超高性能混凝土在裝配式渡槽中的應(yīng)用初探

（成都城投城建科技有限公司，四川省成都市，610500） 周志威 王 杰 肖 東 譚 琪 劉佳欣

受限于地質(zhì)、地形和地貌條件限制，引調(diào)水工程和灌區(qū)工程往往需要跨越山谷溝壑和河道，相比傳統(tǒng)的涵洞輸水方式，渡槽具有如下優(yōu)勢(shì)[1-2]：①不影響溝谷和河道的行洪；②水頭損失小，可減小水頭損耗；③過(guò)水能力強(qiáng)。然而傳統(tǒng)混凝土預(yù)制結(jié)構(gòu)存在尺寸大，重量大，抗拉強(qiáng)度低，易出現(xiàn)開(kāi)裂，耐久性較差，使用壽命低等問(wèn)題，渡槽作為一種大型構(gòu)件，由于多數(shù)地處山區(qū)，為方便運(yùn)輸?shù)跹b，對(duì)于構(gòu)件輕量化的要求更是十分重要，為了適應(yīng)渡槽結(jié)構(gòu)向大型化、高耐久性和輕量化發(fā)展的需要，需要尋找新的材料來(lái)替代傳統(tǒng)混凝土進(jìn)行渡槽構(gòu)件的預(yù)制。UHPC 混凝土具有強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)可靠、耐久性好、耐磨性佳等特點(diǎn)，已在大跨徑橋梁、人行天橋、港口及其海工結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到一定的應(yīng)用[3-5]。根據(jù)UHCP 在已有項(xiàng)目中的應(yīng)用表明，采用UHPC 可以有效減小工程結(jié)構(gòu)的尺寸，可明顯減少后期的維護(hù)投入，因此很多學(xué)者和專(zhuān)家都在致力于UHPC 的研究和應(yīng)用。

本文基于前人研究理論和經(jīng)驗(yàn)[8]，初步設(shè)計(jì)了一種UHPC 預(yù)制拼裝渡槽結(jié)構(gòu)，并與傳統(tǒng)混凝土渡槽的工程、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益進(jìn)行了對(duì)比分析，以期能為UHPC 在水利引水工程中的應(yīng)用提供借鑒。

1 UHPC混凝土制備

主要原材料包括P.O42.5普通硅酸鹽水泥、I級(jí)粉煤灰、硅灰、石英砂、平直型鍍銅鋼纖維、聚羧酸高效減水劑：類(lèi)、水等。設(shè)計(jì)采用抗壓強(qiáng)度≥140MPa，抗折強(qiáng)度為≥20MPa 的超高性能混凝土制備渡槽，水膠比為0.17，水泥用量占膠凝材料用量的75%，硅灰用量占膠凝材料用量的20%，鋼纖維體積摻量為3%，UHPC 配合比設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表1。為防止在UHPC拌合過(guò)程中出現(xiàn)明顯的干濕界面而導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻和性能降低情況，在正式攪拌之前，先將水泥、粉煤灰、硅灰以及石英砂等按照用量混合成干粉料，干拌4min；然后再向干粉料中緩慢加入水和減水劑，充分?jǐn)嚢?min；最后向拌合物中緩慢加入鍍銅鋼纖維，繼續(xù)攪拌6min 后出料，得到拌合好的UHPC漿料。

表1 UHPC配合比方案

2 渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 斷面形式選取

U 形斷面渡槽的造型結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、美觀，水利條件更優(yōu)越，縱橫向的受力條件好，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)安全性均較高，抗風(fēng)穩(wěn)定性較好，施工吊裝方便，便于工廠化預(yù)制生產(chǎn)，因此，本文UHPC斷面采用U形結(jié)構(gòu)。

2.2 結(jié)構(gòu)組成

渡槽由槽身、兩端底座和弧形蓋板組成。槽身過(guò)水?dāng)嗝嬗芍本€段和圓弧曲線段兩部分組成，渡槽兩端為加厚底座，為了加強(qiáng)兩邊側(cè)墻聯(lián)系，同時(shí)減小渡槽槽身底部的彎矩，在側(cè)墻上部每隔一段距離增設(shè)一根拉桿，兩側(cè)槽身頂部適當(dāng)加寬形成邊梁，從而增加槽身的總體剛度。在渡槽上方可以視情況增設(shè)弧形蓋板，弧形蓋板可以減少夏季高溫季節(jié)的水量蒸發(fā)，提高渠系水利用系數(shù)，降低泥土、樹(shù)葉等雜物進(jìn)入渠道導(dǎo)致堵塞的概率。蓋板兩側(cè)設(shè)置截水槽，在每節(jié)蓋板截水槽中間位置設(shè)置一個(gè)回水孔，回水孔處設(shè)置濾網(wǎng)，平時(shí)可收集和過(guò)濾雨水。

渡槽沿縱向方向分段預(yù)制，在底座左右位置各布設(shè)一個(gè)連接孔，通過(guò)高強(qiáng)螺栓對(duì)兩段渡槽進(jìn)行固定連接。在預(yù)制渡槽兩端槽身沿著過(guò)水?dāng)嗝骖A(yù)留半個(gè)止水孔，當(dāng)兩段渡槽預(yù)制拼裝后，在中間沿著止水孔布置一條遇水膨脹彈性橡膠止水條，在內(nèi)側(cè)迎水面用高性能防水砂漿填充抹平，在止水帶外側(cè)用泡沫或者塑料填縫材料填充。當(dāng)單跨渡槽跨度較大時(shí)，由于UHPC渡槽本身屬于薄壁結(jié)構(gòu)，宜采用先張預(yù)應(yīng)力法沿著渡槽圓弧段布置多束預(yù)應(yīng)力。渡槽三維效果結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 渡槽三維效果示意

2.3 U型渡槽斷面尺寸參數(shù)

以5 級(jí)渡槽為例，設(shè)計(jì)跨度為9.96m，設(shè)計(jì)流量為2.04m3/s，加大設(shè)計(jì)流量為2.55m3/s，普通混凝土渡槽強(qiáng)度等級(jí)為C25，圓弧段半徑R0為0.8m，槽壁厚度t為0.14m，每根拉桿的寬度為0.15m，跨寬比為4.15，底部采取加厚措施，加厚0.16m。在采用UHPC 進(jìn)行渡槽斷面設(shè)計(jì)時(shí)，需保證過(guò)水?dāng)嗝婧涂缍炔蛔?，在普通混凝土渡槽結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將槽壁厚度減小至原來(lái)的1/2，同時(shí)底部不采取加厚措施。渡槽的環(huán)向和縱向鋼筋均采用PCB1420 高強(qiáng)冷拔低碳鋼絲，縱向配筋率為2.25%，環(huán)向配筋率為1.15%。兩種渡槽結(jié)構(gòu)斷面示意見(jiàn)圖2。

圖2 C25和UHPC渡槽斷面對(duì)比

2.4 結(jié)構(gòu)受力分析

為驗(yàn)證UHPC 斷面設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)UHPC 渡槽的縱向和環(huán)向結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果顯示：跨中槽底最大拉應(yīng)力為3.2MPa，截面邊緣最大拉應(yīng)力僅為0.38MPa，均滿足抗裂性要求（不出現(xiàn)裂縫允許承載的最大拉應(yīng)力為4.5MPa），其余斷面彎矩值均滿足設(shè)計(jì)要求，表明UHPC 渡槽滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)要求。

3 效益對(duì)比

3.1 工程效益

C25 渡槽和UHPC 渡槽同等長(zhǎng)度（單跨9.96m）工程量對(duì)比見(jiàn)表2。從表2中可知：在相同長(zhǎng)度下，UHPC 槽身混凝土方量?jī)H為普通混凝土的35%，鋼筋用量?jī)H為普通混凝土的48%，單跨槽身重量?jī)H為普通混凝土的36%，單跨構(gòu)件重量顯著降低，能夠便于構(gòu)件的運(yùn)輸和吊裝，提高渡槽的施工效率。

表2 兩種渡槽工程量對(duì)比

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

由于渡槽運(yùn)輸?shù)跹b費(fèi)用與所處的交通和地理環(huán)境有較大的關(guān)系，暫不考慮運(yùn)輸和吊裝費(fèi)用，僅對(duì)兩種渡槽全生命周期進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表3。從表3中可知：在沒(méi)有考慮運(yùn)輸?shù)跹b費(fèi)用的前提下，UHPC渡槽的全生命周期費(fèi)用比C25 渡槽降低約16.5%，由于C25渡槽預(yù)制構(gòu)件的體積和重量遠(yuǎn)高于UHPC渡槽構(gòu)件，因此，其運(yùn)輸?shù)跹b費(fèi)用肯定是高于后者的，故實(shí)際上UHPC 渡槽的全生命周期成本比C25渡槽降低幅度將高于16.5%。

表3 兩種渡槽全生命周期成本對(duì)比

3.3 社會(huì)環(huán)境效益

社會(huì)效益：UHPC渡槽相比普通混凝土渡槽，維修更換次數(shù)更少，可減少對(duì)供水的影響時(shí)間，縮短因維修更換造成的停水問(wèn)題，充分確保工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的生活，同時(shí)降低渡槽工程因結(jié)構(gòu)耐久性破壞帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。

環(huán)境效益：按照中國(guó)建筑材料聯(lián)合會(huì)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)拌混凝土低碳產(chǎn)品評(píng)價(jià)方法及要求》（T/CBMF27-2018）中對(duì)于碳排放的要求，查詢(xún)每種原材料對(duì)應(yīng)的CO2排放系數(shù)，再根據(jù)碳排放量計(jì)算公式，可初步計(jì)算得到單跨C25 渡槽的碳排放量為4762.8kg，單跨UHPC 渡槽的碳排放量為3041.5kg。新建UHPC渡槽的碳排放比傳統(tǒng)混凝土渡槽降低約36.1%，如果換算成60 年設(shè)計(jì)使用年限全生命周期碳排放，采用UHPC 渡槽的碳排放降低幅度將達(dá)到68.1%。UHPC 材料使用量少，不僅降低了碳排放量，而且還能大幅度降低由于渡槽拆換產(chǎn)生的廢棄建筑材料，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，踐行了碳中和的發(fā)展理念。

4 討論

利用UHPC 材料預(yù)制渡槽相比普通混凝土而言具有如下優(yōu)勢(shì)：①斷面尺寸減小，自身結(jié)構(gòu)重量大幅度降低，方便運(yùn)輸和吊裝，提高施工效率；②力學(xué)和耐久性更好，后期可大大降低維護(hù)保養(yǎng)所花費(fèi)的人力物力，全生命周期成本更低；③由于維修更換次數(shù)顯著減少，可降低因維護(hù)工作對(duì)工農(nóng)業(yè)和居民供水的影響，社會(huì)效益顯著；④UHPC的原材料用量更少，降低了碳排放量，具有明顯的環(huán)境效益。

本文在設(shè)計(jì)時(shí)，為方便對(duì)比，將UHPC 渡槽長(zhǎng)度與C25渡槽長(zhǎng)度保持一致，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，UHPC渡槽的跨寬比可適當(dāng)增大，而且在設(shè)計(jì)過(guò)程中配筋取值偏于保守，使得UHPC 材料本身的性能未得到完全的發(fā)揮，借鑒UHPC 在預(yù)制箱梁中的應(yīng)用，UHPC 渡槽可優(yōu)化設(shè)計(jì)為無(wú)腹筋預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，從而減少鋼筋的使用量，進(jìn)一步降低UHPC渡槽的成本，提升渡槽的工程經(jīng)濟(jì)和社會(huì)環(huán)境效益。

5 結(jié)語(yǔ)

利用UHPC混凝土設(shè)計(jì)了一種U型預(yù)制裝配式渡槽，該渡槽主要由槽身、兩端底座和弧形蓋板組成，在相同跨度下，相比C25混凝土渡槽而言，斷面尺寸明顯減小，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件輕量化，可大大降低后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，延長(zhǎng)渡槽的使用壽命。根據(jù)初步計(jì)算，UHPC渡槽的槽身重量、全生命周期費(fèi)用和碳排放量分別較C25 渡槽降低64%、16.5%和68.1%，具有更好的工程經(jīng)濟(jì)和社會(huì)環(huán)境效益，在未來(lái)引水輸水工程中具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。本文僅對(duì)UHPC 渡槽的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)對(duì)比，后續(xù)將開(kāi)展相關(guān)模型試驗(yàn)研究，以驗(yàn)證UHPC渡槽在輸水、抗凍、抗?jié)B、抗震等性能方面的科學(xué)性與合理性。