预应力RC-UHPC简支组合箱梁设计.pdf
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1、为改善混凝土箱梁的受力性能,提出预应力RC-UHPC简支组合箱梁新结构。以实际工程中某现浇预应力单箱双室简支箱梁桥为工程背景,开展设计研究,采用预应力RC-UHPC组合箱梁替代原设计的现浇箱梁,通过理论分析和MIDASCIVIL相结合的方式,探讨了此结构的计算方法,并对设计的箱梁进行设计计算,结果表明所设计的新结构的抗弯承载力和最大变形量等均符合现行设计规范的要求。通过对原设计箱梁和新型箱梁的造价、施工便利性、耐久性等方面进行比较,发现所提出的新型箱梁的造价与原设计箱梁较为接近,但其混凝土和预应力筋的用量比原现浇桥减少了4 9.6%和2 1.1%,可采用预制吊装方案,施工方便,且腹板采用的UH
2、PC抗裂性、耐久性均得到明显提高,具有广阔的应用前景。关键词:组合箱桥;预制拼装;RC-UHPC;耐久性;造价中图分类号:TU997文献标志码:B文章编号:10 0 9-7 7 16(2 0 2 3)0 6-0 0 8 9-0 5降低梁体自重所占结构总效应的比重,减轻下部结构0引言负担,改善桥梁的经济指标 13-15。它所具有的优越的超高性能混凝土(简称UHPC)具有抗压强度抗氯离子渗透、抗碳化、抗腐蚀、抗渗、抗冻、耐磨等性高、抗裂性高及低徐变特性等优点11-2 1,已经在桥梁能 16 ,能满足现代桥梁对结构耐久性的要求,延长桥工程中具有广泛的应用 3-4 。国内外学者已经针对这梁结构的使用寿
3、命,减少或免除桥梁后期维护费用,种新型结构开展一些研究,2 0 0 4 年,澳大利亚建造降低全寿命造价。UHPC在桥梁结构中已经得到了广的ShepherdsGullyCreek公路桥 5,采用I型UHPC泛的应用,其中箱形截面的预应力RC-UHPC组合箱主梁,再浇筑普通钢筋混凝土桥面板,是RC-UHPC梁桥由于具有较大的截面抗弯和抗扭刚度,且受力合组合梁桥的早期探索的结构形式;肖国梁、高日等16-7理,应用前景较好。提出了跨径为32 m的RPC-NC组合箱梁的设计方为探讨RC-UHPC组合箱梁的工程应用前景,本案,使得大刚度的全UHPC箱梁对高铁列车运行不文以某单向双室现浇简支箱梁为原型,进行
4、4 0 m预利的问题得以解决;2 0 11年美国爱荷华州建成的应力RC-UHPC简支组合箱梁试设计,对主梁进行各LittleCedarCreek桥 18 采用了RC的I型梁,在其上项验算,及试设计桥和原桥的比较讨论,以研究其在架设预制的UHPC华夫板,板间采用湿接缝连接。实际工程中的可行性。2012湖南大学邵旭东教授科研团队,提出了一种全预制UHPC形梁18 ,在重量、耐久性及施工便利性方面都具有明显的改善;季文玉等 9-1I提出一种RC-UHPC叠合梁,并做了一系列的试验;在马来西亚已建成的9 3座UHPC桥梁中,箱型及T型的UHPC-RC 组合梁是最常用的结构形式,所占比例高达7 2%12
5、 。预应力RC-UHPC组合箱梁,与传统的RC箱梁相比,能减少或减小箱梁受拉区的裂缝和裂缝宽度,能够使结构尺寸得到优化,极大减轻结构自重,收稿日期:2 0 2 2-0 7-0 6作者简介:肖钢(19 9 4 一),男,学士,助理工程师,从事公路工程施工研究工作。1255200277.5A参考线40X2010X20l1.929B参考线56.6,80.220090图1原桥支点截面(单位:cm)1255200.65A参考线B参考线+2009033图2 原桥跨中截面(单位:cm)89.80.箱140204020/线400675337.50337.580X20K20277.580.2,56,690200
6、65200箱80X2040X20609110A参考线1.929B参考线支座中心线A参考线B参考线33.90200200城市道桥与防洪1子预制预应力RC-UHPC试设计1.1工程背景介绍单箱双室现浇简支箱梁桥,跨径为4 0 m,计算跨径为39.9 2 m,梁高2.2 m,桥面宽为12.2 5m,汽车荷载为公路一级。采用腹板和底板变厚度,跨中底板和顶板2 5cm、腹板50 cm,支点底板和顶板4 5cm、腹板8 0 cm,纵桥向变厚长度为16 m。本桥支座采用JZQZ摩擦摆减隔震球形支座,其技术性能和要求满足桥梁球形支座(GB/T179552009)相关规定。支座布置如图3,优化试设计支座布置如图
7、4。0#1#小肖钢,等:预应力RC-UHPC简支组合箱梁设计钢束布置如图6 所示。081000881(a)1/2跨中截面图5试设计横截面图(单位:mm)2023年第6 期结构形式与我国交通部颁布的预应力钢筋混凝土小箱梁标准图中的结构形式一致,以确保每片主梁协同受力。每个箱梁底板布置5个预应力钢束1015.2,间距为16 0 mm,考虑到体内预应力孔道对截面的削弱作用,试设计桥梁采用体外预应力束,737.5150JHPCJHPC3X3137.5=9412.5(b)1/2支点截面12550737.539.92图3原桥支座布置图(单位:cm)1#39.92160图6 试设计梁桥钢束布置图1.4材料选
8、择OUHPC的力学性受材料配合比的影响有较大的图4 优化试设计支座布置图(单位:cm)变化,参照文献活性粉末混凝土(GB/T31387一对预制拼装的简支箱梁桥进行设计,其桥面宽2015),确定UHPC材料的设计指标如表1。为12.2 5m,斜度为0,采用公路桥涵通用设计规范(JTGD60一2 0 15)中规定的汽车荷载I级进行设计,安全等级为一级,安全系数为1.1。1.2设计方案预制拼装RC-UHPC的特点如下:(1)普通钢筋整体绑扎,不单独设置剪力键;(2)预制厂制作构件时,先浇筑普通混凝土,后浇筑UHPC,利用两者接缝强度大于单个构件强度的特点;(3)采用体外预应力的形式,降低了预应力管道
9、对截面UHPC“U”型梁部分的削弱作用,截面UHPC部分仅配置少量构造钢筋。1.3试设计横截面布置试设计将原现浇箱梁改为预制拼装预应力RC-UHPC组合小箱梁桥。考虑到组合梁的整体性设计,采用倒置预制的方式,即先预制普通混凝土桥面板,再预制UHPC的“U型梁部分,利用它们之间的粘结强度大于普通混凝土强度的特点,保证了单个箱梁的整体性;同时,RC桥面板与UHPC“U型梁之间还有钢筋连接。预制完成后将采用机械设备将其翻转,试设计箱梁的跨中及支点处的横截面如图5。主梁中心间距3.137 5m,纵桥向等间距布置5道横隔板,每片主梁之间设有湿接缝,横隔板与湿接缝的表1UHPC材料设计指标弹性模量抗压强度
10、/MPa强度等级E/GPa13043UHPC在承受拉应力时,常表现出硬化特性,即在开裂后依然可以承受拉应力;同时,由于UHPC的抗拉强度约为普通混凝土的4 倍左右,故UHPC在受力阶段常表现为弹性阶段受力,预应力钢绞线及普通钢筋的标准值和设计值是根据我国公路桥梁规范公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(J T G 336 2 一2 0 18)确定,如表2 所示。表2 预应力筋及普通钢筋抗拉强度/MPa弹性模量材料E/CPa预应力筋195普通钢筋2002结构分析2.1模型简介采用MIDASCIVIL2019软件建立原现浇箱梁桥和预制拼装组合梁桥的有限元模型,如图7。原桥90.抗拉强度/MPa
11、标准值设计值标准值设计值9163标准值1 8604007.8设计值12603305.352023年第6 期肖钢,等:预应力RC-UHPC简支组合箱梁设计城市道桥与防洪单梁的梁单元模拟,42 个单元51个节点,试设计桥BEAMDKAGRAN梁为多梁采用梁格法建立模型,40 0 个单元2 13个节点。x0000e+000BR07/LV2b(a)原现浇简支梁模型图7 MIDASCIVIL全桥模型试设计桥梁和原桥均采用JZQZ摩擦摆减隔震球形支座,其技术性能满足桥梁球形支座(GB/T17955一2 0 0 9)中相关规定。在模型中模拟出桥梁支座的实际厚度,采用“刚性连接+弹性连接+固定约束”的形式,约
12、束方向设置按照图3、图4的方式进行约束。试设计主梁之间通过虚拟横梁连接,并按照实际设置横隔板,铺装及活载布置和原桥一致。03622e9004400479150713e-004+图8 原桥恒载作用下弯矩图2.2内力分析原现浇桥和预应力RC-UHPC简支组合试设计桥梁在恒载作用下的弯矩图如图9、图10,因试设计桥梁的截面尺寸大为减薄,恒载作用下的最大弯矩由原桥的5540 3kNm减小至9 7 6 0 kNm,即仅为原桥的17.6%,说明在恒载作用下结构的受力较原桥有很大改善。在汽车荷载作用下,原桥与试设计桥最大弯矩分别14530 kNm与46 18 kNm,即试设计桥梁中单片主梁的最大弯矩为原桥主
13、梁的31.8%。图9 试设计桥恒载作用下弯矩图2.3抗弯承载力验算在作抗弯承载力验算时需做如下假设:(1)构件受力时,截面应变需符合平截面假定,并且UHPC与(b)试设计预应力整体式组合梁桥BEAMDIAGRAM图10 原桥汽车荷载作用下弯矩图图11试设计桥汽车荷载作用下弯矩图普通混凝土之间的黏结效果为理想状态,即未发生滑移位移;(2)受压区RC和受拉区的UHPC的应力图简化为矩形;(3)当中性轴位于翼缘板时,不考虑RC的抗拉强度,受拉侧的UHPC抗拉强度,其拉应力大小取抗拉设计值的0.5倍17 ,即假设fn=kf,其中k=0.5。如图12 所示,极限状态时,当中性轴处于RC部分时:ferb,
14、Bx.=fn(2brt+bhth)+fpyAp+fsyAMu=fpyAphp+fsyA.h-aferb.2xa/2+M,式中:、为等效矩形应力图系数;fer为普通混凝土的轴心抗压强度;b,为翼缘宽度;x为受压区高度;btvtt分别为腹板厚度、高度;bhvth分别为底板宽度、厚度;fryfy分别为预应力筋及普通钢筋的抗拉强度;ApA。分别为预应力筋及普通钢筋的面积;M为极限抗弯承载力;M.为受拉区的抵抗弯矩,按式(3)计算:M,=fnbbt(h-tp/2)+2br t(h-tb-t/2)式中:h为截面高度。b,RCJHPCb图12 极限状态时换算截面的应变、应力分布图极限状态时,当中性轴处于UH
15、PC部分时,有:aferb.Bx.+afeubt(xe-t:)=fpyAp+fn2br(t-h+x)+bhta+f.yA。91(1)(2(3)b&eRC倒角简化UHPC(4)城市道桥与防洪肖钢,等:预应力RC-UHPC简支组合箱梁设计2023年第6 期Mu=fpyA,hp+fsyA,hs-ferb,t(xe-t:/2)-feubt(xc-t)(xe-Bx/2+3t,/2)+M,式中:fcu为UHPC的抗压强度。组合梁主梁高1.8 8 m,跨中顶底板板厚度均为18cm,支点处底板厚2 5cm,顶板厚度不变,腹板由跨中10 cm,其中受拉区的抵抗弯矩:M=f b t(h-+bt(h-x-t
16、)2.4抗剪承载力验算计算斜截面抗剪承载力时,偏保守的不考虑RC的抗剪作用,只计算UHPC的部分的抗剪作用,组合梁的抗剪承载力计算方法参考法国的UHPC规范U l t r a-H i g h Pe r f o r m a n c e Fi b e r R e i n f o r c e d Co n c r e t e-InterimRecommendations(2 0 13)进行计算。计算公式如下:(7)V.=0.24knfasb,efYEV.=Azf.cot V=ArCrtan 式中:V.为斜截面抗剪承载力设计值;V。为配预应力筋的UHPC截面中,斜截面UHPC部分受剪承载力设计值;V为
17、箍筋承载力设计值;V为钢纤维承载力设计值;fck为混凝土的轴心抗压强度标准值;b为截面腹板的宽度;z为弯矩作用下构件的内力臂;ef为承载能力极限状态验算时UHPC抗拉安全系数,取1.45;%为安全系数,可取1.5;kz为荷载或预应力提高系数;As为箍筋截面面积,mm;s为抗剪箍筋间距,,mm;f为抗剪箍筋抗拉强度设计值,MPa;0为主压应力与梁轴线间夹角;t为纤维增强截面的参与抗拉强度,MPa;A为纤维作用面积,mm2.5裂缝宽度验算在进行裂缝宽度计算时,首先做出如下假设:(1)箱梁的截面应变符合平截面假定;(2)假设受拉区UHPC全部参与截面的受力。钢-混凝土组合桥梁设计规范(GB5-917
18、一2013)中给出,在计算截面的应力时,需将组合截面换算成统一的截面,即采用有效弹性模量比来代替弹性模量比,将RC截面换算为UHPC部分的材料,计算公式如下:(11)E。92式中:E为UHPC的弹性模量;E。为RC的弹性模(5)量;为与荷载类型相关的徐变因子;(t,to)为由加载龄期t。计算的时间t的徐变系数。法国UHPC规范给出了计算正常使用极限状态下的UHPC梁的裂缝计算方法,通过计算钢筋与UHPC之间的应变差来计算钢筋位置处的裂缝宽度,然后通过换算的方法换算为UHPC的裂缝宽度,计(6)2Vu=V.+Vs+V算公式如下式:W,=w,(h-xo-x)/(ho-Xo-x)W,=Sr,max(
19、esm,f-Sem,f)8sm,f-8em,f=0ss/Es-fefm/Ec-k(fem,el-fetm)(1/pef+Es/E.)/Es式中:xo为受压区高度;ho为截面有效高度;x为受拉弹性高度;ss为裂缝所在位置的钢筋应力;Es、Ec分别为钢筋、UHPC弹性模量;fetm为UHPC开裂后的应力最大值的平均值,本文取5.6 MPa;fetm,el为(8)UHPC线弹性抗拉强度平均值,本文取5.6 MPa;Pe f为有效配筋率;k,为荷载特征系数,短期荷载取0.6,(9)长期荷载取0.4。2.6组合桥梁结构验算(10)由于基础变位、收缩徐变及温度荷载不会使组合梁产生内力,因此,本文提出的组合
20、箱梁的计算荷载包括自重(一期恒载)、铺装(二期恒载)、预应力荷载、汽车荷载。根据规范公路桥涵设计通用规范(JT G D 6 0 一2 0 15)进行设计荷载组合,并依据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG3362一2 0 18)对主梁进行验算,由计算结果可知,预应力RC-UHPC组合梁桥主梁的承载力、应力和挠度均满足规范相关要求。在极限荷载作用下,本文提出的组合箱梁的最大拉应力值为2.3MPa,而本文采用表2 的材料强度设计值为5.3MPa,安全储备较高。2.7活载挠度挠度验算时,参照公路钢筋混凝土及预应力混凝土设计规范(JTG3362一2 0 18)的第6.5.3条规定,对于预应
21、力混凝土受弯构件,在不计入冲击力的情况下,且汽车荷载与人群荷载的频遇组合下,简支梁所产生的挠度的最大值不应超过计算跨径的1/600。验算后可知,原桥和试设计桥梁在活载作用下的挠度分别为-10.6 mm、-32.1m m,均小于1/6 0 0 即66.5mm,满足要求。预制拼装预应力RC-UHPC试设计桥梁应在满足规范要求的强度和挠度的基础上,以降低主梁高度为宜,以获得较大的桥下净空。(12)(13)(14)2023年第6 期肖钢,等:预应力RC-UHPC简支组合箱梁设计城市道桥与防洪的预应力RC-UHPC组合箱梁的抗弯承载力和最大3讨 论变形量等均符合现行桥梁设计规范的要求。UHPC的抗拉强度
22、约为普通混凝土的5 10 倍以(2)与同等跨径的现浇预应力混凝土箱梁相比,上,将UHPC作为受拉区材料,相对原桥箱梁普通混预应力RC-UHPC组合箱梁的内力降低较多,其恒凝土,能极大改善了箱梁底部的抗裂性能,降低桥梁载弯矩仅为原设计的17.6%左右,汽车荷载作用下在运营期的维修养护成本。原桥箱梁与本文提出的单片主梁的最大弯矩为原桥主梁的31.8%。其腹板组合箱梁的材料用量如表3所示,本文提出的组合和底板采用UHPC抗裂性、耐久性较强的UHPC,因箱梁的造价虽然略高于原现浇桥,但本文提出的组此组合箱梁的受力性能均得到明显提高。合箱梁的自重约为原桥箱梁的46.9%,且单片梁的(3)与整体现浇的预应
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