰值加速度0.3g的高烈度地震区，桥梁高度达55 m，线路纵坡25‰。该桥设计需解决大跨度混凝土桥梁地震响应大这一突出问题。利用UHPC材料高力学性能的特点建造56 m UHPC组合简支梁，使本桥具有梁重轻、温度跨小、徐变小等优势。十八里堡特大桥施工图批复采用的孔跨布置为9-56 m UHPC组合简支梁+(2 m×56 m)预应力混凝土T构，56 m UHPC简支梁采用梁场节段预制后造桥机拼装施工，2 m×56 m预应力混凝土T构采用悬臂浇筑后转体施工。该桥主要技术标准如下。

(1)设计使用年限：100年。

(2)设计速度：250 km/h。

(3)线路标准：双线，线间距4.6 m，CRTSⅠ双块式无砟轨道，轨面至梁顶平坡段轨道结构高度725 mm。

(4)活载：ZK活载。

图1 十八里堡特大桥桥位

2 结构设计

2.1 梁体构造及钢束布置

梁体采用单箱单室组合截面(先期U形UHPC+C50混凝土桥面板)。计算跨度54.8 m，梁全长57.1 m，梁顶宽12.2 m，底宽6 m，最低点梁高5.3 m。箱梁下部底板及腹板采用UHPC材料，腹板厚度25 cm，底板厚度25 cm，U梁顶板厚30 cm，宽度90 cm，梁端部分对顶底板及腹板厚度进行加强。箱梁上部C50混凝土桥面板厚度30～50 cm。箱梁两端设置150 cm厚横隔墙。跨中箱梁断面如图2所示。根据以上结构设计，1孔梁UHPC圬工310 m3，C50混凝土圬工285 m3，合计595 m3，远低于常规普通混凝土56 m简支梁825 m3。

图2 1/2 跨度56 m UHPC组合梁跨中截面(单位：cm)

U梁腹板及底板预应力钢束均采用1 860 MPa级的体内束，底板布置12束15-φj15.2 mm钢束，腹板布置14束15-φj15.2 mm钢束。C50混凝土桥面板为钢筋混凝土结构。

2.2 梁段划分

箱梁预制段长度按照梁段吊装质量控制在200 t以内，并以减少梁段种类为原则进行划分。每跨箱梁采用奇数分块，跨中不设接缝，对称布置。本桥56 m简支箱梁预制梁段1号段长度5.4 m，其他梁段长度4.25 m。整孔梁共分为11个梁段，10个接缝。1号段和11号段最重，吊装质量179.8 t，跨中梁段质量127 t，梁段划分及接缝位置示意见图3。全桥总质量为1 547 t，而普通混凝土胶拼简支梁梁质量为2 145 t，UHPC组合梁质量约为普通混凝土梁质量的72%。

图3 1/2 跨度56 m UHPC组合梁梁段划分示意

2.3 剪力键构造

由于顶底板剪力键抗剪效应不明显，设计计算时只考虑腹板剪力键。剪力键按密键形式布置，除在腹板布置剪力键外，还在底板和顶板布置定位剪力键，剪力键采用梯形，键顶宽18 cm，键根部宽30 cm，键高6 cm。因本梁为薄壁箱形截面，底板和腹板剪力键设置沿板厚通长。顶板剪力键在顶板顶面设挤胶槽口，槽口深1 cm，宽2 cm。跨中梁段剪力键构造如图4所示。

图4 跨中梁段剪力键构造示意(单位：cm)

3 施工步骤

UHPC同普通混凝土相比，因采用较小的水胶比而坍落扩展度较低、工作性能较差，且需要高温蒸养[17]。考虑到工作性能问题和蒸养环境问题所限，设计推荐采用工厂节段预制并高温蒸汽养护后，造桥机胶接拼装成孔。

主要施工步骤为：在梁场预制U形 UHPC梁段→UHPC梁段高温蒸养→U形梁段强度达到设计要求后在U形梁段顶部浇筑C50混凝土桥面板，桥面板通过U形梁段预留钢筋进行连接→整个节段养生→利用既有梁段匹配制作下一梁段→所有梁段制作完成后吊装至造桥机→梁段就位并涂刷环氧胶→张拉临时预应力钢筋→张拉预应力钢束→施工桥面附属设施→成桥运营。图5为U形梁段和整孔梁段断面示意。

图5 U形梁段和整孔梁段断面示意

4 UHPC组合简支梁计算分析

UHPC组合简支梁同常规节段预制拼装混凝土简支梁相比，还具有以下特点，应在计算分析时着重考虑。

4.1 UHPC组合梁计算模型

UHPC组合梁应采用有限元软件建立双层空间梁单元计算分析，根据施工顺序，组合截面形成后，作用在组合截面上的弯矩M由3部分组成[18]，一是C50桥面板承担的弯矩MC50，二是U梁承担的弯矩MU，三是分别作用在两者之上的轴向力构成的力偶矩。弯矩分配示意见图6，对U梁和C50混凝土桥面板应分别检算，运营阶段主要计算结果见表1，根据表1可知，本桥计算满足规范相关规定。

图6 UHPC组合简支梁计算图示

表1 主力工况主要计算结果

4.2 箱梁薄壁效应计算

板的厚度t与板的最小宽度b相比，当(1∶80)～(1∶100)

(1)剪力滞效应

剪力滞效应的主要分析方法有弹性理论解法、比拟杆法、能量变分法、有限元数值法等。本次设计采用实体单元有限元数值法计算，主要计算截面恒载应力见图7及表2。从图7及表2可知，顶板和底板实体模型计算结果显示受力较均匀，跨度56 m UHPC箱梁剪力滞效应并不突出，顶板剪力滞系数在1.09～0.91，底板剪力滞系数约为1.0。

图7 剪力滞计算图示(单位： MPa)

表2 恒载剪力滞系数计算

(2)扭转效应

高速铁路列车在竖向静活载作用下梁体扭转引起的轨面不平顺限值，在3 m长的线路范围一线两根钢轨的竖向相对变形量不应超过1.5 mm。建立全桥实体模型，UHPC和C50桥面板均采用6面体实体单元，模型见图8，该工况位移计算结果见图9及表3。

图8 梁体1/4实体模型图示

图9 静活载作用下梁体竖向位移(单位：mm)

表3 梁体扭转引起的轨面位移差

从表3可知，单线ZK荷载作用下的位移最大值在跨中，下挠7.2 mm(↓)。设线路左轨下箱梁节点位移为Dz，桥长增加3 m处右轨下箱梁节点竖向位移为Dy，L/8跨附近两者差值最大为1.17 mm，满足规范不超过1.5 mm的要求。

(3)箱梁稳定性分析

施工阶段计算时箱梁自重设为常量，二期恒载、腹板钢束张拉力、底板钢束张拉力为变量，最小稳定安全系数26.8，失稳模态为预应力钢束张拉引起的底板局部屈曲，见图10。运营阶段计算时，箱梁自重及二期恒载为常量，左线ZK荷载、右线ZK荷载为变量，最小稳定安全系数110.5，施工及运营阶段均满足规范要求。

图10 施工阶段1阶失稳模态

4.3 UHPC收缩徐变计算

(1)收缩效应

UHPC需高温蒸养，蒸养后收缩基本为0，而普通混凝土收缩一般在3年以后才终止。因此，UHPC组合梁存在相对收缩问题，即在U梁上现浇桥面板时，桥面板收缩受U梁约束产生拉应力。

横向相对收缩采用对整体灌注的C50混凝土桥面板按降低温度15 ℃计算，计算结果见图11，梁段约束方向水平最大位移0.8 mm；最大主拉应力1.9 MPa、最大主压应力4 MPa。U梁与桥面板连接位置应力较为集中，U梁和桥面板在收缩方向应配置一定数量的钢筋承担相对收缩应力。

纵向相对收缩按本文推荐的双层空间梁单元模型计算时，其结果已包含纵向相对收缩的影响。具体分析该项增量时，可按照钢-混凝土组合结构设计通常采用的基于有效弹性模量的虚拟荷载法计算。经计算，收缩引起桥面板上缘拉应力0.9 MPa，下缘拉应力1.1 MPa，U梁上缘压应力2.2 MPa，U梁下缘压应力0.2 MPa。

图11 梁段收缩效应计算图示

(2)徐变效应

铁路及公路桥涵设计规范中，普通混凝土徐变系数终极值最低为1.0，现行的各有限元计算软件在计算混凝土徐变效应时最低系数采用该值。而对于UHPC，在高温蒸养48 h后，徐变系数终极值仅为0.5～0.3[20]，与普通混凝土差异较大。因此，采用有限元分析软件计算徐变效应时应对其计算结果进行修正。建议方法为：建立双层空间梁单元模型，调整UHPC梁的湿周和首次加载龄期，使其徐变系数终极值为1.0，计算U梁徐变系数为1的各截面应力分布，将UHPC梁近似为钢梁计算U梁徐变系数为0的各截面应力分布，两项结果平均后可近似作为UHPC梁经相对徐变影响后的实际应力。

5 结论

(1)兰州至张掖高速铁路十八里堡特大桥主跨56 m UHPC组合简支箱梁的设计批复，为高速铁路桥梁建设主体结构采用钢、混凝土之外提供了一种新型建筑材料，56 m UHPC简支梁仅为同跨普通混凝土梁梁质量的72%。

(2)提出UHPC组合薄壁简支梁剪力键的主要构造形式。

(3)结合UHPC材料施工工艺特点，提出适于坍落扩展度较低、易于高温蒸养的节段预制后高温蒸养、造桥机胶拼施工的主要施工步骤及注意事项。

(4)建立UHPC组合简支梁的有限元计算模型和提出薄壁箱梁剪力滞、扭转、失稳特性等检算重点；UHPC收缩大，按降温方法计算相对收缩后提出两种材料连接界面横向应力较为集中，应加强横向钢筋布置；UHPC徐变小，提出有限元程序计算局限和修正方法。