輕質混凝土用于大跨徑橋梁的研究西部交通建設科技項目管理中心

1、西部交通建設科技項目交通編號：合同號：2002 318 767 31 單位編號：密 級： 分 類 號：輕質混凝土用于大跨徑橋梁的研究研究報告簡本承擔單位：云南省公路科學技術研究所參加單位：云南省公路規(guī)劃勘察設計院清 華 大 學2007年9月輕質混凝土用于大跨徑橋梁的研究研究報告簡本“輕質混凝土用于大跨徑橋梁的研究”為2002年交通部西部交通建設科技項目的招標項目，經(jīng)公開招投標，由云南省公路科學技術研究所、云南省公路規(guī)劃勘察設計院及清華大學（土木工程系）聯(lián)合體中標承擔，承擔單位為云南省公路科學技術研究所。項目研究目的在于針對西部地區(qū)大跨徑橋梁建設和軟基路段、高抗震設防地區(qū)的橋梁建設，采用西部當?shù)?/p>

2、原材料建造輕質混凝土公路橋梁，建立從材料、結構、設計、施工到監(jiān)測監(jiān)控的一整套應用技術，降低結構自重、增大跨越能力、減小基礎荷載、改善結構性能（尤其是抗震性）、節(jié)省工程數(shù)量、降低整體造價。項目的主要研究內容包括五個專題：（1）高性能輕質混凝土的生產(chǎn)、材料性能研究（2）鋼筋及預應力輕質高強混凝土構件力學性能及其長期受荷性能研究（3）輕質高強混凝土公路橋梁設計技術研究（4）輕質混凝土橋梁施工技術及質量控制方法研究（5）輕質高強混凝土實橋試驗驗證依托工程包括：（1）云南安寧至楚雄高速公路14合同程家壩段K149+200.12輕質混凝土預應力連續(xù)剛構跨線橋，跨徑19m+35m+19m。該橋為連接橋梁兩岸

3、廠礦運輸?shù)V料車輛及相關交通的使用要求設計，荷載等級 (汽-20，掛-100)。（2）安楚高速公路第二合同段20m高強輕質混凝土（LC50）足尺梁。主要成果包括：1. 大跨徑橋梁用高強輕質混凝土的生產(chǎn)、材料性能研究（1）采用西部當?shù)卦牧祥_發(fā)并利用當?shù)厣a(chǎn)線生產(chǎn)出兩種高強輕骨料。這兩種輕骨料均采用工業(yè)廢棄物為原料，符合資源節(jié)約型、環(huán)境友好型交通發(fā)展模式的方向。采用云南當?shù)氐拿旱V廢棄物煤矸石，批量中試生產(chǎn)出破碎型、碎石型、圓球型三種高強煤矸石陶粒共120m3；破碎型和碎石型高強煤矸石陶粒的中試產(chǎn)品經(jīng)檢驗，堆積密度800900級，筒壓強度達到8.3 9.0 MPa，達到國家標準GB/T17431.1

4、-1998對高強陶粒的強度要求，1hr吸水率9；靜態(tài)生產(chǎn)成本130元/m3。采用云南當?shù)氐拿旱V剝離土廢棄物，利用現(xiàn)有陶粒生產(chǎn)線進行技術改造，進行40多次中試生產(chǎn)試驗，生產(chǎn)出700級900級、吸水率達到5%、筒壓強度715 MPa的高強粘土陶粒近1450 m3；經(jīng)檢驗滿足國家標準GB/T17431-1998對高強陶粒的要求。圖1 中試生產(chǎn)的破碎型煤矸石陶粒（2）采用上述兩種高強輕骨料和其它西部原材料，配制出LC40LC60的橋用高強輕質混凝土。所配制的高強輕質混凝土坍落度可根據(jù)施工要求在525cm范圍內調節(jié)，含氣量35，干表觀密度18002000級，強度等級LC40LC60，彈性模量（2.02.

5、9）×104 MPa，180d齡期收縮小于0.35mm/m，7d齡期下加載的1年齡期徐變系數(shù)小于1.5。在不考慮輕骨料運輸費用的情況下，LC40LC60輕質混凝土的生產(chǎn)成本比普通混凝土增加150200元/m3。提出配制LC50級以上的橋用高強輕質混凝土的關鍵技術是：采用筒壓強度大于8MPa且級配合理的800900級高強輕骨料、摻加1020硅粉與粉煤灰或礦渣復合的摻合料、采用0.300.35的水膠比、摻加專用泵送劑。（3）搞清了橋用高強輕質混凝土的短期物理力學性能和長期性能，提出供設計采用的材料參數(shù)。研究了強度等級為LC30LC60的輕質混凝土的立方體抗壓強度、軸壓強度、劈裂抗拉強度、

6、彈性模量、受壓和受拉應力-應變全曲線。對輕骨料吸水率、輕骨料品種和混凝土強度等對混凝土收縮和徐變的影響進行了較為系統(tǒng)的試驗研究，持續(xù)時間為2701100天。試驗結果與10個現(xiàn)有的收縮和徐變模型對比表明，現(xiàn)有模型無法準確預測輕質混凝土的收縮和徐變。基于ACI209模型，考慮含水率影響系數(shù)和徐變折減系數(shù)等，提出了高強輕質混凝土收縮和徐變模型，計算值與試驗值吻合較好。（4）研究了輕質混凝土的耐久性，包括抗?jié)B性、氯離子滲透性、抗凍性、堿骨料反應。結果表明與同樣強度等級的普通高強混凝土相比，輕質混凝土具有較好的耐久性。申請并獲批國家發(fā)明專利1項“一種混凝土溫度線性變形自動化測量系統(tǒng)”，專利號200510

7、012299.3。2鋼筋及預應力輕質高強混凝土構件力學性能及長期受荷性能試驗研究（1）完成19根高強輕質混凝土梁、1根普通混凝土梁的抗剪試驗；通過查閱文獻，搜集整理了包括本文試驗在內的62組無腹筋和113組有腹筋砂輕混凝土簡支梁抗剪試驗數(shù)據(jù)，結果表明現(xiàn)行輕質混凝土結構設計規(guī)程(JGJ 12-99)用于高強輕質混凝土梁抗剪設計時，偏于不安全；提出了輕質混凝土無腹筋梁和有腹筋梁的抗剪承載力簡化設計公式。（2）完成3根高強輕質混凝土梁的抗彎試驗，結果表明現(xiàn)行輕質混凝土結構設計規(guī)程(JGJ 12-99)中抗彎承載力公式的計算結果比較準確且偏于安全。（3）完成88個粘結錨固試件的拔出試驗，結果表明，輕質

8、混凝土與變形鋼筋的粘結強度要比相同抗壓強度等級的普通混凝土高約25；完成了2個鋼筋內貼電阻應變片試件的拉拔試驗，提出了鋼筋與結構輕質混凝土粘結滑移的本構模型；并基于此模型用大型有限元分析軟件MSC Marc對鋼筋輕質混凝土的粘結性能進行了數(shù)值模擬計算，與試驗結果吻合良好。（4）完成3根高強輕質混凝土梁和1根預應力輕質混凝土梁1000天的持荷試驗。提出混凝土梁因收縮和徐變產(chǎn)生的附加撓度增大系數(shù)公式，計算結果與本文和文獻試驗結果吻合較好。圖2 不同高強輕質混凝土小梁在荷載作用下的長期撓度（7d加載）（5）完成7根高強輕質混凝土梁、1根LC30低強輕質混凝土梁和1根C50普通混凝土梁1000天的預應

9、力損失試驗，結果表明輕質混凝土梁的預應力損失比普通混凝土梁的預應力損失高約18，根據(jù)輕質混凝土橋規(guī)和混凝土結構設計規(guī)范的預應力損失計算結果偏于不安全。完善了輕質混凝土收縮和徐變導致的預應力損失的計算公式，計算結果與試驗結果吻合較好。（6）基于纖維模型用Fortran 90語言編寫了混凝土和預應力混凝土桿系結構長期性能的分析程序TDAP，可考慮收縮、徐變、預應力損失以及抗壓強度和彈性模量隨時間變化等因素，計算結果與試驗結果基本吻合。3輕質高強混凝土公路橋梁設計技術完成采用輕質混凝土的一片20m預應力空心板、一座19m+35m+19m連續(xù)剛構依托工程橋、一座多跨連續(xù)小箱梁長橋的設計、以及主跨分別為

10、120m、200m和250m的連續(xù)剛構橋的試設計和抗震設計；提出輕質混凝土大跨徑連續(xù)剛構橋設計的合理建議，提出輕質混凝土公路橋梁設計指南。（1）高強輕質混凝土20m預應力空心板（試驗板）設計進行了20米LC50高強輕質混凝土預應力空心板的設計分析，完成設計圖紙一套。對比了全輕質混凝土、全普通混凝土及輕質混凝土和普通混凝土組合三種設計方案，得出輕質混凝土梁設計的特珠性和建議。與足尺梁試驗結果進行對比，驗證了相關設計參數(shù)。（2）19m+35m+19m高強輕質混凝土連續(xù)剛構依托工程橋設計完成一座19m+35m+19m高強輕質混凝土連續(xù)剛構依托工程實橋設計研究，完成設計圖紙一套。中跨18m等截面箱梁采

11、用LC50高強輕質混凝土。提出了輕質高強混凝土用于橋梁結構的合理部位及范圍、截面尺寸、預應力度及施加工藝、施工控制等設計建議。用實橋施工過程監(jiān)控量測數(shù)據(jù)驗證了設計。在室內完成該橋的1/4縮尺模型試驗（包括短期加載、變形觀測和破壞試驗），試驗結果與計算結果吻合，驗證了構件研究中所開發(fā)的TDAP程序的準確性。（3）輕質混凝土多跨連續(xù)小箱梁長橋（1108m）的設計針對位于深層軟基和濕地路段的昆明市高嶢至?？谝患壒窏罴掖宕髽?，進行了預應力輕質混凝土小箱梁與下部構造預應力管樁基礎組合方案、預應力輕質混凝土空心板與下部構造預應力管樁基礎組合方案、全橋采用普通混凝土和灌注樁的組合方案這3種方案的設計對比，

12、結果表明輕質混凝土方案結構合理、造價低。完成設計圖紙一套。（4）大跨徑連續(xù)剛構橋試設計研究完成主跨分別為120米（墩高30米）、200米（墩高50米）和250米（墩高80米）的三跨輕質混凝土連續(xù)剛構橋試設計。研究了輕質混凝土與普通混凝土的搭配方式、上部結構幾何尺寸、預應力筋配束方案、主梁撓度、普通混凝土與輕質混凝土結合部特殊處理、動力特性、造價等，結果表明了輕質混凝土的使用可減小上部結構尺寸、降低工程造價，但主梁尺寸優(yōu)化需要考慮輕質混凝土彈性模量低帶來的撓度偏大傾向。提出輕質混凝土大跨徑連續(xù)剛構橋設計的合理建議。（5）輕質混凝土大跨徑連續(xù)剛構橋抗震設計分析采用未來50年內3%、10%及63.2

13、%三個超越概率水平下的工程場地反應譜對輕質混凝土和普通混凝土結構進行彈性反應譜分析，并對比兩種結構在同一激勵下的內力；采用未來50年內3%、10%及63.2%三個超越概率水平下的工程場地人工地震動加速度時程對輕質混凝土和普通混凝土結構進行彈性時程響應分析，并對比兩種結構在同一激勵下的內力；采用纖維單元對結構潛在的塑性區(qū)域進行彈塑性時程響應分析，激勵采用50年內3%超越概率水平下的人工地震動加速度時程，對比分析輕質混凝土和普通混凝土結構的塑性破壞程度，并根據(jù)截面破壞程度，確定最不利地震動組合。結果表明：與普通混凝土結構相比，輕質混凝土結構的自重小，在地震力激勵下，橋墩及主梁的內力均明顯減小，墩頂

14、位移及主梁端部位移明顯減小，橋墩破壞程度小；輕質混凝土結構與普通混凝土相比有較好的抗震性能。4輕質混凝土橋梁施工技術開發(fā)了高強輕質混凝土的高揚程泵送工藝及專用泵送劑。提出對于大跨徑橋梁，采用高吸水率輕骨料，只需采用常規(guī)的浸泡或者噴淋預濕工藝，就可以滿足100米級的高揚程泵送的要求；考慮到混凝土的抗裂性，不宜采用低吸水率輕骨料。對輕質混凝土抗振搗分離性的試驗研究表明，高吸水率、破碎型的輕骨料的抗上浮能力強?？偨Y了輕質混凝土橋梁與普通混凝土橋梁在施工上、施工質量控制、施工監(jiān)測監(jiān)控的主要差異，掌握住這些差異是保證輕質混凝土橋梁施工質量的關鍵。提出了輕質混凝土泵送和澆筑控制要點、采取按照彈性模量和強度

15、兩個指標確定預應力施加齡期、采取二次張拉工藝、強化施工監(jiān)測監(jiān)控等關鍵措施。完成輕質混凝土公路橋梁施工技術指南。圖3 輕骨料在混凝土芯樣中的均勻分布5輕質高強混凝土橋梁實橋試驗驗證完成一片20m跨的LC50高強輕質混凝土先張法預應力空心板足尺梁試驗驗證，包括高強輕質混凝土生產(chǎn)、澆筑、振搗，預應力施加、內力和變形觀測、破壞試驗。驗證了采用破碎型煤矸石陶粒配制的高強輕質混凝土的力學、變形性能，輕質混凝土施工工藝，以及梁體設計計算結果。結果表明，梁的強度和剛度滿足設計要求。圖4 預應力高強輕質混凝土20m足尺試驗空心板梁反拱度觀測曲線完成一座跨徑19m+35m+19m的LC50輕質混凝土預應力連續(xù)剛構

16、橋依托工程，包括高強輕質混凝土生產(chǎn)、澆筑、振搗，預應力施加，內力和變形觀測，成橋荷載試驗，動力特性和模態(tài)測試，3年長期觀測。該橋為云南安寧至楚雄高速公路14合同程家壩段K149+200.12跨線橋，為滿足廠礦料車通行，荷載等級相當于二級公路(汽-20，掛-100)。驗證了云南本地生產(chǎn)的高強輕骨料及其高強輕質混凝土的物理、力學性能的可靠性，施工工藝的可行性。在輕質混凝土用于橋梁設計、施工、檢測、質量控制等方面一系列技術問題上形成了成套技術，填補了國內輕質混凝土用于連續(xù)剛構梁橋主體結構的空白，為今后輕質混凝土用于大跨徑橋梁打下了堅實的基礎。圖5 完工后的高強輕質混凝土連續(xù)剛構橋項目的創(chuàng)新點為：（1）研制并中試生產(chǎn)出煤矸石高強陶粒；采用這種陶粒配制出強度達LC60的高強輕質混凝土，并用于實際橋梁工程。（2）研究了LC50LC60級高強輕質混凝土長達35年齡期的長期力學性能和長期收縮和徐變。提出考慮輕骨料品種對彈性模量的影響因子的彈性模量計算公式，以及高強輕質混凝土彈性模量隨時間的發(fā)展曲線。實驗研究了高強輕質混凝土的受壓和受拉應力-應變關系，并提出了用于結構計算的本構方程。（3）提出LC40LC60輕質高強混凝土梁的抗彎、抗剪、粘結錨固、長期撓度和預應力損失計算公式。進行高強輕質混凝土三跨連續(xù)剛構橋的1/4縮尺模型長期加載試驗和破壞試驗。（4）完成輕質混凝土大跨連續(xù)