超高性能混凝土在简支变连续桥梁负弯矩区的应用

潘竺兰

（浙江浙交检测技术有限公司，杭州310000）

1 引言

超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）是21世纪最有前景的新型结构材料之一，可有效减轻结构自重、提高结构承载能力和耐久性，是工程结构技术进步的基础和重要推动力，是结构工程研究和设计的核心内容之一。国内外很多学者已经聚焦于将超高性能混凝土应用于桥梁负弯矩区湿接缝中。目前，常见的超高性能混凝土抗压强度高，但韧性不足，对于负弯矩区湿接缝这样的结构适用性不够，此结构需要混凝土具有超高的抗裂能力和抗拉强度。

2 桥梁负弯矩区病害情况

目前，公路桥梁设计中常规路段一般选择施工简便、造价低的先简支后连续结构体系，如预应力混凝土小箱梁及预应力混凝土T梁等，预制构件通过纵向、横向湿接缝形成整体，共同受力[1]。预制构件的翼缘板通过纵向湿接缝连接，纵向湿接缝受力与布梁间距有关，一般较小；先简支后连续梁结构墩顶通过横向湿接缝连接，一般采用墩顶后张预应力束实现体系转换，随着桥梁跨径的增大，墩顶受力也会增大。预制梁板架梁到位后，现场进行墩顶负弯矩区预应力束穿束、张拉、封锚，实际施工时容易出现预应力束预留管道错位等导致穿束施工困难。另外，墩顶负弯矩区开裂后，水容易进入预应力管道腐蚀预应力筋等，影响结构承载力及耐久性。

钢板组合梁采用的预制桥面板结构也是通过纵向、横向湿接缝将桥面板与钢梁连接成整体。此种湿接缝因要与钢梁连接，受力较为复杂，可做专门研究[2]。根据结构受力特点，本项目主要针对小箱梁或T梁桥梁墩顶负弯矩区的横向湿接缝，提出一种构造设计思路，如果超抗裂混凝土能达到相关技术指标要求，该构造设计将有很大的应用前景[3]。

3 结构分析

3.1 负弯矩湿接缝合理构造确定

先简支后连续结构墩顶通过横向湿接缝连接，一般通过墩顶后张预应力束实现体系转换（见图1），不配顶板负弯矩钢束时，简支变连续结构中支点出现超限拉应力的范围较大。除现浇横梁外，中支点附近一定范围内的顶板可能也需要采用高性能混凝土才能满足受力要求[4]。在这种构造形式下，可以根据数值分析，研究最不利荷载作用下，T梁和小箱梁超高性能混凝土湿接缝尺寸对关键截面处应力的影响，确定超高性能混凝土湿接缝合理的构造参数（见图2，a为中支点附近使用高性能混凝土区域的宽度）。为了降低成本，湿接缝受压区范围（高度d范围内）可以考虑采用普通混凝土材料。

图1 简支变连续T梁负弯矩湿接缝示意图（单位：cm）

图2 超高性能混凝土负弯矩湿接缝示意图

3.2 对比分析

以4×30m简支变连续T梁为例，桥宽16.5 m（7片T梁），采用M IDAS软件建模计算（见图3），分别验算正常设置墩顶负弯矩区预应力钢束以及墩顶负弯矩区取消预应力钢束采用超高性能混凝土2种工况，从受力、社会效益、经济效益方面进行综合对比分析。

图3 计算模型

3.2.1 承载能力

取消1号墩顶负弯矩束后，墩顶负弯矩为3 848.5 kN·m，减小32%，边跨跨中正弯矩为7 570.5 kN·m，增大11%。经计算，取消负弯矩束后，需考虑UHPC材料的抗拉强度或将桥面铺装加强钢筋改为C22，抗弯承载能力才能满足规范要求。剪力变化较小，此处未列入。

3.2.2 正常使用

墩顶负弯矩区预应力取消后，墩顶拉应力由1.2 MPa增加到4.6 MPa，大于C5 0混凝土的抗裂强度0.7 ftk＝1.855 MPa（ftk为混凝土抗拉强度标准值），如在墩顶左右各1m范围内采用抗拉标准强度达到7MPa的UHPC（超高性能混凝土）材料，则4.6 MPa≤0.7 f tk＝4.9 MPa，满足要求。

3.2.3 经济性分析

原设计1道墩顶现浇段及墩顶束齿块的工程量见表1。

按正常设计1道墩顶现浇段及墩顶束齿块的工程量算得建筑安装工程费为16.95 万元，施工工期15 d；改用超高性能混凝土（单价按1万元/m3计）后，算得建筑安装工程费为18.95 万元，施工工期3 d。虽然建筑安装工程费用略高，但是，可以大大节省工期，加快施工进度，社会、经济效益显著。

表1 墩顶现浇段及墩顶束齿块工程量对比表

4 结语

本文经过对简支变连续桥梁常见病害情况进行分析，提出了在桥梁墩顶负弯矩区采用超高性能混凝土的构造设计。通过对结构受力以及社会、经济效益方面进行综合对比分析，可以看出，该构造在实际应用中有广阔的应用前景。

目前，常见的超高性能混凝土抗压强度高，但韧性不足，对于桥梁负弯矩区湿接缝这样的结构适用性不够强，此构造设计需要混凝土具有超高的抗裂能力和抗拉强度，同时，如能达到低收缩免蒸养则更能满足常规工程建设需求，希望本论文能为超高性能混凝土的实用研究方向提供参考。