丁华仁

(广西桂通工程管理集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

公路桥梁作为交通体系中至关重要的一部分，近年来得到了迅速的发展，桥梁跨度“世界之最”不断刷新。但随着桥梁跨度的不断增大，也带来了一系列技术问题。伴随工程应用数量及跨径的发展，大跨径连续刚构桥的过量下挠和开裂病害等问题不断凸显，严重制约其发展与应用，病害问题亟待解决。连续刚构桥的下挠和开裂成因十分复杂，这两个问题相互影响，开裂后的梁截面惯性矩降低，也降低了梁体的刚度，增大了梁体下挠速率；而梁体过量下挠变形，也会导致结构裂缝的产生。因此提高梁体混凝土的强度和刚度成为解决梁体开裂和下挠的关键手段。

随着高强混凝土技术的普及，大跨径桥梁结构梁体混凝土强度等级已普遍在C50以上。高强混凝土具有抗压强度高、耐久性好但是脆性大的特点。对于工程结构的关键受力部位，可通过采用高强钢筋来增加结构延性，避免脆性破坏。目前工程应用较多的高强钢筋为普通热轧带肋钢筋HRB400和HRB500。普通热轧钢筋具有良好的延伸率和塑性，可以很好地改善高强混凝土的延性。

本文拟采用试验的方法对高强混凝土结构进行局部受力分析，探究高强钢筋箍筋强度、箍筋形式和配箍率对其局部受压强度及变形特性的影响，为高强混凝土在大跨径连续刚构桥中的应用提供思路与借鉴。

1 C60混凝土的局部受压强度

1.1 项目概况

南宁南过境线(吴圩机场至隆安段)高速公路沙尾左江特大桥长968.5 m，起讫桩号为K22+638.500～K23+606.793，中心桩号为K23+182.545，桥型结构为(9×40)m+(1×360)m+(6×40)m。该桥主桥设计主墩(拱座)两个，分别位于左江两岸，吴圩侧主墩距离左江约50 m，隆安侧主墩距离左江约15 m。吴圩侧主桥拱座采用扩大基础，以中风化岩层作为基础持力层；隆安侧主桥拱座采用扩大基础，以下伏中风化岩层作为基础持力层。

主桥采用计算跨径为360 m的钢管混凝土中承式提篮拱桥，矢跨比为1/4.533，主拱轴线为悬链线，拱轴系数m=1.55。拱肋为钢管混凝土桁架式结构，共有两片拱肋。两拱肋在竖直面内向桥轴线侧倾斜10°，形成提篮式，拱铰铰心横桥向中心间距为38 m。单片拱肋采用变高度四管桁式截面，拱顶截面径向高7 m，拱脚截面径向高12 m，肋宽3.2 m。每肋上弦、下弦均为两根φ1 200 mm钢管混凝土弦管，壁厚为24?偆?32 mm，管内混凝土采用C60自密实补偿收缩混凝土。主拱肋通过φ720 mm缀管和竖向两根φ610 mm腹杆钢管连接主管而构成矩形截面。主拱弦管采用Q345qC钢材。单根拱肋分16个节段加工制作及安装，节段最大吊装重量为138.4 t。

1.2 试验设计

局部受力结构是通过局部受力区域将荷载传递给支撑结构，其为桥梁结构的关键传力结构，关乎桥梁结构的安全。由于局部受力区域下的混凝土承受高应力而导致变形增大，因此通常采用螺旋箍筋或焊接网片约束混凝土，使局部受力区域下的混凝土形成约束混凝土，限制混凝土结构的横向变形，提高混凝土的强度和刚度，进而提高结构的安全性。

本试验主要研究局部受力结构的局部受压情况，采用尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件，分别内置矩形螺旋箍筋和矩形箍筋两种混凝土箍筋约束形式。混凝土采用C60标号的高强混凝土，配合比设计见表1。取1组(3个)标准养护室养护28d的立方体试件，进行混凝土抗压强度试验，得出抗压强度为73.2 MPa。

表1 生产配合比设计表(kg)

高强钢筋选择直径为6 mm、抗拉强度为1 860 MPa的高强钢筋和热轧带肋钢筋HRB500。为分析高强混凝土结构强度及刚度的影响因素，以箍筋强度、配箍率、箍筋形式作为试验变量，根据箍筋强度和箍筋形式，将试件分为A、B、C三组，每组包含7个试件，每组的箍筋间距均由20 mm逐渐增加到80 mm，配筋率由1.38%逐渐降低到0.25%；A、B两组的箍筋形式均为矩形螺旋箍筋，箍筋极限抗拉强度分别为1 860 MPa和630 MPa；C组的箍筋形式为矩形箍筋，箍筋极限抗拉强度为1 860 MPa。试件设计参数见表2。

表2 试件编号及试验参数设计表

1.3 局部受压试验

局部受压试验加载方式采用直径为50 mm的圆柱体刚性冲模模拟箍筋约束混凝土的局部受压受力模式，通过万能材料试验机，采用荷载保持、位移控制的加载方式，压至试件完全破坏，记录局部承载力大小，即为试件的局部受压极限承载力。螺距为50 mm的箍筋约束混凝土试件采集的荷载-位移曲线如图1～3所示。

图1 螺距为50 mm的HRB500螺旋箍筋约束混凝土构件荷载-位移曲线图

图2 螺距为50 mm的1 860 MPa螺旋箍筋约束混凝土构件荷载-位移曲线图

图3 螺距为50 mm的1 860 MPa矩形箍筋约束混凝土构件荷载-位移曲线图

2 结果处理与分析

2.1 局部受压试验结果

根据式(1)，将采集到的不同螺距下的试件极限承载力F换算为应力值P，结果见表3。

(1)

式中：P——换算后的局部受压极限承载力(MPa);

F——试验采集的局部受压极限承载力(N)；

表3 不同螺距下的局部受压极限承载力试验结果表

2.1.1 强度特性

在力的作用下，局部受力结构中接近直接承载面下的混凝土承受的压力值最大，直接承载面周围的应力集中最明显(见图4)。直接承载面下的结构混凝土开裂后产生横向位移，因此可通过箍筋限制横向位移发展，进而提高整个结构的承载力值。

图4 局部受压受力机理示意图

将表2中局部受压极限承载力试验结果绘制成图5。通过图5可得到不同箍筋在不同配筋率下约束混凝土的局部受压极限承载力试验结果。从图5试验结果来看：

(1)当选择箍筋强度为1 860 MPa时，在相同配筋率下，箍筋形式为矩形箍筋的约束混凝土构件的局部受压极限承载力略高于箍筋形式为矩形螺旋箍筋的，但数值相差不大，说明矩形箍筋和矩形螺旋箍筋两种箍筋形式对局部受压极限承载力的贡献值无差别。

(2)当箍筋形式同为矩形螺旋箍筋时，在相同配筋率下，强度为1 860 MPa的箍筋约束混凝土构件的局部受压极限承载力数值大小约为HRB500箍筋的1.5倍，说明钢筋强度越高，高强混凝土结构的局部受压极限承载力值越大，且提高效果明显。

(3)从图5可以看出，箍筋约束混凝土构件的局部受压极限承载力与配筋率呈线性正相关，且配筋强度为1 860 MPa时，线性方程斜率越大，表明箍筋强度越高，承载力增长越快。

图5 局部受压极限承载力试验结果示意图

2.1.2 变形特性

从图1～3来看，采用1 860 MPa箍筋约束的混凝土试件的峰值应变要高于HRB500箍筋约束，而且箍筋形式采用矩形的试件峰值应变明显高于螺旋形式的。峰值应变到极限压应变的应变大小：HRB500箍筋约束混凝土试件为6.4 mm，1 860 MPa螺旋箍筋约束混凝土试件为14.7 mm，1 860 MPa矩形箍筋约束混凝土试件为10.5 mm。通过三者数值大小可以判断其脆性的大小关系，即采用1 860 MPa钢筋约束的混凝土试件的脆性要明显小于HRB500钢筋约束的混凝土试件，且箍筋形式采用矩形螺旋约束的混凝土试件的脆性要小于箍筋形式为矩形的。

2.2 工程应用的几点建议

针对当前桥梁关键受力部位中的局部受力结构存在强度低、为增加强度而加密配筋导致振捣困难、局部受力结构的混凝土标号高带来的混凝土脆性高、延性差等问题，结合本试验结果，本文提出如下建议：

(1)根据试验结果可知，用高强钢筋(1 860 MPa)来代替当前局部受力混凝土结构中的普通强度钢筋(HRB500)，其对混凝土的约束作用更强，可以快速提升局部受力结构的强度，防止出现关键局部受力结构破坏而导致整体结构失稳或者破坏。

(2)在获得相同的结构强度下，可以优先选择高强钢筋。高强钢筋可以缩小相应的配筋率，既能解决混凝土难以振捣、浇筑质量得不到保证的问题，又能达到节约钢材的目的。

(3)在局部受力结构中应用高强钢筋约束混凝土，可以使结构在极限状态时钢筋不屈服；在结构发生大变形时，钢筋仍处于弹性状态，对混凝土形成更好的约束作用，防止局部受力结构开裂，保证结构的整体性和耐久性。

(4)为防止高强混凝土结构发生脆性破坏，采用高强钢筋来约束高强混凝土结构，可增强结构延性；在同等钢筋强度下，为防止过大变形，可以采用螺旋箍筋的形式。

3 结语

由于桥梁关键受力部位中局部受力结构的受力情况复杂，承受局部拉压、局部弯曲、局部剪切、局部扭转的复杂受力状态，因此在桥梁结构的关键受力部位往往采用强度较高的高强混凝土，但也必须克服高强混凝土的缺点。本文通过对高强混凝土制作箍筋约束混凝土试件进行局部受压试验，对试验结果进行分析得出：当箍筋形式为矩形和矩形螺旋时，对箍筋约束混凝土试件的局部受压极限承载力的提高效果相差不大；但对于箍筋约束混凝土构件的变形而言，矩形螺旋箍筋对试件的变形约束要优于矩形箍筋的约束效果；配箍率与局部受压承载力呈线性正相关，且钢筋强度越高，对承载力的提高越快。说明钢筋强度的提高对局部受力结构的承载能力起到了积极的作用，不仅可以快速提高承载力，还可以有效解决“低强度，高密箍”带来的密集配筋问题。目前南宁南过境线(吴圩机场至隆安段)高速公路沙尾左江特大桥已经通车，从通车效果来看，管内混凝土采用C60自密实补偿收缩混凝土满足桥体强度要求，桥梁整体质量稳定。

高强混凝土因抗压强度高，多被应用到关键结构当中，但是其脆性大的特点必须着重考虑。通过配置高强钢筋，不仅可以适当提升其承载能力，还可以很好地改善高强混凝土脆性大的特点。针对大跨径桥梁结构的关键部位及易变形部位，可以考虑采用通过配置高强钢筋的方法来改善高强混凝土的性能。