粉末混凝土的整體性探究

活性粉末混凝土（ReactivePowderConcrete，RPC）材料作為一種新型的水泥基復(fù)合材料，具有高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性、良好的經(jīng)濟(jì)性能和環(huán)保性能等特點(diǎn)，比普通的高強(qiáng)混凝土具有更大的優(yōu)越性。

RPC材料的出現(xiàn)為鐵路橋梁向輕質(zhì)、大跨方向發(fā)展提供了可能。目前RPC已成為國(guó)際工程材料領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，但我國(guó)對(duì)RPC的研究?jī)H限于材料性能階段，對(duì)RPC在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面的研究較少。針對(duì)這種現(xiàn)狀，筆者嘗試性地對(duì)RPC應(yīng)用于鐵路預(yù)應(yīng)力橋梁時(shí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及受力情況進(jìn)行了研究。

1有限元模型的建立1.120m跨度RPC預(yù)應(yīng)力T梁尺寸參數(shù)RPC預(yù)應(yīng)力T梁結(jié)構(gòu)采用跨度20m鐵路低高度后張法預(yù)應(yīng)力混凝土標(biāo)準(zhǔn)梁（圖號(hào)：專橋（02）2061-），梁高1.35m，高跨比h/L=1.35/20=1/14.8.

跨中至距梁端3.55m截面范圍內(nèi)的梁段腹板厚0.19m；距梁端0.87m長(zhǎng)度范圍內(nèi)的梁段腹板厚1.06m（腹板與梁下緣等寬），中間2.68m范圍內(nèi)梁段腹板厚度從0.87m到1.06m線性變化。

梁肋中心距1.8m，共采用5個(gè)橫隔板橫向連接。每片梁布置6束6-75鋼絞線，14根25非預(yù)應(yīng)力鋼筋。具體尺寸如所示。

1.2基本數(shù)據(jù)梁計(jì)算跨度L=20m，梁全長(zhǎng)L0=20.6m，梁高h(yuǎn)=1.35m，直線梁。

恒載：自重：?jiǎn)纹褐?58.4kN，載荷取值q1=658.4/20.6=31.96kN/m；道碴及線路設(shè)備：道碴槽寬3.9m，軌底至梁頂按0.6m設(shè)計(jì)，二期恒載取值q2=22.84kN/m（單片梁）.

活載：列車豎向活載縱向計(jì)算采用中活載普通活載。活載沖擊系數(shù)為1.24。

1.3各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)（1）RPC：密度：=26kN/m3；抗壓強(qiáng)度等級(jí)：fcu.k=120MPa；抗壓極限強(qiáng)度：fc=80MPa；抗拉極限強(qiáng)度：fct=12MPa；彈性模量：Ec=4.8104MPa.

（2）預(yù)應(yīng)力鋼筋（75鋼絞線）：?jiǎn)问娣e：Ay=142.99mm2；預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值：fpk=1960MPa；預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉計(jì)算強(qiáng)度：fp=0.9，fpk=預(yù)應(yīng)力鋼筋彈性模量：Ep=1.95105MPa；鋼鉸線與RPC的彈性模量比n=Ep/Ec=4.0625.

（3）普通鋼筋（HRB335鋼筋）：鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值：fsk=335MPa；鋼筋抗拉計(jì)算強(qiáng)度：fs=335MPa；鋼筋彈性模量：Es=2.0105MPa；鋼筋與RPC的彈性模量比：n=Es/Ec=4.1667.

（4）主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：

鋼絞線：控制應(yīng)力值：con0.75fpk；最大應(yīng)力值：p0.65fpk。RPC：最大壓應(yīng)力值：c0.75fc；最大拉應(yīng)力值：ct0.70fct。荷載作用階段：鋼絞線：最大應(yīng)力值：p0.60fpk。RPC：最大拉應(yīng)力值：c0.50fc；最大壓應(yīng)力值：ct0.70fct；最大主拉應(yīng)力值：tp0.70fct；最大剪應(yīng)力值：c0.170fc。

1.4實(shí)體建模實(shí)體建模包括混凝土主筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋3部分。

混凝土采用SOLIDE45單元，主筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋采用LINK8單元。由于需要對(duì)RPCT梁的端塊局部應(yīng)力進(jìn)行后續(xù)研究，對(duì)端塊網(wǎng)格劃分相對(duì)細(xì)一些。沿梁縱向：跨中以482mm為一單元，變截面處以134mm為一單元，端部以87mm為一單元，端塊橫截面共劃分出554個(gè)單元，端塊單元采用尺寸約50mm50mm87mm，其中腹板劃分相對(duì)較密，主要是考慮其與彎起的預(yù)應(yīng)力筋的更好耦合。所有網(wǎng)格劃分以循環(huán)命令控制。采用約束支座尺寸范圍中心線上的節(jié)點(diǎn)來(lái)模擬簡(jiǎn)支支座。

2計(jì)算結(jié)果分別對(duì)梁在傳力錨固階段和荷載作用階段2種工況下進(jìn)行受力計(jì)算，結(jié)果如所示。

3結(jié)果分析根據(jù)ANSYS運(yùn)算結(jié)果，分別對(duì)梁在傳力錨固階段和荷載作用階段的整體受力性能進(jìn)行分析，結(jié)果。

由數(shù)值可知，對(duì)于跨中各特征值，ANSYS計(jì)算值與初等梁理論計(jì)算值基本相符，此外，根據(jù)ANSYS計(jì)算結(jié)果，箱梁最大主拉應(yīng)力值發(fā)生在預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固處，其值超過(guò)了8.4MPa的容許值，這個(gè)值的產(chǎn)生是由于建模過(guò)程中耦合法無(wú)法模擬錨固端墊塊及錨下加強(qiáng)螺旋筋的真實(shí)情況造成的，實(shí)際工程中錨固端有內(nèi)置的螺旋鋼筋以及錨下墊塊，很大程度上分散了錨固處的應(yīng)力集中并且承擔(dān)了大部分的主拉應(yīng)力，一般不會(huì)在錨固處出現(xiàn)主拉應(yīng)力的問(wèn)題。

4結(jié)語(yǔ)用RPC替代普通混凝土用于鐵路預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支T梁，通過(guò)建立ANSYS有限元模型進(jìn)行計(jì)算，得出了梁在傳力錨固階段和荷載作用階段梁的整體性能均能滿足要求的結(jié)論，可為RPC今后在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域方面的應(yīng)用與研究提供參考。