大跨连续刚构桥采用轻质高强混凝土试设计研究 ■郑 勇 （福州市规划设计研究院，福州 ３５０００３） 摘要本文通过主跨２００ｍ的连续刚构桥分别采用普通混凝土和轻质高强混凝土 四种模型进行试设计，对上部结构几何尺寸、预应力筋配束等进行试设计，对四种模型 结构优化与经济指标进行对比分析。 关键词２００ｍ主跨连续刚构桥 高强轻质混凝土 试设计 对比分析 １ 概述 大跨径连续刚构桥中结构自重占总荷载比例较大， 轻质高强混凝土能克服普通混凝土自重过大的缺陷，实 梁结构，箱梁顶宽１２．ＯＯｍ，底宽６．５０ｍ，单侧翼缘板悬 臂２．７５ｍ。主粱０号块长度１０．Ｏｍ，悬臂施工梁段划分为 ３．Ｏｍ、３．５ｍ、４．Ｏｍ三种。中跨合拢段长度２．Ｏｍ，边跨现 现桥梁跨度的进一步提高，使桥梁上部结构轻型化，将 成连续刚构桥发展的新趋势。下面分别对采用普通混凝 土和轻质高强混凝土的四种桥梁模型进行试设计比较， 有关轻质混凝土的相关设计指标参考《轻骨料混凝土桥 梁技术规程》的文件。 浇梁段长度１１．Ｏｍ（包括合拢段２．Ｏｍ）。其它尺寸各模型 不尽相同，分述如下： ＣＣ、ＬＣ０：根部梁高１１．０ｍ，跨中和边跨端部梁高 ３．５ｍ，梁高沿纵向采用２次抛物线变化；底板厚度从跨 中到根部为３０～１ｌＯｏｍ，采用２次抛物线变化；箱梁腹板 厚度基本为４０ｃｍ和６０ｃｍ。 ＬＣ１：根部梁高１０．Ｏｍ，跨中和边跨端部梁高３．Ｏｍ， 梁高沿纵向采用２次抛物线变化；底板厚度从跨中到根 部为３０￣１１０ｃｍ，采用２次抛物线变化；箱梁腹板厚度基 本为３５ｃｍ￣５５ｃｍ。 。 ２技术标准 荷载等级：公路一Ｉ级； 桥面净宽：净１１．０ｍ＋２Ｘ０．５ｍ护栏； 跨径组成：１１０＋２００＋１１０ｍ； 桥高：５０ｍ：地震烈度：６度； 温度荷载：升温２Ｏ℃。降温２５￣Ｃ； 支座沉降：中墩下沉１．５ｃｍ，边墩下沉１．０ｃｍ。 ＬＣ２：根部梁高９．６ｍ，跨中和边跨端部梁高２．４ｍ， 梁高沿纵向采用１．５次抛物线变化；底板厚度从跨中到 根部为２５￣８０ｃｍ。采用１．５次抛物线变化；箱梁腹板厚度 基本为３２ｃｍ和５０ｃｍ。 ４．２上部结构预应力配索 纵向预应力：各模型均采用低松驰钢绞线束，设顶 ３主要材料 混凝土：普通混凝土预应力连续刚构桥（ＣＣ）上 部结构采用Ｃ５５，下部结构采用Ｃ４０；轻质混凝土预应 力连续刚构桥（ＬＣＯ、ＬＣ１、ＬＣ２）上部结构除墩顶０、 １号块及边跨直梁段、中跨合拢段采用ｃ５５￣ｂ，其余均 选用ＬＣ５５，下部结构仍采用Ｃ４０。 预应力钢材：纵横向预应力钢材均符合《预应力混 凝土用钢绞线》（ＧＢ／Ｔ５２２４－２００３）的规定，钢绞线标 板束、下弯柬和底板束，其使用规格情况见表１。 表１ 各模型纵向预应力钢束使用规格 模型 ，、 使用规格 顶板束２１ １５．２４和１９ １５．２４；下弯束２１ １５．２４； 准强度为１８６０ＭＰａ，公称直径为１５．２ｍｍ，公称面积为 １３９ｍｍ２，弹性模量为１．９５ｘｌ０５ＭＰａ，张拉控制应力为 Ｙ￣ＬｃＯ 底板束１２中Ｊ１５．２４ １９０｝１５・２４￣－ｔ］１２０Ｊ１５・２４；下弯束１２ １５・２４； 底板束１２ １５．２４ Ｌｃｌ １３９５ＭＰａ；竖向预应力钢材采用符合国家标准 （ＧＢ１４９９．２—２００７）有关规定的０３２精轧螺纹钢筋，标准 强度为７８５ＭＰａ。 顶板束１９① １５・２４和１２ １５・２４；下弯束ｌ２ １５‘２４； 底板束１２ １５．２４ ４结构主要尺寸及预应力钢束布置 ４．１ 上部结构主要尺寸 Ｌｃ２ 顶板束２１ １５．２４和１２ １５・２４；下弯束１２ ｌ５・２４； 底板柬１９ １５．２４ 各模型均采用竖直腹板的单箱单室预应力混凝土箱 ｒ＿—］ 福建交通科技２０１２年第１期Ｉ ３４ ｌ横向预应力：采用３ １５．２４钢绞线，以７５ｃｍ间隔布 与结构实际受力条件不完全一致，因此计算所得主拉应 置．交错单端张拉锚固。 力应尽量较小以保证结构安全。试设计中通过合理的纵 竖向预应力：采用０３２精轧螺纹钢筋，以５０ｃｍ为间 向及下弯预应力配束，在不计竖向预应力效果时就将主 隔，厚腹板处双肢布置，薄腹板处单肢布置。 拉应力控制在较小值范围内；计人竖向预应力影响后， ４．３下部结构 整个主梁的主拉应力将很小，从而能保证主梁斜截面的 各模型下部结构相同，均采用双薄壁箱形墩，两薄 安全可靠。 壁墩墩中心距６．５ｍ，单箱横桥向宽６．５ｍ，纵桥向宽 本试设计各模型在不计竖向预应力时，主梁最大主 ２．５ｍ．横桥向壁厚５０ｃｍ，纵桥向壁厚５０ｃｍ。 拉应力情况：各模型中的组合Ｉ的最大主拉应力范围为 ５上部结构计算 １．７６～１．８４ＭＰａ，小于容许主拉应力２．６２ＭＰａ；组合Ⅱ、 本次试设计因不涉及具体的生产任务，且设计模型 Ⅲ的最大主拉应力的范围为１．７４￣１．８４ＭＰａ，亦小于容许 的墩高较高，相比墩身而言基础的纵向刚度很大，因此 主拉应力２．９５ＭＰａ； 桥墩底面视为固结处理。结构分析采用有限元程序进 以上各模型主梁主拉应力小于容许的主拉应力，且 行，将主梁离散为１３２个单元（单元编号从左至右按顺 尚未计入竖向预应力的影响，当计人此影响后，主梁主 序进行，依次为１－１３２），桥墩离散为４４个单元，限于篇 拉应力将进一步降低，更增大了结构的安全储备。 幅有限未给出结构离散图。 ７试设计成果进行对Ｅ匕分析 ６应力控制 ７．１轻质混凝土的使用对主梁尺寸的影响 ６．１正应力上限控制 表２￣５分别给出了各模型主梁主要尺寸的比较，从 根据《桥规》，在使用荷载作用下，预应力混凝土构件 中可见轻质混凝土的使用可大大减小主梁尺寸。我国普 的法向应力（扣除全部预应力损失）应符合下列规定： 通混凝土连续刚构桥根部梁高与跨径之比多在１／１５￣１／ 荷载组合Ｉ：ｏｒ ≤０．５Ｐ．２＝０．５ｘ３９．９＝１９．９５ＭＰａ ２０范围内，使用轻质混凝土后可降低至１／２０．８３，小于国 荷载组合Ⅱ、ｌｉｔ：ｏｒ ≤０．６１＜，ｂ＝ｏ．６Ｘ３９．９＝２３．９４ＭＰａ 外最小高跨比为１／２０．６；跨中梁高与跨径之比多为１／ 本试设计各模型主梁截面最大正应力控制情况：各 ４６．３－１／７３．７，使用轻质混凝土后可降低至１／８３．３３，与国 模型中的组合Ｉ的最大正应力范围为１４．５４￣１７．３８ＭＰａ． 外最小高跨比１／８５．１接近；我国常用底板根部厚度与跨 小于容许正应力１９．９５ＭＰａ；组合Ⅱ、Ⅲ的最大正应力的 径之比大于１／２０７．７，使用轻质混凝土后可降低至１／２５０， 范围为１３．１０＂１９．ＩＯＭＰａ，亦小于容许正应力２３．９４ＭＰａ。 小于国外最小厚跨比１／２４８．３；腹板最小厚度可减小至 以上各模型主梁截面最大正应力均满足规范要求，且 ３２ｃｍ，基本接近国外最小厚度。 从应力云图可以看出各模型主梁截面正应力沿跨径分布 表２各模型根部梁高比较表 较为均匀，显示各模型截面尺寸及预应力配束较为合理。 ６．２正应力下限控制 各模型按全预应力进行设计，设计过程中对混凝土 正应力下限进行控制，限定其大于０使之具有一定压应 力储备。 － 本试设计各模型主梁截面最小正应力控制情况： ＣＣ中各组合最小正应力的范围为０．５１￣２．９８ＭＰａ；ＬＣＯ中 表３各模型跨中梁高比较表 各组合最小正应力的范围为０．４０－１．８７ＭＰａ；ＬＣ１中各组 合最小正应力的范围为０．６４－１．８８ＭＰａ；ＬＣ２中各组合最 小正应力的范围为０．８ １．６４ＭＰａ。 以上各模型最小正应力均接近或大于Ｏ．５ＭＰａ，结 构在使用过程不会出现拉应力，保证了结构安全可靠。 ６．３主拉应力控制 ． 根据《桥规》，在使用荷载作用下，预应力混凝土 表４各模型底板最大厚度比较表 构件的主拉应力应符合下列规定： 荷载组合Ｉ：ｏｒｄ≤Ｏ．８１＜￣ｂ＝ｏ．８ｘ３．２８＝２．６２ＭＰａ； 荷载组合Ⅱ、Ⅲ： ｄ≤Ｏ．９１＜１ｂ＝０．９Ｘ３．２８＝２．９５ＭＰａ。 对分段现浇并分段施加预应力的连续刚构桥而言， 由于施工节段间工作缝的存在，使计算程序的基本假定 圈福建交通科技２０１２年第１期 表５各模型腹板厚度比较表 模 型 腹板厚度（ｃｍ） 国外最小厚厚度（ｃｍ） ＣＣ、ＬＣ０ ４０（跨中）、６０（根部） ＬＣ１ ３５（跨中）、５５（根部） ３０ ＬＣ２ ３２（跨中）、５０（根部） 以上国外最小尺寸皆来自挪威的ＲａｆｔＳｕｎｄｅｔ桥，该 桥宽仅１０．３ｍ，比试设计模型（１２ｍ）小，主跨中间部 分用ＬＣ６０等级的ＨＳＬＣ（密度为１９．５ｋＮ／ｍ３），比试设计 模型（ＬＣ５５，密度２０．５ｋＮ／ｍ３）强度更高，密度更小， 由此可见本文对主梁尺寸进行了比较充分细致的优化， 达到甚至超过了国外水平。若采用质量更好的ＨＳＬＣ （密度更小，强度更高），则主梁尺寸水平￣ＬＲａｆｔＳｕｎｄｅｔ 更加轻型是完全有可能的。 ７＿２轻质混凝土的使用对材料用量及造价的影响 各模型主梁主要的材料用量见表６￣７。从中可见， 轻质混凝土的使用可减小混凝土的用量（ＬＣ２ｉ；ＬＣＣ降 ｆ￥１５．１％）；结构尺寸相同时轻质混凝土的使用可大大降 低预应力钢材用量（ＬＣ０比ＣＣ降低１４．５％）；即使结构尺 寸减小较多，预应力钢材用量仍比普通混凝土桥小 （ＬＣ２为ＣＣ的０．９７３倍）。 表６各模型主梁混凝土及预应力钢材数量表 注：表中混凝土未计横隔板，钢材只计纵向预应力； 混凝土数量以立方米计。 表７各模型主梁主要材料与ＣＣ模型的比值表 轻质混凝土单位造价仅比普通混凝土高约５％－７％， 而轻质混凝土的使用却使混凝土与预应力钢材的用量明 显减小，因此主梁造价将明显降低；加之主梁随着轻质 混凝土的使用和结构尺寸的优化减小，主梁自重将显著 降低（Ｌｃ２比ｃｃ降低２９．９％），在结构自重占总荷载效应 绝大部分的大跨径桥梁中，必将大大减小下部结构及基 础工程量，从而进一步节约工程造价；若再考虑施工节 段重量的减轻可减少挂篮自重以减小悬臂施工难度、或 增大施工节段长度以减少工期的因素，则将愈加节约投 福建交通科技２０１２年第１期圈 资，增大经济效益。根据国外经验，工程总造价一般可 降低１Ｏ％～２０％，且跨径越大投资节约越多。国际著名的 美国林同炎中国公司对我国建筑市场作深入调查研究后 认为，在以普通混凝土为主要结构材料的高层、大跨度 的土木建筑工程中推广轻质混凝土，可使工程造价降低 １０％ｖ２０％，即使国产的高强陶粒一时供不上．不得不采 用进口的轻集料，仍可使工程造价降低５％～１０％。随着 研究开发的不断深入，轻质混凝土的成本必将进一步降 低，轻质混凝土的应用也将进一步带给工程更好的经济 效益。 ８结语 （１）轻质混凝土的使用可减小上部结构尺寸。主梁 根部高跨比可降至１／２０．８３３以下，跨中高跨比可降至１／ ８３．３３３以下，根部底板厚跨比可降至１／２５０，腹板最小厚 度可降至３２ｃｍ。 （２）轻质混凝土的使用可节约上部结构混凝土及预 应力钢材用量，降低工程造价。结构尺寸相同时轻质混 凝土的使用可使预应力钢材用量减少１４．５％；经过尺寸 优化，混凝土用量最多可减少１５．１％；即使结构尺寸减 小较多，轻质混凝土桥预应力钢材用量仍比普通混凝土 桥小。 （３）轻质混凝土的使用可显著降低主梁自重，经尺 寸优化最大可降＂ｆ１￣２９．８％。上部结构重量的减轻一方面 可减小基础工程量，另一方面也可降低施工难度、或可 增大施工节段长度以减少工期，这些将进一步节约工程 投资。 参考文献 【１】马保林编著．高墩大跨连续刚构桥．北京：人民交通出版社， ２００１． ［２】中华人民共和国交通部部颁行业标准．ＪＴＧ Ｄ６０—２００４，公路桥 涵设计通用规范． ［３３］中华人民共和国交通部部颁行业标准ＪＴＧ Ｄ６２—２００４，公路钢 筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范． 【４］中华人民共和国交通部部颁行业标￣ｆｔＪＴＧ Ｄ６３—２００７，公路桥 涵地基与基础设计规范． 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