超高性能混凝土預制梁在危橋改造中的應用

廣東省基礎工程集團有限公司，廣東 廣州 510620

1 工程概況

廣東省農村公路危橋改造建設總承包1標段包括汕頭、潮州、揭陽、梅州、汕尾、河源以及韶關7個地級市共計140座橋梁。揭陽市金鯉大橋位于X096縣道，連接揭西縣與普寧市，全橋長320m、寬16m，上部結構均為普通鋼筋混凝土T梁，左幅橋跨徑組合為（8×16+3×20+4×16）m，右幅橋跨徑組合為（8×16+3×20+8×16）m，下部構造均為雙柱式橋墩，鉆孔灌注樁基礎。根據橋梁的檢測及靜載試驗報告，該橋被評定為四類橋，左幅橋存在T梁貫穿破壞。需對左幅橋0#～1#、6#～11#共6跨上部梁進行更換，以到達公路Ⅱ級荷載標準。

該項目在已有的超高性能混凝土材料研究的基礎上，利用超高性能混凝土材料自身強度高的特點，并摻入高強鋼纖維材料，使其擁有更高的強度和更好的抗開裂性能和耐久性，在滿足設計荷載的前提下，可優(yōu)化減小構件截面，大幅度減輕構件自重，使橋梁下部結構承受的荷載減輕，減少下部結構的改造費用，同時因梁體自重的減輕，可使用輕型運輸和起重機械在狹窄的農村道路以及有限的現場作業(yè)空間中進行運梁、架梁施工，顯著提高施工的便利性。

2 超高性能混凝土預制梁技術的研究現狀

從目前的檢索結果來看，國內外公開發(fā)表的文獻中，對超高性能混凝土預制梁技術的主要研究內容包括超高性能混凝土橋梁設計與施工關鍵技術問題探討，預制超高性能混凝土中承式梁單元、橋梁結構及施工方法，預制拼裝超高性能混凝土板式拱橋及其施工方法等，但未見超高性能混凝土預制梁在危橋改造中的應用技術的研究內容。

3 超高性能混凝土技術的優(yōu)點及適應范圍

該項目采用新型混凝土施工技術，并配合成熟的簡支工字梁預應力施工技術，由工廠統一制梁，現場在小型起重機械的配合下即可完成吊裝，施工高效便捷。主要技術優(yōu)點如下：

（1）結構自重減輕。超高性能混凝土是一種新型纖維增強水泥基復合材料，摻入鋼纖維材料，具有強度高、徐變小、耐久性好等諸多優(yōu)異性能。通過與成熟的預應力施工技術結合，能顯著提高超高性能混凝土構件的抗彎承載力和開裂彎矩，在滿足同等承載力的條件下，超高性能混凝土構件截面尺寸比傳統的預應力鋼筋混凝土構件減小約30%，且構件中無須配置鋼筋骨架，有效減輕構件自重 40%～ 60%。

（2）工期短。超高性能混凝土梁由工廠集中制作養(yǎng)護，現場進行吊裝，可實現下部加固與片梁同步施工。

（3）成本較低。超高性能混凝土材料由廠家在預制場內集中組織生產，并采用輕型機械設備運輸和吊裝，能節(jié)省預制梁建設、模板和設備費用。

（4）使用壽命長。因為超高性能混凝土材料自身強度高，并摻入高強鋼纖維材料，所以其抗拉、抗裂性能均優(yōu)于普通混凝土，使用壽命可達百年。

（5）施工方便快捷。使用該材料生產的預制梁在滿足承載能力的前提下可大幅度減小構件的橫截面積，減輕上部梁體的自重，無須采用大噸位的機械設備運輸吊裝，可降低作業(yè)場地以及對橋梁下部結構受力的要求，能夠充分利用原有舊橋基礎。

綜上所述，該技術適用于多數危橋改造施工，在跨度大、水深、橋高的危橋更換上部結構改造中，該技術更是優(yōu)選。

4 超高性能混凝土預制梁施工的主要內容

項目重難點在于更換橋跨梁底距河床高超過21m，無法采用傳統搭設支架的支模現澆施工方法；橋頭有超高壓電塔電線，無法采用架橋機架設傳統預制梁；舊橋屬于四類危橋，大型機械設備無法在舊橋上行走作業(yè)。

超高性能混凝土預制梁施工的主要內容如下：（1）制訂合理的梁體預制、吊裝方案；（2）減少上部結構體積、減輕自重；（3）提高梁體結構強度，優(yōu)化梁體截面尺寸，提倡應用超高性能混凝土。該工程采用超高性能混凝土結合預應力技術，由場外預制工字簡支梁，待橋梁下部墩柱加固完成后，預制梁統一運至現場，采用小型起重機械吊裝。通過優(yōu)化截面，使用新型超高強度混凝土澆筑制作，在保證設計荷載要求的前提下，能大幅度減小構件體積，減輕結構自重，充分利用橋梁原有下部結構的承載性能，提高老橋構件的利用率，有效節(jié)省建設成本。在梁體預制的過程中，同時可對橋梁下部墩柱進行加固施工，實現上下部結構同步施工，節(jié)省現場臨時預制場地的建設費用和大型吊裝機械的使用費用，并大幅度縮短工期。此技術的應用可對其他農村公路危橋的改造施工起到示范作用，滿足高效、安全、節(jié)能、節(jié)材、降耗的要求，有良好的推廣應用前景。

5 超高性能混凝土技術的可行性論證

（1）超高性能混凝土梁截面優(yōu)化驗算。金鯉大橋更換超高性能混凝土梁橫斷面如圖1所示。

圖1 金鯉大橋更換超高性能混凝土梁橫斷面圖

根據圖1中超高性能混凝土梁橫斷面尺寸參數，利用計算機CAD軟件輸入該梁的尺寸參數計算單片超高性能混凝土梁正截面毛面積、質心及慣性矩，將慣性矩分別除以上下邊界到質心的距離得到抵抗矩數值。CAD軟件顯示計算結果如表1所示。

表1 CAD軟件顯示計算結果

經計算得出單片梁毛截面積S=0.15m2，截面慣性矩I=2.49×1010mm4，截面抵抗矩W=7.56×107mm3，單片梁體自重為75kN（密度為25kN/m3），超高性能混凝土梁自重為3.75kN/m。橋面系附屬構造，恒載為12kN/m，則沿梁長恒載為15.75kN/m，產生跨中彎矩為787.6kN·m；公路Ⅱ級兩車道均布荷載標準直接取值7.875kN/m，產生跨中彎矩為393.75kN·m；人群、汽車可變沖擊荷載共計750kN，產生跨中彎矩為7500kN·m。綜上，產生跨中總彎矩為787.6+393.75+7500=8681.35kN·m。超高性能混凝土梁自重恒載分布如圖2所示。

圖2 超高性能混凝土梁自重恒載分布

受壓區(qū)高度計算：設中性軸到截面上緣距離為x，受壓區(qū)高度的計算公式如下：

式中：a1由《混凝土結構設計規(guī)范（2015年版）》（以下簡稱《規(guī)范》）（GB 50010—2010）中6.2.6章節(jié)規(guī)定取值為0.85；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值，取值150；As、A's為受拉區(qū)、受壓區(qū)縱向普通鋼筋的截面面積，在此不計算此項；Ap、A'p為受拉區(qū)、受壓區(qū)縱向預應力筋的截面面積，按設計文件取值2×15.2mm2；σ′p0為受壓區(qū)縱向預應力筋合力點處混凝土法向應力等于零時的預應力筋應力。

代入數據解得x≈0.14m。

由圖2可知x＞，按《規(guī)范》中6.2.11章節(jié)規(guī)定，采用如下驗算公式驗算跨中正截面：

代入數據得到彎矩標準值M=13433.64kN·m，根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362—2018）中5.1.2章節(jié)相關規(guī)定及《規(guī)范》的10.1.2章節(jié)中對結構重要系數γ0的取值說明，該超高性能混凝土梁的荷載組合驗算取γ0=1，最終計算得出該超高性能混凝土梁的彎矩值為8681.35kN·m，小于彎矩標準值M=13433.64kN·m。

經上述驗算可得到結論：該超高性能混凝土梁正截面承載力滿足公路Ⅱ級荷載要求。

（2）超高性能混凝土梁靜載試驗。通過對1∶1試驗梁進行壓載試驗，檢查梁體承載能力和極限破壞強度，為預應力優(yōu)化設計做參考，并對驗算結果進行驗證。超高性能混凝土預制梁靜載試驗現場如圖3所示。

圖3 超高性能混凝土預制梁靜載試驗現場圖

通過標準靜載試驗可得，1∶1試驗梁跨中下曲撓度為6.62mm，1/4跨下曲撓度為5.14mm，表面無裂縫產生；施加1.5倍設計極限荷載，跨中下曲撓度為9.55mm，表面無裂縫產生；施加2倍設計極限荷載，跨中下曲撓度為12.89mm，跨中梁底出現裂縫，深度為7～10mm，未完全破壞鋼筋保護層；馬蹄部出現剪切裂縫，深度為5～8mm。

得出如下結論：廣東省農村公路危橋改造建設總承包項目1標段超高性能混凝土工字梁在各級荷載作用下，結構變形和應變狀態(tài)正常；位移校驗系數、應變校驗系數和殘余變形等各項試驗指標滿足相關要求。這說明結構在整個試驗過程中處于彈性工作狀態(tài)，強度、剛度滿足設計荷載標準，摻入的纖維材料對超高性能混凝土的抗裂具有很好的抑制作用。

6 超高性能混凝土預制梁的工程實踐應用

（1）制梁。該項目金鯉大橋預制梁主要采用長度為16m、20m的標準跨徑，根據設計圖紙定制成套鋼模板。在完成現澆層預埋鋼筋、預應力管道及驗收合格后封模澆筑預拌超高性能混凝土。因超高性能混凝土材料加入纖維材料后較黏稠，應延長振搗時間。

（2）養(yǎng)護。采用室內24h制7d覆蓋加熱蒸汽養(yǎng)護，在超高性能混凝土材料終凝后立即進行。覆蓋養(yǎng)護罩內蒸汽溫度為80～90℃，室內空氣濕度為90%，連續(xù)養(yǎng)護7d。

（3）張拉。因超高性能混凝土材料早期強度非常高，配合使用蒸汽覆蓋養(yǎng)護也可使超高性能混凝土預制梁強度在7d養(yǎng)護達到設計強度的90%以上，提前達到滿足預應力筋張拉施工條件。梁體的張拉采用常規(guī)預制梁預應力張拉方法進行兩端張拉，以控制張拉力為主，伸長量作為校核。

（4）吊梁。超高性能混凝土梁吊裝采用常規(guī)輕量吊裝方式，20m長的超高性能混凝土預制梁重量僅為75kN，吊裝時僅使用25t汽車吊即可滿足作業(yè)需求。

（5）超高性能混凝土預制薄板安裝。采用尺寸為97cm×100cm×3cm的預制超高性能混凝土板作為永久性模板安裝在超高性能混凝土工字梁上部，作為施工操作平臺及作混凝土澆筑承重板使用。

（6）鋼筋混凝土現澆層施工。以16cm厚的鋼筋混凝土現澆層作為橋面主要承重板，可對超高性能混凝土預制梁起到橫向連接固結作用。

超高性能混凝土梁危橋改造現場如圖4所示。

圖4 超高性能混凝土梁危橋改造現場圖

7 超高性能混凝土技術的成果檢驗及推廣應用

超高性能混凝土預制梁在金鯉大橋危橋改造中的實踐證明，應用超高性能混凝土技術使該橋避免了拆除重建，加快了橋梁改造進度，節(jié)省了施工成本，且施工安全便捷。超高性能混凝土材料具有強度高、耐久性好的特點，在滿足承載力要求的前提下，超高性能混凝土梁可減小梁體截面尺寸，降低梁體自重，減輕下部墩柱結構受力，使原有墩柱結構可以得到充分利用。對于農村危橋改造，尤其對進場道路狹小、現場作業(yè)空間受限、下部結構基礎相對較好而上部橋跨寬度不足或橋面病害較嚴重的橋梁，將超高性能混凝土技術應用于該類農村危橋改造可顯著縮短工期，節(jié)省建設成本，減少場地的占用，緩解交通壓力?？梢姡咝阅芑炷亮涸谖蚋脑熘械膽眉夹g非常成功，產生了良好的社會效益和經濟效益，尤其在農村危橋改造點多面廣、工期緊任務重、造價有限的橋梁工程中更是值得大力推廣。

8 結束語

金鯉大橋危橋改造實踐證明，超高性能混凝土預制梁在危橋改造中的應用非常成功，將超高性能混凝土材料的高強度特性和預應力筋的抗拉抗裂技術相結合，可在大跨度、超寬超高、輕量化上部結構梁體工程中將多片短小超高性能混凝土預制梁通過預應力技術組合拼裝成大跨度、超寬的輕量化橋梁板用于危橋改造，該技術的應用前景十分廣闊。