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UHPC150大悬臂盖梁设计和受力特性分析

更新时间:2009-03-28

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,简称为UHPC)是一种力学性能超高、耐久性能优异、体积稳定性优良的新型水泥基复合材料,在桥梁工程和建筑工程中得到广泛应用。在现场施工中,自然养护能完全满足具体工程的要求,降低成本,并且操作简便,有利于环境保护。为了探求UHPC的更为广泛的应用途径,在本研究中,以试验的形式将UHPC推广到桥梁盖梁结构中。

盖梁是桥梁结构中的受力部件,起着连接上、下部结构的重要作用,它承受着上部构造的恒载及主梁传递给它的活载效应,并将这些荷载传递给桥墩和基础[1]。为了兼顾桥梁的周边环境和施工速度,设计大悬臂内部挖空率大的盖梁,它是一种很好的施工方案:①大悬臂盖梁能减少桥墩的数量,保证了下部空间有足够的行车宽度和视野;②大挖空率盖梁减轻了盖梁的自重,顺利实现盖梁一次吊装,加快了施工速度。然而,大悬臂和大挖空率的盖梁设计利用普通混凝土是难以实现的[2-5]。因此,将UHPC高性能混凝土推广到大悬臂和大挖空率盖梁当中,就能更为突显其工程价值。

表5数据显示sig=0.000实验组和对照组平均值分别为4.68和1.01,说明两组差距显著,使用移动终端学习词汇的实验者对词汇学习的兴趣明显高于通过传统方式学习词汇的学习者。主要原因是这些学习软件的设计极具趣味性,有多种多样的练习方式,其中包括了真人发音,根据英文选汉语词义,根据汉语选英文单词,选词填空练习,每次练习都会积分升级,具有一定的游戏性质。相比较,传统的词汇学习,学习者只是记忆拼写,没有引发学习者兴趣的练习。

本试验以农新路高架桥UHPC盖梁工程为依托,拟分析新型UHPC150混凝土的材料特性;利用Midas软件,建立UHPC盖梁桥墩模型;计算分析盖梁的内力和应力特性,并且对其进行承载能力极限状态的抗弯计算、正常使用极限状态的应力和变形计算;参考法国规范《AFGC(UHPFRC)》,对其结构进行抗剪计算;并将其与传统混凝土盖梁进行比较,讨论混凝土抗拉强度与盖梁挖空率之间的关系。

本文选择《明清小说研究》发表的论文,作为简要检讨的主要参照。《明清小说研究》是目前惟一主发明清小说兼及其它古代小说研究成果的专业期刊,以“篇不计长短,文不论家门。考证务以翔实见长,论述当以深颖取胜。论难不避,言当有据;评说当新,力戒浮华”(首期《开卷语》)为办刊宗旨,从1985年创办,至2011年第2期已出版整整100期。2001-2011年间共发表论文1058篇(会议综述、书讯、书评等不计),试按各论文的主要题材内容和论述焦点分类统计如下:

1 工程概况

1.1 UHPC盖梁概况

农新路高架桥工程(云山桥~广清高速新华站立交)是云山大道的西段,路线呈东西走向,西接广清高速新华站立交,与新街大道,规划广河、广湛客运专线,在建广清、广佛城际轻轨呈十字型交叉,东止于武广高铁西侧既有云山桥16#墩,路线全长约1.01 km。道路等级为城市主干道,设计行车速度60 km/h;桥梁荷载为城-A级;跨相交道路的桥下净空不小于5 m(掉头车道不小于 3.5 m), 跨铁路的桥下净空不小于6.6 m。

参考文献(References):

农新路高架主线桥第五联盖梁(13#~16#)为空心箱型结构(如图1,2所示),采用UHPC150超高性能混凝土材料整体预制而成,单片盖梁总重150 t,达到了50%的挖空率,可实现盖梁的一次吊装。盖梁高1.20~2.73 m,宽2.0 m,腹板厚度均为30 cm,顶板厚为25 cm,底板在等厚处为30 cm,悬臂端为20 cm;在支座位置处设置了 15 cm 厚的横隔板,与墩身相接处则各设置两道30 cm厚横隔板。为方便压浆套筒(型号:GT40)的设置,桥墩部分有60 cm高墩身与盖梁一起预制。此外,UHPC大悬臂盖梁采用在工厂预制的施工工艺。

通过采用Midas软件进行分析和对UHPC大悬臂盖梁进行计算,得到的结论为:

1.2 UHPC150材料特性

农新路高架主线桥第五联的下部结构采用正常非隐式盖梁,并采用超高性能混凝土UHPC150材料。该材料也称活性粉末砼(Reactive Powder Concrete,简称为RPC)或适用于正交异性桥面板的超高韧性混凝土(Super Toughness Concrete,简称为STC)材料。它是一种由水泥、矿物掺合料、细集料、钢纤维及外加剂等材料或由UHPC150材料制成的干混料。该干混料加水拌合并经凝结硬化后,形成一种具有高抗弯强度、高韧性及高耐久性的水泥基复合材料。UHPC的钢纤维体积含量为2.5%,水胶比宜为0.16~0.22。

  

图1 UHPC盖梁立面图(单位:cm)Fig. 1 Elevation-view of UHPC beam(unit:cm)

  

图2 UHPC盖梁的俯视图和剖面图(单位:cm)Fig. 2 Plan-view and section-view of UHPC bent cap(unit:cm)

盖梁截面很少采用大挖空率形式,而这样的大挖空率形式需要性质很好的混凝土,且大悬臂盖梁的抗剪验算是关键,通常的大悬臂盖梁都是因桥墩和盖梁连接处拉应力较大、出现了裂缝而导致破坏的。通过分析5种挖空形式相近而又有不同的挖空率Midas模型,并计算其在正常使用状态的最大拉应力,得到挖空率与最大拉应力成正比关系,如图8所示。

3) 选用UHPC混凝土设计盖梁能够有效降低盖梁的自重(即截面挖空加大),顺利实现盖梁一次吊装,且方便施工。

UHPC150材料棱柱体抗压强度标准值取为立方体抗压强度的0.6倍,材料分项系数按1.5考虑,抗拉强度按抗压强度的10%考虑,UHPC150具有轴拉应变硬化特性,UHPC150力学性能试验应参照《普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T 50081-2016)》规定的方法进行,立方体抗压强度试验应采用100 mm×100 mm×100 mm立方体试件,加载速率为1.2 MPa/s。混凝土试件强度代表值的确定应符合《混凝土强度检验评定标准(GB/T 50107-2010)》中的规定。UHPC150抗冻等级均设计为F500,抗渗等级均为P40。UHPC150材料的主要设计参数为:立方体抗压强度150 MPa,轴心抗压强度60 MPa(标准值90 MPa),轴心抗拉强度6 MPa(标准值9 MPa),弹性模量45 GPa[6]

2 UHPC大悬臂盖梁有限元模型

为了验证UHPC大悬臂盖梁是否能通过承载能力极限状态的抗弯强度的验算、正常使用极限状态的应力和抗剪强度的验算,本研究建立了模拟农新路高架桥的UHPC盖梁Midas有限元模型,如图3所示。

493 Curative effect of auricular point sticking for SOX chemotherapy-induced nausea, vomiting and diarrhea

  

图3 盖梁有限元模型Fig. 3 Finite element model of bent cap

UHPC盖梁有限元模型共有95个节点,92个单元和3条预应力钢束。盖梁与桥墩采用刚性连接,盖梁上分布8个支座,上部结构传递的力模拟成作用在支座点上的集中力,每个支座受力为162.5 kN,因而,支座上传递力和本身盖梁自重可作为模型恒载。活载采用城-A级移动车辆荷载,3条预应力钢束的分布如图4所示。

  

图4 预应力钢束形状和分布(单位:cm)Fig. 4 The shape and distribution of the prestressed steel(unit:cm)

3 计算结果分析

3.1 UHPC盖梁内力应力结果

UHPC盖梁的计算结果包括:位移、内力及应力分析3部分,其短期效应分析分别如图5~7所示。从图5中可以看出,其最大位移出现在大悬臂端部,最大位移为3.69 mm,由于UHPC混凝土的弹性模量比普通混凝土的大,而混凝土的弹性模量与盖梁结构的位移成反比,因此,利用UHPC制成盖梁的位移较小。大悬臂盖梁与普通形式盖梁的位移形式也不相同,因为普通形式盖梁的最大位移点出现在盖梁跨中。从图6中可以看出,弯矩的最大值出现在桥墩与盖梁连接处外部,为-411 kNm,而且这样的大悬臂盖梁都是反弯矩。从图7中可以看出,最大压应力(5.7 MPa)位置出现在桥墩和盖梁连接处的墩顶上,而最大拉应力(2.7 MPa)的位置出现在桥墩与盖梁连接处上。

  

图5 荷载短期效应位移变形Fig. 5 Deflection diagram of short-term effect.

2) 对盖梁抗剪能力来说,不同挖空率对应不同的抗剪能力。挖空率越大,抗剪能力越差。因而,对于挖空率大的盖梁,应选用高性能混凝土。

  

图6 荷载短期效应组合弯矩Fig. 6 Bending moment diagram of short term effect.

  

图7 荷载短期效应应力Fig. 7 Stress diagram of short term effect.

大悬臂大挖空盖梁是弯剪受力为主的构件,在弯曲应力和剪应力的共同作用下,将产生与梁轴线斜交的主拉应力和主压应力。因混凝土的抗压强度较高,不会被破坏;而盖梁的最大拉应力为2.7 MPa,超过了普通混凝土的。例如:C50混凝土的抗拉强度为2.65 MPa。当主拉应力较大时,则可能使构件沿着垂直于主拉应力的方向产生裂缝,并导致盖梁发生破坏。因此,钢筋混凝土盖梁除应进行正截面强度计算外,还需对其抗剪强度进行计算。抗剪强度的计算是大悬臂盖梁验算的关键。

3.2 UHPC盖梁挖空率分析

  

图8 挖空率与最大拉应力的关系Fig. 8 Maximum tensile stress and hollowed rate

从图8中可以看出,正常使用状态的最大拉应力越大,结构在正常使用过程中越容易发生裂缝。且挖空率越大,盖梁的最大拉应力越大。根据不同的挖空率,选用不同的混凝土,可验算抗剪强度。本试验工程中的试验型超过50%的盖梁,无疑是选用UHPC150混凝土最为合适。

刘:您身上穿的衣服都是您自己绣的吗?单从领口、袖口的做工,就能发现您的匠心所在,您所有衣服的襟边、袖口、领边都会根据个人喜好绣上花边吗?

4 结论

通过农新路的试验盖梁设计可知,其挖空率达到50%以上,这会使盖梁的自重减轻,可实现一次吊装,且加快了桥梁施工速度。然而,这样的设计使用普通的混凝土是不安全的,其原因为:①普通混凝土超过50%挖空率盖梁很难有足够的承载力抵御上部结构的荷载;②大挖空率盖梁容易导致混凝土开裂,使得抗裂验算不能通过。因此,要达到施工和设计要求,必需选用抗拉和抗压强度大的混凝土。

1) 本盖梁设计由于悬臂过大,其弯矩图不显示正弯矩,最大弯矩点出现在桥墩与盖梁连接处。

壮族民族民间中有一种模仿动物青蛙的为主体的舞蹈元素,舞蹈动律主要以弹跳、膝盖部分的颤动、屈膝弯肘。基本特点好似一只活灵活现的青蛙一样,双臂侧平举弯屈,或者一手叉腰,双腿向三七点方向半蹲,一只手弯胳膊肘向下,有一种气势雄壮的神秘特色。在壮族舞蹈作品舞蹈中,也是同样的舞蹈元素,大多舞姿优美,刚劲有力,男生的动作造型多为粗犷型。蚂拐舞中造型与“花山崖壁画”中的造型也有雷同,可见壮族人民审美情趣上的延续性。

结合Midas数值分析的位移、弯矩及应力结果,由《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2012)》要求和UHPC特殊的材料性质可知,UHPC大悬臂承载能力极限状态的最大弯矩526 kN·m在支点上,且小于规范限值;另外,盖梁正常使用极限状态短期效应的拉应力2.7 MPa小于规范值0.7ftk,因而盖梁满足正常使用极限状态抗剪强度的验算。

由图7并根据扫描电镜分析:产品中值粒径在12.28~12.71μm之间波动,产品中值粒径随搅拌速度的增大基本没有改变,产品粒径分布与表面形貌随搅拌速度的增大也基本没有变化。反应结束后取出冷却,数分钟后晶体析出,产物未出现团聚,颗粒大小较均匀,表面形貌完整均呈片状。综合以上诸因素,选择100r/min为最优搅拌速度。

两组治疗总有效率[2] 。疗效判定标准:显效:治疗后,咳嗽、咳痰、喘息等临床症状和体征基本消失,经实验室检查可见炎性病灶基本吸收;有效:各项临床症状和体征得到明显缓解,炎性病灶控制良好;无效:临床症状和身体体征均未出现明显变化,炎性病灶未被吸收,或病情出现严重化趋势。治疗总有效率=显效率+有效率。

[1] 范立础.桥梁工程安全性与耐久性——展望设计理念进展[J].上海公路,2004(1):1-7.(FAN Li-chu.Safety and durability of bridge engineering-progress in the concept of prospect design[J].Shanghai highway,2004(1):1-7.(in Chinese))

[2] 张焕涛.大悬臂盖梁桥梁成桥适用性研究[D].西安:长安大学,2014.(ZHANG Huan-Tao.Study on the applicability of the bridge into large cantilever beam bridge[D].Xi’an:Chang’an University,2014.(in Chinese))

[3] 刘昌义.独柱式大悬臂桥墩在城市桥梁中的应用[J].公路交通科技:应用技术版,2006(5):129-130.(LIU Chang-yi.The application of the single column type large cantilever bridge pier in the city bridge[J].Highway Traffic Science and Technology:Application Technology Edition,2006(5):129-130.(in Chinese))

[4] 赵永军.苏州高架桥大悬臂预应力盖梁施工技术[J]. 铁道勘察,2007,33(2):92-93.(ZHAO Yong-jun.The construction technology for Suzhou viaduct large cantilever prestressed pier-beam[J].Railway Investigation and Surveying,2007,33(2):92-93.(in Chinese))

[5] 杨开屏.高架车站大悬臂预应力盖梁设计探讨[J]. 铁道标准设计,2010(12):103-105.(YANG Kai-ping.The investigation for the large cantilever prestressed pier beam design of elevated station[J].Railway Standard Design,2010(12):103-105.(in Chinese))

砖子说,今晚诗歌朗诵会的几个熟人说,一个陌生的女人给他们打电话,声音甜得腻,说的尽废话,很把这女人嘲讽损笑一番,他们一报号码,气得我差点跳楼。你怎么有他们的号码?说到此,砖子恍然大悟,赵仙童早晨在纸上刷刷点点,原来是抄他手机上的号码。

[6] 夏正兵.UHPC混凝土掺入纳米材料后性能改善研究[J].江苏建材,2016,23(5):18-21.(XIA Zheng-bing.Study on the performance improvement of UHPC concrete mixed with nanomaterials[J].Jiangsu Building Materials,2016,23(5):18-21.(in Chinese))

 
吴薇
《交通科学与工程》 2018年第01期
《交通科学与工程》2018年第01期文献

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