中國(guó)第一座超高性能混凝土(UHPC)公路箱梁橋的設(shè)計(jì)與施工

陳寶春，黃卿維，蘇家戰(zhàn)，郭斌，馬熙倫

(1.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350108；2.中交一公局橋隧工程有限公司；3.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院)

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，UHPC)是一種具有極高抗壓強(qiáng)度、較好的抗拉性能和良好耐久性的先進(jìn)水泥基材料，它的應(yīng)用符合世界向低碳、環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)，故在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用不斷推進(jìn)，尤以在橋梁工程中的應(yīng)用最為突出。然而，由于材料成本較高，在橋梁工程中的應(yīng)用以結(jié)構(gòu)局部和部分構(gòu)件(如鋼橋面板)等為主，UHPC的橋梁還相對(duì)較少，主要的應(yīng)用國(guó)家有中國(guó)、韓國(guó)、德國(guó)、馬來西亞、瑞士、日本、美國(guó)等。此處所述的UHPC橋梁采用了材料劃分的原則，指上部結(jié)構(gòu)主要建筑材料為UHPC的橋梁，不包括結(jié)構(gòu)局部和部分構(gòu)件采用UHPC的橋梁。該文介紹中國(guó)第一座UHPC公路箱梁橋的設(shè)計(jì)與施工情況、足尺簡(jiǎn)支箱梁破壞試驗(yàn)和后期的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可為中國(guó)UHPC橋梁的應(yīng)用與研究提供參考。

1 橋梁設(shè)計(jì)

該橋位于北京—珠海(京珠)國(guó)道主干線河北省石家莊至磁縣(石磁)高速公路K34+690處，為跨越該高速公路的車行橋，簡(jiǎn)稱石磁高速K34+690跨線橋。橋梁荷載等級(jí)為公路-Ⅱ級(jí)，為斜交45°的連續(xù)梁，跨徑布置為4×30 m，總長(zhǎng)127 m。主梁橫向由3片預(yù)應(yīng)力UHPC小箱梁構(gòu)成。設(shè)計(jì)時(shí)，中國(guó)還沒有UHPC材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，要求主梁的UHPC立方體(100 mm×100 mm×100 mm)抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不小于130 MPa，棱柱體(100 mm×100 mm×300 mm)彈性模量不低于40 GPa，坍落度為140～180 mm，擴(kuò)展度為170～220 mm，含氣量為2%～4%，設(shè)計(jì)推薦并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試配后的配合比見表1。UHPC主梁結(jié)構(gòu)分為預(yù)制梁段和后澆濕接縫與橫隔梁兩部分，由于后澆梁體受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，其高溫養(yǎng)護(hù)效果與預(yù)制梁體有所差異，為保證后澆UHPC的力學(xué)性能與預(yù)制梁段相近，將后澆UHPC的鋼纖維摻量從預(yù)制梁體的157 kg/m3提高到236 kg/m3，即表1中的括號(hào)外和括號(hào)內(nèi)的數(shù)值。普通鋼筋采用HPB300和HRB400鋼筋。預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa，公稱直徑為15.2 mm及12.7 mm。

表1 UHPC配合比 kg/m3

橋面寬度為8 m，橫向布置為0.5 m(護(hù)欄)+7 m(2個(gè)行車道)+0.5 m(護(hù)欄)，橋面鋪裝采用5 cm厚瀝青混凝土+8 cm厚的C50混凝土，設(shè)置1.5%的雙面橫坡。下部結(jié)構(gòu)為柱式墩、臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，采用鋼筋(普通)混凝土結(jié)構(gòu)。橋位總體布置示意見圖1，主梁橫斷面見圖2。

圖1 橋梁總體布置圖(單位：cm)

圖2 主梁橫斷面圖(單位：cm)

主梁橫向由3片預(yù)應(yīng)力UHPC小箱梁構(gòu)成，箱梁之間中心距為2.8 m，中、邊梁預(yù)制寬度均為2.3 m，由寬0.5 m、厚0.12～0.15 m的現(xiàn)澆帶連成整體。箱梁中心高1.6 m，頂板厚0.18 m，底板在跨中處厚0.18 m，在支點(diǎn)處加厚至0.24 m，腹板在跨中處厚0.15 m，在支點(diǎn)處加厚至0.20 m。預(yù)制箱梁橫截面布置見圖3。

圖3 主梁構(gòu)造圖(單位：cm)

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

利用Midas/Civil軟件建立桿系有限元模型進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，采用梁?jiǎn)卧MUHPC主梁，虛擬橫梁模擬橫向主梁之間的濕接縫連接，彈性連接模擬支承處支座的邊界條件。有限元模型共有825個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 322個(gè)單元。

由于大橋設(shè)計(jì)時(shí)中國(guó)還沒有UHPC橋梁的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，因此設(shè)計(jì)計(jì)算主要依據(jù)當(dāng)時(shí)的公路橋梁規(guī)范：JTG D60—2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》、JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》并參考《超高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工指南(草案)》(日本)進(jìn)行，其中UHPC的軸心抗壓、抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值及強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，按表2采用(表中下標(biāo)c代表抗壓，t代表抗拉)。

表2 UHPC強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與設(shè)計(jì)值 MPa

表3為承載能力極限狀態(tài)下的主梁正截面抗彎承載力驗(yàn)算結(jié)果。從表3可以看出：4個(gè)控制截面均能滿足規(guī)范要求。

表3 承載能力極限狀態(tài)組合下主梁正截面驗(yàn)算結(jié)果

圖4為正常使用短期效應(yīng)組合作用下的主梁拉應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果。從圖4可知：所有截面頂?shù)拙壘闯^容許拉應(yīng)力，滿足要求。

圖4 正常使用短期效應(yīng)組合作用下主梁應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果

主梁在長(zhǎng)短期效應(yīng)作用下的撓度計(jì)算結(jié)果，長(zhǎng)期效應(yīng)的最大撓度值為14.3 mm，小于規(guī)范規(guī)定的容許值50 mm，滿足要求。

3 橋梁施工

UHPC箱梁的施工分為以下步驟：① 主梁梁段預(yù)制施工，張拉底板預(yù)應(yīng)力鋼束N1、N2、N3；② 梁段吊裝，置于橋墩臺(tái)上，進(jìn)行梁體拼接，張拉頂板預(yù)應(yīng)力鋼束T1、T2、T3，施工橫向濕接縫，將橫向3片梁連成整體；③ 拆除臨時(shí)支撐，完成體系轉(zhuǎn)換(簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù))；④ 施工二期恒載鋪裝。

因橋梁跨徑不大，總體而言施工難度不大，以下主要介紹與UHPC有關(guān)的關(guān)鍵施工工藝。

UHPC攪拌時(shí)的投料順序?yàn)楣橇?、鋼纖維、水泥、礦物摻合料，干料先預(yù)攪拌4 min以上；或投入預(yù)先拌制均勻的固態(tài)混合物，加水和液體組分后再攪拌4 min以上。在混凝土攪拌機(jī)的下料裝置上應(yīng)有防止鋼纖維結(jié)團(tuán)的裝置。在拌制過程中，攪拌時(shí)間根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

預(yù)制梁體采用蒸氣養(yǎng)護(hù)，為此專門搭建了蒸養(yǎng)房，測(cè)試結(jié)果表明：房?jī)?nèi)的溫度可達(dá)90 ℃以上。之后，開展了梁段的試制。通過梁段試制可知：UHPC由于沒有粗骨料，對(duì)模板的密封性能要求較嚴(yán)。同時(shí)，由于其早期收縮較大，要及時(shí)進(jìn)行內(nèi)模松動(dòng)。在梁段試制成功后，開始進(jìn)行實(shí)梁的制作。

UHPC預(yù)制梁的養(yǎng)護(hù)過程分為靜停、高溫蒸氣養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)3個(gè)階段。① UHPC成型完畢后靜停6 h以上，靜停時(shí)環(huán)境溫度為10 ℃以上、相對(duì)濕度為60%以上；② 靜停完畢后放入蒸養(yǎng)房進(jìn)行蒸氣養(yǎng)護(hù)，升溫速度應(yīng)不大于12 ℃/h，升溫至80 ℃后，保持恒溫(80±3)℃72 h或直至同條件養(yǎng)護(hù)試件的抗壓強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值，再以不超過15 ℃/h的降溫速度降至構(gòu)件表面溫度與環(huán)境溫度之差不大于20 ℃。升溫養(yǎng)護(hù)過程的環(huán)境相對(duì)濕度應(yīng)保持在95%以上；③ 構(gòu)件終養(yǎng)結(jié)束后再進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)，環(huán)境平均氣溫應(yīng)高于10 ℃，構(gòu)件表面保持濕潤(rùn)不少于7 d。

2014年底UHPC箱梁預(yù)制完成。隨后進(jìn)入冬季，考慮到難以進(jìn)行現(xiàn)澆帶的UHPC施工，故暫停到2015年春天，才將主梁吊到墩臺(tái)上。后澆的縱橋向濕接縫與墩上簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)處的濕接縫，也采用蒸氣養(yǎng)護(hù)，同樣經(jīng)過靜停、蒸養(yǎng)和自然養(yǎng)護(hù)3個(gè)階段。由于現(xiàn)場(chǎng)保溫采用的是保溫膜，保溫條件有限，設(shè)計(jì)要求達(dá)到60 ℃，通過增加濕接縫處鋼纖維的摻量(從2%提高到3%，如表1所示)，使其與預(yù)制部分的UHPC性能匹配?，F(xiàn)場(chǎng)保溫膜內(nèi)的溫度，實(shí)測(cè)可達(dá)70 ℃以上。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)與足尺破壞試驗(yàn)

石磁高速K34+690跨線橋作為中國(guó)第一座公路UHPC橋梁，設(shè)計(jì)時(shí)偏于保守地基本保持了原設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力(普通)混凝土箱梁橋結(jié)構(gòu)，只是截面板厚有所減薄，混凝土用量減少有限，鋼筋與預(yù)應(yīng)力筋基本維持了原設(shè)計(jì)，使UHPC的材料性能沒有充分發(fā)揮，經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差。為此，在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件情況下，開展了第一次優(yōu)化分析。優(yōu)化后的截面尺寸外輪廓與圖3相同，只是減薄了箱梁的板厚。優(yōu)化后，頂板厚跨中截面為0.08 m、支點(diǎn)截面為0.12 m；底板厚跨中截面為0.15 m、支點(diǎn)截面仍為0.24 m；腹板厚跨中截面為0.08 m、支點(diǎn)截面為0.12 m。預(yù)應(yīng)力鋼絞線減小為5束φs15.2 mm。

應(yīng)用施工中的外模板和調(diào)大尺寸的內(nèi)模板(以減小優(yōu)化后的箱梁板厚)和蒸養(yǎng)設(shè)備，制作了一根足尺試驗(yàn)梁，實(shí)測(cè)的UHPC立方體(100 mm邊長(zhǎng))強(qiáng)度為145.6 MPa，抗拉強(qiáng)度為8.02 MPa，彈性模量為42.3 GPa。在室外現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了模型梁破壞試驗(yàn)。試驗(yàn)梁總長(zhǎng)30 m，計(jì)算跨徑為29.6 m，支承于高50 cm的臺(tái)座上。用汽車起重車配重鋼錠進(jìn)行加載，通過分配梁形成距跨中截面各1 m的兩點(diǎn)集中力。測(cè)量了試驗(yàn)梁的撓度、鋼筋和混凝土應(yīng)變、裂縫等。試驗(yàn)結(jié)果：初裂荷載為615 kN，加載到1 815 kN時(shí)，梁的跨中撓度達(dá)424 mm(約為跨徑的1/70)，由于梁底離地面僅余76 mm，停止試驗(yàn)，將所對(duì)應(yīng)的荷載1 815 kN，作為試驗(yàn)梁的試驗(yàn)極限荷載。此時(shí)，荷載-位移曲線已接近水平線，結(jié)構(gòu)已接近理論極限荷載值，有限元分析也證實(shí)了這一結(jié)論。

實(shí)橋?yàn)橄群?jiǎn)支后連續(xù)梁，以跨中的正彎矩控制設(shè)計(jì)，試驗(yàn)梁為簡(jiǎn)支梁，通過等效計(jì)算，當(dāng)所施加的試驗(yàn)荷載達(dá)692 kN時(shí)，達(dá)到了實(shí)橋跨中正彎矩的設(shè)計(jì)極限荷載。足尺試驗(yàn)與有限元分析表明：當(dāng)荷載達(dá)到800 kN時(shí)(超過了等效設(shè)計(jì)極限荷載)，底板預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變僅為1 029 με, 遠(yuǎn)低于其名義屈服應(yīng)變2 589 με；當(dāng)試驗(yàn)加載達(dá)1 177 kN(約2倍的等效設(shè)計(jì)極限荷載)，底板預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)變也僅為2 056 με；直到加載至1 519 kN 時(shí)，才達(dá)到屈服。當(dāng)施加到試驗(yàn)極限荷載1 815 kN時(shí)，受壓區(qū)UHPC的壓應(yīng)變?nèi)孕∮? 000 με，未達(dá)到其抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)停止時(shí)，受拉區(qū)UHPC裂縫最大寬度為6 mm。

試驗(yàn)結(jié)果表明：UHPC足尺試驗(yàn)梁仍有優(yōu)化的空間。為此，文獻(xiàn)[14]進(jìn)行了二次優(yōu)化，除進(jìn)一步減薄箱梁板壁的厚度、減少預(yù)應(yīng)力筋用量外，認(rèn)為UHPC一定的抗拉強(qiáng)度可以增強(qiáng)混凝土的抗剪性能，可免除普通鋼筋，將其設(shè)計(jì)成無腹筋梁。經(jīng)濟(jì)性分析表明：二次優(yōu)化后UHPC橋的造價(jià)僅為預(yù)應(yīng)力(普通)混凝土橋的1.04倍。若考慮下部結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化，或從全壽命周期考慮，其經(jīng)濟(jì)效益將十分明顯。事實(shí)上，馬來西亞的實(shí)踐表明，UHPC的一次性投資成本可以比現(xiàn)有普通混凝土橋經(jīng)濟(jì)，從可持續(xù)觀點(diǎn)來看，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益則十分明顯。

5 結(jié)語

石磁高速K34+690跨線橋于2015年5月建成通車，多年來橋梁運(yùn)行情況良好。在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，作為中國(guó)第一座公路UHPC橋梁，對(duì)該橋的設(shè)計(jì)、施工等方面進(jìn)行了探索，開展了足尺梁的破壞試驗(yàn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。雖然今天UHPC在中國(guó)橋梁中的應(yīng)用越來越多，但預(yù)應(yīng)力UHPC箱梁的應(yīng)用還不多，石磁高速K34+690跨線橋所取得的技術(shù)成果與經(jīng)驗(yàn)，對(duì)推動(dòng)中國(guó)UHPC工程應(yīng)用具有積極的意義。