超高性能混凝土在人行天橋上的應(yīng)用分析

杜蕊蕊

(華新超可隆新型建材科技(黃石)有限公司，湖北 武漢 430073)

超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete，UHPC)是一種新型混凝土材料，具備優(yōu)異的力學(xué)和材料性能，其抗壓強(qiáng)度高、耐久性好，近年來在橋梁工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，常見應(yīng)用包括橋梁主梁、橋面鋪裝、橋梁濕接縫、橋梁維修加固等。同時(shí)，超高性能混凝土也越來越多地應(yīng)用于人行天橋的主梁和橋墩、蓋梁等部位。超高性能混凝土用于人行天橋的建造可降低梁高、減輕結(jié)構(gòu)自重、更好地控制橋面凈空，使橋梁更加輕盈、美觀，且無需后期維護(hù)，可顯著降低工程造價(jià)。

目前的研究多針對(duì)超高性能混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用，對(duì)人行天橋部分的應(yīng)用研究相對(duì)較少。結(jié)合國(guó)內(nèi)外超高性能混凝土人行天橋?qū)嶋H案例，結(jié)合有限元計(jì)算結(jié)果，以30 m跨徑為例，總結(jié)出四種超高性能混凝土人行天橋結(jié)構(gòu)型式，可實(shí)現(xiàn)全預(yù)制裝配化生產(chǎn)，滿足人行天橋快速建造需求。

1 超高性能混凝土人行天橋現(xiàn)狀

隨著城市發(fā)展和城市群的規(guī)劃，我國(guó)新建造市政道路和城市快速路數(shù)量急劇增加，因此，需要更多的人行天橋滿足居民出行需求，同時(shí)，應(yīng)控制人行天橋工期，減少對(duì)地面交通的影響。常規(guī)人行天橋多采用鋼箱梁或普通混凝土材質(zhì)，鋼箱梁結(jié)構(gòu)易腐蝕，維修頻率高，綜合成本高；普通混凝土結(jié)構(gòu)易開裂滲水導(dǎo)致內(nèi)部鋼筋銹蝕，且材料強(qiáng)度不足，結(jié)構(gòu)笨重，形式單一，不適應(yīng)大跨度需求。超高性能混凝土不含粗骨料，由高強(qiáng)預(yù)混料、外加劑和鋼纖維組成，材料均質(zhì)、致密、流動(dòng)性大，材料內(nèi)部均勻分布的鋼纖維能緩解結(jié)構(gòu)受力導(dǎo)致的微裂縫的擴(kuò)展，使材料具備超高的延性和韌性，作為結(jié)構(gòu)主材料將提供超高強(qiáng)度。在同等荷載強(qiáng)度下，超高性能混凝土梁體的結(jié)構(gòu)尺寸介于鋼結(jié)構(gòu)和普通混凝土結(jié)構(gòu)之間。同時(shí)，因超高性能混凝土材料致密、孔隙小，其具備高耐久性和耐腐蝕性，無需后期維護(hù)，大大減少了建造和維修成本。超高性能混凝土在一定程度上避免了普通混凝土和鋼材的劣勢(shì)，綜合單價(jià)比常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)人行天橋節(jié)省20%。

自1997年第一座超高性能混凝土預(yù)應(yīng)力桁架簡(jiǎn)支梁人行天橋在加拿大問世以來，以超高性能混凝土為主材料的人行天橋工程實(shí)例不斷增多，國(guó)內(nèi)外已建或在建的超高性能混凝土人行天橋已數(shù)十座，這些橋多以梁橋?yàn)橹鳎鐝蕉嘣?0 m以下。表1列出了部分國(guó)內(nèi)外已建或在建超高性能混凝土人行天橋。

表1 國(guó)內(nèi)外部分已建或在建超高性能混凝土人行天橋

2 超高性能混凝土人行天橋結(jié)構(gòu)型式

2.1 人行天橋結(jié)構(gòu)型式

根據(jù)表1，市面上常見的超高性能混凝土人行天橋結(jié)構(gòu)型式多為π型梁、U型梁和箱型梁，因此，設(shè)計(jì)的幾種人行天橋主梁也由這幾種結(jié)構(gòu)型式組成，如圖1所示。根據(jù)《城市人行天橋與人性地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ 69—95)，人行天橋橋面凈寬不小于3 m，城市主干道通常為雙向6～10車道，路幅寬度通常為30～60 m， 因此四種標(biāo)準(zhǔn)人行天橋主梁以3 m凈寬、30 m跨徑標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)，同時(shí)，考慮預(yù)制人行天橋主梁脫模方便并節(jié)省模具，結(jié)構(gòu)型式線條簡(jiǎn)單，脫模過程中不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)和模具造成損壞，模具可以多次使用，降低工程造價(jià)。3 m凈寬、30 m跨徑人行天橋主梁結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。箱型梁和魚腹箱型梁凈高1.2 m，魚腹箱型主梁底板為流線造型，能滿足景觀需要；π型梁凈高1.25 m，由兩個(gè)T型結(jié)構(gòu)組成，U型梁凈高1.6 m，由兩個(gè)L型結(jié)構(gòu)組成，考慮經(jīng)濟(jì)成本時(shí)，可分開預(yù)制、節(jié)省模具；U型梁的兩側(cè)腹板可同時(shí)作為人行天橋的護(hù)欄，考慮景觀需要時(shí)，可在腹板上進(jìn)行鏤空設(shè)計(jì)，減少材料用量的同時(shí)提高橋梁整體觀賞性。

圖1 四種超高性能混凝土人行天橋結(jié)構(gòu)型式

表2 四種人行天橋結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 有限元計(jì)算

結(jié)合《活性粉末混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(DBJ43/T325—2017)和《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》(JTG 3362—2018)等規(guī)范，利用有限元軟件midas Civil 2019對(duì)標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下的四種人行天橋主梁結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行計(jì)算，得到3 m凈寬、30 m跨徑的標(biāo)準(zhǔn)人行天橋主梁在標(biāo)準(zhǔn)組合下的有限元計(jì)算結(jié)果如表3所示，結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

表3 四種人行天橋結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

(1)材料參數(shù)

主梁采用UC120超高性能混凝土，按鋼纖維體積摻量為2.0，鋼纖維長(zhǎng)徑比為60計(jì)。

鋼絞線采用后張6×9Φs15.2高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa，彈性模量E=1.95×105MPa。

(2)結(jié)構(gòu)荷載

二期混凝土鋪裝按30 mm厚度考慮，除U型梁，其余主梁?jiǎn)蝹?cè)護(hù)欄荷載3 kN/m。

人群荷載按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)選取。

鋼絞線控制張拉力：σcon=0.75fpk，σcon為錨下控制應(yīng)力。

2.3 施工方式

超高性能混凝土主梁可采用節(jié)段預(yù)制拼裝方式，全梁分為4～6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，梁體節(jié)段連接部位設(shè)置剪力鍵，拼縫材料采用環(huán)氧樹脂膠或超高性能混凝土灌漿料，以4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段為例，一個(gè)30 m的直線主梁只需準(zhǔn)備兩套模具即可完成全梁預(yù)制。預(yù)制施工全程流程固定、質(zhì)量可控，在工廠預(yù)制完成后，可在工廠或運(yùn)輸至橋址現(xiàn)場(chǎng)完成拼裝。主梁施工流程主要包括安裝模板、澆筑超高性能混凝土、養(yǎng)護(hù)、脫模、拼接張拉預(yù)應(yīng)力及架設(shè)梁段等。若橋墩、蓋梁等部分同樣采取預(yù)制方式，人行天橋可在短時(shí)間內(nèi)迅速完成整體裝配式拼裝，提高建造速度，減少對(duì)路面交通影響。

3 結(jié) 論

超高性能混凝土人行天橋具備良好經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。通過對(duì)市場(chǎng)現(xiàn)有超高性能混凝土人行天橋結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行分析，結(jié)合有限元結(jié)果，設(shè)計(jì)出四種標(biāo)準(zhǔn)超高性能混凝土人行天橋結(jié)構(gòu)型式，結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果均可滿足規(guī)范要求，可直接適用于3 m凈寬、30 m跨徑標(biāo)準(zhǔn)人行天橋，其他非標(biāo)人行天橋主梁可參考執(zhí)行。可為超高性能混凝土人行天橋設(shè)計(jì)施工提供一定參考，促進(jìn)超高性能混凝土橋梁應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。