一种混凝土密度梯度变化的连续刚构桥结构 【技术领域】
本发明涉及桥梁领域，特别是涉及一种混凝土密度梯度变化的连续刚构桥结构。
背景技术
大跨径连续刚构桥建设数量多，应用前景广，而我国已建成的连续刚构桥80％以上均存在不同程度的跨中下挠与箱梁开裂病害，严重影响了桥梁运营安全。因此跨中下挠与箱梁开裂控制技术一直是连续刚构桥建设研究的热点问题。
自上世纪80年代以来，国内外学者通过对大量的连续刚构桥病害调查研究，认为导致连续刚构桥跨中下挠与箱梁开裂病害的主要原因有：(1)普通混凝土自重大。自重在大跨径桥梁结构荷载中占80％以上，长期高比例的自重荷载导致跨中下挠持续增长、箱梁裂缝不断增多；(2)高强混凝土收缩徐变大。高强混凝土收缩徐变机理认识不充分，不同的收缩徐变理论得出的跨中下挠量相差达30％以上，导致理论计算和实际状态差异明显。
针对以上问题，目前连续刚构桥跨中下挠与箱梁开裂的主要控制技术有：①增加梁体预拱度，改变预应力筋的布置方式。②上部结构全部采用高强轻集料混凝土。③上部结构跨中采用高强轻集料混凝土、墩梁固结处采用高强普通混凝土。④上部结构部分采用钢箱梁或部分采用钢腹板。⑤对既有跨中下挠与箱梁开裂的连续刚构桥进行加固。这些技术在一定程度上均减缓了结构的跨中下挠与箱梁开裂，但没有从根本上解决连续刚构桥的跨中下挠与箱梁开裂问题。高强轻集料混凝土收缩徐变大、抗拉强度低，桥梁跨中与墩梁固结处之间的主梁仍出现斜裂缝；钢结构和混凝土组合连接技术要求高、施工难度大、建设和维护费用高；加固不仅维修费用高，且加固后桥梁跨中下挠与箱梁开裂仍不能得到有效的控制，加固技术也不能解决该问题。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是：通过优化组合上部结构中三种混凝土材料的长度比例和优选预应力束的布置方式，提供一种混凝土密度梯度变化的连续刚构桥结构，以便解决连续刚构桥跨中下挠与箱梁开裂技术难题。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：提供的混凝土密度梯度变化的连续刚构桥结构，该结构采用三种混凝土材料，其中，跨中的基材采用干表观密度不大于1950kg/m3的高强轻集料混凝土，墩梁固结处的基材采用干表观密度不小于2300kg/m3的高强普通混凝土，跨中与墩梁固结处之间的主梁基材采用干表观密度为1950kg/m3-2300kg/m3的纤维增韧抗裂高强次轻混凝土。
本发明与现有技术相比具有的优点主要是：根据连续刚构桥受力特点、跨中挠度变化规律、裂缝扩展方式及其开裂机理，而确定了三种混凝土材料在桥梁上部结构中所占长度的合理比例和预应力束的布置方式。即在连续刚构桥跨中采用高强轻集料混凝土(干表观密度≤1950kg/m3)，跨中部分结构自重可减轻20％以上；墩梁固结处采用高强普通混凝土(干表观密度≥2300kg/m3)，以满足墩梁固结处较高的抗压抗裂强度；跨中与墩梁固结处之间的主梁采用纤维增韧抗裂高强次轻混凝土(干表观密度1950-2300kg/m3)，纤维增韧抗裂高强次轻混凝土收缩徐变小、抗拉强度高(接近于高强普通混凝土)，可降低结构自重10％以上，提高箱梁腹板抗裂强度达20％以上，减小收缩徐变的不利影响；由此形成本发明提出的混凝土密度梯度变化的连续刚构桥结构，该结构能够解决现有连续刚构桥普遍存在的跨中下挠与箱梁开裂技术难题。
【附图说明】
图1为表现本发明主要技术特征的上部结构中跨为混凝土密度梯度变化的连续刚构桥结构示意图(其中跨径和连续孔数可变)，即：中跨根据结构特点和受力性能采用了高强轻集料混凝土、纤维增韧抗裂高强次轻混凝土和高强普通混凝土三种混凝土材料，边跨均采用高强普通混凝土材料。
图2为表现本发明主要技术特征的上部结构中跨为混凝土密度梯度变化、边跨为跨中引入高强轻集料混凝土的连续刚构桥结构示意图(其中跨径和连续孔数可变)，即：中跨采用了高强轻集料混凝土、纤维增韧抗裂高强次轻混凝土和高强普通混凝土三种混凝土材料，边跨采用高强轻集料混凝土和高强普通混凝土两种混凝土材料。
图3为表现本发明主要技术特征的上部结构的中跨和边跨均为混凝土密度梯度变化的连续刚构桥结构示意图(其中跨径和连续孔数可变)，即：中跨和边跨均采用了高强轻集料混凝土、纤维增韧抗裂高强次轻混凝土和高强普通混凝土三种混凝土材料。
上述图1至图3中：表示高强普通混凝土，表示纤维增韧抗裂次轻混凝土，表示高强轻集料混凝土。
【具体实施方式】
本发明提供的混凝土密度梯度变化的连续刚构桥结构，是根据连续刚构桥的跨径、连续孔数、荷载和混凝土材料特性等参数对结构进行优化组合匹配，确定不同类型连续刚构桥结构中三种混凝土材料所占的长度、长度比例及其截面形式，并通过三种混凝土中预应力损失的分配规律、预应力损失与跨中下挠的对应关系，确定箱梁预应力束数量、分布位置、空间线形等参数。
本发明提供的混凝土密度梯度变化的连续刚构桥结构，是根据连续刚构桥受力特点、跨中挠度变化规律、裂缝扩展方式及其开裂机理而确定三种混凝土材料在桥梁上部结构中所占长度的比例和预应力束的布置方式，即：跨中的基材采用干表观密度不大于1950kg/m3的高强轻集料混凝土，墩梁固结处的基材采用干表观密度为不小于2300kg/m3的高强普通混凝土，跨中与墩梁固结处之间的主梁基材采用干表观密度为1950kg/m3-2300kg/m3的纤维增韧抗裂高强次轻混凝土，形成所述的混凝土密度梯度变化的连续刚构桥。
上述的高强轻集料混凝土可由轻集料、砂、水泥、水、矿粉和化学外加剂经搅拌均匀而成，按kg/m3计，各成分的配比分别为：轻集料530-590、砂650-700、水泥470-530、水160-175、矿粉50-100，化学外加剂采用高效减水剂FDN或聚羧酸，高效减水剂FDN为水泥用量的0.8-1.4％，聚羧酸为水泥用量0.6-1.3％。
上述的纤维增韧抗裂高强次轻混凝土可由轻集料、水泥、砂、碎石、水、矿粉、增韧抗裂材料和化学外加剂经搅拌均匀而成，按kg/m3计，各成分的配比分别为：轻集料200-250，水泥430-480，砂650-700，碎石580-660，水150-165，矿粉50-100，增韧抗裂材料采用增韧抗裂纤维和水溶性聚合物，其中增韧抗裂纤维采用成分配比为40-160kg/m3的钢纤维或40-160kg/m3钢纤维和1-2kg/m3聚丙烯纤维的复合物，水溶性聚合物为水泥用量的10-20％。化学外加剂采用高效减水剂FDN或聚羧酸，其中高效减水剂FDN为水泥用量的0.8-1.4％，聚羧酸为水泥用量0.6-1.3％。所述的水溶性聚合物可采用改性聚丙烯酸类聚合物乳液或改性聚乙烯醇类聚合物乳液，固含量为20-60％。所述的改性聚丙烯酸类聚合物乳液为聚丙烯酸酯乳液。所述的改性聚乙烯醇类聚合物乳液为聚乙烯醇。
上述的轻集料可采用粒径5-20mm、表观密度1200-1500kg/m3、堆积密度700-1100kg/m3和筒压强度≥6.5Mpa的粘土陶粒或页岩陶粒或粉煤灰陶粒。
上述的高强普通混凝土由水泥、砂、碎石、水、矿粉和化学外加剂经搅拌均匀而成，按kg/m3计，各成分的配比分别为：水泥430-460，砂680-740，碎石980-1040，水150-165，矿粉40-80，化学外加剂采用高效减水剂FDN或聚羧酸，其中高效减水剂FDN为水泥用量的0.8-1.4％，聚羧酸为水泥用量0.6-1.3％。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
实施例1：
目前国内外尚无混凝土密度梯度变化的连续刚构桥实施建设。仅国外少数国家在连续刚构桥中跨的跨中引入高强轻集料混凝土，建成了上部结构由高强轻集料混凝土和高强普通混凝土两种混凝土材料组成的连续刚构桥，达到了减轻结构自重从而优化结构力学性能的目的。如1998年挪威建成的主跨301m的Stolma连续刚构桥，在两侧墩梁固结处58.5m采用高强普通混凝土、跨中184m采用高强轻集料混凝土。但该类桥梁建成运营后，跨中与墩梁固结处之间的主梁腹板仍然出现大量斜裂缝，严重威胁桥梁结构的安全。
本例提出的一种混凝土密度梯度变化的连续刚构桥结构，在中跨的跨中引入干表观密度小的高强轻集料混凝土，减轻结构自重；中跨的墩梁固结处采用高强普通混凝土，满足墩梁固结处的高抗压抗裂强度要求；中跨的跨中与墩梁固结处之间的主梁引入纤维增韧抗裂高强次轻混凝土，既减轻结构自重、减小收缩徐变影响又增强结构抗裂强度。以上三种混凝土材料应用于连续刚构桥的中跨中，通过对连续刚构桥的跨径、连续孔数、荷载和混凝土材料特性等参数对桥梁结构进行优化组合匹配，掌握不同类型连续刚构桥主梁的内力分布状况，从而确定结构的截面形式、三种混凝土材料所占的长度及其长度比例、预应力束的布置方式和桥梁线形等，能够解决连续刚构桥跨中下挠普遍存在、跨中与墩梁固结处之间的主梁腹板主拉应力过大容易产生斜裂缝的技术难题。
本例提出的一种混凝土密度梯度变化的连续刚构桥结构，主要采用移动挂蓝分节段悬臂浇筑施工方法建设，也可根据桥梁周边环境采用地面支架和悬臂浇筑相结合的施工方法进行建设。
具体应用于上部结构中跨采用高强轻集料混凝土、纤维增韧抗裂次轻混凝土和高强普通混凝土三种混凝土密度梯度变化的连续刚构桥中。
混凝土原材料如下：
(1)高强轻集料混凝土：
水泥：等级为.42.5或.52.5的普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、矿渣水泥或粉煤灰水泥。
轻集料：粒径5-20mm、表观密度1200-1500kg/m3、堆积密度700-1100kg/m3、筒压强度≥6.5Mpa的粘土陶粒或页岩陶粒或粉煤灰陶粒。
碎石：粒径4.75-19mm，含泥量＜1％。
砂：中粗河砂，细度模数2.6-2.8。
矿粉：比表面积500m2/kg。
化学外加剂：高效减水剂FDN和聚羧酸中的任一种。
各成分及配比(kg/m3)分别为：轻集料530-590、砂650-700、水泥470-530、水160-175、矿粉50-100，外加剂为高效减水剂FDN或聚羧酸，FDN为水泥用量的0.8-1.4％或聚羧酸为水泥用量0.6-1.3％，按比例称量后搅拌均匀制备而成。
(2)纤维增韧抗裂高强次轻混凝土：
水泥：等级为.42.5或.52.5的普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、矿渣水泥或粉煤灰水泥。
轻集料：粒径5-20mm、表观密度1200-1500kg/m3、堆积密度700-1100kg/m3、筒压强度≥6.5Mpa的粘土陶粒或页岩陶粒或粉煤灰陶粒。
普通集料：玄武岩、花岗岩或石灰岩中的任一种，粒径5-25mm，含泥量＜1％。
碎石：粒径4.75-19mm，含泥量＜1％。
砂：中粗河砂，细度模数2.6-2.7。
矿粉：比表面积500m2/kg。
增韧抗裂纤维：采用钢纤维或钢纤维和聚丙烯纤维的复合物。
化学外加剂：高效减水剂FDN和聚羧酸中的任一种。
各成分及配比(kg/m3)分别为：轻集料200-250、水泥430-480、砂650-700、碎石580-660、水150-165、矿粉50-100、增韧抗裂纤维采用成分配比为40-160kg/m3的钢纤维或40-160kg/m3钢纤维和1-2kg/m3聚丙烯纤维的复合物、水溶性聚合物按水泥用量的10-20％、高效减水剂FDN为水泥用量的0.8-1.4％或聚羧酸为水泥用量0.6-1.3％，按比例称量后搅拌均匀制备而成。
(3)高强普通混凝土
各组成的重量配比(kg/m3)为：水泥430-460、砂680-740、碎石980-1040、水150-165、矿粉40-80、高效减水剂FDN为水泥用量的0.8-1.4％或聚羧酸为水泥用量0.6-1.3％。
具体实施结果见图1(连续刚构桥跨径和连续孔数可变)。
实施例2：
本例提出的一种混凝土密度梯度变化的连续刚构桥结构，在中跨的跨中和边跨的跨中引入干表观密度小的高强轻集料混凝土，通过中跨和边跨应用高强轻集料混凝土，进一步减轻结构自重；中跨的墩梁固结处采用高强普通混凝土，满足墩梁固结处的高抗压抗裂强度要求；中跨的跨中与墩梁固结处之间的主梁引入纤维增韧抗裂高强次轻混凝土，既减轻结构自重、减小收缩徐变影响又增强结构抗裂强度。以上三种混凝土材料应用于连续刚构桥的中跨中，高强轻集料混凝土和高强普通混凝土应用于边跨中，通过对桥梁上部结构优化组合匹配和优选预应力束的布置方式，能够解决连续刚构桥跨中下挠普遍存在、跨中与墩梁固结处之间的主梁腹板主拉应力过大容易产生斜裂缝的技术难题。
本例提出的一种混凝土密度梯度变化的连续刚构桥结构，主要采用移动挂蓝分节段悬臂浇筑施工方法建设，也可根据桥梁周边环境采用地面支架和悬臂浇筑相结合的施工方法进行建设。
具体应用于中跨采用高强轻集料混凝土、纤维增韧抗裂次轻混凝土和高强普通混凝土三种混凝土，边跨采用高强轻集料混凝土和高强普通混凝土的连续刚构桥中。
具体实施结果见图2(连续刚构桥跨径和连续孔数可变)。
实施例3：
本例提出的一种混凝土密度梯度变化的连续刚构桥结构，根据连续刚构桥的受力状况，在中跨和边跨的跨中均引入干表观密度小的高强轻集料混凝土，进一步减轻结构自重；中跨和边跨的墩梁固结处均采用高强普通混凝土，满足墩梁固结处的高抗压抗裂强度要求；中跨和边跨的跨中与墩梁固结处之间的主梁均引入纤维增韧抗裂高强次轻混凝土，既减轻结构自重、减小收缩徐变影响又增强结构抗裂强度。以上三种混凝土材料均应用于连续刚构桥的中跨和边跨中，通过对桥梁上部结构优化组合匹配和优选预应力束的布置方式，能够解决连续刚构桥跨中下挠普遍存在、跨中与墩梁固结处之间的主梁腹板主拉应力过大容易产生斜裂缝的技术难题。
本例提出的一种混凝土密度梯度变化的连续刚构桥结构，主要采用移动挂蓝分节段悬臂浇筑施工方法建设，也可根据桥梁周边环境采用地面支架和悬臂浇筑相结合的施工方法进行建设。
具体应用于中跨和边跨均采用高强轻集料混凝土、纤维增韧抗裂次轻混凝土和高强普通混凝土三种混凝土密度梯度变化的连续刚构桥中。
具体实施结果见图3(连续刚构桥跨径和连续孔数可变)。
在以上实施例中，连续刚构桥上部结构跨中采用高强轻集料混凝土、跨中与墩梁固结处之间的主梁采用纤维增韧抗裂高强次轻混凝土、墩梁固结处采用高强普通混凝土，通过混凝土的材料性能和预应力束的混合布置优化桥梁结构的受力性能。由于该桥梁结构跨径大，主要采用悬臂浇筑方法分节段施工建设而成。
利用本例提供的方案建设的连续刚构桥结构可达到如下技术指标：
(1)轻集料混凝土性能指标
28d抗压强度≥60.0MPa；坍落度：18-22cm；分层度＜5％；表观密度：1800-1950kg/m3；360d收缩值＜0.70mm/m；28d徐变系数＜2.40；弹性模量≥25.0GPa；抗渗等级：P12以上；抗冻等级≥F200。
(2)纤维增韧抗裂高强次轻混凝土性能指标
28d抗压强度≥60.0MPa；坍落度：18-22cm；分层度＜5％；表观密度：1950-2250kg/m3；断裂韧性指数η30＞23；弹性模量：33.0-37.0GPa；360d收缩值＜0.45mm/m；28d徐变系数＜1.90；抗渗等级：P12以上；抗冻等级≥F200。
(3)连续刚构桥性能指标
桥梁轴线偏位＜10mm；成桥桥面高程：±10mm；同跨对称点桥面高程差＜10mm；桥面平整度≤5mm；预应力与混凝土滑动摩擦系数≥0.45；预应力束伸长率≥4％；预应力束初始负荷1000h内应力损失≤2.5％；跨中下挠终值≤L/1000；梁体无主拉应力裂缝；安全等级达到桥梁安全I级水平。