轻骨料混凝土桥面铺装在降低连续刚构桥温度效应方面的探讨

轻骨料混凝土桥面铺装在降低连续刚构桥温度效应方面的探讨

陈陆军,武日雷,杨晨

中冶天工集团有限公司

摘要：在预应力混凝土连续刚构桥的设计中，温度效应的控制起到了至关重要的作用。使用水泥混凝土桥面的桥梁的设计中，巨大的温度梯度使得桥梁的设计计算很难通过，导致结构设计很不经济。本文认为轻骨料混凝土不仅可以控制较大的温度梯度的产生，同时也具有优良的抗震、抗渗、耐磨性能，可以考虑替换水泥混凝土作为桥面铺装材料使用。

关键词：轻骨料混凝土；连续刚构；温度梯度

1．连续刚构桥设计特点

近年来我国公路及市政桥梁建设快速发展，较大跨度桥梁快速增长，其中主跨100~300范围内的桥梁占比越来越大。预应力混凝土连续刚构桥以其方便的施工、简洁的设计和经济的造价成为了这一跨度范围内的主力桥型。尤其在山地及浅丘地区，以悬臂法为主要施工方法的连续刚构桥正在快速发展，随着设计理论与施工技术的不断完善，其优势也在同跨径规模的各桥型中日益凸显。

预应力混凝土连续刚构桥梁的受力存在以下特点：

1. 墩梁固结，结构呈现出高次超静定特点，整体受力性能较好
2. 墩梁共同分担弯矩作用，有利于减小跨中弯矩，提高跨越能力
3. 对温度作用较敏感，正常使用状态的应力控制往往成为设计的关键

针对以上特点，在预应力混凝土连续刚构桥的设计中，最为关键的因素之一就是控制好温度效应对于桥梁整体的受力的影响，尤其是需要整体考虑桥梁纵向刚度、抗弯刚度、温度梯度的相互关系，才能处理好温度应力对于预应力混凝土抗裂的不利影响。

2．我国公路桥梁规范中对于温度梯度的取值问题及常用铺装材料热力学参数

我国现行规范《公路桥涵设计通用规范JTGD60-2015》②中规定，桥梁结构应结合使用材料和施工条件考虑温度作用效应，对于均匀温度效应如缺乏相应的实际调查资料时，可按表使用整体升降温计算效应；对于竖向温度梯度效应，可按照下表【2】数值取用。

从规范的表中可以看出，桥面铺装材料的选用对于桥梁温度梯度作用的取用关系较大，其原因在于桥面铺装是覆盖在主梁结构表面，直接与外部环境接触的部分，受到阳光辐射及夜间冷空气对流作用，其所用材料的传热性质直接决定了主梁结构的受热均匀度与温度变化快慢程度。

根据热力学理论可以知道，桥面铺装的导热系数越低，则其传热性能越差，相应隔热性能越好；而比热容越大，则材料的储能能力越大，材料越不容易发生温度改变。采用低导热系数，高比热容的材料作为桥面铺装材料时，主梁所受到的温度梯度作用也就越小。

根据相关资料，常用的桥面铺装材料的导热系数如下表【3】所示：

表中明显看出水泥混凝土的导热系数比之沥青混凝土大得多，比热容则小得多，着导致了采用水泥混凝土桥面铺装比之沥青混凝土而言会引起更大的主梁温度梯度效应。规范中100mm沥青混凝土的等效温度梯度效应比水泥混凝土铺装减小了近一半也就是这个原因。值得注意的是，轻骨料混凝土材料的导热系数比之沥青混凝土更低，且其具有更小的密度，就传热性能来说比沥青混凝土更差，更有利于温度梯度作用的控制。

3．轻骨料混凝土各项性能及其在桥梁工程中的应用

根据以往经验，轻骨料混凝土通常用于旧桥维修加固，对于新设计桥梁采用得较少，主要

根据上述分析可知，轻骨料混凝土导热系数较小，更有利于在设计层面上控制温度梯度作用对于连续刚构桥的影响。于此同时，轻骨料混凝土相对于普通水泥混凝土和沥青混凝土还具有以下特点：

(1)密度小，自重轻，能够较大增加桥梁的有效承载力或提高安全储备。

(2)耐磨性能好，根据以往经验可知，陶粒骨料混凝土的耐磨性能与普通水泥混凝土类似，甚至更好。

(3)抗震、防渗性能好，可提高主梁耐久性。

(4)强度高，目前轻骨料混凝土按不同的密度等级有不同的强度等级，可有LC15~LC60，满足大部分结构工程及其他用途工程的强度要求。

轻骨料混凝土使用推广也具有一些需要进一步克服的困难：

(1)骨料密度较小，施工过程中容易出现骨料上浮，对于施工配合比的精确度要求较高，施工质量控制难度较大

(2)粘土陶粒骨料和页岩陶粒骨料对生态环境有一定破坏，一些地区曾因此放弃对粘土及页岩陶粒骨料的使用，不过对于此类材料较丰富的地区，仍可考虑使用。近些年炉渣与粉煤灰等新型工业废料陶粒的使用可以较好地解决破坏生态环境的问题。

(3)骨料由工厂生产且耗灰量大于普通水泥混凝土，生产成本较之普通水泥混凝土略高，但随着工业技术的进步，这一状况将逐步得到改善。

4．案例分析

江西赣州市某市政大桥设计为预应力混凝土连续刚构桥，跨径设置为65m+120m+65m，中支点高度7.2m，跨中梁高3.2m，梁高按1.7次抛物线变化。主梁采用悬臂浇筑施工工艺，具体节段划分为0号块11m（单侧5.5m），悬臂浇筑段为4x3m+5x3.5m+6X4m，边跨现浇段4m，边跨及中跨合龙段2m。阶段最大重量为159t，最小重量55t，设计暂定挂篮重量80t计算。

主梁顶板宽度15m，箱室宽度7.5m，悬臂长度3.75m，腹板厚度由跨中0.5m向支点0.9m分阶段渐变，顶板厚度0.28m，墩顶处变厚为0.7m，底板厚度由跨中0.3m按1.7次抛物线变化至中墩处0.95m。

主梁材料为C60混凝土，纵向及横向预应力均采用强度1860MPa钢绞线，张拉控制应力1302MPa。桥墩为双薄壁墩，采用C40混凝土，墩高20m。基础条件较好，模拟为固结端。

采用杆系有限元软件建立全桥模型并添加边界条件如图所示：

杆系有限元模型

本桥设计为双向六车道道路的半幅桥梁，采用城-A级车道荷载进行纵向计算，单侧人行道宽度为3.5m，人行道荷载按照《城市桥梁设计规范（2019版）CJJ11-2011》取值》。由于本桥桥面宽度较大，运营荷载较大，且桥墩高度较小导致了其纵向抗推刚度较大，温度效应将更为明显。在这种设计条件下，桥面采用高导热系数的材料将对桥梁的设计计算产生极为不利的影响。

由于道路设计为水泥混凝土路面，桥面铺装统一设计为水泥混凝土铺装。当采用规范推荐的水泥混凝土铺装竖向温度梯度设置时，温度梯度作用产生混凝土压应力效应及桥梁的正常使用极限状态正截面压应力验算结果如下图所示：

正温度梯度作用下的最大组合应力（MPa）

负温度梯度作用下的最大组合应力（MPa）

正常使用状态正截面压应力验算情况（MPa）

正常使用阶段斜截面主压应力验算情况（MPa）

由计算结果可见，温度梯度对于主梁效应产生了很大影响，正温度梯度作用下，主梁最大压应力达到了8.4MPa，而负温度梯度作用下主梁拉应力达到了4.3MPa，远超混凝土的抗拉强度。当温度梯度按照在各种荷载效应的频域组合下，正截面压应力已经超标，C60混凝土已经不能满足抗压要求，需要提高混凝土等级。

当采用轻骨料混凝土铺装设计，温度梯度作用按偏保守取用规范中沥青混凝土对应竖向温度梯度时，温度梯度作用产生混凝土压应力效应及桥梁的正常使用极限状态正截面压应力验算结果如下图所示：

正温度梯度作用下的最大组合应力（MPa）

负温度梯度作用下的最大组合应力（MPa）

正常使用状态正截面压应力验算情况（MPa）

正常使用阶段斜截面主压应力验算情况（MPa）

由计算结果可见，温度梯度对于主梁效应减小了近一半左右，正温度梯度作用下，主梁最大压应力减小为4.6MPa，而负温度梯度作用下主梁降低到了2.3MPa。荷载效应的频域组合下，正截面压应力降低了4MPa左右，C60混凝土可以满足抗压要求。

轻骨料混凝土铺装下的主梁温度梯度将明显小于规范中按100mm沥青混凝土铺装的情况，因此主梁的受力特性将进一步改善。可见，使用轻骨料混凝土作为桥面铺装将在很大程度上减小桥梁温度应力效应，改善受力情况，降低桥梁整体设计造价。

5．结论

在目前的道路桥梁设计中，沥青混凝土铺装较为普遍，但也存在一些水泥混凝土桥面的桥梁。这类桥面的连续刚构桥梁由于较大温度应力作用，在荷载条件不佳时往往较难通过设计计算。

以炉渣及粉煤灰陶粒为主要骨料的轻骨料混凝土用作桥面铺装时，由于其低导热系数和较小的密度，可以极大改善主梁结构温度梯度效应，使得连续刚构桥梁的设计条件明显改善，有效承载能力或安全储备明显提高，是一种较为经济的设计。轻骨料混凝土性能优越，在耐磨、耐久及抗渗方面也较为符合路面层要求，可以在桥梁上加以研究推广。

参考文献：

【1】JGJT12-2019轻骨料混凝土应用技术标准

【2】JTGD60-2015公路桥涵设计通用规范

【3】JTG3362-2018公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范

【4】曹中杰，董营营等：陶粒混凝土在旧桥加固桥面铺装中的应用研究，重庆交通大学学报（自然科学版）.vol27No5Oct2008

【5】竺万发，苏英等：陶粒混凝土在桥面铺装中的试验研究。建材世界.2012第6期

【6】焦志彤.桥面陶粒混凝土配合比的试验研究.公路交通科技应用技术版.2009

【7】郭宏云.陶粒混凝土配合比设计。武汉大学学报.2007（40）：523-526.

【8】江苏省节能建筑常用材料热物理性能参数表（试行）.2009（江苏省建筑节能工程技术研究中心）