超高强度纤维增强混凝土单轨梁.pdf

第 3 7卷第 2期 2 0 1 0年 2月 建筑技术开发 Bu i l d i n g Te c hn i qu e De v e l o pme n t Vo 1 37， No 2 Fe b 2 01 O 超 高强度纤维增强混凝土单轨粱 朱航征编译 超高强度纤维增强混凝土 ( 以下简称 U F C ) 是一种具 有 高强度、 高韧性 、 高流动、 高耐久性材料。使用这种材料 可以 使构件减薄 ， 与 以往使用 的预应 力混 凝土梁 ( P C梁 ) 相 比， 自重可大幅度降低 ， 并 可使长跨 结构 达 4 0 m。这种 材料先 后 已在澳大利亚 、 加拿大和 日本等 国桥梁工 程中应用 。在 日 本利用表 1所示 配 比的 U F C已用 于 长跨 单 轨梁 工程 ( P C 桥 ) 。 表 1 UFC 配合 比 钢纤维 单位用量 ( k g ) 高 性 能 流动度 减 水剂 ram 纤维直径 纤维长度 掺率 水 粉体 纤维 ( k g m ) mm ( v o 1 ) 2 5 0 O 2 l 5 2 l 8 0 2 2 5 4 1 5 7 2 4 本文介绍的是超高强度 纤维增强混 凝土 的一种产 品名 “ 达克特尔” ， 首 次用于 4 0 m长跨单 轨梁 ， 也 是首 次用 于铁 道 工 程 。 1 UF C 的 材 料 特 性 1 1 U F C使 用 材料 所谓 “ 达克特尔 ” 是 由水泥 、 硅灰等反 应性粉末 、 硅砂 等 预先 配制成 的“ 预制品 ” 与 高强 度钢 纤维 ( 直径0 2 m m， 长 1 5 m m， 体积 比2 ) 、 高性能 减水 剂及水 搅拌 制成。其配合 比如表 1所示 。另一特征是不含钢筋 和粗 骨料 。 粉体 的配合 由水 泥 的化 学 作用 与粒 径 的分 布 决 定 。 特别 是为 了制成 高强度 无空 隙的基 体 ( Ma t r i x ) ， 根据 各个 材 料的最 密填充 理论 ( 见 图 1 ) ， 按高 密度配 合进 行设计 。 【 普通混凝土 达克特尔 】 图 1细密填充影象 1 2新 拌 UF C特 性 图 2为制作 流程。水灰 比约 O 2 2 ， 与接近水化反应极限 的水分相配合， 为抑制生成物中的空隙减少 至极 限， 能充分填 充密实 ， 鉴于材料的高粘性 ， 在搅拌时 ， 搅拌 负荷增加 ， 为此 采用 1 0 m i n的搅拌 时间是 必要的。但 在搅拌 至一半时 间即 开始塑化， 搅拌结束时砂浆 的流动值即可达到2 0 0 3 0 0 m m， 具有高填充 自密实性能 ， 无需进行振捣 。此外， 鉴于搅拌环境 和材料特性 ， 流动值 的保持 时间约 为 2 h ， 在这期间均可满足 浇注要求 。浇注后的养护 ， 初次养护温度为常温 4 0 C， 其后为 二次养护 ， 养护温度为 9 O q C( 蒸气) 持续 4 8 h 。 图 2 制作流程 图 3 流动度试验 1 3硬 化 后 的特 性 蒸气养护后可获得 2 0 0 M P a以上高强度 。此外 ， 基体本 身裂缝发生强度在设计上为 一 8 M P a ， 发 生裂缝后 ， 钢纤维将 发挥其交联效果 ， 具有很高 的抗拉强度 和韧性 ， 在设计 上可 用作抗拉构件。表 2为 U F C硬化后 的主要特性值。 表 2硬化后的主要特性 项 目 单位 测定值 密度 g c m 2 5 6 抗压强度 MP a 2 l O 弯曲强度 MP a 一 4 5 抗拉强度 MP a 9 静弹性模量 M P a 5 0 耐磨性 1 0 ( A S T MC 7 7 9 ) 冻融性 1 0 0 ( J I S A 6 2 0 4附件 2 ) 干燥收缩 5 0 透水系数 c m 1 1 1 01 0一 5 耐盐害性 约为普通混凝 土的 I O倍 2 UFC 结构 概 况 2 1 UF C单 轨 梁结 构 概要 采 用 UF C制作 的 单轨 梁 主要 结 构情 况 如 表 3所 示 。 图 4 、 图 5和图 6分别 为侧 面图 、 断 面图 和连 接 部分 的扩 大 图。 6 3 第 2期 朱航 征 ： 超 高强 度 纤 维 增 强 混凝 土 单 轨 梁 第 3 7卷 1 3 3 4 0 ( 主梁 A) ! ! Q 1 3 2 5 0 ( 主梁 B ) 1 3 3 4 0 ( 主梁C ) l Q Q l C f Dl A-A 湿 湿法连接 ( 问距 5 0 0 mm) D D 图 4 侧 面 BB 图 5 断 面 2 2 结构 特 点 2 2 1 构 件减 薄 以往 的单 轨梁 由于受 钢筋保护层 和体内钢索配置 的制 约 ， 断面减 薄有 限制 ， 而 U F C梁无 钢筋配置 ， 并具 有高流 动 性 ， 同时又为体外预 应力结构 ， 如 图 5所 示 ， 最 薄达 5 0 m m， 实现了薄壁结构 。 2 2 2 分段块体 如 图 4所 示 ， 单 轨 梁 的 构 造 由 1 3 3 4 m 和 1 3 2 5 m 主 梁 3榀 ( 主梁 A、 B 、 C ) 和 2 0 9 1 Il l 与 8 2 5 m底板 3 块 ( 底板 1 、 2 、 3 ) 计 6个预制块 体构 成。主 梁之 间为 干法连 接 ， 底板 与主梁之 间为 湿法 连接 ( 详 见 后述 ) 。在 连结 成 的箱 形梁 内配置有 3根 P C体外 预应力钢 索 ， 经 张拉 ， 最终 使结 构形 一 体 。 采用 预制块体方法 ， 块体 的接缝 有必 要按设 计 荷 载时 常压 作 用 进 行 设 计 。此 外 ， U F C本 身 在 设 计 上 可 承 受 一 8 0 MP a 的拉应力 。如 图 4所示 ， 底板块体 长度为可 搬运 的限制长度 ( 2 0 9 1 m) ， 底 板 块体 接缝 位 置应远 离 弯矩 最 大 的跨 中部分 。 表 3结 构 主 要 构成 A A A 结构形式 采用预制块体 、 后张预应力方式构成 P C简支梁桥 梁 长 ： L= 3 9 9 3 m 跨长 ： L= 3 8 7 7 I n 分段块体 ： 主粱 ： l 3 3 4 I13 +l 3 2 5 i n +1 3 3 4 m 形状 底 板 ： 8 2 5 m+2 O 9 1 IT I + 8 2 5 m 断 面 ： W = 0 8 m H = 2 0 m 平面 ： 纵断线形 R： 倾斜 ： O 超高强度纤维增强混凝土( 达克特尔) 设计标准强度 =1 8 0 M P a 混凝 土 体积 ： 2 7 m 重 量 ： 7 0 t 钢索种类 ： 体外预应力用无粘结钢索 P C钢索 P C钢材的种类 ： S WP R 7 B， 1 2 S 1 5 2 根数 ： 3根 橡胶支承 、 附件 指板等 2 2 3主梁之 间的连接 ( 干法连接 ) 干法连接法与以往桥梁预制块体施工方法 相同， 在浇注 新块体时 ， 采用 旧块体作模型进行 “ 匹配浇注” 制作 。在连接 时， 接合面涂环氧树脂系粘接剂 ， 是一种新 旧块 体连接方法。 采用这种方法有利于缩短连接作业 。 2 2 4主梁 与 底 板 的连 接 主梁与底板 如图 5和图 6所 示 主梁与底板分别 配置突 出的多孔板 P B L ( P e r B o n d L e i s t e n ) ， 并 浇注 U F C后进行 养 护 。这种方法 即称之谓湿法连接。 【 断面图 1 oL 【 侧面图 】 图 6 连接部分扩大示意 主粱 ) UFC 底板 ) 第 3 7卷 朱航征 ： 超 高强度纤维增强混凝土单轨 粱 第 2期 3预制块体的制作 块体 的预制在混凝土构件厂制作 ， 但应根据 “ 达克特 尔” 特性采用相应 的搅拌 和浇 注方法 ， 为实现 其高性 能， 有 必要 进行严格的质量管理。 3 1 钢模 板 在制定模板计划时， 必须 考虑 “ 达克特尔 ” 的高流动性和 钢纤维配合的特点。 为 了获得“ 达克特尔” 特定 的强度 和韧性 ， 与其配合 的钢 纤维在构件内部应该均匀 ， 并应进行不 规则配置 。如设有施 工缝 ， 接缝面 由于无交差 纤维 就会形成结 构脆 弱的介 面， 因 此在浇注 过程 不 应有 施 工缝 而 应一 体 化 浇 注成 形 。由 于 I S F C具有高流动性 ， 浇注时， 模板应有 必要的强度 ， 以便适应 液压作用 的影 响。由于构件 为薄壁结 构 ， 用作单 轨梁 应满足 管理标准 ， 并应进行产 品精度的严格管理。 3 2搅 拌 “ 达克特尔” 的搅拌 采用水 平双轴 1 5 m 搅拌 机 ， 但 初 期搅拌“ 达克特尔” ， 因粘性增 加搅拌机 负荷 ， 搅 拌量控制 在 1 1 m 。初次搅拌先 投入 预拌粉 体 、 水 和减 水剂 ， 二 次搅拌 再投入钢纤维 ， 采用两阶段搅拌方式 。 3 3 浇注 采用漏斗浇注 ， 端 口装配软管进行输送 。“ 达克特尔” 的 单位水用量非 常少 ， 表 面易干 燥。为此 ， 应 以连 续搅拌 为原 则， 通过搅拌以适应 “ 达克特尔 ” 的供给能力 ， 并对 浇注速度进 行调整 ， 为防止干燥 ， 搅动钢纤维 ， 还应采用捣棒进行搅动 。 3 4表 面加 工 处 理 主梁的浇 注顶 面由于单轨行走轮直接行走 ， 必须进行 高 精度加工。应采用镘抹面 ， 局部 凸凹限制在 2 m m， 即达 到质 量管理标 准。 3 5养 护 养护采用二阶段养 护方法 ： 初 次养护一 晚 ， 养 护温 度约 4 O ， 脱去侧模再进行第二次养 护 ， 养护温度为 9 0 C， 蒸气养 护持续时间为 4 8 h 。养 护时 ， 在块体 各部位 设置有 热 电偶 ， 以确保 4 8 h的养护时间 。此外 ， 在 降温 时 ， 构 件会 因温 差产 生裂缝 ， 为此应调整降温速度。图 7为构件蒸气养护情况。 图 7构件养护情况 4预 制 块 体 的 架设 U F C单 轨梁用于东 京单轨 线昭和 岛邻接 的昭和 岛 中心 车库段 。为此 ， 所有预制块体均运至昭和 岛中心施工现场进 行架设 、 连接作业 。 4 1 底 板 架 设 架 设底 板首先 要用 支护用 的 H型 钢搭设 的支 承 平 台。 采用 1 0 0 t 履带起重机将 3块底板块体 吊放 在支承平台上 ， 3 块底板分别 为， 端部块体 2 6 t ， 中央块体 6 8 t 。底板 块体设 置 如 图 8所 示 。 图 8 底板块体设置情 况 4 2主 梁 架 设 主梁块体 如 图 9所 示 。主 梁有 3榀块 体 ， 端部 块体 重 1 8 9 t ， 中央块体重 1 6 8 t ， 采用 1 2 0 t 履带式起重机进行架设 ( 见 图 1 O ) 。 图 9主梁块体 图 1 0主 梁 设 置情 况 6 5 第 2期 朱航 征 ： 超 高强度纤维增 强混凝土单轨粱 第 3 7卷 4 3干 法 连 接 主梁临时进 行 拼接 ， 以确 认主 梁接 合面 能达 到 精密 连 接 。然后可 在 接 合 面 涂 布 粘 接剂 ， 主梁 之 间 可 暂 时设 置 1 0 c m间 隔 。 将预应力钢索穿人 后 ， 连接面涂 布环氧树 脂系粘 结剂 ， 并对其施以 0 3 MP a压应力 。加 压设施采 用 了固定 在主 梁 上的钢托座和 P C粗钢筋 西 2 6 m m。导入 规定 的压应力 ， 采用 扭矩扳手对螺帽进行紧固。 图 1 l 通 过 加 压 设 施 导人 压 应 力 4 4湿 法连 接 湿法连接是在现场设置小型搅拌机 ， 搅拌好 U F C， 用 2 5 t 起 重机和 吊斗进行浇注( 见图 1 2 ) 。 图 1 2 湿法连接浇注情况 浇注后用毡片覆盖整个梁体 ， 用喷射加热炉加温进行 养 护 。初次养护 ， 2 0 C保 持 2 4 h ； 二次养护 ， 4 O 保 持 4 d 。浇 注面铺养护毡片防止干燥 ， 同时要定时提供 水分 ( 见 图 1 3 ) 。 确认达到所定抗压强度后 ， 一 面检 测 U F C内外温度 差， 一 面 平缓进行 降温 。 4 5张拉 预 应 力 钢 索 养护完后 ， 用液压千斤顶张拉体外 P C钢索( 见图 l 4 ) 。 ， ” 。 图 1 3 进行热养护情况 图 1 4张拉 P C钢 索情况 其后 ， 即向端承点横梁 的 P C钢 材套管 内与锚具 帽盖 内 灌浆。此外 ， 还应向锚 固箱牵 引部分灌注无收缩砂浆 。 图 1 5 挠度 和变形测定情况 完成后 ， 通过单轨 车辆实 际负荷 ， 检测单 轨梁 的挠度 和 变形 ， 确认显示其预测结果。 5结 束语 本次工程实践 ， 主要在车库线段 实施 ， 但却体 现 U F C已 首次用于铁路桥梁 工程 ， 在国际范围内提供 了第一个施工 实 例 。由于采用 了 U F C， 完 成了 目前 尚不可 实现 的 4 0 m长 的 大跨结构 ； 此外 ， 也证实 了采用 U F C预制块体结构 施工方法 的可能性和施工性 。由于采用了超高强度纤维增 强混凝土 ， 利用其“ 高耐久性 ” 特征 ， 结构维修的频度将会减少 。 欢迎订阅 建筑技术开发 ( 月 刊 ) 邮发代 号 ： 8 2 2 3 0 ( 0 1 0 ) 6 8 2 2 9 5 5 1 联 系电话 ： ( 0 1 0 ) 8 8 2 2 3 7 6 6 邮箱地 址 ： j z j s k f 1 2 3 1 2 6 C O rn + + ， I ：- - ：， 、