陜西土木建筑網(wǎng)首頁 > 學(xué)術(shù)研究 > 課題研究 > 活性粉末混凝土低高度梁設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

摘要：為了研究活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，簡稱RPC)橋梁的設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法，對(duì)一跨20mRPC低高度T形梁進(jìn)行設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和理論研究。...

活性粉末混凝土低高度梁設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

閏志剛  季文玉  安明喆

 北京交通大學(xué)　北京100044

引言

    當(dāng)前，在我國交通運(yùn)輸工程的建設(shè)中，橋梁結(jié)構(gòu)占據(jù)的比例有很大的提高，尤其對(duì)低高度梁的需求日益增加。隨著車速的增加，橋梁的沖擊系數(shù)增大，橋梁設(shè)計(jì)對(duì)橫向、縱向的剛度也有更高的要求。普通混凝土由于其材料性能的局限性，使超低高度梁的應(yīng)用受到一定的限制，因此需要研制開發(fā)新型的混凝土以滿足工程需要。活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，簡稱RPC)具有高強(qiáng)度、高耐久性、高延性等特點(diǎn)，在加拿大、日本、韓國、克羅地亞、澳大利亞、新西蘭等國家已經(jīng)有很多的工程應(yīng)用實(shí)例[3-6]，主要工程包括人行天橋、拱橋、橋面板以及工程防護(hù)板等。北京交通大學(xué)在1997年就開始了對(duì)RPC的研究工作，根據(jù)所研制的RPC設(shè)計(jì)了人行道板和支架體系，現(xiàn)已應(yīng)用在青藏鐵路和北京五環(huán)路上。RPC優(yōu)異的材料特性使其在低高度梁的應(yīng)用上具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)[9-11]，但是目前還沒有相應(yīng)的RPC橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)理論，對(duì)于所采用的RPC橋梁設(shè)計(jì)方法還需要通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。因此，本工作組考慮RPC優(yōu)良的材料特性，設(shè)計(jì)、制作了20m跨度的RPC預(yù)應(yīng)力T形梁，并對(duì)其變形特性、抗裂性能、抗彎極限承載力等進(jìn)行了試驗(yàn)和理論研究，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性。

1、梁體設(shè)計(jì)

    1.1RPC材料特性

    RPC是通過提高其組分的細(xì)度與活性，使材料內(nèi)部的缺陷(孔隙與微裂縫)減到最少，并摻入短鋼纖維，從而獲得超高強(qiáng)度、高耐久性與良好的韌性。根據(jù)各個(gè)組成成分的不同比例和不同的施工工藝，可以配制出不同強(qiáng)度級(jí)別的RPC。北京交通大學(xué)根據(jù)配合比優(yōu)化試驗(yàn)和理論分析研究，在蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下配制了200MPa級(jí)RPC(RPC200)，其組成成分見表l，其基本力學(xué)性能見表2。

表1 RPC200組成成分表 (kg/m³)

表2 RPC200力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

    1.2 RPC梁體設(shè)計(jì)

    本文研究的低高度RPC橋梁是根據(jù)遷曹鐵路某車站附近的線路條件進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其截面尺寸受到限制，故設(shè)計(jì)中參考了普通混凝土低高度梁的截面尺寸，設(shè)計(jì)中對(duì)配筋數(shù)量進(jìn)行了調(diào)整。盡管如此，作為國內(nèi)第一跨RPC鐵路橋梁，其研究對(duì)于RPC橋梁的設(shè)計(jì)仍具有重要的借鑒意義。

    該橋梁跨度為20m，梁高為l.35m，高跨比為1/14.8。跨中至距離梁端3．55m截面范圍內(nèi)的梁段，腹板厚0.18m；距梁端0.87m長度范圍內(nèi)腹板采用1.06m，中問2.68m范圍內(nèi)腹板厚度從0.18m到1.06m呈線性變化。

    在設(shè)計(jì)中，RPC梁的設(shè)計(jì)荷載為鐵路中一活載，道砟及線路設(shè)備等二期恒載取q2=22.84kN/m(單片梁)。根據(jù)擬定的截面尺寸，計(jì)算了跨中、L/4截面以及變截面的內(nèi)力情況，見表3。

表3各截面彎矩、剪力計(jì)算表

 

    由于RPC材料抗壓強(qiáng)度較高，當(dāng)受拉鋼筋達(dá)到設(shè)計(jì)計(jì)算強(qiáng)度時(shí)，RPC材料很難達(dá)到極限抗壓強(qiáng)度，即σp=fp，σc，其中σp和fp 分別為預(yù)應(yīng)力鋼筋的拉應(yīng)力和極限抗拉強(qiáng)度，σc和fc分別為受壓區(qū)RPC的壓應(yīng)力和極限抗壓強(qiáng)度。因此，在RPC梁的破壞模式中，受壓區(qū)混凝土應(yīng)力可簡化為三角形，受拉區(qū)只考慮鋼筋受拉，暫不考慮RPC材料的抗拉強(qiáng)度，見圖1。

圖1單片T梁截面計(jì)算簡圖(mm)

    根據(jù)圖1和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論對(duì)梁進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力鋼筋和普通鋼筋的設(shè)計(jì)計(jì)算，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用765鋼絞線，極限抗拉強(qiáng)度為l860MPa，錨下控制應(yīng)力取1300MPa。非預(yù)應(yīng)力鋼筋采用HRB335鋼筋，其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為335MPa。每片梁共布置了6束6—7Φ5鋼絞線，l6根Φ25的HRB335鋼筋，梁體跨中和端部截面尺寸及鋼筋布置見圖2～圖4。

    根據(jù)以上荷載、截面尺寸以及配筋情況，對(duì)RPC梁進(jìn)行了相關(guān)內(nèi)容的驗(yàn)算，本文中根據(jù)需要，僅列出了RPC梁的極限承載力、抗裂性以及靜活載撓度的驗(yàn)算結(jié)果，見表4。

表4 RPC梁驗(yàn)算結(jié)果

    本試驗(yàn)梁采用后張法施工工藝，縱向預(yù)應(yīng)力管道采用塑膠管成孔，兩端張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線，計(jì)算得到預(yù)應(yīng)力損失平均值為284.74MPa，則有效預(yù)應(yīng)力平均值為l015.26MPa，計(jì)算抗裂性安全系數(shù)時(shí)采用了該有效預(yù)應(yīng)力的平均值。

 

圖4梁體俯視圖(半跨)(1nln)

2、試驗(yàn)方案

    2.1試驗(yàn)儀器設(shè)備

    (1)應(yīng)變的測量主要采用紙基電阻絲應(yīng)變片，電阻值為119±0.2Ω，靈敏系數(shù)為2.02±0.6％。

    (2)撓度的測量采用滿量程為50mm的SDT型應(yīng)變式位移傳感器，靈敏系數(shù)為2.0。

    (3)數(shù)據(jù)采集采用TVl3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及 XL2118C型力和應(yīng)變綜合參數(shù)測試儀。

    (4)加載設(shè)備采用三臺(tái)YQ-200型油壓千斤頂，每臺(tái)千斤頂?shù)钠鹬啬芰��?/span>200t。

    (5)荷載傳感器采用BHR-4型荷重傳感器。

    2.2加載設(shè)計(jì)

    在試驗(yàn)加載設(shè)計(jì)時(shí)，參照了《預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋簡支梁靜載彎曲試驗(yàn)方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》,加載示意圖見圖5。

 

圖5加載點(diǎn)布置示意圖(m)

表5各加載級(jí)別下跨中彎矩及荷載值表

 

    在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)計(jì)加載分為兩個(gè)循環(huán)階段，但是在試驗(yàn)過程中，由于橋梁廠試驗(yàn)用地錨支架承載力不足需要加固，所以當(dāng)?shù)诙�循環(huán)加載階段施加荷載到1.8倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，中斷了試驗(yàn)，在地錨支架經(jīng)過加固后，重新進(jìn)行了第二階段循環(huán)加載試驗(yàn)，故在本文中，將試驗(yàn)加載分為三個(gè)階段：

    第一循環(huán)加載階段：首先施加荷載到l.0倍設(shè)計(jì)荷載，然后卸載到初始狀態(tài)；

    第二循環(huán)加載階段：施加荷載到l.8倍設(shè)計(jì)荷載，然后卸載到初始狀態(tài)；

    第三循環(huán)加載階段：施加荷載到2.0倍設(shè)計(jì)荷載，然后卸載到初始狀態(tài)。在加載過程中，由于各個(gè)千斤頂?shù)耐屏χ迪嗷ビ绊懀�其推力值很難達(dá)到和設(shè)計(jì)加載值完全一致，所以實(shí)際加載數(shù)值大小和計(jì)劃加載略有區(qū)別，在計(jì)算分析時(shí)以實(shí)測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，加載照片見圖6.

 

圖6 RPC梁加載照片

    2.3試驗(yàn)測點(diǎn)布置

    本文涉及的應(yīng)變片用于測量跨中下翼緣的應(yīng)變情況，跨中應(yīng)變片的布置見圖7中A-2和A-3。位移計(jì)主要用于測量梁體跨中撓度，在跨中底面布置兩個(gè)位移計(jì)，分別放置在跨中截面底部的兩側(cè)，見圖7中D-1、 D-2。兩片梁的應(yīng)變片和位移計(jì)布置方式相同。

圖7跨中應(yīng)變片和位移計(jì)布置圖

3、試驗(yàn)結(jié)果分析

    3.1跨中變形分析

    在試驗(yàn)加載時(shí)記錄了梁體的應(yīng)力及撓度情況，在計(jì)算跨中位移時(shí)，用跨中實(shí)測位移扣除了端部沉降的影響，從而得到梁體跨中兩側(cè)面的實(shí)測位移，為在圖中表達(dá)方便，本文中僅給出各個(gè)循環(huán)加載階段的平均位移隨梁體跨中彎矩的變化情況，見圖8。

 

圖8跨中彎矩平均位移曲線

    從圖8彎矩一平均位移曲線中可以看出，對(duì)于三個(gè)階段的加載測試，兩片梁的撓度測量結(jié)果符合良好。第一循環(huán)的測試曲線呈線性狀態(tài)：Ⅱ號(hào)梁的線性相關(guān)系數(shù)為0.9995，12號(hào)梁的線性相關(guān)系數(shù)為0.9980，說明梁體保持著良好的線彈性變形狀態(tài)。在扣除恒載以及加載設(shè)備的自重影響后，計(jì)算求得等效靜活載撓度值為9.815mm，與設(shè)計(jì)計(jì)算撓度值9.06mm符合較好，其撓跨比為1/2038，符合規(guī)范。對(duì)梁體豎向剛度的要求；在第二循環(huán)加載階段，測試位移曲線與第一循環(huán)測試曲線基本位于一條直線上，Ⅱ號(hào)梁的線性相關(guān)系數(shù)為0.9970，12號(hào)梁的線性相關(guān)系數(shù)為0.9997，說明在第二循環(huán)加載階段，梁體基本處于彈性變形階段：在第三循環(huán)加載階段，梁體剛度有所下降，但是下降幅度不大，其線性相關(guān)系數(shù)ll號(hào)梁大小為0.9914，12號(hào)梁大小為0.9930，說明在第二階段的加載過程中，梁體內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)了微觀裂縫，導(dǎo)致梁體剛度有所降低。

    3.2跨中應(yīng)變分析

    下面對(duì)下翼緣應(yīng)變隨荷載變化規(guī)律進(jìn)行分析，跨中彎矩一下翼緣平均應(yīng)變曲線見圖9。

圖9跨中彎矩下翼緣平均應(yīng)變曲線

    從圖9中可以看出，兩片梁的測試結(jié)果基本一致。在第一循環(huán)加載階段的測試結(jié)果中，梁體下翼緣的應(yīng)變基本處于彈性狀態(tài)；第二和第三循環(huán)加載階段的測試結(jié)果比較相似，當(dāng)加載從零到l.2倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，梁體下翼緣的應(yīng)變基本呈線性變化，在繼續(xù)增加荷載時(shí)，梁體的應(yīng)變表現(xiàn)出了非線性特性，說明梁體進(jìn)入了非線性狀態(tài)。

    3.3裂縫分析

    當(dāng)施加荷載到第二階段的后期，梁體下翼緣底面可見微裂縫，由此可知，梁體的抗裂性安全系數(shù)為l.6～1.8，梁體的抗裂性能滿足規(guī)范要求；當(dāng)梁體加載達(dá)到2.0倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，裂縫數(shù)量增多并有所擴(kuò)展，此時(shí)記錄了11號(hào)和l2號(hào)梁體的裂縫分布情況，由于11號(hào)和12號(hào)梁體的裂縫分布規(guī)律相似，在此僅列出ll號(hào)梁體的裂縫分布圖，見圖10。當(dāng)卸載后，梁體上的裂縫全部閉合。

    從圖l0可以看出，裂縫主要集中在梁體跨中附近的腹板上，裂縫比較密集且相互獨(dú)立，裂縫寬度很小，最大裂縫寬度約為0.2mm；下翼緣和底面的裂縫很少，底面上只有兩條可見裂縫，其寬度約為0.5mm，且并未貫穿底面，這和普通混凝土梁破壞時(shí)的裂縫分布規(guī)律是不同的。對(duì)高強(qiáng)鋼筋混凝土梁的裂縫分布規(guī)律進(jìn)行了研究，對(duì)于11號(hào)梁，當(dāng)荷載為600kN、1200kN和1700kN(破壞)時(shí)，其裂縫分布見圖11。

 

 

圖11文獻(xiàn)[15]中裂縫擴(kuò)展模式圖

    從圖l0和圖ll的對(duì)比可以看出，二者的裂縫分布有本質(zhì)區(qū)別：高強(qiáng)鋼筋混凝土梁的裂縫分布是從梁底部向上擴(kuò)展，分布均勻且貫穿梁體受力面；RPC梁當(dāng)荷載達(dá)到2.0倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，沒有貫穿受力斷面的裂縫，且裂縫主要相對(duì)獨(dú)立的分布在腹板處，梁體遠(yuǎn)未達(dá)到極限承載力狀態(tài)。而RPC梁腹板處的微裂縫也不是由于梁體破壞引起的，是由于在施工中養(yǎng)護(hù)措施不完善引起的溫度裂縫，在后面梁體的施工中，已經(jīng)對(duì)養(yǎng)護(hù)措施進(jìn)行了改進(jìn)。

4、有限元計(jì)算分析

    在對(duì)RPC梁進(jìn)行加載試驗(yàn)的過程中，梁體主要處于彈性階段，所以本分析中僅對(duì)梁體做線彈性分析，將跨中下翼緣的撓度和應(yīng)變計(jì)算結(jié)果與加載階段一的測試結(jié)果進(jìn)行比較。

    本試驗(yàn)中的T形梁采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析。在建模時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼絞線和普通鋼筋用LINK8桿單元進(jìn)行模擬，混凝土單元利用SOLID45八節(jié)點(diǎn)塊單元進(jìn)行模擬，對(duì)于普通鋼筋，在建模時(shí)，鋼筋和混凝土可以采用共同的節(jié)點(diǎn)，考慮了鋼筋和混凝土之間的黏結(jié)作用；由于采用了后張法預(yù)應(yīng)力施工工藝，所以預(yù)應(yīng)力鋼筋和混凝土之問在沿梁長方向是可以發(fā)生相對(duì)移動(dòng)的，其他方向則需要進(jìn)行耦合，只有在端部進(jìn)行固定。鋼筋和混凝土的材料特性采用與試驗(yàn)梁材料相同的數(shù)值，建模后的有限元模型見圖12。

 

圖12 RPC梁有限元模型

    根據(jù)表5，對(duì)梁體有限元模型的相應(yīng)位置進(jìn)行加載，通過彈性分析，得到在1.0倍設(shè)計(jì)荷載計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比情況見表6。

表6 1.0倍設(shè)計(jì)荷載作用下計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

 

    從有限元分析與試驗(yàn)測試結(jié)果的對(duì)比可以看出，試驗(yàn)測試結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果基本吻合，其中，撓度的測試值和有限元計(jì)算值最大誤差僅為0.8％，說明所建模型能夠體現(xiàn)梁體的實(shí)際受力狀態(tài)，也驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5、RPC梁經(jīng)濟(jì)性分析

    與普通混凝土的配合比不同，RPC在材料組成成分中用石英砂代替了粗骨料，并增加了鋼纖維，從而使RPC的結(jié)構(gòu)致密、強(qiáng)度增大，各方面性能得以提高，同時(shí)也使其價(jià)格變得十分昂貴，每立方米RPC大約為5000元人民幣。對(duì)于沒有特殊需求的常規(guī)高度混凝土梁，若采用RPC，其工程造價(jià)比較昂貴，無法滿足經(jīng)濟(jì)性要求，但是RPC仍然具有廣闊的應(yīng)用前景：

    (1)隨著行車速度的提高，采用普通混凝土已很難設(shè)計(jì)出滿足使用要求的低高度梁，尤其是對(duì)既有線橋梁進(jìn)行提速改造時(shí)，其建筑高度受到限制，此時(shí)采用RPC則可以滿足工程設(shè)計(jì)需要。

    (2)目前RPC橋梁的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法并不完善，其設(shè)計(jì)偏于保守，導(dǎo)致RPC用量較大，因此需要對(duì) RPC的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行研究，對(duì)梁體設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而降低工程造價(jià)。

    (3)RPC具有很好的耐久性能，可以降低橋梁的養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，所以RPC橋梁的綜合成本可以得到進(jìn)一步地降低。

6、結(jié)論

    橋梁廠采用與試驗(yàn)梁相同的設(shè)計(jì)，另外生產(chǎn)了l0片梁，目前已經(jīng)應(yīng)用在遷曹鐵路線上，本文對(duì)兩片試驗(yàn)梁進(jìn)行了加載試驗(yàn)研究，并對(duì)其位移以及應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行了線彈性有限元分析，可得到以下結(jié)論。

    (1)該梁承載力安全系數(shù)達(dá)到了2.0，梁體并未達(dá)到極限承載力狀態(tài)，承載力符合規(guī)范需要，并且有較高的安全儲(chǔ)備；梁體的抗裂性安全系數(shù)為l.6以上，抗裂性能滿足要求；在靜活載作用下，梁體的變形為9．815mm，撓跨比為1/2038，符合規(guī)范對(duì)梁體豎向剛度的要求。

    (2)在彈性范圍內(nèi)，有限元分析的應(yīng)力和撓度結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果符合較好，驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

    (3)本文采用簡化的RPC破壞模式(圖1)對(duì)RPC梁的抗彎承載力進(jìn)行了計(jì)算，其跨中截面抗彎承載力安全系數(shù)為2．O7，而在加載試驗(yàn)中，當(dāng)施加荷載達(dá)到2．0倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，梁體尚有較高的安全儲(chǔ)備，說明采用圖l的簡化破壞模式設(shè)計(jì)結(jié)果偏于保守。因此應(yīng)該考慮RPC的抗拉貢獻(xiàn)，重新對(duì)RPC破壞模式進(jìn)行修正，降低RPC的用量，使工程造價(jià)趨于合理。

參考文獻(xiàn)

[1]趙體波，朱渝，周定九．32m超低高度混凝土T梁動(dòng)力性能試驗(yàn)與分析[J]．世界橋梁，2007，(1)：56-59  

[2]項(xiàng)海帆，吳定俊．我圍鐵路橋梁的現(xiàn)狀和展望[J]．鐵道建筑技術(shù)，2001，(2)：1—5

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)

上一篇： 斜索橋面耦合面內(nèi)參數(shù)振動(dòng)實(shí)例研究及參數(shù)分析

下一篇： 廣州新電視塔細(xì)腰段整體模型穩(wěn)定性試驗(yàn)研究