米乐m6官网登录“强强联合”突破全预制拼装盖梁瓶颈——轻量化全预制

　　当前，预制拼装技术在桥梁上部结构和桥墩等结构已得到广泛应用，但传统的全预制普通混凝土实心盖梁吊装重量可达400t以上，给运输及安装带来很大困难。全钢盖梁虽然重量较轻，但其造价昂贵，且钢盖梁与混凝土桥墩间的钢混结合段处材料刚度相差悬殊，易成为结构体系薄弱点。针对以上瓶颈，研发一种吊装重量轻、经济性好、装配化施工快捷的新型盖梁结构尤为迫切。

　　超高性能混凝土（UHPC）作为新型高性能土木工程材料，其具有超高的抗压强度及良好的耐久性能，抗压强度可达到150MPa以上。高强钢材（一般指屈服强度大于460MPa）具有强度高、韧性好、机械和焊接加工性能优异等特点，充分利用其超强的抗拉性能可大大减轻结构自重。结合UHPC及高强钢材的优异性能，作者提出一种全预制高强钢-UHPC组合盖梁结构的设计方案，充分利用了UHPC超强抗压性能及高强钢超强抗拉性能，实现了盖梁的轻量化和施工的方便快捷。

　　根据大悬臂盖梁的受力特征，作者提出了全预制大悬臂高强钢-UHPC组合盖梁，如图1所示。采用高强钢箱与UHPC板组合的结构形式，将具有优异抗拉压性能的高强钢箱置于盖梁受拉侧及腹板，而将高抗压强度的UHPC底板置于盖梁受压侧，组合盖梁具体的结构布置将结合试验模型设计进行说明。

　　对于大悬臂盖梁，因高度较大，压缩了桥下的净空高度，为此常用半隐盖梁。高强钢-UHPC组合盖梁可以显著降低盖梁高度，从而替代倒“T”形半隐盖梁。六车道大悬臂传统混凝土盖梁（图2a）、倒“T形”半隐盖梁（图2b）及低高度组合盖梁截面（图2c）对比可知，组合盖梁的外露高度与倒“T”形半隐盖梁的外露高度相差不大，低高度组合盖梁在增加桥下净空和满足美观要求的同时，规避了半隐盖梁受力复杂、后期养护不便等缺点。

　　以适用于六车道的32m长大悬臂盖梁为例，将组合盖梁方案与另三种盖梁方案进行技术经济指标的对比，如表1所示。造价方面，组合盖梁较现浇混凝土盖梁略高，但低于其他盖梁方案。而在梁高、重量以及施工周期等方面，组合盖梁均优于其他盖梁方案。另外，组合盖梁进一步降低梁高时，由于钢板厚度会相应增大，重量及造价也会提高，但与现有的盖梁方案相比仍有较大优势。

　　某高速公路改扩建工程，在原高速公路之上，新建6车道高架高速公路，为了尽可能减少施工期对原有公路的影响，采用装配式盖梁十分必要。

　　该工程上部结构按照跨径30m的14片混凝土T梁设计，下部结构拟采用高强钢-UHPC组合盖梁方案，选用Q460钢材，抗拉压强度设计值fd =355MPa，130级UHPC抗压强度标准值fck =92MPa，全长32.448m，悬臂长度11.824m，悬臂根部梁高2.2m，组合盖梁顶面设置2%横坡，内部布置若干横隔板、竖向加劲肋及纵向加劲肋。由于两立柱间跨中弯矩较小，该区域钢顶板较悬臂根部区域钢顶板适当减薄。组合盖梁主要尺寸如图3所示。

　　组合盖梁顶部设置14对支座，经计算，上部结构恒载（主要包括上部结构自重、铺装重量及栏杆自重等）所产生的支座反力如图4所示。

　　采用Midas软件对组合盖梁建立整体有限元计算模型，施加的荷载包括恒载、车辆荷载、温度荷载等产生的支座反力，得到基本组合下跨中钢顶板较薄截面（下文称为验算截面）最大弯矩为75800kN.m，标准组合下应力计算结果见图5。

　　根据《钢-混凝土组合桥梁设计规范》（GB 50914-2013）进行结构验算，标准组合下，UHPC最大压应力44.7MPa0.5 fck=46MPa，钢箱最大拉应力261MPa0.75 fd=266MPa，钢箱最大压应力247MPa0.75 fd=266MPa，均满足要求。另外，在最不利活载频遇组合和准永久组合作用下，悬臂端的最大挠度分别为22.9mm和15.2mm，均小于规范限值，满足要求。

　　采用高强钢材（Q460D）设计制作一片相似比为1:4的例缩尺模型进行试验。试验模型全长为8.112m，两侧悬臂长度均为2.956m；悬臂根部区域钢顶板厚度为14mm，其余钢顶板厚度为10mm；钢腹板厚度为5mm；梁高从悬臂端部的300mm线性变化至靠近悬臂根部的550mm，梁宽为595mm。模型UHPC底板厚度从悬臂端部的38mm线性变化至靠近悬臂根部的100mm，UHPC底板宽为525mm。

　　组合盖梁内部设置了14个横隔板，在每两个横隔板之间的腹板上设置一对竖向加劲肋，且在支座垫板下方设置两道通长的钢顶板纵向加劲肋；试验模型的UHPC底板内部布置一层钢筋网，纵向及横向筋均采用直径10mm的HRB400钢筋；两侧腹板在与UHPC底板的接合面焊接φ10×60mm的栓钉，纵向间距为100mm，竖向间距根据UHPC底板厚度调整；钢底板上焊接φ10×60mm与φ10×35mm的栓钉，纵向间距为100mm，横向间距为75mm。具体试验模型设计参数见图6。

　　组合盖梁UHPC底板材料基体配合比如表2所示。基体中掺入0.2mm×13mm的镀铜光面圆直型钢纤维，体积掺量为2%。试件的主要制作工序如图7所示。

　　对加载过程进行合理简化，将试验模型倒置，采用四点弯曲加载方式，荷载由分配梁传至组合盖梁两墩柱处，使得最不利截面（即悬臂根部之间钢顶板较薄截面）置于纯弯段内，钢墩上的支座布置于组合盖梁第一个横隔板处，加载悬臂长度为2980mm。试验加载装置见图8。

　　测量内容主要包括试验荷载、竖向挠度、钢-UHPC界面滑移、纵向钢筋应变、钢顶板及钢腹板应变、UHPC表面及内部应变等。各测点布置如图9所示。

　　结合试验过程中的观察记录和试验数据分析，确定该模型的受弯破坏过程分为以下主要阶段：①弹性阶段：钢箱与UHPC底板弹性协同受力，刚度基本保持不变；②钢箱屈服阶段：纯弯段最不利截面区域钢顶板最先进入屈服状态，随着荷载继续增大，钢顶板屈服面积逐渐扩大，受拉侧腹板开始屈服，且屈服现象逐渐向着UHPC底板方向发展，结构受压区不断减少，刚度不断降低，荷载在此阶段达到峰值1578kN；③破坏阶段：UHPC底板表面开始出现压溃现象，UHPC碎屑喷出，荷载由峰值荷载突降至1454kN左右，结构进入持荷阶段，持荷维持了约20mm的位移步。继续施加位移，包裹UHPC底板两侧的钢腹板以肉眼可见的速度逐渐屈曲鼓起，钢顶板出现撕裂裂缝，荷载逐渐下降，最终荷载下降至748kN，钢顶板裂缝达到约10mm宽，考虑到安全问题，停止加载。

　　试验模型的荷载-跨中挠度曲线所示。结果表明：①在弹性阶段（OA段），达到弹性极限荷载1100kN，对应弹性极限位移45mm；②在屈服阶段（AB段），荷载仍呈明显的上升趋势；③在破坏阶段（BC段），试验模型的承载能力迅速降低，并达到新的稳定持荷阶段，进一步施加位移后进入下降段；④试验模型破坏时挠度为100.4mm，达到了悬臂长度的1/29.68，展现出良好的变形能力；⑤试验极限荷载对应的最大弯矩为2351kN.m，按照相似比换。