UHPC預(yù)制梁在公路危橋改造中的應(yīng)用

吳悅

（承德市雙灤區(qū)交通運(yùn)輸局，河北承德 067000）

0 引言

大部分公路危橋地處偏僻、維護(hù)缺失、道路狹窄。因此，公路危橋改造往往面臨交通運(yùn)輸不便、施工場(chǎng)地狹小、難以進(jìn)行大規(guī)模機(jī)械化施工的問(wèn)題。而常規(guī)鋼混預(yù)制梁體積大、重量大，難以運(yùn)輸，吊裝困難，無(wú)法保證施工質(zhì)量。因此，提出采用超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）預(yù)制梁施工方案，從而有效增強(qiáng)預(yù)制梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少其截面尺寸，無(wú)需使用大型機(jī)械設(shè)備運(yùn)輸?shù)跹b，適用于場(chǎng)地受限的公路危橋改造，具有良好的工程推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 工程概況

某地區(qū)集中開(kāi)展公路危橋改造，擬改造危橋總計(jì)15座。橋梁上部統(tǒng)一為常規(guī)鋼混混凝土T形梁，下部統(tǒng)一為雙柱橋墩，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁。基于實(shí)地勘測(cè)與靜載試驗(yàn)結(jié)果，橋梁屬于Ⅳ類橋，其左幅T梁部位受損，需替換橋梁左幅0#、1#、3#、7#跨上部梁體，以保證橋梁荷載滿足公路Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。該公路危橋改造工程主要材料為UHPC 高性能混凝土，通過(guò)摻加鋼纖維進(jìn)一步提高UHPC 混凝土的強(qiáng)度、耐久性。確保滿足荷載要求的基礎(chǔ)上適當(dāng)減小UHPC 混凝土預(yù)制梁截面尺寸，有效降低梁體重量，減輕橋下部所受荷載。由于梁自重減少，無(wú)須大型運(yùn)輸?shù)跹b設(shè)備，有效克服公路橋梁狹窄、施工場(chǎng)地狹小問(wèn)題，提高施工效率。

2 UHPC預(yù)制梁的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

該公路危橋改造工程采用UHPC 材料預(yù)制梁技術(shù)，輔以簡(jiǎn)支T梁施工工藝，梁體事先由工廠預(yù)制，再運(yùn)輸至改造施工現(xiàn)場(chǎng)，利用小型吊機(jī)進(jìn)行吊裝，作業(yè)效率高，主要優(yōu)點(diǎn)包括以下方面。

2.1 梁體更輕

UHPC 中摻加鋼纖維，自重輕、強(qiáng)度高、耐用抗開(kāi)裂。配合應(yīng)用成熟的簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力T梁施工工藝，可有效增加梁體的抗彎能力，承載力大小不變時(shí)，UHPC 構(gòu)件截面相較常規(guī)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件截面縮小30%左右，且UHPC 構(gòu)件無(wú)須內(nèi)置鋼框架，可進(jìn)一步降低自身重量約40%～60%。

2.2 施工效率高

UHPC 預(yù)制梁一般在工廠預(yù)先制作好再運(yùn)輸至危橋改造施工現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)小型吊機(jī)進(jìn)行吊裝，同時(shí)橋梁下部加固與片梁施工可同步進(jìn)行。

2.3 施工成本低

由于UHPC 預(yù)制梁均在工廠預(yù)制，便于生產(chǎn)調(diào)度，通過(guò)小型運(yùn)輸車輪和吊機(jī)即可完成預(yù)制梁的運(yùn)輸和吊裝，從而有效降低普通國(guó)省干線公路危橋改造施工成本。

2.4 材料耐久性更好

UHPC 材料強(qiáng)度高，且添加了鋼纖維，進(jìn)一步提升其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗開(kāi)裂、耐久性，平均使用年限長(zhǎng)達(dá)百年。

2.5 施工更加便捷

相比傳統(tǒng)鋼筋混凝土預(yù)制梁，UHPC 制作的預(yù)制梁可以輕巧的梁體滿足同樣的承載能力要求，不需要大型機(jī)械運(yùn)輸與吊裝設(shè)備，更好地適應(yīng)普通國(guó)省干線公路危橋改造施工環(huán)境，有效減少橋梁下部所受載荷。

由此可見(jiàn)，UHPC 預(yù)制梁施工技術(shù)搭配簡(jiǎn)支T 梁施工工藝可以更好地滿足公路危橋改造施工要求，特別是對(duì)大跨徑、深水位、高橋面的普通國(guó)省干線公路危橋上部結(jié)構(gòu)改造工程，優(yōu)勢(shì)更加明顯。

3 UHPC預(yù)制梁施工方案

3.1 施工難點(diǎn)

該工程施工難點(diǎn)主要是需替換的橋跨梁底距離河床20m以上，常規(guī)支架支?，F(xiàn)澆施工工藝不適用；且橋梁一端建有超高壓電塔，不能架設(shè)橋機(jī)，無(wú)法吊裝傳統(tǒng)鋼筋混凝土預(yù)制梁；該橋?yàn)棰纛愇?，橋面無(wú)法承受大型機(jī)械施工設(shè)備。

3.2 總體施工方案

UHPC 預(yù)制梁施工技術(shù)方案主要包括：（1）結(jié)合實(shí)際情況制定梁體預(yù)制、吊裝流程；（2）盡量縮小梁體截面大小、降低自身重量；（3）增強(qiáng)梁體強(qiáng)度、耐久性、抗開(kāi)裂能力。該公路危橋改造工程采用UHPC+簡(jiǎn)支T 梁預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)，簡(jiǎn)支T 梁先在場(chǎng)外預(yù)制，加固橋墩后，可將預(yù)制T梁運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，再通過(guò)小型吊機(jī)完成吊裝。

3.3 UHPC預(yù)制梁施工要點(diǎn)

3.3.1 UHPC梁預(yù)制

該普通國(guó)省干線公路危橋預(yù)制梁長(zhǎng)18m、跨徑22m，按照改造施工圖紙制作配套的鋼模板。由于UHPC 材料摻加鋼纖維后黏度增加，應(yīng)適當(dāng)增加UHPC振搗時(shí)間。

3.3.2 UHPC梁養(yǎng)護(hù)

在室內(nèi)進(jìn)行蒸汽覆蓋養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為24h×7d。蒸汽溫度控制在80～90℃之間，養(yǎng)護(hù)室內(nèi)濕度控制在90%，不間斷養(yǎng)護(hù)7d。

3.3.3 UHPC預(yù)制梁體張拉

由于UHPC 材料初始強(qiáng)度很高，通過(guò)24h×7d 蒸汽養(yǎng)護(hù)可確保UHPC 預(yù)制梁強(qiáng)度滿足強(qiáng)度要求（不低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%）。UHPC 預(yù)制梁體張拉可通過(guò)常規(guī)預(yù)應(yīng)力張拉方式在梁體兩端同時(shí)張拉，合理控制張拉力大小，基于UHPC預(yù)制梁體伸長(zhǎng)量檢驗(yàn)張拉效果。

3.3.4 UHPC預(yù)制梁吊裝

UHPC 預(yù)制梁自重輕，因此，只需使用25t 級(jí)的小型吊機(jī)即可完成梁體吊裝。

3.3.5 鋼筋混凝土現(xiàn)澆層施工

橋面現(xiàn)場(chǎng)澆筑厚17cm 鋼筋混凝土現(xiàn)澆層，主要作用是承受重力載荷，同時(shí)連接固結(jié)UHPC預(yù)制梁。

4 UHPC預(yù)制梁施工方案的可行性分析

4.1 UHPC預(yù)制梁截面優(yōu)化驗(yàn)算

該公路危橋上部構(gòu)造中單個(gè)UHPC 形狀如圖1所示。

圖1 單個(gè)UHPC 形狀

在CAD 中輸入U(xiǎn)HPC 預(yù)制梁尺寸數(shù)據(jù)，求得單個(gè)UHPC 預(yù)制梁質(zhì)心和正截面面積及慣性矩。通過(guò)計(jì)算機(jī)CAD軟件輸出計(jì)算結(jié)果，具體見(jiàn)表1。

表1 CAD 軟件顯示計(jì)算結(jié)果

通過(guò)計(jì)算可知：（1）單個(gè)UHPC 預(yù)制梁慣性矩I=2.49×1010mm4、毛截面積為S=0.15m2，抵抗矩W=7.56×107mm3，單個(gè)UHPC 預(yù)制梁體自身重量為80kN；恒載3.85kN/m。（2）橋面為附屬構(gòu)造，恒載13kN/m，順梁長(zhǎng)恒載15.86kN/m，跨中彎矩798.7kN·m。根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范可知公路Ⅱ級(jí)雙車道均布荷載、跨中彎矩分別為7.875kN/m、393.75kN·m；人車可變沖擊荷載、跨中彎矩分別為765kN、7500kN·m。由此得到產(chǎn)生跨中總彎矩如式（1）所示。

式（1）中：M總為產(chǎn)生的跨中總彎矩；M1為公路Ⅱ級(jí)雙車道自重產(chǎn)生的跨中彎矩；M2為人車可變產(chǎn)生的跨中彎矩。

由式（1）計(jì)算可以求得M總為8 692.45kN·m。若中性軸與截面上緣的間距為x，受壓區(qū)高度可通過(guò)式（2）求解：

式（2）中：a1根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）取0.85；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取150；As、為受拉、受壓區(qū)縱向普通鋼筋截面積；Ap、為受拉、受壓區(qū)縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋截面積，根據(jù)施工設(shè)計(jì)要求取2×15.2 mm2；為受壓區(qū)縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋合力點(diǎn)位置的混凝土法向應(yīng)力為0時(shí)對(duì)應(yīng)的預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力。

將上述參數(shù)數(shù)值導(dǎo)入公式求得x約為0.14m。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）通過(guò)式（3）可驗(yàn)算跨中正截面：

將相應(yīng)數(shù)值導(dǎo)入公式可求得彎矩標(biāo)準(zhǔn)M=13433.64kN·m，按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）的相關(guān)規(guī)定，該危橋改造工程采用的UHPC 預(yù)制梁體荷載組合驗(yàn)算取γ0=1，求得該UHPC 預(yù)制梁彎矩大小為8 692.45kN·m，小于彎矩標(biāo)準(zhǔn)值。通過(guò)驗(yàn)算可知，該危橋改造工程使用的UHPC 預(yù)制梁正截面承載力滿足公路Ⅱ級(jí)荷載要求。

4.2 UHPC預(yù)制梁靜載試驗(yàn)

為驗(yàn)證UHPC 預(yù)制梁承載能力及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，需對(duì)預(yù)制梁進(jìn)行壓載試驗(yàn)，為預(yù)制梁預(yù)應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，并檢驗(yàn)驗(yàn)算結(jié)果的正確性。

（1）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：試驗(yàn)UHPC 預(yù)制梁跨中下曲撓度6.73mm，1/4 跨下曲撓度5.25mm，表面未發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂；將荷載增加至設(shè)計(jì)值的1.5 倍，測(cè)得跨中下曲撓度9.66mm，表面未發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂；將荷載增加至設(shè)計(jì)值的2 倍，跨中下曲撓度12.99mm，梁體底部出現(xiàn)深8～11mm 的裂縫，但鋼筋保護(hù)層僅局部破壞；馬蹄部位發(fā)現(xiàn)深6～9mm的剪切裂縫。

（2）由此可知：該公路危橋改造工程使用的UHPC預(yù)制梁在不同荷載作用下，結(jié)構(gòu)變形于應(yīng)變狀態(tài)符合標(biāo)準(zhǔn)；添加的鋼纖維對(duì)UHPC 材料的抗開(kāi)裂能力具有顯著的增強(qiáng)作用。

5 UHPC預(yù)制梁的應(yīng)用效果檢驗(yàn)

該公路危橋改造工程實(shí)踐表明，合理應(yīng)用UHPC 預(yù)制梁施工技術(shù)可以有效減少橋梁改造工程量，提升改造施工效率，同時(shí)降低施工成本，確保施工安全。應(yīng)用效果檢驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）UHPC 材料自身強(qiáng)度高、耐久性好、抗開(kāi)裂性能良好，和傳統(tǒng)鋼筋混凝土梁相比，尺寸更小，重量更輕，能滿足承載力要求，同時(shí)可降低橋梁下部墩柱構(gòu)件所受載荷。

（2）UHPC 預(yù)制梁施工技術(shù)適用于交通不便、施工場(chǎng)地狹小的普通國(guó)省干線公路危橋改造工程，尤其是基礎(chǔ)較好，但上部橋跨狹窄或橋面病害嚴(yán)重的橋梁。應(yīng)用UHPC 預(yù)制梁施工技術(shù)可加快施工進(jìn)度，降低施工成本，同時(shí)減少場(chǎng)地占用，最大限度地減少施工對(duì)交通的影響。

（3）UHPC 預(yù)制梁在危橋改造工程中的應(yīng)用效果良好，獲得了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，特別是在施工環(huán)節(jié)復(fù)雜、施工進(jìn)度緊張、任務(wù)繁重、工程預(yù)算有限的橋梁改造工程中值得推廣。

6 結(jié)論

該公路危橋改造工程實(shí)踐表明，UHPC 預(yù)制梁技術(shù)應(yīng)用效果良好，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）在滿足相同荷載要求前提下，UHPC 預(yù)制梁構(gòu)件體積更小，自重更輕，可節(jié)約改造施工成本。

（2）預(yù)制過(guò)程中，UHPC材料梁體施工時(shí)可實(shí)現(xiàn)橋梁上下部結(jié)構(gòu)同步施工，有效節(jié)約臨時(shí)預(yù)制場(chǎng)地建設(shè)費(fèi)用，避免大型運(yùn)輸?shù)跹b機(jī)械設(shè)備的使用，顯著提升施工效率。

（3）UHPC 預(yù)制梁技術(shù)應(yīng)用可為同類公路危橋改造施工提供一定的技術(shù)參考，滿足高效、安全、節(jié)能、節(jié)材、降耗要求，推廣應(yīng)用價(jià)值較高。

（4）結(jié)合UHPC 材料高強(qiáng)度及預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉抗裂特點(diǎn)，可減少橋梁上部結(jié)構(gòu)自重。通過(guò)預(yù)應(yīng)力技術(shù)組合可將多片UHPC 預(yù)制梁拼裝成較大跨度，方便加寬橋面梁板，提高危橋整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。