rpc預(yù)制橋墩在建筑中的應(yīng)用

rpc預(yù)制橋墩在建筑中的應(yīng)用

近年來(lái)，市政橋梁取得了快速發(fā)展。在城市內(nèi)建設(shè)高架橋時(shí),施工場(chǎng)地受諸多限制,如能采用預(yù)制拼裝橋墩,不僅可以將構(gòu)件集中工地或工廠預(yù)制,與基礎(chǔ)施工平行作業(yè),極大地縮短工期,提高建橋速度;并解決了建設(shè)用地難的問(wèn)題,具有較高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。普通混凝土強(qiáng)度低、高強(qiáng)混凝土韌性差以及鋼材耐火耐高溫、耐久性能差和工程造價(jià)高,這些材料上的因素都限制了高架橋拼裝式橋墩的發(fā)展。活性粉末混凝土(ReactivePowerConcrete,簡(jiǎn)稱RPC)是一種新型水泥基復(fù)合材料,它的高韌性、高彈模等特性為其在高架橋預(yù)制橋墩中的應(yīng)用提供了發(fā)展空間,如果能夠證實(shí)RPC材料可以合理的應(yīng)用在高架橋預(yù)制橋墩中,RPC材料將會(huì)極大的推進(jìn)城市高架橋的發(fā)展。本文將探討活性粉末混凝土應(yīng)用于高架橋橋墩的可行性。1混凝土rpc材料活性粉末混凝土是20世紀(jì)90年代初由法國(guó)Richard等研究成功的,具有超高強(qiáng)、高韌性、低脆性、低滲透性以及耐久性優(yōu)異等特點(diǎn)的新型材料。其強(qiáng)度的提高以“高致密水泥基均勻體系”(DSP)為模型,根據(jù)最緊密堆積密實(shí)理論,即通過(guò)提高組分的細(xì)度與活性,使材料內(nèi)部的缺陷(孔隙與微裂縫)減小到最少,以獲得由其組分材料所決定的最大承載力及良好的耐久性和抗?jié)B性。其優(yōu)異的力學(xué)及物理性能是普通混凝土甚至高性能混凝土都無(wú)法相比的。RPC材料得到了許多國(guó)家的高度重視,目前國(guó)外已經(jīng)將它用于實(shí)際工程中,并取得了很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)從1997開始對(duì)RPC進(jìn)行研究,近幾年來(lái),對(duì)RPC材料的配比、性能已經(jīng)有了充分的認(rèn)識(shí),實(shí)驗(yàn)室配制的RPC材料性能已基本穩(wěn)定,抗壓強(qiáng)度可達(dá)100～180MPa,抗拉強(qiáng)度可達(dá)20～30MPa,彈性模量可達(dá)40～60GPa?；钚苑勰┗炷恋娘@著特點(diǎn)是強(qiáng)度極高、韌性大,抗彎折強(qiáng)度尤為高,同時(shí)具有良好的性價(jià)比。用RPC構(gòu)件建造的結(jié)構(gòu)的總造價(jià)并不比普通混凝土結(jié)構(gòu)高,而且還可延長(zhǎng)建筑物的使用壽命。RPC的抗壓強(qiáng)度已與鋼材類似,但平均價(jià)格僅約為鋼材的1/4,加之RPC200可在普通預(yù)拌混凝土運(yùn)送車上或混凝土預(yù)拌廠內(nèi)制備,所以使得這種材料具有極高的推廣和應(yīng)用價(jià)值。RPC的制備工藝要求嚴(yán)格,需在工廠預(yù)制,既有利于建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)的生態(tài)保護(hù),又可以加速施工進(jìn)度,縮短工期;RPC節(jié)省材料,自重小,對(duì)地基的承載力要求低,具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。在高原嚴(yán)寒、干旱少水、建材缺乏地區(qū)采用,具有較高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。2rc橋節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)2.1高架混凝土梁的設(shè)計(jì)試設(shè)計(jì)對(duì)象選定實(shí)際建造的城市高架橋,上部結(jié)構(gòu)是標(biāo)準(zhǔn)的30m跨單室單箱簡(jiǎn)支鋼筋混凝土箱梁結(jié)構(gòu)。由于箱梁整體受力性能好,抗扭剛度大,適合于輕軌中的整體道床。橋墩選用獨(dú)柱T形橋墩,墩頂托盤的存在,在滿足梁部支承需要的前提下,可以減少墩柱的尺寸,節(jié)約圬工,減輕墩身重量。對(duì)既有路面和管線干擾也較小,既降低了造價(jià)又縮短了施工周期。對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)制施工,墩身和托盤作為一個(gè)整體進(jìn)行預(yù)制。承臺(tái)和墩柱的拼接采用后澆筑方式,墩柱直接嵌固于基礎(chǔ)的預(yù)留承插孔內(nèi)。拼裝前,所有連接部位均應(yīng)預(yù)先鑿毛,以利連接。各構(gòu)件就位后,必須先用儀器將各構(gòu)件的位置、標(biāo)高校核準(zhǔn)確后,方能進(jìn)行孔、縫的填塞,以確保構(gòu)件位置的準(zhǔn)確和填縫混凝土的強(qiáng)度及密實(shí)度。在通過(guò)初步檢算的基礎(chǔ)上,綜合考慮設(shè)計(jì)和施工等因素,確定了高架橋混凝土梁及RPC橋墩的主要尺寸,如圖1所示。配筋率取2%。墩身截面采用矩形空心墩,之所以選擇矩形而非圓形截面,主要目的是在同樣的截面面積(即相同的圬工體積)下以獲得更大的抗彎慣矩和剛度,以確保橋墩有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。2.2基本組成數(shù)據(jù)和參數(shù)的價(jià)值2.2.1基本組成數(shù)據(jù)1線路類型城市快速軌道交通線,雙線,線間距3m(平坡、直線區(qū)段)。22結(jié)構(gòu)形式標(biāo)準(zhǔn)梁段采用簡(jiǎn)支鋼筋混凝土單箱單室箱梁結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)澆墩基?；究鐝綖?0m,高架橋的寬度8m,梁高度1.9m。3最大駕駛速度80km/h。4地震強(qiáng)度設(shè)計(jì)烈度7度,場(chǎng)地土類別Ⅱ類。2.2.2設(shè)計(jì)負(fù)荷類型1固定記錄恒載包括梁體結(jié)構(gòu)自重(包括附屬設(shè)備重量)、二期恒載、基礎(chǔ)變位。2活動(dòng)列車活載采用輕軌型,按6節(jié)車輛編組,計(jì)算圖式見(jiàn)圖2。3額外力橫向風(fēng)力、支座摩阻力、制動(dòng)力或牽引力Px、列車橫向搖擺力等。4特殊負(fù)荷主要為地震力、施工荷載等。5縱向力組合原則由于采用無(wú)縫線路,在溫度變化或列車荷載作用下,橋梁與長(zhǎng)鋼軌發(fā)生相對(duì)位移從而產(chǎn)生了較大的縱向水平力,包括伸縮力T1、撓曲力T2、斷軌力T3。其中伸縮力與撓曲力為主力,斷軌力為特殊荷載?？v向力組合原則為總的縱向力不大于全橋扣件總阻力。計(jì)算時(shí)將其作用點(diǎn)移至支座中心處,按以下幾種情況考慮(針對(duì)雙線橋):①取最大值(伸縮力、撓曲力),按主力計(jì)算;②取一線制動(dòng)力加另一線最大值(伸縮力,撓曲力),按主+附檢算,允許應(yīng)力提高25%;③取最大值(一線斷軌力加另一線伸縮力或撓曲力),按主+特檢算,允許應(yīng)力提高45%。2.2.3設(shè)計(jì)參數(shù)12期固定荷載64kN/m(雙線)。21水平傾斜壓力按豎向活載的2.5%計(jì)。3橋道板及列車荷載影響線加載長(zhǎng)度計(jì)算根據(jù)鐵路橋梁檢定規(guī)范規(guī)定,如采用內(nèi)燃機(jī)車,車速不超過(guò)120km/h,則可將設(shè)計(jì)規(guī)范中的沖擊系數(shù)按0.75折考慮,即按1+μ=1+0.75×1230+L1+μ=1+0.75×1230+L計(jì)算,L為列車荷載影響線加載長(zhǎng)度(以m計(jì)),在橋道板計(jì)算時(shí),L為其計(jì)算跨度或懸臂長(zhǎng)度(m)。輕軌交通設(shè)計(jì)車速一般在80km/h之下,故取1+μ=1+0.75×1230+L1+μ=1+0.75×1230+L。42列車懸掛或px牽引按豎向凈活載的15%計(jì)算。5同一橋跨線上出現(xiàn)的荷載由于輕軌高架線路行車密度高,兩車在同一橋跨線上出現(xiàn)的概率遠(yuǎn)比大鐵路高;而且輕軌的設(shè)計(jì)荷載與實(shí)際比較接近。故高架輕軌橋梁兩線加載不宜折減。61上海景閔軌道的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自上海景閔軌道的1.150個(gè)=1%kN/軌,T2=65kN/軌,T3=320kN/軌。2.3正常運(yùn)營(yíng)負(fù)荷下的結(jié)構(gòu)負(fù)荷計(jì)算2.3.1更合理的反應(yīng)截面應(yīng)力和應(yīng)變分布實(shí)體橋墩模型在模擬實(shí)際橋墩的各種特性上,相對(duì)精確、真實(shí),可以更合理的反應(yīng)截面應(yīng)力、應(yīng)變分布狀況。本文利用有限元分析軟件(ANSYS)進(jìn)行分析,橋墩采用三維實(shí)體單元,取基礎(chǔ)以上部分的凈高度,基礎(chǔ)底部的約束按固定端處理。2.3.2正常運(yùn)營(yíng)工況1)RPC200材料性能:抗壓極限強(qiáng)度Ra=180MPa,抗拉極限強(qiáng)度R1=20MPa,抗剪極限強(qiáng)度Rτ=20MPa;彈性模量Eh=4.5×104MPa,泊松比μ=0.2。2)各項(xiàng)檢算主要控制參數(shù):強(qiáng)度安全系數(shù)K≥2,RPC最大壓應(yīng)力σa≤0.5Ra=90MPa,最大拉應(yīng)力σ1≤0.5R1=10MPa,最大剪切應(yīng)力τ≤0.5Rτ=10MPa,最大位移≤40mm。3)根據(jù)高架橋橋墩受力特性,正常運(yùn)營(yíng)情況下共采用10種荷載工況分別進(jìn)行計(jì)算,荷載組合及ANSYS計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知最不利荷載工況為L(zhǎng)CB7。圖3和圖4為墩柱應(yīng)力沿墩高的變化圖。計(jì)算結(jié)果表明,橋墩軸向應(yīng)力沿軸向基本呈線性分布,墩柱與托盤連接之變截面處出現(xiàn)部分應(yīng)力集中。由墩頂至墩底應(yīng)力分布趨向均勻,逐漸增大,最大受壓、受拉截面均出現(xiàn)在墩柱底部。RPC拉、壓應(yīng)力最大值分別為8.08MPa、20.49MPa,滿足強(qiáng)度要求;墩頂最大彈性水平位移9.05mm,滿足行車安全舒適需要。由此可見(jiàn),該橋墩結(jié)構(gòu)在正常運(yùn)營(yíng)荷載作用下處于彈性范圍內(nèi)工作,整體受力性能滿足要求并且有較大的安全儲(chǔ)備;本結(jié)構(gòu)墩高較小,臨界應(yīng)力遠(yuǎn)大于橋墩自身強(qiáng)度,不存在整體和局部穩(wěn)定性問(wèn)題。2.4結(jié)構(gòu)自振特性分析抗震驗(yàn)算采用場(chǎng)地反應(yīng)譜進(jìn)行線性多模態(tài)反應(yīng)譜分析。沿橋梁縱向和橫向分別考慮水平地震和豎向地震的組合,組合時(shí)豎向地震作用取為水平地震作用的2/3。計(jì)算自振頻率時(shí),順橋向的振動(dòng)計(jì)算,不計(jì)活載,只考慮上部結(jié)構(gòu)恒載(包括梁和橋面)的質(zhì)量影響;橫橋向振動(dòng)取上部結(jié)構(gòu)恒載和50%的列車活載。分析中所考慮的自由度數(shù)和振動(dòng)模態(tài)數(shù)可確保在縱向和橫向獲得90%的質(zhì)量參與系數(shù)。取了前十階模態(tài)進(jìn)行組合,因結(jié)構(gòu)兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)的自振周期接近,采用CQC方法進(jìn)行地震作用效應(yīng)計(jì)算。表2列出了橋墩前十階振型的頻率及振型特征。計(jì)算分析結(jié)果表明:順橋向橋墩最大壓應(yīng)力1.13MPa,最大拉應(yīng)力6.17MPa,最大剪切應(yīng)力3.15MPa;鋼筋最大拉應(yīng)力20.81MPa,最大水平位移4.57mm。橫橋向最大壓應(yīng)力1.25MPa,最大拉應(yīng)力5.51MPa,最大剪切應(yīng)力0.694MPa;鋼筋最大拉應(yīng)力19.54MPa,最大水平位移3.26mm,滿足強(qiáng)度和剛度要求。在正常運(yùn)營(yíng)荷載和7度設(shè)計(jì)烈度地震作用下,橋墩材料均處于彈性工作。本設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮箍筋作用,在理論檢算中,結(jié)構(gòu)各方面強(qiáng)度均能滿足設(shè)計(jì)要求。但在實(shí)際中考慮許多不可預(yù)見(jiàn)因素的影響,橋墩震害部位主要發(fā)生在墩底段和截面變化處,建議配置箍筋以增加結(jié)構(gòu)的可靠度。2.5混凝土墩柱受力設(shè)計(jì)條件及荷載與RPC橋墩相同,橋墩墩身混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C35。彈性模量EC=3.3×104MPa;混凝土容許應(yīng)力:彎曲受壓及偏心受壓σb=11.8MPa,有箍筋和斜筋時(shí)的主拉應(yīng)力σtp-1=2.25MPa,純剪應(yīng)力τc=1.25MPa。1)采用與RPC相同規(guī)格的橋墩設(shè)計(jì),驗(yàn)算結(jié)果,最大拉應(yīng)力7.85MPa,最大壓應(yīng)力19.80MPa,最大剪切應(yīng)力7.96MPa,最大水平位移12.79mm,不滿足強(qiáng)度要求。2)墩柱總高度不變,加厚托盤,加大墩柱截面尺寸,采用普通鋼筋混凝土常用實(shí)體墩柱形式,如圖5所示。托盤按構(gòu)造要求配筋,墩柱采用最大配筋率2.5%,主要驗(yàn)算墩柱的受力情況。經(jīng)驗(yàn)算C35墩柱在靜力計(jì)算十種工況下,最不利荷載工況也為L(zhǎng)CB7,混凝土最大壓應(yīng)力5.95MPa,最大拉應(yīng)力2.33MPa,最大剪切應(yīng)力1.15MPa;鋼筋最大拉應(yīng)力10.66MPa,最大壓應(yīng)力30.13MPa;最大位移3.09mm;其余工況下最大拉應(yīng)力為1.83MPa。因?yàn)長(zhǎng)CB7為主力+特殊荷載,其允許應(yīng)力可提高45%,故各工況剛度、強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。但是此設(shè)計(jì)的混凝土用量36.26m3,墩柱截面凈面積3.84m2;而RPC橋墩則為13.22m3,1.08m2;C35與RPC相比,分別增加了1.74、2.56倍。3安全儲(chǔ)備和環(huán)保運(yùn)行分析結(jié)果表明,采用RPC預(yù)制墩代替現(xiàn)澆墩是可行的,模型分析結(jié)果驗(yàn)