rpc预制桥墩在建筑中的应用

rpc预制桥墩在建筑中的应用

近年来，市政桥梁取得了快速发展。在城市内建设高架桥时,施工场地受诸多限制,如能采用预制拼装桥墩,不仅可以将构件集中工地或工厂预制,与基础施工平行作业,极大地缩短工期,提高建桥速度;并解决了建设用地难的问题,具有较高的社会效益和经济效益。普通混凝土强度低、高强混凝土韧性差以及钢材耐火耐高温、耐久性能差和工程造价高,这些材料上的因素都限制了高架桥拼装式桥墩的发展。活性粉末混凝土(ReactivePowerConcrete,简称RPC)是一种新型水泥基复合材料,它的高韧性、高弹模等特性为其在高架桥预制桥墩中的应用提供了发展空间,如果能够证实RPC材料可以合理的应用在高架桥预制桥墩中,RPC材料将会极大的推进城市高架桥的发展。本文将探讨活性粉末混凝土应用于高架桥桥墩的可行性。1混凝土rpc材料活性粉末混凝土是20世纪90年代初由法国Richard等研究成功的,具有超高强、高韧性、低脆性、低渗透性以及耐久性优异等特点的新型材料。其强度的提高以“高致密水泥基均匀体系”(DSP)为模型,根据最紧密堆积密实理论,即通过提高组分的细度与活性,使材料内部的缺陷(孔隙与微裂缝)减小到最少,以获得由其组分材料所决定的最大承载力及良好的耐久性和抗渗性。其优异的力学及物理性能是普通混凝土甚至高性能混凝土都无法相比的。RPC材料得到了许多国家的高度重视,目前国外已经将它用于实际工程中,并取得了很好的社会效益和经济效益。我国从1997开始对RPC进行研究,近几年来,对RPC材料的配比、性能已经有了充分的认识,实验室配制的RPC材料性能已基本稳定,抗压强度可达100～180MPa,抗拉强度可达20～30MPa,弹性模量可达40～60GPa。活性粉末混凝土的显著特点是强度极高、韧性大,抗弯折强度尤为高,同时具有良好的性价比。用RPC构件建造的结构的总造价并不比普通混凝土结构高,而且还可延长建筑物的使用寿命。RPC的抗压强度已与钢材类似,但平均价格仅约为钢材的1/4,加之RPC200可在普通预拌混凝土运送车上或混凝土预拌厂内制备,所以使得这种材料具有极高的推广和应用价值。RPC的制备工艺要求严格,需在工厂预制,既有利于建设现场的生态保护,又可以加速施工进度,缩短工期;RPC节省材料,自重小,对地基的承载力要求低,具有更强的适应性。在高原严寒、干旱少水、建材缺乏地区采用,具有较高的社会效益和经济效益。2rc桥节点设计2.1高架混凝土梁的设计试设计对象选定实际建造的城市高架桥,上部结构是标准的30m跨单室单箱简支钢筋混凝土箱梁结构。由于箱梁整体受力性能好,抗扭刚度大,适合于轻轨中的整体道床。桥墩选用独柱T形桥墩,墩顶托盘的存在,在满足梁部支承需要的前提下,可以减少墩柱的尺寸,节约圬工,减轻墩身重量。对既有路面和管线干扰也较小,既降低了造价又缩短了施工周期。对桥墩结构进行预制施工,墩身和托盘作为一个整体进行预制。承台和墩柱的拼接采用后浇筑方式,墩柱直接嵌固于基础的预留承插孔内。拼装前,所有连接部位均应预先凿毛,以利连接。各构件就位后,必须先用仪器将各构件的位置、标高校核准确后,方能进行孔、缝的填塞,以确保构件位置的准确和填缝混凝土的强度及密实度。在通过初步检算的基础上,综合考虑设计和施工等因素,确定了高架桥混凝土梁及RPC桥墩的主要尺寸,如图1所示。配筋率取2%。墩身截面采用矩形空心墩,之所以选择矩形而非圆形截面,主要目的是在同样的截面面积(即相同的圬工体积)下以获得更大的抗弯惯矩和刚度,以确保桥墩有足够的强度和稳定性。2.2基本组成数据和参数的价值2.2.1基本组成数据1线路类型城市快速轨道交通线,双线,线间距3m(平坡、直线区段)。22结构形式标准梁段采用简支钢筋混凝土单箱单室箱梁结构。现浇墩基。基本跨径为30m,高架桥的宽度8m,梁高度1.9m。3最大驾驶速度80km/h。4地震强度设计烈度7度,场地土类别Ⅱ类。2.2.2设计负荷类型1固定记录恒载包括梁体结构自重(包括附属设备重量)、二期恒载、基础变位。2活动列车活载采用轻轨型,按6节车辆编组,计算图式见图2。3额外力横向风力、支座摩阻力、制动力或牵引力Px、列车横向摇摆力等。4特殊负荷主要为地震力、施工荷载等。5纵向力组合原则由于采用无缝线路,在温度变化或列车荷载作用下,桥梁与长钢轨发生相对位移从而产生了较大的纵向水平力,包括伸缩力T1、挠曲力T2、断轨力T3。其中伸缩力与挠曲力为主力,断轨力为特殊荷载。纵向力组合原则为总的纵向力不大于全桥扣件总阻力。计算时将其作用点移至支座中心处,按以下几种情况考虑(针对双线桥):①取最大值(伸缩力、挠曲力),按主力计算;②取一线制动力加另一线最大值(伸缩力,挠曲力),按主+附检算,允许应力提高25%;③取最大值(一线断轨力加另一线伸缩力或挠曲力),按主+特检算,允许应力提高45%。2.2.3设计参数12期固定荷载64kN/m(双线)。21水平倾斜压力按竖向活载的2.5%计。3桥道板及列车荷载影响线加载长度计算根据铁路桥梁检定规范规定,如采用内燃机车,车速不超过120km/h,则可将设计规范中的冲击系数按0.75折考虑,即按1+μ=1+0.75×1230+L1+μ=1+0.75×1230+L计算,L为列车荷载影响线加载长度(以m计),在桥道板计算时,L为其计算跨度或悬臂长度(m)。轻轨交通设计车速一般在80km/h之下,故取1+μ=1+0.75×1230+L1+μ=1+0.75×1230+L。42列车悬挂或px牵引按竖向净活载的15%计算。5同一桥跨线上出现的荷载由于轻轨高架线路行车密度高,两车在同一桥跨线上出现的概率远比大铁路高;而且轻轨的设计荷载与实际比较接近。故高架轻轨桥梁两线加载不宜折减。61上海景闵轨道的实测数据来自上海景闵轨道的1.150个=1%kN/轨,T2=65kN/轨,T3=320kN/轨。2.3正常运营负荷下的结构负荷计算2.3.1更合理的反应截面应力和应变分布实体桥墩模型在模拟实际桥墩的各种特性上,相对精确、真实,可以更合理的反应截面应力、应变分布状况。本文利用有限元分析软件(ANSYS)进行分析,桥墩采用三维实体单元,取基础以上部分的净高度,基础底部的约束按固定端处理。2.3.2正常运营工况1)RPC200材料性能:抗压极限强度Ra=180MPa,抗拉极限强度R1=20MPa,抗剪极限强度Rτ=20MPa;弹性模量Eh=4.5×104MPa,泊松比μ=0.2。2)各项检算主要控制参数:强度安全系数K≥2,RPC最大压应力σa≤0.5Ra=90MPa,最大拉应力σ1≤0.5R1=10MPa,最大剪切应力τ≤0.5Rτ=10MPa,最大位移≤40mm。3)根据高架桥桥墩受力特性,正常运营情况下共采用10种荷载工况分别进行计算,荷载组合及ANSYS计算结果见表1。由表1可知最不利荷载工况为LCB7。图3和图4为墩柱应力沿墩高的变化图。计算结果表明,桥墩轴向应力沿轴向基本呈线性分布,墩柱与托盘连接之变截面处出现部分应力集中。由墩顶至墩底应力分布趋向均匀,逐渐增大,最大受压、受拉截面均出现在墩柱底部。RPC拉、压应力最大值分别为8.08MPa、20.49MPa,满足强度要求;墩顶最大弹性水平位移9.05mm,满足行车安全舒适需要。由此可见,该桥墩结构在正常运营荷载作用下处于弹性范围内工作,整体受力性能满足要求并且有较大的安全储备;本结构墩高较小,临界应力远大于桥墩自身强度,不存在整体和局部稳定性问题。2.4结构自振特性分析抗震验算采用场地反应谱进行线性多模态反应谱分析。沿桥梁纵向和横向分别考虑水平地震和竖向地震的组合,组合时竖向地震作用取为水平地震作用的2/3。计算自振频率时,顺桥向的振动计算,不计活载,只考虑上部结构恒载(包括梁和桥面)的质量影响;横桥向振动取上部结构恒载和50%的列车活载。分析中所考虑的自由度数和振动模态数可确保在纵向和横向获得90%的质量参与系数。取了前十阶模态进行组合,因结构两个振动模态的自振周期接近,采用CQC方法进行地震作用效应计算。表2列出了桥墩前十阶振型的频率及振型特征。计算分析结果表明:顺桥向桥墩最大压应力1.13MPa,最大拉应力6.17MPa,最大剪切应力3.15MPa;钢筋最大拉应力20.81MPa,最大水平位移4.57mm。横桥向最大压应力1.25MPa,最大拉应力5.51MPa,最大剪切应力0.694MPa;钢筋最大拉应力19.54MPa,最大水平位移3.26mm,满足强度和刚度要求。在正常运营荷载和7度设计烈度地震作用下,桥墩材料均处于弹性工作。本设计没有考虑箍筋作用,在理论检算中,结构各方面强度均能满足设计要求。但在实际中考虑许多不可预见因素的影响,桥墩震害部位主要发生在墩底段和截面变化处,建议配置箍筋以增加结构的可靠度。2.5混凝土墩柱受力设计条件及荷载与RPC桥墩相同,桥墩墩身混凝土强度等级采用C35。弹性模量EC=3.3×104MPa;混凝土容许应力:弯曲受压及偏心受压σb=11.8MPa,有箍筋和斜筋时的主拉应力σtp-1=2.25MPa,纯剪应力τc=1.25MPa。1)采用与RPC相同规格的桥墩设计,验算结果,最大拉应力7.85MPa,最大压应力19.80MPa,最大剪切应力7.96MPa,最大水平位移12.79mm,不满足强度要求。2)墩柱总高度不变,加厚托盘,加大墩柱截面尺寸,采用普通钢筋混凝土常用实体墩柱形式,如图5所示。托盘按构造要求配筋,墩柱采用最大配筋率2.5%,主要验算墩柱的受力情况。经验算C35墩柱在静力计算十种工况下,最不利荷载工况也为LCB7,混凝土最大压应力5.95MPa,最大拉应力2.33MPa,最大剪切应力1.15MPa;钢筋最大拉应力10.66MPa,最大压应力30.13MPa;最大位移3.09mm;其余工况下最大拉应力为1.83MPa。因为LCB7为主力+特殊荷载,其允许应力可提高45%,故各工况刚度、强度均满足设计要求。但是此设计的混凝土用量36.26m3,墩柱截面净面积3.84m2;而RPC桥墩则为13.22m3,1.08m2;C35与RPC相比,分别增加了1.74、2.56倍。3安全储备和环保运行分析结果表明,采用RPC预制墩代替现浇墩是可行的,模型分析结果验