全装配式UHPC-RC箱形组合梁原型设计及转向块受力性能分析

李剑鸾

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司,安徽 合肥 230088;2.公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心,安徽 合肥 230088)

0 引 言

全装配式UHPC-RC箱形组合梁结构是一种基于超高性能混凝土新材料并采用体外预应力进行节段拼接的新型组合梁结构,该结构是由普通混凝土节段预制梁板、超高性能混凝土节段预制U形主梁通过合理的板板连接、板梁连接、梁段间连接组成。相对传统中、小跨径桥梁,全装配式UHPC-RC箱形组合梁结构具有以下优势:

(1) 结构受力性能优异,节省材料。UHPC材料相较传统普通混凝土具有超高抗压强度,可以使得结构在“纤弱”截面下采用预应力“大束”,从而储备预应力配束带来的高压应力;结合UHPC材料良好的抗拉性能,使得结构梁高相较于传统普通混凝土,可以做得更小。相较于全UHPC截面,通过合适的配筋,可以使得受拉区UHPC材料开裂且钢筋屈服时,受压区普通混凝土材料能达到抗压极限强度,从而节省UHPC材料用量,降低工程造价。同时,UHPC材料优异的受力性能,可以使得结构实现低梁高且截面纤细化,减轻上部结构自重,利于下部支撑结构受力。

(2) 施工方便,大幅节约工期。全装配式UHPC-RC箱形组合梁可以实现梁板工厂节段预制、主梁工厂节段预制,节段自重较轻,方便吊装和转运,解决了传统整跨预制梁受预制场地设置的制约影响。节段运至现场通过体外束和湿接缝进行拼装,现场作业量很小,能大幅度节约工期,满足了桥梁结构轻型化和快速架设的要求。

(3) 质量控制高,后期维修养护少。相对于传统普通混凝土结构,UHPC材料因较高的致密性从而带来优异的耐久性能,同时全装配式UHPC-RC箱形组合梁可以使得构件全部工厂化生产,利于质量控制,综合使得UHPC构件具有超高耐久性,能有效降低成桥运营后的后期维养工作量,降低后期维养费用。

(4) 利于生态环境保护。工厂主体构件制作,现场仅需简单拼装,装配施工现场更文明,对周围自然环境和社会设施的损坏降到最低。同时预制结构外形美观,与周围环境协调性好,有利于环境保护,实现与自然的协调和可持续发展。

(5) 具有良好的经济性能。结构“纤薄”,自重较轻,可以大幅节约自身和下部结构材料用量,降低造价;该结构的高强耐久性能有效降低成桥运营后的后期维养工作量,降低维养费用;结构的全工厂化预制,制作条件好,质量管控高,使得材料用量可以做到精确计量,从而节省一定的材料用量;全装配式结构现场施工便捷,吊装重量小,不需要大型吊装设备,且现场工作量小,大幅节约工期,节省一定施工措施费。

转向块是全装配式UHPC-RC组合箱梁结构中的一种传力构件,体外预应力钢束通过转向块传力至端横梁位置进行锚固。由于体外束的线形布置和转角会使得转向块出现应力集中现象,严重则会影响整个桥梁的安全和稳定。在传统箱梁体外预应力束转向块构造设计中,常采用三种构造形式:块式、肋式、横隔板式。由于UHPC梁体一般较为“纤薄”,横向刚度相比传统混凝土箱梁相对较弱,同时为避免体外预应力束以“大束”形式出现导致端横梁和转向块位置局部应力过大,体外预应力束宜采用分散式布置,因此UHPC箱梁中转向块的形式宜优先采用横隔板式。由于UHPC构件截面较薄,梁体中钢筋配置过多会影响UHPC浆料的浇筑,影响钢纤维的均匀性,设计中UHPC梁体一般不配置钢筋或配置单层钢筋网片用以加筋。UHPC转向块与梁体的腹板和底板相接,转向块中也不宜配置过多钢筋骨架,同时,为节省UHPC材料用量,UHPC转向块应根据其局部受力进行专项设计。本文为探究体外预应力下UHPC转向块的受力特征,分别采用转向块厚度为50 cm、40 cm、30 cm和20 cm的有限元模型,通过计算探究转向块厚度对其的受力影响,以进一步指导实际工程设计。

1 依托工程原型设计

滁州至天长高速公路(以下简称“滁天高速”),滁天高速全长67.135 km,是安徽省“四纵八横”高速公路网中“横六”的重要组成部分,也是安徽省“北沿江”通道的重要组成部分。为实现交通部倡导的绿色公路理念,该项目拟采用较为先进的新技术、新工艺、新设备和新材料,结合智能化、精细化、绿色化的技术手段,实现工程品质的较大提升。滁天高速主线现状设计为双向四车道高速公路,设计路基宽度为27 m。根据安徽省高速公路技术标准预留规划图(2020—2035年),滁天高速远景设计为六车道高速公路,设计路基宽度为34.5 m。该项目拟在主线K40+245处人行天桥中应用基于UHPC材料的全装配式UHPC-RC箱形组合梁。

本项目结构体系为结构简支的全装配式UHPC-RC箱形组合梁,如图1所示。桥面板采用普通混凝土,U形主梁采用UHPC材料,结构按全预应力混凝土构件设计。设计中,考虑到工厂制作和现场运输,U形主梁分为多个节段,现场通过节段间胶接缝和预应力束进行节段拼接。为体现UHPC高强材料的性能优势,节省工程造价,预应力束采用体外预应力“大束”形式。预制桥面板在工厂分多节段预制,运至现场,通过现浇湿接缝完成预制节段桥面板之间的连接。U形主梁工厂预制时须在U形梁上翼缘预埋抗剪连接件,预制桥面板通过抗剪连接件实现与U形梁的连接形成整体结构。

图1 全装配式UHPC-RC箱形组合梁原型设计图

1.1 总体设计

滁天高速K40+245上跨UHPC-RC箱形组合梁,跨径布置为1×40 m,桥面宽度为5.5 m。按全预应力混凝土构件设计。设计上部结构高为1.91 m,其中UHPC主梁高1.6 m,桥面板梗腋处厚度为0.31 m。主梁采用单箱室预应力UHPC U形梁预制结构,跨中底板厚度为16 cm,腹板厚度为12 cm;支点处底板厚度为22 cm,腹板厚度为16 cm。UHPC主梁分为3个节段,节段长度分别为13 m、14 m、13 m,节段重量分别为35.93 t、28.18 t、35.93 t。桥面板采用C50混凝土,桥面板标准厚度为18 cm,梗腋处厚度为31 cm。UHPC-RC箱形组合梁断面形式如图2所示。UHPC-RC箱形组合梁在桥跨两端设置端横梁,端横梁厚度为1.5 m, 在跨中位置设置两道转向块,同梁体一道采用UHPC浇筑。主梁一般构造图具体如图3所示。

图2 主梁跨中及支点断面图(单位:mm)

图3 主梁标准横断面图(单位:mm)

1.2 连接设计

UHPC主梁节段之间设置凹凸剪力筋,通过接缝处全断面胶结,配合体内预应力和体外预应力的压应力储备,从而实现UHPC主梁节段之间的连接。UHPC主梁工厂预制时翼缘需预埋抗剪钢筋,抗剪钢筋沿U形梁上翼缘均匀布置,同时现场绑扎桥面板钢筋时,桥面板底层纵筋需穿过预埋抗剪筋并与抗剪筋绑扎连接。UHPC“U形梁”和混凝土桥面板通过预埋剪力筋实现连接。

1.3 预应力体系设计

UHPC主梁体内预应力束设置在上翼缘,施工阶段中体内预应力束给予U形梁节段间胶接缝一定的预压作用,便于胶接缝更好发挥粘结作用。U形梁上翼缘体内预应力共采用2束φs15.2～3钢绞线,两端张拉,张拉端采用圆锚,锚下控制应力为0.5fpk=930 MPa,预应力管道均采用塑料波纹管。UHPC主梁体外预应力束跨中位置设置靠近底板位置,自转向块位置处弯起,在联端处锚固。体外预应力共采用4束φs15.2～27钢绞线,两端张拉,锚下控制应力为0.7fpk=1 302 MPa。

1.4 主要材料技术指标

该桥采用的UHPC材料主要力学性能指标见表1。

表1 UHPC 力学性能指标

2 全桥实体单元有限元模型

现采用大型有限元软件MIDAS FEA建立全装配式UHPC-RC箱形组合梁结构的全桥实体单元模型,其中混凝土桥面板、UHPC主梁、端横梁和转向块均采用实体单元模拟,预应力束采用桁架单元模拟。转向块位置预应力束与转向块的连接采用单元共节点方式进行模拟,有限元模型如图4所示。人行荷载直接以面单元压力方式施加于桥面板顶面。

图4 UHPC主梁及转向块局部实体单元模型

3 转向块优化计算分析

根据有限元建模计算,列出转向块局部位置的主应力云图如图5～图8所示,通过局部位置的应力云图及大小总结出UHPC转向块的受力特征以及转向块厚度对局部位置受力的影响。

图5 50 cm厚转向块应力云图(单位:MPa)

图6 40 cm厚转向块应力云图(单位:MPa)

图7 30 cm厚转向块应力云图(单位:MPa)

由图5～图8可以看出,转向块主要受拉,主梁底板和腹板主要受压,其中最大主拉应力发生在转向块下缘位置,最大主压应力发生在主梁与转向块交界位置。50 cm转向块,最大主拉应力为7.2 MPa,下缘平均主拉应力为3.5 MPa,转向块肋板平均主拉应力为2 MPa;梁体最大主压应力为21 MPa,主梁与转向块交界位置附近平均主压应力为17 MPa。40 cm转向块,最大主拉应力为10 MPa,下缘平均主拉应力为3.3 MPa,转向块肋板平均主拉应力为3.3 MPa;梁体最大主压应力为21 MPa,主梁与转向块交界位置附近平均主压应力为17 MPa。30 cm转向块,最大主拉应力为14.2 MPa,下缘平均主拉应力为7.7 MPa,转向块肋板平均主拉应力为3.4 MPa;梁体最大主压应力为22 MPa,主梁与转向块交界位置附近平均主压应力为18 MPa。20 cm转向块,最大主拉应力为28 MPa,下缘平均主拉应力为16 MPa,转向块肋板平均主拉应力为3.6 MPa;梁体最大主压应力为22 MPa,主梁与转向块交界位置附近平均主压应力为18 MPa。将转向块最不利主应力及位置进行归纳,见表2。

图8 20 cm厚转向块应力云图(单位:MPa)

表2 不同厚度转向块最不利应力及位置

从表2中的计算结果可知,转向块的厚度对转向块下缘应力影响很大,对转向块肋板及梁体应力影响很小。可见50 cm厚度下,转向块最大主拉应力小于该桥采用的UHPC材料的抗拉设计强度,同时梁体最大主压应力也远小于0.6fck(fck为抗压强度标准值)。转向块肋板的拉应力受厚度影响很小,远小于UHPC材料的抗拉设计强度,设计中可以减薄或者取消。

4 结 论

全装配式UHPC-RC箱形组合箱梁结构是一种基于超高性能混凝土新材料并采用体外预应力进行节段拼接的新型组合箱梁结构,该结构是由普通混凝土节段预制梁板、超高性能混凝土节段预制U形主梁通过合理的板板连接、板梁连接、梁段间连接组成。全装配式UHPC-RC组合箱梁利用UHPC主梁的超高抗压性能抵抗“纤薄”截面下体外预应力束带来的高应力问题,同时利用UHPC主梁的高抗折性能使得普通混凝土桥面板做到“物尽其用”。本文采用大型有限元软件建立全装配式UHPC-RC组合箱梁结构的全桥实体单元有限元模型,并对基于不同厚度下的全装配式UHPC-RC组合箱梁结构进行计算,得出以下结论:

(1) 为改善体外预应力束端横梁锚固位置及转向块连接部位的局部受力,体外预应力束宜采用分散式布置,转向块的形式宜优先采用横隔板式。

(2) 荷载作用下,转向块主要受拉,主梁底板及腹板主要受压,其中最大主拉应力发生在转向块下缘位置,最大主压应力发生在主梁与转向块交界位置。

(3) 转向块的厚度对转向块下缘应力影响较大,对转向块肋板及梁体应力影响很小,设计中可适当减小转向块肋板厚度,或者取消。

(4) 全装配式UHPC-RC组合箱梁结构中转向块的设计,应基于体外束线形布置、转角大小及转向块的局部受力进行厚度设计,设计中仅需适量构造配筋即可。