法國一座超高性能混凝土斜腿剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)介紹

陳寶春，李聿勝，韋建剛,2，陳逸聰

(1.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350108；2.福建工程學(xué)院)

自1994年超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete，簡稱UHPC)的概念提出以來，其研究與應(yīng)用發(fā)展進(jìn)展迅速。一般認(rèn)為，它最早可追溯到20世紀(jì)70年代丹麥Densit開始的密實(shí)配筋復(fù)合材料(Compact reinforced composite，CRC)的研發(fā)。20世紀(jì)90年代，法國Bouygues公司研發(fā)的活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，簡稱RPC)，則被認(rèn)為是最早較為成熟的UHPC的一種。在法國的研究與應(yīng)用中，通常UHPC中采用纖維增強(qiáng)，因而稱之為超高性能纖維增強(qiáng)混凝土(Ultra-high Performance Fiber Reinforced Concrete，簡稱UHPFRC)。所以，該文中的UHPC包含了RPC、UHPFRC等材料。

目前，UHPC材料與結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用已成為世界土木工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)，法國是推動(dòng)其發(fā)展的重要力量之一。該文首先概要性介紹法國UHPC的研究與應(yīng)用，然后重點(diǎn)介紹一座超高性能混凝土斜腿剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)。

1 UHPC在法國的研究與應(yīng)用概況

1.1 應(yīng)用

法國在土木工程領(lǐng)域的創(chuàng)新能力較強(qiáng)。以橋梁為例，部分斜拉橋、波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋等橋型均由法國專家提出，隨后在世界各地得到發(fā)展。同時(shí)，法國土木工程界對(duì)創(chuàng)新的接受能力也比較強(qiáng)。UHPC新材料出現(xiàn)后，它在法國的接受度一直穩(wěn)定增長。到了20世紀(jì)90年代中期，它被認(rèn)為是土木工程領(lǐng)域潛在的“革命性”材料。由于它的耐久性、構(gòu)件輕巧和表面細(xì)致美觀，尤其受橋梁工程師和建筑師青睞。

1998年，法國電鍍公司(Electricté de France)在卡特農(nóng)核能發(fā)電廠(Cattenom Nuclear Cooling Towers)中安裝了預(yù)應(yīng)力預(yù)制UHPC梁。2014年，UHPC被用于法國馬賽標(biāo)志性項(xiàng)目歐洲和地中海文明博物館(MuCEM)的建筑鏤空圍護(hù)(圖1)。

圖1 地中海文明博物館

此后，UHPC在法國的應(yīng)用不斷擴(kuò)展，尤其是在法國的南部地區(qū)，如該文將要介紹的UHPC斜腿剛構(gòu)橋所在的蒙彼利埃(Montpellier)，除了該橋外，還有多座建筑物采用UHPC外墻掛板，新建的高速鐵路火車站，整個(gè)屋蓋全部采用UHPC結(jié)構(gòu)(圖2)。

圖2 蒙彼利埃高鐵站UHPC屋蓋

1.2 規(guī)范

UHPC出現(xiàn)之初，工程界缺乏了解，在沒有標(biāo)準(zhǔn)支撐、材料單價(jià)較高的情況下，它在市場(chǎng)上沒有競(jìng)爭力。同時(shí)，市場(chǎng)上UHPC材料的供應(yīng)也有限，嚴(yán)重阻礙了其推廣應(yīng)用。

UHPC并不是簡單地提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。它的抗拉強(qiáng)度也得到了提高，且由于纖維的橋接作用，基體受拉開裂后，抗拉強(qiáng)度仍能增長，也就是說有假性硬化段，這就允許UHPC材料的抗拉能力在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮，而對(duì)于普通混凝土來說，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范通常是不考慮混凝土的抗拉性能的。這就需要有專門的UHPC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來支持這一概念的應(yīng)用。同時(shí)，UHPC的耐久性通常比高性能混凝土高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，需要合適的材料測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，以使得工程應(yīng)用時(shí)能充分發(fā)揮UHPC的耐久性。

法國十分重視UHPC標(biāo)準(zhǔn)的制定。20世紀(jì)90年代末，法國土木工程協(xié)會(huì)就開始編寫UHPC的指南。2001年公布了初版的指南，是世界上第一個(gè)有關(guān)UHPC的標(biāo)準(zhǔn)類文件。該指南在2013年進(jìn)行了修訂。近年，法國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)頒布了兩份關(guān)于法國UHPC的標(biāo)準(zhǔn)NF P 18-470和NF P 18-710。

NF P 18-470是關(guān)于UHPC材料的標(biāo)準(zhǔn)，于2017年頒布實(shí)施。它提出新拌和硬化后的UHPC性能，制定了原材料選擇、測(cè)試方法和質(zhì)量保證/質(zhì)量控制要求的原則。它還根據(jù)UHPC的硬化耐久性和強(qiáng)度(抗壓強(qiáng)度和直接拉伸強(qiáng)度)性能，對(duì)不同類別的UHPC進(jìn)行分類。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了從130 MPa到250 MPa的5種抗壓強(qiáng)度，并且規(guī)定了3種從應(yīng)變硬化到應(yīng)變軟化的直接拉伸強(qiáng)度。此外，還包括生產(chǎn)(配料、運(yùn)輸、澆筑、固結(jié)和養(yǎng)護(hù))和確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)硬化性能的方法。

NF P18-710是對(duì)歐洲規(guī)范2“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”的補(bǔ)充，于2016年頒布實(shí)施。它規(guī)定了建筑物和土木工程結(jié)構(gòu)中含有纖維增強(qiáng)的無筋、加筋和預(yù)應(yīng)力UHPC的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則。該標(biāo)準(zhǔn)提供了UHPC壓縮、拉伸、剪切性能分析和設(shè)計(jì)的規(guī)則和模型。標(biāo)準(zhǔn)提供了可靠性管理、極限狀態(tài)設(shè)計(jì)和耐久性設(shè)計(jì)。此外，該標(biāo)準(zhǔn)基于柱或板的受彎試驗(yàn)，提出通過反向分析，確定UHPC直拉性能的一套方法。

這兩份標(biāo)準(zhǔn)的頒布，不僅對(duì)法國推廣UHPC的應(yīng)用產(chǎn)生了極其重要的作用，也對(duì)世界各國制訂UHPC標(biāo)準(zhǔn)提供了重要的參考。

1.3 學(xué)術(shù)交流

法國于2009年在馬賽舉辦了第一屆超高性能纖維增強(qiáng)混凝土國際會(huì)議(International Symposium on UHPFRC)，此后，2013年和2017年又分別舉辦了第二屆和第三屆，吸引了世界各國UHPC的學(xué)者和專家參加，成為世界UHPC領(lǐng)域重要的學(xué)術(shù)會(huì)議，所出版的論文集也成為有關(guān)UHPC研究的重要文獻(xiàn)。第四屆將于2021年舉辦。除這種固定的會(huì)議外，它還舉辦了其他一些活動(dòng)，如2018年9月在法國南特召開的UHPC的Workshop，邀請(qǐng)知名的專家，提供短期課程，介紹UHPC規(guī)范的制訂背景、工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。此外，法國還推進(jìn)他國UHPC的應(yīng)用。如，2002年法國承包商Bouygues公司還采用從法國進(jìn)口的UHPC和法國的設(shè)計(jì)方法，在韓國首爾建造了韓國第一座UHPC人行橋(仙游橋)。

2 UHPC斜腿剛構(gòu)橋

2.1 橋梁方案

這座橋位于法國南部的蒙彼利埃，名為La République(法蘭西共和)橋。它跨越勒茲(Lez)河。

勒茲河寬約70 m，是一條季節(jié)性河流，大部分時(shí)間其水量不大、流速平緩，有時(shí)甚至幾乎干涸。但在洪水季，可在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，水位高度突然之間達(dá)到10 m左右，流速很快，經(jīng)常給河岸造成很大的損害。因此，在2010年決定修建一座公路橋時(shí)，對(duì)橋梁方案的要求是河中不設(shè)橋墩。

蒙彼利埃位于法國南部，地中海沿岸，經(jīng)萊茲河與海相通，燦爛的陽光，古老的街區(qū)，絢麗的花園，使其成為法國重要的旅游地。大方案競(jìng)標(biāo)中，由建筑師和工程師提出的UHPC的斜腿剛構(gòu)橋方案中標(biāo)，擊敗了懸索橋、桁架梁、系桿拱等方案。

由于采用了UHPC這種材料，橋墩(斜腿撐桿)和上部結(jié)構(gòu)(橋面板)構(gòu)件尺寸均很小，使得整體結(jié)構(gòu)輕巧，通透度高。同時(shí)，結(jié)構(gòu)自重輕，能適應(yīng)橋位處軟弱地基條件。此外，主要構(gòu)件均為預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間大大縮短，可在兩次洪水之間完成現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)(實(shí)際施工時(shí)只用了4個(gè)月)。為了避免UHPC中鋼纖維在構(gòu)件表面銹蝕對(duì)外觀的影響，該橋的UHPC中的纖維采用了不銹鋼纖維，并專門對(duì)不銹鋼纖維增強(qiáng)的UHPC進(jìn)行了研發(fā)。

2.2 總體布置

該橋?yàn)槿缧蓖葎倶?gòu)橋，跨徑組合為(24+25+24)m，橋?qū)?7 m，斜撐高9.67 m(垂直投影)。上部結(jié)構(gòu)總高僅80 cm，由17根UHPC工字梁和橋面板組成。斜撐斜角為45°，與梁一一對(duì)應(yīng)，一個(gè)墩也有17根。橋臺(tái)與橋墩基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，其中斜撐下布置有斜樁。總體布置圖見圖3。

圖3 UHPC斜腿剛構(gòu)橋總體布置圖(單位：m)

建成后的大橋如圖4所示。

圖4 UHPC斜腿剛構(gòu)橋照片

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

梁的截面尺寸見圖5。梁高58 cm，下翼緣較大，為預(yù)制構(gòu)件。腹板厚度從跨中的10 cm增加到兩端的15 cm，以適應(yīng)抗剪需要。由于梁高較小，采用了預(yù)應(yīng)力，以提高剛度，且預(yù)制時(shí)留有預(yù)拱度。橋面板為現(xiàn)澆鋼筋混凝土板。

圖5 主梁截面尺寸(單位：cm)

梁的UHPC中采用長度為20 mm的鋼纖維，摻量為2.5%，28 d抗壓強(qiáng)度為165 MPa，28 d特征最大開裂后應(yīng)力為7.1 MPa，彈性模量為57 GPa。

斜撐具有復(fù)雜的幾何形狀，它采用異形截面且沿著長度方向?yàn)樽兘孛?，底部截面小，往橋面高度方向加大，見圖6。

圖6 斜撐截面尺寸(單位：cm)

斜撐的UHPC中采用長度為13 mm的不銹鋼纖維，摻量為1.25%，28 d抗壓強(qiáng)度為150 MPa，28 d特征最大開裂后應(yīng)力為6.0 MPa，彈性模量為52 GPa。

從建筑造型需要，在每一根斜撐頂部，伸出了一根小支桿，截面如圖7所示，陽光照到水面反射到橋面底板的照片見圖8。

圖7 斜撐小支桿截面尺寸(單位：cm)

圖8 斜撐頂部局部照片

斜撐也是預(yù)制構(gòu)件，每根配有5根集中布置的預(yù)應(yīng)力筋。預(yù)應(yīng)力索始終是直的，用于抵消由恒載引起的彎矩，其在構(gòu)件中的位置是變化的，如圖9所示。預(yù)應(yīng)力索采用后張法錨固于基礎(chǔ)承臺(tái)上。斜撐與承臺(tái)的連接為鉸接，如圖9所示。

圖9 斜撐與基礎(chǔ)的連接構(gòu)造(單位：cm)

斜撐與主梁之間采用現(xiàn)澆UHPC連接，見圖10。

圖10 斜撐與主梁的連接構(gòu)造(單位：cm)

3 結(jié)語

中國橋梁仍處于大規(guī)模建設(shè)時(shí)期，UHPC能滿足結(jié)構(gòu)向更高、更長、更復(fù)雜的受力需求和低碳、環(huán)保、耐久性好的社會(huì)可持續(xù)發(fā)展需求，在中國有著廣闊的應(yīng)用前景。該文對(duì)法國UHPC應(yīng)用與研究進(jìn)展及一座斜腿剛構(gòu)橋的介紹，希望有助于促進(jìn)UHPC在中國的應(yīng)用推廣，尤其是在橋梁結(jié)構(gòu)中的創(chuàng)新性應(yīng)用。