UHPC 薄壁蓋梁設計、結(jié)構(gòu)試驗及施工技術(shù)研究

胡方健

[1.上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司，上海市200125；2.上海工業(yè)化裝配化市政工程技術(shù)研究中心，上海市200125]

1 概 述

在基礎設施領域，裝配式結(jié)構(gòu)是我國近期的戰(zhàn)略發(fā)展方向，也是重要的新興產(chǎn)業(yè)。在橋梁工程中，裝配式主梁已在公路和城市橋梁中有大量應用，但裝配式下部結(jié)構(gòu)一直是應用難點。上海從2012 年起開始了干接法裝配式下部結(jié)構(gòu)（立柱和蓋梁）的研究和應用，并取得了較好的效果。但在應用上述技術(shù)的過程中發(fā)現(xiàn)一些問題，較為突出的是蓋梁自重偏大（可達200～300 t），這給運輸和安裝帶來較大困難。針對上述問題，上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司開展相關(guān)研究，提出蓋梁輕型化方案[1-2]，對高強材料，如C80 以上混凝土、超高性能混凝土（以下簡稱“UHPC”）應用至整體式蓋梁中的可行性進行了探索。本文主要介紹UHPC 蓋梁的一些研究成果。

UHPC 材料作為近年來正在推廣的一種新材料，具有超高抗壓強度、較高抗拉強度、良好拉伸應變、超致密性和耐久性等特點。UHPC 應用至蓋梁的思路為：利用UHPC 良好性能，將原使用C50 混凝土的蓋梁形體挖空成薄壁構(gòu)件，在滿足承受上部荷載和自重的前提下，最大限度地減輕自身重量。本課題組成員[3]研究了口形斷面UHPC 整體式蓋梁設計方案。本課題組聯(lián)合湖南大學[4-5]等對口形斷面UHPC 整體式蓋梁進行了1∶2 縮尺蓋梁試驗研究，掌握了此類蓋梁的受力特點。在此基礎上，本課題組又開展了π 形斷面整體式蓋梁和分層組合口形斷面蓋梁的設計方案研究和試驗[2]，更進一步完善了薄壁UHPC 蓋梁的研究成果。

本文結(jié)合課題組研究成果[1-2]主要介紹UHPC 蓋梁設計方法、UHPC 蓋梁結(jié)構(gòu)試驗、UHPC 蓋梁施工技術(shù)。

2 設計方案

2.1 斷面設計

課題組在同種外荷載下為整體預制UHPC 蓋梁提出整澆口形斷面、整澆π 形斷面、分層澆筑口形斷面三種斷面（見圖1），并完成相關(guān)設計和縮尺靜載試驗[3-5]。設計指標見表1。結(jié)構(gòu)受力滿足規(guī)范要求，試驗結(jié)果符合預期。

表1 整體預制UHP C（組合）蓋梁綜合比較

圖1 整體預制UHP C（組合）蓋梁設計方案（1/2，單位：cm）

整澆口形斷面的工作性能最好，體現(xiàn)在蓋梁的承壓區(qū)面積大、抗彎和抗扭慣性矩很大。此外，預應力配置量相對較小，結(jié)構(gòu)減重率適中（43%）。但是從施工角度來看，該方案采取措施偏多且具有一定風險：需設置不取出的剛性內(nèi)模和強大的抗浮限位，內(nèi)模偏位不易控制且后果較嚴重。內(nèi)模的橫向偏位會影響內(nèi)側(cè)保護層厚度和UHPC 密實性，進而影響結(jié)構(gòu)受力性能。內(nèi)模上浮量大，則會導致構(gòu)件報廢。在預制技術(shù)條件不好時，應避免采用整體澆筑口形斷面。

π 形斷面的構(gòu)造減重率最高（50%），結(jié)構(gòu)抗剪能力接近整澆口形斷面。由于腹板底緣承壓區(qū)小，抗彎能力稍弱。截面是開口形狀，因而抗扭能力與閉口斷面相差較多。結(jié)構(gòu)整體在彎、剪、扭相關(guān)作用下的極限狀態(tài)可能發(fā)生脆性破壞，故設計時應對抗剪、扭承載力適當留有余量。從施工角度來看，π 形斷面在三種方案中施工最簡單、風險最小。該種斷面適用于結(jié)構(gòu)受力明確、扭矩較小且對結(jié)構(gòu)重量有較大限制的情況。

分層澆筑口形斷面的材料成本最低。結(jié)構(gòu)各類承載力和剛度與整澆口形斷面略接近，試驗中的破壞狀態(tài)體現(xiàn)為延性。UHPC 材料約為口形斷面80%、π 形斷面92%，但由于同時存在UHPC 和普通混凝土，故結(jié)構(gòu)重量并不占優(yōu)（減重率42%）。從施工角度來看，采用的技術(shù)與π 形斷面接近且風險較小、結(jié)構(gòu)剛度大且可按一次張拉出廠。但由于需先整體澆筑U 形UHPC 底槽后再澆筑普通混凝土頂板，所以預制施工時間比其他兩種類型要多3 d 以上，稍顯麻煩。

2.2 預應力體系設計

2.2.1 設計標準

結(jié)合UHPC 材料特性提出兩種設計思路：（1）利用UHPC 抗拉強度和應力強化段的拉伸應變能力，在頻遇組合下，裂縫寬度不超過0.05 mm。（2）利用UHPC 抗壓強度，在標準值組合下，截面不出現(xiàn)拉應力、壓應力不超過抗壓強度標準值50%。

選擇口形斷面蓋梁分別按第1、2 種體系設計（見圖1），蓋梁承載力和應力均能滿足要求。在蓋梁外形不變的前提下，對預應力鋼絞線、普通鋼筋和應力狀態(tài)進行比較。第1 種體系材料指標為：UHPC 用量56.8 m3，鋼絞線2 034 kg，鋼筋22.3 t；第2 種體系的UHPC 用量59.1 m3，鋼絞線4 041 kg，鋼筋10.8 t。第1 種體系的經(jīng)濟性較好，相對第2 種體系的總價格差異約在10%以內(nèi)。課題組按第1 種體系設計了縮尺試件，委托湖南大學進行2 組試驗（抗彎、抗剪），UHPC 由中路華程供應。在第1 個試件制造時，UHPC 按常規(guī)標準配置。由于試件頂層鋼筋配置太多，UHPC 澆筑受到一定影響，現(xiàn)場采用人工清理形式確保澆筑密實。在第2 個試件制造時，采取UHPC 緩凝和泵送措施，回避了試件頂層鋼筋的不利影響。從試驗結(jié)果來看，試件承載力和其他性能滿足要求。根據(jù)試件制造經(jīng)驗，UHPC 結(jié)構(gòu)的普通鋼筋，尤其是頂緣水平向鋼筋不宜配置太多。

2.2.2 張拉批次

按照常規(guī)設計思路，大懸臂蓋梁的設計以運營狀態(tài)為目標設計構(gòu)件尺寸和配置預應力，并需復核各施工階段狀態(tài)滿足受力要求。由于蓋梁所受到的上部結(jié)構(gòu)荷載遠大于蓋梁自重，設計時為避免蓋梁下緣受拉而將蓋梁預應力作分批張拉，通常是在蓋梁澆筑完成時張拉第一批，主梁安裝完成后張拉第二批。按以上方式設計出的蓋梁將是構(gòu)件尺寸最小、預應力材料用量最少的方案。

對于整體預制的UHPC 蓋梁，如果按以上采用分批張拉預應力的方案，就不能充分發(fā)揮裝配式UHPC 結(jié)構(gòu)的價值。這是因為蓋梁在現(xiàn)場安裝完成之后還需張拉一批預應力及完成相關(guān)措施，不僅增加施工投入，還耗費現(xiàn)場時間。

對于現(xiàn)場施工時間緊張的城市橋梁工程來說，分批張拉預應力的蓋梁并不合理，最理想的狀態(tài)是當蓋梁安裝后，在最短的時間內(nèi)安裝上部結(jié)構(gòu)。按照這種需求，項目組設計了適用于橋?qū)?5 m 的按一次張拉的整體預制蓋梁方案（見圖1 中的分層口形斷面方案），懸臂根部梁高增加25%，總材料成本變化約在1%以內(nèi)，重量增加17%至150 t，單根蓋梁的現(xiàn)場施工時間可減少3 d 以上，從社會效益和經(jīng)濟效益進行綜合評價是相對合理的。

2.2.3 預應力類型

UHPC 蓋梁相對普通混凝土蓋梁減重的關(guān)鍵在于采用薄壁式構(gòu)造。如UHPC 蓋梁仍然采用普通混凝土結(jié)構(gòu)常用的預埋管道后再灌漿的預應力體系，由于UHPC 對保護層和體內(nèi)流動凈距控制嚴格，構(gòu)件尺寸難以縮減，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性較差。本課題組提出在工程設計中采用緩黏結(jié)鋼絞線的方案，在試驗中選擇無黏結(jié)鋼絞線替代（模擬前期性能）。

分別以采用灌漿體系、緩黏結(jié)體系的UHPC 梁設計算例（見圖2）。梁體斷面高1 000 mm，保護層厚20 mm，體內(nèi)構(gòu)造物并置凈距30 mm，豎向箍筋直徑16 mm（豎向布2 根）。（1）灌漿體系。預應力4 束8-15.2 鋼絞線，金屬波紋管外直徑85 mm（水平1根、豎向4 根），可得腹板最小厚度170 mm（按波紋管外直徑一半控制保護層厚度），最小凈厚度85 mm，毛截面0.17 m2，凈截面0.15 m2，平均預應力41.4 MPa。（2）緩黏結(jié)體系。預應力8 根φ28.6 mm 緩黏結(jié)鋼絞線（單根截面532 mm2），護套外直徑38 mm（水平1根、豎向8 根），可得腹板最小厚度110 mm，最小凈厚度72 mm，毛截面0.11 m2，凈截面0.10 m2，平均預應力59.3 MPa。方案1 與方案2 的預加力比為1.04，凈截面比為1.5，預應力比0.70?？梢?，在同等預加力噸位和外荷載前提下，緩黏結(jié)體系可減薄構(gòu)件，降低UHPC 用量，提高預應力度，有充分競爭力。緩黏結(jié)體系在國內(nèi)已有少量應用，待產(chǎn)品進一步成熟后，完全可以在UHPC 結(jié)構(gòu)中推廣。

圖2 UHP C 使用不同預應力體系的比較（單位：mm）

3 試驗研究

針對通行雙向6 車道市政橋梁（總寬25 m）蓋梁的縮尺試件，設計縮尺比1∶2 的口形整體澆筑斷面UHPC 蓋梁（見圖3）進行了大剪跨比（抗彎）、小剪跨比（抗剪）工況測試[1，4，5]，縮尺試件最大加載豎向力320 t（試件未破壞），對應原型蓋梁抗剪承載力參考值12 800 kN、抗剪承載力計算值11 904 kN，剪力設計值9 472 kN；抗彎承載力計算值51 723 kN·m，彎矩設計值39 044 kN·m；在端部加載豎向力265 t 時的最大豎向位移約140 mm（L/61）。由于該試件在受拉區(qū)配置較多普通鋼筋，故彎曲變形能力較強。

圖3 口形整體澆筑斷面UHP C 蓋梁抗剪試驗

設計縮尺比1∶2.5 的π 形和口形分層澆筑斷面UHPC 蓋梁（見圖4、圖5）做了大、中、小剪跨比及彎剪扭耦合等工況測試[2]?？s尺試件最大加載豎向力約443 t，對應原型蓋梁抗剪承載力極限值27 605 kN、抗剪承載力計算值17 274 kN，剪力設計值11 023 kN；最大加載產(chǎn)生彎矩對應原型蓋梁抗彎承載力極限值67 421 kN·m，抗彎承載力計算值47 016 kN·m，彎矩設計值38 831 kN·m；π 形斷面蓋梁試件在端部加載豎向力115 t 時的最大豎向位移約100 mm（L/85），口形分層澆筑斷面蓋梁試件在端部加豎向力147 t 時的最大豎向位移約90 mm（L/94）。由于這兩類試件在受拉區(qū)不配置普通鋼筋，故極限彎曲變形能力相對前一種較弱。

圖4 π 形整體澆筑斷面UHP C 蓋梁試驗

圖5 口形分層澆筑斷面UHP C 蓋梁試驗

試驗中，UHPC 蓋梁的各種承載力基本符合預期，并展現(xiàn)了良好的抗裂性和變形能力。豎向配筋量較少的UHPC 試件，其抗剪破壞體現(xiàn)出脆性破壞形態(tài)。這對設計的啟示是：在設計UHPC 大懸臂蓋梁承載力時，應使蓋梁破壞發(fā)生在根部，并應將根部破壞狀態(tài)設計為受彎控制，且有一定延性。

4 施工技術(shù)研究

課題組共制造了2 個1∶2 縮尺蓋梁模型（長約12.1 m、UHPC 約6.61 m3）、7 個1∶2.5 縮尺蓋梁模型（長約9.6 m、UHPC 約2.92～3.16 m3），在試件施工過程中積累了一定經(jīng)驗。

4.1 UHP C 的工作性能

對UHPC 需重點關(guān)注澆筑時的工作性能，主要指澆筑時的流動性和密實性。當常規(guī)UHPC 材料應用于體積較大的構(gòu)件時，由于拌合機方量有限，需多次拌合，可采用兩臺拌合機接替、錯開出料時間實現(xiàn)連續(xù)澆筑，也可采用多臺罐車臨時存儲（自轉(zhuǎn)動不靜停）再分次下料實現(xiàn)連續(xù)澆筑。如UHPC 經(jīng)過特殊配置具有較長時間（＞1 h）靜停后的流動性，在安排分批澆筑時則可間隔較長時間。項目組在試驗中先后采用了中路華程、江蘇蘇博特、上海復培、浙江宏日泰耐克和中路杜拉的UHPC，相關(guān)材料均為針對設計要求配置。

4.2 模板

課題組在試件制造根據(jù)構(gòu)件表面所處位置，有區(qū)別地使用了鋼模板和木模板并對比構(gòu)件的表觀質(zhì)量。在制造口形斷面蓋梁時，側(cè)模和底模為鋼模，內(nèi)模為木模。π 形斷面蓋梁側(cè)模為鋼模，內(nèi)模為木模。分層澆筑口形斷面蓋梁全部使用木模。

課題組比較了使用鋼模板露天制造試件的表觀質(zhì)量。部分試件制造時天氣晴朗，脫模后表觀質(zhì)量明顯較好（見圖6）。鋼模板沾水后（其中一個為小雨后澆筑，另一個為晴天澆筑前噴高壓水清潔表面），相關(guān)試件的表觀質(zhì)量均較差（見圖7）。課題組認為，UHPC 構(gòu)件宜在廠房內(nèi)制造且在合模澆筑前需保持鋼模板表面干燥。比較使用鋼模板與木模板（見圖8）的表觀質(zhì)量發(fā)現(xiàn)，后者明顯優(yōu)于前者：表面光滑，基本沒有氣泡。在工程中通常以鋼模板為主，澆筑前應慎重處理其表面。

圖6 使用鋼模板的試件表面（模板干燥）

圖7 使用鋼模板的試件表面（模板沾水）

圖8 使用木模板的試件表面

4.3 振搗

UHPC 在澆筑時需要適當?shù)恼駬v，目的是提高密實性，減少構(gòu)件表面氣泡。課題組在試件制造時，針對鋼模板和木模板采用了與之匹配的振搗方法。在使用鋼模板時，需預留基座安裝附著式高頻振搗器，在澆筑時隔一定時間開啟并持續(xù)30 s 左右。時間不宜太長，否則鋼纖維易離析。針對木模板，則需采用常規(guī)振動棒，不宜采用附著式振搗器（木模板易解體），可將振動棒端頭頂住木模板外側(cè)面做短時間激振。

4.4 養(yǎng)護

UHPC 可采用蒸汽養(yǎng)護和自然養(yǎng)護。這對結(jié)構(gòu)受力的影響主要體現(xiàn)為徐變系數(shù)取值不同。從課題組的使用經(jīng)驗來看，可根據(jù)工作性要求、材料配比、構(gòu)件類型分別使用不同的養(yǎng)護方法。如構(gòu)件體量大、連續(xù)澆筑時間較長，宜采用降低水用量并適當增加減水劑等措施，拆模后宜進行蒸汽養(yǎng)護。如是現(xiàn)澆接縫等少量應用，可按自然養(yǎng)護（覆膜保濕）處理。從預制廠制造經(jīng)驗來看，蒸汽養(yǎng)護在經(jīng)濟成本上僅增加棚架和小型電- 汽鍋爐，時間僅多3 d，對批量生產(chǎn)構(gòu)件的總成本影響不大。

5 結(jié) 語

（1）結(jié)合工程方案設計了多種體系蓋梁方案并進行比較，提出相關(guān)適用場景和注意事項，為實際應用提供參考。

（2）對多種整體預制UHPC（組合）蓋梁進行靜載試驗和空間有限元計算，充分了解其受力性能和破壞過程，論證了其結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性。

（3）總結(jié)UHPC 試件施工過程中的若干關(guān)鍵點，為今后設計和施工提供借鑒。