高性能混凝土桥梁的性能

摘 要：对高性能混凝土悬臂桥梁进行观察，发现挠度小于预期。在试验室和现场进行了一些监测混凝土徐变和收缩的实验。根据1990 CEB-FIB和1978 CEB-FIB模式规范的预测，发现高性能混凝土的徐变被高估了。 简介

很多具有可变结构深度和箱梁断面的预应力混凝土桥梁已采用原位悬臂施工方法建成。1996年以前，这些桥梁建设都采用轻质混凝土或普通碎石混凝土。1997年第二座“Stichtse”桥梁在荷兰架设完成。这是高性能混凝土（HPC）在荷兰悬臂桥的第一个应用，跨度是80，160和80米。鹿特丹附近的第二座混凝土（采用HPC）桥长190米，主跨将于2001年完成。

由于混凝土特性和施工方法的影响，特别是在施工之后，混凝土的时间相关性变形不断发展，最终导致主跨度的变形。因此在桥梁施工过程中，赋予了所谓的“过度高度”，可以补偿在施工期间预期的弹性变形以及时间相关的变形。为了预测桥在其寿命期间的可靠挠度，得到所用混凝土的徐变和收缩信息是必要的。与普通碎石混凝土比较，高性能混凝土徐变和收缩的实验数据仍然有限。为此对桥梁使用的混凝土拌合料进行了试验，用来观察高性能混凝土的徐变和收缩行为。此外，交通运输部，公共工程部和水管理部已从1997年开始记录施工过程中桥梁的挠度。

一些试件被保存在箱梁中，以测量和实际桥梁相同条件下（相对湿度和温度）的收缩。 两种设计方案

第一座“Stichtse”桥采用轻质混凝土，这使得它与由普通碎石混凝土建成的桥梁相比，可以减少施工深度。由于交通容量不足时，第二座桥必须沿第一座的边修建。这种新的桥梁必须在视觉上等同于现有的桥梁。这只有使用具有更高强度的碎石混凝土或轻质混凝土时才可以实现。设计了三个具有不同圆柱体抗压强度的方案：第一个为轻质混凝土（C40），第二个为普通混凝土（C55），第三个为高性能混凝土（C75）。他们的横截面如图1所示。

三种设计方案的一些材料用量总结于表1。使用HPC的方法是最便宜的。尤其是节省了水泥用量，这就会使箱梁的重量大大减轻。因此，预应力钢筋（吨）的量也被减少了。此外，水泥用量或多或少相等。

图1 设计方案横截面图

表1 设计方案的材料用量

较薄的腹板和底板使桥墩附近得截面重量有了相当大的减少。普通碎石混凝土制成的悬臂式桥梁包括3.5米长的路段。因为在5.0米长重量减少的区域使用的是C75混凝土，使安装周期缩短了3个月。腹板厚度减少至0.32米，因此预应力的锚板必须布置在别处。在设计中，锚定器被布置在靠近腹板的上部板，由此产生的预应力线路比较简单，管道中的曲线部分也较少。由于摩擦作用预应力会损失8％。由于预应力筋梯度的变化造成剪切力的减少不再适用，提供一个适量的额外箍筋可以很容易弥补这一点。

高性能混凝土也有缺点。由于水化热出现会有相当的温度上升。在冬季，在板较厚的部位记录和测量的温度最高时达53摄氏度，而外面已经硬化的区域温度约为5摄氏度。两个区域连接时，由于冷却会造成很大的拉应力。所使用的混合物具有0.27毫米/米的大型自收缩，连同较大的温度下降，所得到的应力大于抗拉强度。因此，在上部和下部板的开裂应值得注意。

在上部板施加横向预应力，同时配有最少的加固件（2•Φ16-125）。当受力24小时后（产生的拉伸应力超过了抗拉强度之前），裂纹被防止。在下部平板的最大增强比（在槌头区域）约为1.25％（2•Φ20-200），这确保了平均裂缝宽度小于0.15mm（7裂纹）。

在全桥箱梁额外加固6％是必要的（按重量计），这会使成本增加百分之五（加固成本）。

图2 悬臂梁的位置结构示意图

收缩与徐变

与轻混凝土和普通的碎石混凝土相比，缺少关于高性能混凝土时间性变化行为的资料。因此，进行了关于高性能混凝土配合比的实验研究。混合料中包含238千克/立方米的波特

兰水泥和238千克/立方米的高炉水泥，50千克/立方米的硅粉，水胶比为0.3。28天后的立方体抗压强度约为100牛顿/平方毫米。

在桥梁施工过程中，同时浇筑了混凝土试件。棱柱形试件采用的模具横截面为100×100毫米，长400毫米。所有的试件在浇筑之后保持在模具中24小时。一些样品被运送到斯蒂文实验室和放在20摄氏度， 50％的相对湿度的养护室中。其他试件在测试之前直接保存在桥梁上。已经进行了14，28及365天龄期的混凝土测试。

在每个系列的测试中对以下变量进行了测量：收缩、徐变、弹性模量和圆柱抗压强度。 在这一系列试验中，2台具有200毫米测量长度的LVDT用在每个试件的对侧，用来测量其纵向变形。

测量收缩的实验结果如图3所示，从14天龄期开始测量收缩，主要是测量干燥收缩。通常认为自收缩发生在浇筑后第一天。根据CEB-FIP 模式规范1990（MC90）141，CEB-FIP模式规范1978（MC78）151和荷兰模式规范（DC）161进行预测。图3清楚地显示，DC和MC90低估了收缩。

在桥梁施工期间，浇筑了两个混凝土试块，并放置在箱形梁的内部。因此，可以预测实际结构中的相对收缩值，因为他们所处的相对湿度和温度基本是一致的。这些棱柱试块长1000毫米，高600毫米，厚320毫米。试块的厚度等于箱梁的腹板厚度。

沿4条线测量收缩。每条线上布置5个相距200毫米测量点。这些测量点分布于混凝土试块两侧和顶部。1400天龄期的结果如图4所示。测量在浇筑后24小时开始（脱模后直接开始测量）。在开始的时候会观察到收缩值的急剧上升，这是由自收缩引起的。在550天后达到最大收缩后，在旧混凝土发现了未预测到的下降。这种现象无法解释，笔者尽了最大努力也没有在其他地方看到相关报告。在这个领域已经开始有很多研究去理解和解释这一现象。此外，两个观察得到的曲线具有相同的形状，但具有不同的收缩值。对实验结果进行仔细研究，发现出现这样的区别可能就在于测量开始时的龄期不同。与13号试件相比，15号的测量晚了几个小时开始，因此，一部分自收缩已经发生。

图3 预测值与测量值对比

图4 测量和预测收缩

基于CEB-FIB模式规范90 141，CEB-FIB模式规范78 151和荷兰模式规范161分别制作了三个预测模型。值得注意的是，自收缩不包含在这些模式中。 在计算中会用到值0.27×10-3，并添加到预测模型中。在将自收缩也加入进去之后，就能得到关于收缩的合理预测值。

对棱柱形试样进行了14天和365天龄期的徐变实验。在施工过程中，研究结构14天龄期的徐变值是很有意义的，而研究桥梁整个生命周期中旧混凝土的徐变值更加重要。已经分别进行了在10MPa和20MPa的应力水平下14天和365天龄期的试验。两个龄期测得的总变形结果见图5和图6。

图5和图6显示的弹性变形分别为0.27×10-3和0.43×10-3。

所有的预测模型都大大高估了变形，特别是基于MC78的预测。不过，这个模型对高性能混凝土来说是不准确的，做了一些修正。在14天龄期中，MC90和DC两种模型都高估了60％的变形。当我们再次比较365天龄期的预测变形时，所有预测模型都大大高估了变形。

MC90高估了50%的变形。

图5 14天龄期的总变形

图6 365天龄期混凝土的总变形

力学特性

立方抗压强度、弹性模量和圆柱抗压强度随着混凝土龄期的不同而变化，采用MC90和MC78的预测模型。立方体抗压强度结果，现浇和现场固化的结果，总结于表2中。

表2 立方体抗压强度

从28天龄期开始，发现使用MC90预测强度是合理的。然而，在28天之前MC90大大低估了强度。使用MC78在所有龄期得到的结果都不太理想。

同时还对静弹性模量进行了测量。此参数表示割线模量，数值等于圆柱抗压强度的三分之一。三个龄期计算出来的平均值见表3中。与28天龄期相比，一年之后静弹性模量约有10％的增加。模型的预测是基于抗压强度。这两个模型都能很好地描述弹性模量的发展。

表3 弹性模量（三组试件的平均值）

长期行为

在使悬臂桥梁连续之后，以及沥青层铺装在桥面前后，通过计算机程序DIANA计算和预测跨中变形。测得的主要弹性变形是87mm，计算得出的是92 mm，结果非常接近。这些

分析可以预测混凝土的长期行为。在沥青铺装后约400天，桥梁服役超过一年，此时测定变形，发现跨中挠度有18毫米的增加。

在840天后，测得约14毫米的跨中挠度，这表明跨中有一点上升，见图7。

可以看到挠曲的差异和挠曲的大小都是很小的，很可能由于温度和湿度的变化处在一定的变化范围内。

设计了两种计算。一种基于MC78用来计算大变形。840天龄期后计算得到超过70 mm的变形。第二种计算中修正了一些材料特性（徐变，收缩和高弹性模量）。第二个计算结果见图7所示，预测的变形仍然过大。

根据桥梁架设之后近三年监测的结果，进行了第三种计算。决定使用MC90，因为这个预测模型在总体上好于MC78。在这些计算中，使用的弹性模量，抗压强度和徐变均为实际值。收缩值也用于MC90模式规范。计算830天后的跨中挠度为27毫米，接近测量值，参见图7（MC90*）。

根据MC78和MC90，分别得到30年后的跨中挠度为160毫米和45毫米。这座桥将在未来几年进行监控。特别是收缩将被详细研究。

图7 跨中的测量和计算长期变形

结论

基于上述实验结果和现场测量结果，可以得到以下结论：

在用CEB-FIB模式规范78（MC78）和MC90计算预测值时，应将自收缩也添加进去。 在现场观测混凝土试件时，出现了意想不到的现象，550天后出现了扩展，而不是收缩。 采用MC90预测模型，高性能混凝土的徐变变形至少被高估了50%。 基于MC78或MC90预测模型计算的悬臂桥的变形都偏高很多。

当采用MC90预测模型，使用实际的材料特征值，得到的变形预测结果是合理的。 致谢

研究报告是在荷兰代尔夫特理工大学混凝土结构组的史蒂文试验室进行的。公共工程部资助了此项研究。同时也对Erick Horeweg和Ger Nagtegaal在实验和现场测量过程中的帮助表示感谢。