目前在公路桥中梁式桥是应用最多的桥型之一。盖梁作为主梁和墩柱之间的传力结构, 对于保障桥梁结构安全至关重要^[1]。一般盖梁体量很大, 在装配化施工时需要拆分为2到3段分别吊装, 制约了施工效率^[2-4]。在保证结构安全的情况下, 本研究旨在通过对比分析提出高性能混凝土盖梁结构方案, 以期能够显著降低盖梁自重, 提升装配化施工效率。

超高性能混凝土(缩写UHPC) 是一种以水泥为基体与其他材料复合而得到的高性能材料, 在强度、韧性、耐久性等方面均具有较大优势[^5-7], 在面对冲击荷载等极端荷载条件时也具有可靠的力学性能^[8]。吴薇^[9]对UHPC大悬臂盖梁结构进行了一系列有限元数值模拟, 通过对UHPC大悬臂盖梁承载能力、应力和变形的分析等, 得出提高内部挖空率可在保证结构安全的同时大大减少混凝土用量, 减轻盖梁自重。陈卫伟^[10]提出了装配式UHPC盖梁, 并对其受力性能进行了研究分析: 该研究证明UHPC盖梁在设计合理的情况下具有良好的受力特性, 且由于具有更小的自重, 在盖梁构件制作、运输和吊装等方面均具有更高的便利性; 通过节约材料用量、缩短施工周期等, UHPC盖梁也可实现较好的经济效益。孙明松等^[11]以某天桥为工程背景, 对半预制UHPC外壳叠合盖梁进行了吊装阶段、施工阶段和运营阶段的受力分析, 结果表明: 各阶段的UHPC外壳和核心混凝土强度均满足规范要求。李立峰等^[12]提出了预应力轻型UHPC薄壁盖梁, 通过大比例缩尺模型试验, 研究了UHPC盖梁的受力和变形性能、裂纹的分布模式、抗裂性能等, 结果显示: 提出的UHPC盖梁具有良好的受力性能和抗裂性能, 裂缝具有多元分布特征, 此外通过增加一定量的预应力钢筋, 可以进一步改善结构受力性能。李立峰等^[13]还通过大比例UHPC薄壁盖梁模型试验, 基于材料力学公式提出了斜截面开裂剪力的理论计算方法, 并提出了有关斜裂缝宽度的计算公式。李嘉维等^[14]也提出了采用UHPC作为预制模板, 然后内填混凝土的半预制盖梁形式, 对于降低吊装重量和增加盖梁整体性有较好效果, 但现场还需要有湿作业工作, 效率有待提升。盖梁与桥墩的连接位置也是盖梁设计的关注点之一^[15], Shafieifar等^[16]在预制墩梁节点区域采用UHPC的方案进行了研究, 结果显示力学性能可靠, 但对于提升现场施工效率的措施还有待进一步研究^[17]。预制装配式UHPC盖梁在实际桥梁工程中的应用案例仍较少, 结构方案有待进一步完善与优化。现有研究表明, UHPC盖梁与传统盖梁相比, 既能降低结构的自重也能保证盖梁的受力性能。

仅采用UHPC材料对盖梁的构造优化效果有限, 需要结合更多的新材料及结构形式进行对比研究。工程用水泥基复合材料(缩写ECC) 既具有很高的强度也具有很高的韧性, 其宽度能很好地得到控制^[18]。然而, ECC这种高性能混凝土在其他设计方面的应用比较多, 但在盖梁结构设计方面的应用还是很少。组合结构应用广泛, 相较于传统结构具有更高的承载力和结构刚度, 可用于提高盖梁性能。但是, UHPC组合盖梁还缺乏相关研究报道。

综上所述, 预制盖梁可在装配式桥梁建造过程中取得良好的社会和经济效益^[19], 采用UHPC等高性能混凝土可进一步提升盖梁性能, 但现有方案还存在较大优化空间。本研究将结合实际工程需求提出采用高性能混凝土的新型盖梁结构方案, 并进行深入对比研究, 给出合理的装配式盖梁方案建议。

选择某多联简支梁桥为例, 该桥跨度30 m, 主梁采用混凝土箱型梁, 主桥按双向6车道设计, 一级公路, 设计速度为80 km/h。整幅式桥梁盖梁横向长33. 03 m, 为变高度结构, 盖梁中心高2. 7 m, 盖梁端部高1. 7 m, 盖梁宽2. 8 m; 预应力混凝土结构, 单个盖梁重529 t。盖梁立面及侧面构造如图 1所示。

图 1 背景工程墩柱盖梁构造(单位: cm) Fig. 1 Structure of cap beam and pier column of background project (unit: cm)

图选项

预应力盖梁采用C50混凝土, 普通钢筋采用HRB400钢筋。预应力钢绞线采用《预应力混凝土用钢绞线》 (GB/T 5224—2014) 标准的高强度低松弛钢绞线, 直径为ϕ_s15. 2 mm, 面积为A= 140 mm², 抗拉强度标准值f_pk = 1 860 MPa, 1 000 h后应力松弛率不大于2. 5%, 钢绞线的弹性模量E_p= 1. 95 × 10⁵MPa。预应力钢筋的布置如图 2所示。

图 2 预应力钢束立面布置图(单位: cm) Fig. 2 Elevation layout of prestressed steel strands (unit: cm)

图选项

本研究优化方案采用的超高性能混凝土(UHPC) 等级为U120, 材料特征为具有超高的抗压强度及抗折强度, 可有效减少混凝土用量, 达到降低盖梁自重的效果。根据《公路桥涵超高性能混凝土应用规范》 (征求意见稿) 规定, 轴心抗压强度设计值为58 MPa, 轴心抗拉强度等级取UT7, 轴心抗拉强度设计值为4. 5 MPa, 弹性模量为4. 19 × 10⁴ MPa。根据本公司产品CDQ-120-UHPC测试结果显示, 等级为U120的超高性能混凝土抗折强度可达到22 MPa。

本研究优化方案采用的工程用水泥基复合材料(ECC) 选取本公司产品CDQ-50-ECC, 材料特征为韧性突出, 混凝土在开裂状态下的裂缝宽度小于0. 1 mm, 可有效保证结构耐久性, 参照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 (JTG 3362—2018) 可不验算ECC裂缝宽度。产品测试结果显示抗压强度可达到50 MPa, 抗拉强度测试结果为4. 0 MPa, 极限拉应变可达到1. 2%, 抗折强度为12 MPa, 弹性模量为2. 8×10⁴ MPa。ECC尚未有统一的国家标准, 为使研究结果更具代表性, 在模型中选择ECC强度等级与C50相同, 在模型中选择同样的轴心抗压强度设计值及轴心抗拉强度设计值进行分析计算。ECC材料的超高韧性特征通过裂纹宽度小^[20]、在正常使用阶段易满足规范抗裂要求等特性来体现。

本研究优化方案采用的钢板为常规的Q345钢材。

本模型中上述混凝土材料所用参数如表 1所示, 钢材所用参数如表 2所示。

结合研究背景中的现有工程盖梁设计, 普通预应力混凝土方案作为对照组, 如图 3所示。作为大悬臂构件, 顶板混凝土在弯矩荷载作用下将承受巨大拉力。所以, 在该方案中需要采用3排共计18根预应力钢束提供预压力。整幅式桥梁盖梁横向长33. 03 m, 为变高度结构, 截面如图 3所示。共布置3类预应力筋, 共计18根。盖梁中心高2. 7 m, 盖梁端部高1. 7 m, 盖梁宽2. 8 m, 单个盖梁吊装重量约529 t。

图 3 预应力混凝土盖梁示意图 Fig. 3 Schematic diagram of prestressed concrete cap beam

图选项

考虑到ECC材料性能突出且成本较低, 设计全ECC盖梁方案作为备选方案, 如图 4所示。顶板混凝土在弯矩荷载作用下虽然承受巨大拉力, 但ECC材料会产生许多细密的裂纹, 最大裂缝宽度不超过0. 1 mm。所以, 在该方案中可减少预应力钢筋使用数量, 采用3排共计6根预应力钢束提供预压力。整幅式桥梁盖梁横向长33. 03 m, 为变高度结构, 截面如图 4所示。因为ECC在受压中只相当于普通C50混凝土, 所以由盖梁底部受压控制盖梁设计尺寸, 盖梁中心高2. 7 m, 盖梁端部高1. 7 m, 盖梁宽2. 8 m, 单个盖梁吊装重量约529 t。

图 4 全ECC盖梁立面示意图 Fig. 4 Schematic diagram of elevation of full ECC cap beam

图选项

为了减少预应力钢筋数量, 将盖梁顶部的UHPC替换为韧性更强的ECC, UHPC + ECC盖梁方案如图 5所示。顶板混凝土在弯矩荷载作用下虽然承受巨大拉力, 但ECC材料会产生许多细密的裂纹, 最大裂缝宽度不超过0. 1 mm。所以, 在该方案中可减少预应力钢筋使用数量, 采用3排共计12根预应力钢束提供预压力。整幅式桥梁盖梁横向长33. 03 m, 为变高度结构, 截面如图 5所示。盖梁中心高2. 3 m, 盖梁端部高1. 5 m, 盖梁宽2. 0 m, 单个盖梁吊装重量约210 t。

图 5 UHPC+ECC盖梁示意图 Fig. 5 Schematic diagram of UHPC+ECC cap beam

图选项

为了充分发挥钢材和混凝土的材料特性, 本团队已报道提出一种钢-UHPC组合盖梁方案^[21], 即在受拉区域布置钢板承担受拉荷载。在盖梁顶部增设钢板, 形成钢-UHPC组合盖梁方案, 如图 6所示。考虑到顶部添加钢板影响盖梁混凝土浇注的问题, 可在工程预制过程中倒置盖梁浇注, 钢板同时可作为模板使用。在该方案中, 顶部钢板可起到良好的抗拉作用, 可以取消预应力钢筋。但是, 在钢板和混凝土之间需要设置合适的连接件以保证二者之间的组合作用。整幅式桥梁盖梁横向长33. 03 m, 为变高度结构, 截面如图 6所示。盖梁中心高2. 02 m, 盖梁端部高1. 22 m, 盖梁宽2. 0 m, 盖梁吊装重量约181 t。

图 6 UHPC组合盖梁示意图 Fig. 6 Schematic diagram of UHPC composite cap beam

图选项

在Midas中建立墩柱盖梁模型, 将主梁作为荷载施加到盖梁, 对盖梁的受力情况进行分析。混凝土为C50, 预应力钢筋为Strand1860, UHPC材料取120 MPa强度等级, ECC材料取50 MPa强度等级, 材料参数按照桥梁规范及试验结果取值。边界条件施加在桩基和承台位置。在荷载中考虑自重, 同时将主梁荷载和车道荷载均转化为支座集中荷载施加到盖梁。为了考虑普通钢筋对截面的刚度贡献, 进行了截面配筋设计, 同时考虑纵向钢筋和抗剪钢筋。预应力钢筋设计参照设计方案。

UHPC+ECC盖梁方案中, ECC层和UHPC层采用双单元共节点的方法建模, 2种材料通过合理设置偏心共同参与受力。钢-UHPC组合盖梁方案中, 钢板和UHPC层采用双单元共节点的方法建模, 2种材料通过合理设置偏心共同参与受力, 形成有效组合。

参照上述设置, 依据算例工程的实际截面建立盖梁墩柱计算模型, 如图 7所示。在墩柱底面设置固结边界条件, 在承台底面设置水平约束边界条件。盖梁采用变截面单元模拟实际截面变化情况。恒荷载包括主梁自重、盖梁自重等, 活荷载包括车道荷载、车辆荷载等。分别计算标准组合和基本组合下的盖梁内力及应力水平。钢-UHPC组合盖梁方案^[21]在本团队此前报道中已进行过计算分析, 应力安全冗余度水平为1. 14, 计算细节此处不再赘述。

图 7 盖梁有限元分析模型 Fig. 7 Finite element analysis model of cap beam

图选项

作为对照组, 经过计算分析, 可从Midas计算结果中提取普通预应力混凝土盖梁在基本组合下的弯矩分布, 如图 8所示, 应力响应如图 9所示。盖梁根部承受的最大弯矩值为31 184 kN· m。盖梁顶部混凝土基本均处于受压状态, 最大拉应力不超过1 MPa。盖梁底部混凝土最大压应力为16. 8 MPa, 应力安全冗余度水平为1. 33。盖梁根部承受剪力为9 785 kN, 抗剪承载力设计值为39 207 kN, 具有较高的安全储备。

图 8 普通混凝土盖梁弯矩分布(单位: N· mm) Fig. 8 Bending moment distribution of ordinary concrete cap beam (unit: N· mm)

图选项

图 9 普通混凝土盖梁混凝土应力(单位: MPa) Fig. 9 Stress of concrete of ordinary concrete cap beam (unit: MPa)

图选项

该计算结果与背景工程中盖梁的设计计算结果进行了检验校核, 模型有效性得到了验证。后续模型在此模型的基础上调整相关参数设置得到。

经过计算分析, 可从Midas计算结果中提取盖梁在基本组合下的弯矩分布, 如图 10所示, 应力响应如图 11所示。盖梁根部承受的最大弯矩值为30 505 kN· m。由于采用ECC混凝土后可不用验算裂缝宽度, 所以可适当放松对盖梁顶部混凝土的拉应力控制, 并减少预应力钢筋的布置, 简化施工。盖梁底部混凝土最大压应力为40. 7 MPa, 应力安全冗余度水平为1. 43。盖梁根部承受剪力为8 567 kN, 抗剪承载力设计值为17 291 kN, 具有较高的安全储备。

图 10 UHPC+ECC盖梁弯矩分布(单位: N· mm) Fig. 10 Bending moment distribution of UHPC+ECC cap beam (unit: N· mm)

图选项

图 11 UHPC+ECC盖梁混凝土应力(单位: MPa) Fig. 11 Stress of concrete of UHPC+ECC cap beam (unit: MPa)

图选项

经过计算分析, 可从Midas计算结果中提取盖梁在基本组合下的弯矩分布, 如图 12所示, 内力及应力响应如图 13所示。盖梁根部混凝土承受的最大弯矩值为31 184 kN· m。盖梁顶部混凝土基本均处于受压状态, 最大拉应力不超过1 MPa。盖梁底部混凝土最大压应力为16. 8 MPa, 具有较高的安全储备。盖梁根部承受剪力为9 785 kN, 抗剪承载力设计值为39 207 kN, 具有较高的安全储备。

图 12 盖梁弯矩分布(单位: N· mm) Fig. 12 Bending moment distribution of cap beam (unit: N· mm)

图选项

图 13 盖梁ECC混凝土应力(单位: MPa) Fig. 13 Stress of ECC concrete of cap beam (unit: MPa)

图选项

结合工程算例, 综合对比所提出的预应力混凝土盖梁方案、UHPC+ECC盖梁方案、钢-UHPC组合方案^[21], 各方案的自重、盖梁高度、材料成本估算、施工难度等情况如表 3所示。现有的常规预应力混凝土盖梁显然无法满足快速装配施工需要的整体吊装自重要求。引入UHPC材料后可极大降低盖梁自重, 并可实现盖梁整体吊装。针对空心UHPC盖梁进行进一步优化, 将顶部混凝土替换为ECC或增加钢顶板均可减少预应力钢筋的数量, 并且降低盖梁材料成本。在所有方案中, 钢-UHPC组合盖梁的吊装重量最轻, 在盖梁吊装重量限值比较严格时, 可采用钢-UHPC组合盖梁方案。

如表 3所示, 各方案的成本估计仅考虑材料成本。实际采用高性能混凝土盖梁方案之后, 通过降低自重、方便运输、加快施工、提高耐久性等, 将为整个工程在全寿命周期节约更多的成本。所以, 结合实际工程需求分析, 本研究提出的高性能混凝土盖梁优化方案在桥梁工程中具有实际应用价值。

针对背景工程的设计条件, 结合算例分析, 目前在预应力混凝土盖梁方案的基础上, 引入高性能混凝土材料UHPC和ECC, 提出了新型的全ECC盖梁方案、UHPC+ECC盖梁方案等。通过数值分析及与之前提出的钢-UHPC组合盖梁方案对比, 目前形成的主要结论如下:

(1) 使用UHPC替代普通混凝土可显著改善盖梁的受力性能, 并且减小盖梁的截面, 降低盖梁的自重。引入UHPC后盖梁自重有望控制在吊装能力限值范围内。

(2) 在盖梁顶部采用ECC可避免验算裂缝宽度, 进一步降低对预应力的需求, 从而实现简化盖梁构造、降低盖梁制造成本的目的。

(3) 采用钢-UHPC组合形式的盖梁可进一步优化盖梁截面, 初步试算结果显示, 组合形式的盖梁可实现最小的吊装重量, 在吊装能力极其有限的情况下, 可优先考虑采用组合结构形式的盖梁。

(4) 虽然本研究中提出的高性能混凝土盖梁方案在材料成本方面不占优势, 但考虑到其在制作、施工、运营期等全寿命周期中带来的成本节约, 将有望在装配式桥梁中得到推广应用。

在后续研究工作中, 可根据上述理论对比分析结果, 设计相应的结构试验, 对各新盖梁方案的性能进行进一步验证, 同时对于墩柱盖梁节点区域的受力性能也应进行更多的测试研究。