高强轻骨料混凝土大跨径桥梁结构设计研究

王潇碧

（四川大学锦城学院，四川 成都 611731）

1 高强轻骨料混凝土分析

高强轻骨料混凝土是指选用轻砂作为细骨料，配以水泥、水等材料，拌合而成的混凝土。和普通混凝土相比，高强轻骨料混凝土的密度更低、抗压强度较高。在大跨径桥梁工程中，高强轻骨料混凝土表现出如下优势：

第一，使用寿命长。高强轻骨料混凝土在使用期间，不会出现碱骨料反应，表现出优异的抗渗性能与抗冻性能，确保大跨径桥梁在恶劣环境下，保持稳定可靠性，从而延长大跨径桥梁的使用寿命。同时，高强轻骨料混凝土的材料间性能差异较小，相容性更强，集中应力的产生难度较大，降低结构裂缝出现的概率，且轻骨料可使混凝土结构进行自养护，强化混凝土结构的性能，提升其耐久性。

第二，稳定性强。高强轻骨料混凝土可提升大跨径桥梁的抗震性能与抗裂性能，提升结构稳定性。就抗震性能而言，基于高强轻骨料混凝土的自重低特点，可缓解水平地震的负面影响，提升桥梁的变形能力，在出现振动可抵消更多的变性能，抵御地震的损坏；就抗裂性能而言，高强轻骨料混凝土的弹性模量及热膨胀系数偏低，可产生较低应力，避免裂缝的出现，提升抗裂性能。

第三，轻质高强。相关研究数据表明，在高强轻骨料混凝土的密度处于1800-1900kg/m3时，其强度可达到CL50-CL60 左右，但此时混凝土结构的重量仅为普通高强混凝土的70%-80%。可见，高强轻骨料混凝土具有轻质高强特征，基于该特征，大跨径桥梁的跨度有所提升，可减少桥墩设置的数量、钢筋的使用量，还可简化桥梁基础处理施工，从而降低桥梁工程成本。同时，在高强度支持下，大跨径桥梁的结构荷载有较大提升，在恒载不变的情况下，可适当增加桥梁截面高度，强化桥梁工程效益[1]。

2 大跨径桥梁结构设计分析

2.1 收缩形变参数设计

和普通高强混凝土相比，高强轻骨料混凝土的收缩形变有显著差异，后者的数值更大。基于不同的混凝土密度，设计单位明确的收缩形变参数有所不同。纵观国内外的大跨径桥梁计算标准，收缩徐变参数的计算公式较为多元化。在美国PCI 协会发布的设计手册中，认为可参照普通高强混凝土的收缩参数计算方式，明确高强轻骨料混凝土的参数；荷兰规范认为高强轻骨料混凝土有其独有的材料特性，应用徐变修正系数计算收缩徐变参数。同样地，德国及欧洲规范，也引进徐变修正系数，但三者的引进方式与数值均不同。借鉴国外的标准规范，国内在关于收缩徐变的参数规范如下：参照CL20-CL30 混凝土试验结果，明确收缩形变系数的数值。

另外，在高强轻骨料混凝土结构设计中，有大跨径桥梁在收缩徐变的影响下，出现质量问题，需受到设计人员的重视。例如，在美国1978年完工的Parrotts 渡桥，于1990年出现主跨下垂现象。根据桥梁结构参数检测结果，发现出现该问题的原因在于收缩形变数值选择错误，设计单位应用的数值为密封条件下的参数，导致桥梁使用期间出现收缩徐变差异，引发质量通病。就此，设计单位需根据大跨径桥梁的使用场景和环境，明确参数选取条件，选择正确的计算模型与规范，保障大跨径桥梁的质量。

2.2 弹性模量参数设计

在大跨径桥梁结构设计中，高强轻骨料混凝土的弹性模量会影响结构的抗震性能，需受到设计单位的重视。和普通强度混凝土相比，高强轻骨料混凝土的弹性模量更小。有学者在研究中指出，在水灰比处于0.32～0.43 的范围时，强度处于CL60～CL90 时，在弹性模量参数中，高强轻骨料混凝土要低30%。同时，在高强轻骨料混凝土结构设计中，其弹性模量会受到强度及密度的双重影响。就此，在结算结构的弹性模量时，设计人员需采用如下公式：

其中，ρc是指表观密度；fc是指抗压强度。

在设计弹性模量时，数值过大会引发结构变形，降低结构稳定性；数值过小会降低结构延性，导致收缩徐变应力过大。所以设计人员需在设计期间开展多次试验，明确最佳的弹性模量参数，提升大跨径桥梁的结构稳定性。

2.3 荷载极限参数设计

在桥梁结构设计中，荷载极限包括承载能力极限及正常使用极限两类，在桥梁投入使用后，其运行参数需控制在荷载极限内，方可保障桥梁的长久发展。在承载能力极限参数设计中，设计人员需考虑折减的弹性模量，再结合混凝土外侧压应变，计算混凝土构件截面的承载力，保障结构的整体安全性；在正常使用极限参数设计中，设计人员需根据相应的折减系数，明确桥梁结构的正常使用极限状态。在进行跨度有效深度计算时，折减系数选为0.85；在进行梁的长高比计算时，折减系数选为0.9。同时，如果大跨径桥梁的运行环境较恶劣，设计单位需设置厚度约为10mm 的保护层，延长桥梁的使用寿命。

另外，在大跨径桥梁结构设计中，设计人员需考虑高强轻骨料混凝土的泵送性能，在明确水灰比的情况下，选择合理的外加剂，提升混凝土的流动性，为桥梁施工提供便利[2]。

3 结语

综上所述，高强轻骨料混凝土是目前大跨径桥梁常用的材料，需通过合理设计发挥其优势。通过本文的分析可知，设计单位需做好大跨径桥梁的收缩形变、弹性模量及荷载极限设计，确保大跨径桥梁的承载能力符合工程要求，提高桥梁工程的质量，促进桥梁工程的可持续发展。