UHPC超高性能混凝土在動(dòng)物通道天橋的應(yīng)用

摘要：為有效保護(hù)野生動(dòng)物活動(dòng)，建造一座輕量、耐久且結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的動(dòng)物通道天橋尤為重要。文章以實(shí)際工程為背景，介紹了一種以UHPC超高性能混凝土為基材，通過(guò)UHPC超高性能混凝土濕接縫及UHPC橫梁連接而成的動(dòng)物通道（UHPC拱橋）。實(shí)踐證明，UHPC上承式肋拱橋具有大跨度優(yōu)越性，在為野生動(dòng)物提供通行便利的同時(shí)，又能降低對(duì)橋下空間的侵?jǐn)_。研究成果可為生態(tài)公路工程探索開展野生動(dòng)物通行通道的建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：UHPC；超高性能混凝土；動(dòng)物通道天橋；生態(tài)保護(hù)

中文分類號(hào)：U412.37+3A210654

0引言

公路建設(shè)會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厮?、公路兩?cè)生態(tài)環(huán)境造成較大影響。廣西山區(qū)公路通常穿越自然生態(tài)區(qū)或原始山區(qū)，在公路的前期建設(shè)和運(yùn)營(yíng)使用期間，每年都有一定數(shù)量的野生動(dòng)物死于車禍中。為有效保護(hù)野生動(dòng)物活動(dòng)，建造一座輕量、耐久且結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的動(dòng)物通道天橋尤為重要［1］。UHPC上承式肋拱橋具有大跨度優(yōu)越性，在為野生動(dòng)物提供通行便利的同時(shí)，又能降低對(duì)橋下空間的侵?jǐn)_。目前我國(guó)在建或已運(yùn)行的公路中，設(shè)置有動(dòng)物通道天橋的公路較少，本文依托大憑高速公路工程實(shí)踐得知，UHPC拱橋施工方案有效可行，可為生態(tài)公路工程探索開展野生動(dòng)物通行通道的建設(shè)提供案例參考。

1工程概況

動(dòng)物通道天橋位于廣西壯族自治區(qū)崇左市大新縣欖圩鄉(xiāng)謹(jǐn)湯村谷龍屯，橋址區(qū)有X521縣道公路通過(guò)，交通條件較方便且車流量較大。動(dòng)物通道天橋采用上承式肋拱橋結(jié)構(gòu)，橋面總寬為10 m，橋面內(nèi)、外側(cè)均設(shè)置防拋網(wǎng)，拱肋跨徑為85 m，矢高為9.44 m，矢跨比為1/9（f/L=9.44/85），拱軸系數(shù)為1.5。動(dòng)物天橋的上部結(jié)構(gòu)由4片UHPC超高性能混凝土拱肋拼裝完成，超高性能混凝土拱肋采取分段預(yù)制、吊裝到位的施工方式。主要工程量有：2個(gè)332 m3的重力式橋臺(tái)（拱座）；20片173.21 m3的UHPC拱肋；濕接縫4處；橫梁9道；橋面板現(xiàn)澆鋼筋混凝土為159.4 m3。通過(guò)在大流量的縣道上增設(shè)動(dòng)物通道天橋，在保護(hù)野生動(dòng)物的同時(shí)，還能探索UHPC拱橋在二級(jí)公路或高速公路的使用性能。

2UHPC材料特性

2.1材料定義

UHPC超高性能混凝土，是一種具有超強(qiáng)力學(xué)性能、超高韌性性能、超長(zhǎng)耐久性性能的水泥基復(fù)合材料的統(tǒng)稱，按最大堆積密度原理配制［2］。

2.2力學(xué)性能

UHPC超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量等性能參數(shù)，經(jīng)與普通混凝土的性能參數(shù)比對(duì)，得到如表1所示的結(jié)果。

2.3應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

相比普通凝土結(jié)構(gòu)，UHPC結(jié)構(gòu)主要有三大優(yōu)勢(shì)：（1）UHPC結(jié)構(gòu)的自重大大減輕，密實(shí)性能可有效抵抗外界各類不良因素［3］，在低溫達(dá)零下30 ℃的反復(fù)凍融后仍具備良好的性能；（2）UHPC相關(guān)材料性能優(yōu)越，能減少后期運(yùn)營(yíng)期的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用投入；（3）UHPC桁架拱結(jié)構(gòu)細(xì)巧、造型優(yōu)美且橋下空間足夠，采用該結(jié)構(gòu)能夠提高橋梁與環(huán)境的協(xié)調(diào)性，同時(shí)又不影響橋下車輛通行安全［4］。

3吊裝前的承載能力計(jì)算

由于該工程施工上跨縣道二級(jí)道路及高速公路，且施工周期僅為20 d，在考慮吊裝UHPC預(yù)制件的同時(shí)也需要考慮下方車輛通行安全，綜合施工原則為安全為先、施工有序、高質(zhì)高效，在保通的同時(shí)又能維持施工進(jìn)度、質(zhì)量不受影響。在吊裝預(yù)制UHPC拱構(gòu)件前，需要對(duì)施工場(chǎng)地的臨時(shí)支架、吊裝車輛提前進(jìn)行靜力分析，在滿足相關(guān)驗(yàn)算后，利用分析結(jié)果指導(dǎo)施工方案的實(shí)施。

3.1建立有限元模型

本研究施工支架模型采用Midas Civil軟件建立，該模型約束形式有固結(jié)、鉸接兩種形式。其中，鋼管樁底采用固結(jié)形式，分配梁之間采用鉸接進(jìn)行約束，通過(guò)兩種約束形式的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)上層分配梁不傳遞彎矩至下層分配梁的受力效果。拱肋的計(jì)算單元采用實(shí)體單元，實(shí)體單元加載在支架上，橋梁的拱肋模型采用分節(jié)間斷的形式。如圖1所示。

3.1.1橫梁承載能力計(jì)算

橫梁計(jì)算橫梁采用Ⅰ40a、2×Ⅰ40a，橋梁橫梁受力圖如圖2所示。

由圖2可知：σ=1.4 MPa，lt;215 MPa；t=0.9 MPa，lt;125 MPa；f=1 mm，lt;2 500400=6.25 mm，受力滿足條件。

3.1.2樁頂分配梁承載力計(jì)算

樁頂分配梁采用Ⅰ40a，受力如圖3所示。

由圖3可知：σ=69.7 MPa，lt;215 MPa；t=21.5 MPa，lt;125 MPa；f=3 mm，lt;2 500400=6.25 mm，受力滿足要求。

3.1.3抄墊、斜撐承載力計(jì)算

采用219 mm×8 mm鋼管，斜撐采用102 mm×6.5 mm鋼管，則σ=136.6 MPa，lt;215 MPa；t=17.7 MPa，受力滿足要求。

3.1.4鋼管立柱承載能力計(jì)算（圖4）

由圖4可知：f=68.1 MPa，lt;215 MPa，f=4.1 MPa，lt;125 MPa，滿足要求。

3.1.5立柱穩(wěn)定性計(jì)算（圖5）

由圖5可知：219 mm×8 mm鋼管立柱最大軸力為N=233.7 kN，彎矩M=7.9 kN·m。

鋼管最大軸力處的應(yīng)力計(jì)算式為：NφA+βmxMxyxWx（1－0.8NN′）。該計(jì)算式各參數(shù)取值分別如下：

（1）219 mm×8 mm鋼管立柱最大軸力N=233.7 kN，最大彎矩M=7.9 kN.m。

（2）鋼管穩(wěn)定系數(shù)φ=0.856。

（3）鋼管截面參數(shù)A=5 303.008 4，Ix=29 554 329，Iy=29 554 328，ix=74.663 4，iy=74.653 4，Ip=59 108 657，Wx（上）=269 902.547 9，Wx（下）=269 902.547 9，Wy（上）=269 902.538 8，Wy（下）=269 902.538 8，繞y軸面積矩=178 169.333 3。計(jì)算得到y(tǒng)x=1.15，Wx=269 902。

（4）N′=π2EA/（1.1A2）=π2×2.06×105×5 303/（1.1×49.562）=3 990 kN。

綜上所述，鋼管最大軸力處的應(yīng)力為：

NφA+βmxMxyxWx（1－0.8NN′）=233.7×1030.856×5 303+7.9×1061.15×269 902×[JB（（]1－0.8233.73 990=78.2 MPa

鋼管柱穩(wěn)定性滿足要求。

3.1.6基礎(chǔ)承載力計(jì)算

支架采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)尺寸為1.2 mm×0.6 m×1.2 mm，地基承載力按200 kPa來(lái)控制，σ=NA=177.61.2×1.2+25.06=138 kPa，＜200 kPa，承載能力滿足要求。

3.1.7整體屈曲計(jì)算（圖6）

由圖6可知：支架整體屈曲特征值為157.8，gt;5，結(jié)構(gòu)滿足要求。

3.1.8結(jié)果分析（表2）

（1）支架各項(xiàng)承載力指標(biāo)均達(dá)到要求。

（2）支架構(gòu)件應(yīng)保證焊縫質(zhì)量，支架按照1.1倍設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行預(yù)壓，完成后方可進(jìn)行拱肋單元吊裝。

（3）地基承載力低于臨界值，滿足要求。

3.2吊裝設(shè)備中的鋼絲繩性能參數(shù)計(jì)算

3.2.1吊重34.4 t拱肋

鋼絲繩與拱肋傾角按60°計(jì)算，吊點(diǎn)位置設(shè)置在距拱肋端頭2 m處，單根鋼絲繩拉力：L拉=G÷n÷sinβ=34.4÷3÷sin60°=13.2 t（4個(gè)吊點(diǎn)，按3根鋼絲繩受力）。其中，G為節(jié)段重量，n為起吊鋼絲繩的根數(shù)，β為起吊鋼絲繩與水平最小夾角。

綜合安全系數(shù)8倍，考慮強(qiáng)度降低率系數(shù)0.75：最小破斷拉力Sb=13.2×8/0.75=1 408 kN。根據(jù)《重要用途鋼絲繩》（GB8918-2006），查表11選用6×37公稱抗拉強(qiáng)度為1 960 MPa的鋼芯鋼絲繩。公稱直徑為46 mm，最小破斷拉力為1 480 kN，滿足節(jié)段吊裝的安全使用要求。

3.2.2吊重G=14.1～18.2 t拱肋

單根鋼絲繩拉力：L拉=G÷n÷sinβ=18.2÷2÷sin60°=10.5 t。其中，G為節(jié)段重量，n為起吊鋼絲繩的根數(shù)，β為起吊鋼絲繩與水平最小夾角。

綜合安全系數(shù)8倍，考慮強(qiáng)度降低率系數(shù)0.75：最小破斷拉力Sb=105×8/0.75=1 120 kN。根據(jù)《重要用途鋼絲繩》（GB8918-2006），查表11選用6×37公稱抗拉強(qiáng)度為1 960 MPa的鋼芯鋼絲繩。公稱直徑為42 mm，最小破斷拉力為1 230 kN，滿足節(jié)段吊裝的安全使用要求。

綜上所得，吊裝鋼絲繩采用公稱抗拉強(qiáng)度為1 960 MPa的鋼芯鋼絲繩，其中1#和4#鋼絲繩公稱直徑為46 mm;3#和4#鋼絲繩公稱直徑為42 mm。1#鋼絲繩長(zhǎng)7 m、2#鋼絲繩長(zhǎng)4.5 m、3#鋼絲繩長(zhǎng)9.5 m、4#鋼絲繩長(zhǎng)8.7 m。如圖7所示。

4施工準(zhǔn)備

4.1場(chǎng)地準(zhǔn)備

該項(xiàng)目拱肋預(yù)制單元采用在現(xiàn)場(chǎng)的臨時(shí)支架上拼接成整體拱肋。臨時(shí)支架為門型排架，基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，擴(kuò)大基礎(chǔ)為1 200 mm×1 200 mm×600 mm C30鋼筋混凝土。立柱采用219 mm×8 mm鋼管，連接系采用Ⅰ10和60 mm×3 mm鋼管，柱頂擺放砂桶，便于拆除支架；砂桶縱向分配梁采用Ⅰ40a型鋼，縱梁上擺放橫梁，沿橫梁橫向設(shè)置限位裝置。

4.2材料準(zhǔn)備及驗(yàn)收

施工前需要對(duì)UHPC預(yù)制拱肋進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收，混凝土表面不應(yīng)存在露筋現(xiàn)象；蜂窩、疏松深度應(yīng)＜10 mm;不應(yīng)存在棱線不直、翹曲不平等限制缺陷。

4.3技術(shù)交底

施工前應(yīng)進(jìn)行一次技術(shù)交底，包括技術(shù)人員審閱圖紙，全面熟悉掌握有關(guān)圖紙重點(diǎn)節(jié)點(diǎn)內(nèi)容、施工規(guī)范、設(shè)計(jì)要求、施工組織設(shè)計(jì)等有關(guān)技術(shù)資料，核對(duì)拱肋的空間就位尺寸和相互的關(guān)系，

掌握好預(yù)拱肋的高度、寬度、型號(hào)、編號(hào)、數(shù)量、幾何尺寸、重量及拱肋單元之間的連接方法，確?，F(xiàn)場(chǎng)施工整體可控。同時(shí)，組織工程技術(shù)、質(zhì)檢、試驗(yàn)、物資設(shè)備等有關(guān)人員對(duì)相關(guān)吊裝作業(yè)機(jī)具進(jìn)行檢查驗(yàn)收，檢查特種作業(yè)設(shè)備和特種作業(yè)人員的特種作業(yè)證件。

4.4拱肋安裝中的穩(wěn)定措施

4.4.1縱向穩(wěn)定措施

縱向穩(wěn)定主要靠支架的穩(wěn)定來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)在拱肋底部預(yù)埋鋼板，設(shè)置鋼楔形塊使其傳導(dǎo)豎向力至砂筒及支撐上，鋼楔形塊與鋼板焊接牢固。邊跨拱肋拱腳處有預(yù)埋鋼板，通過(guò)與拱座鋼板進(jìn)行焊接，為保障焊接的緊密性，可提前準(zhǔn)備5 mm薄鋼板進(jìn)行調(diào)節(jié)。拱肋分節(jié)段吊裝，務(wù)必按照先邊拱后中間的方式吊裝，可以確保中間拱肋吊裝時(shí)，濕接縫處鋼筋及時(shí)焊接，以防止2#、4#拱肋縱向滑移。

4.4.2橫向穩(wěn)定措施

先安裝中拱肋，未完成拱腳及支撐點(diǎn)處鋼板焊接時(shí)吊車不能摘鉤，濕接頭上的四角鋼筋焊接全部完成方可摘鉤。安裝其他拱肋時(shí)，在拱肋頂部用2道［10槽鋼與已安裝好的拱肋臨時(shí)焊接，同時(shí)使用纜風(fēng)繩對(duì)其加固完成后，此時(shí)汽車吊可以摘鉤，橫向穩(wěn)定能有效控制。

4.4.3控制吊機(jī)的卸扣時(shí)間

整個(gè)吊裝過(guò)程中，拱肋的縱、橫向措施全部完成后，方可卸扣。

拱肋安裝穩(wěn)定對(duì)接施工方式見圖8。

4.5拱肋吊裝施工

該橋拱肋分為5段，1#、5#段吊裝重量為34.4 t，2#、4#段吊裝重量為18.2 t，3#段吊裝重量為14.1 t。選用100 t汽車吊進(jìn)行吊裝，其中1#、5#段采用雙機(jī)抬吊。吊裝過(guò)程中注意結(jié)構(gòu)安全，避免碰撞。全橋拱肋單元總體吊裝順序?yàn)椋喊词┕し桨敢髲臉騼啥讼驑蛑行膶?duì)稱的順序，先吊裝兩側(cè)1#、5#拱腿段，再吊裝兩側(cè)2#、4#拱肋段，最后吊裝3#聯(lián)合段向中間合龍；依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形，拱腳處梁肋由中間向兩側(cè)往外吊裝架設(shè)，其余跨段可按由一側(cè)向另一側(cè)吊裝架設(shè)。見圖9。

預(yù)制拱肋吊裝施工中，使用在梁底增加焊接鋼板或砂筒卸落綜合調(diào)節(jié)，控制高程。軸線通過(guò)經(jīng)緯儀、激光儀等在橋臺(tái)上進(jìn)行控制，同時(shí)委托第三方測(cè)量進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。拱肋吊裝完成后及時(shí)施作濕接縫。

UHPC現(xiàn)澆接縫的鋼纖維含量≥2.0%，宜通過(guò)試驗(yàn)摻入適量的膨脹劑。混凝土由專用攪拌機(jī)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)制拌和而成，在澆筑過(guò)程中保證混凝土供應(yīng)的連續(xù)性。濕接縫澆筑完畢后，應(yīng)盡早覆蓋，24 h后進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)應(yīng)符合《活性粉末混凝土》（GB/T31387）的規(guī)定。

5完工效果

崇左谷龍屯UHPC拱橋的吊裝施工效果良好，得益于橋梁大跨徑優(yōu)勢(shì)，開通運(yùn)營(yíng)期間未發(fā)生車輛撞擊天橋的問(wèn)題。UHPC材料充分發(fā)揮了主梁強(qiáng)度高、自重輕、耐久性好的特點(diǎn)，同時(shí)解決了普通混凝土天橋橋梁病害發(fā)生快、養(yǎng)護(hù)難、費(fèi)用高的問(wèn)題，橋梁周邊環(huán)境及生態(tài)得到極大保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了人、結(jié)構(gòu)物和自然生態(tài)的三者和諧。

6結(jié)語(yǔ)

（1）動(dòng)物通道天橋安裝施工前，需要對(duì)臨時(shí)支架、吊機(jī)吊裝參數(shù)、鋼絲繩、卸扣、地基承載力做受力分析，相關(guān)計(jì)算結(jié)果低于臨界值方可進(jìn)行施工。

（2）本文介紹的在毗鄰保護(hù)區(qū)的高速公路路段中，創(chuàng)新使用輕型超高性能混凝土（UHPC）材料，為大型動(dòng)物或國(guó)家保護(hù)動(dòng)物搭建一座上跨式的“通行天橋”，并在橋面布設(shè)草木、水體，模擬自然的山坡地形，既保障了野生動(dòng)物正常覓食、遷徙和繁殖等活動(dòng)需要，也有效降低了動(dòng)物種群在穿越公路時(shí)發(fā)生車禍的風(fēng)險(xiǎn)性。

（3）UHPC拱橋的成功安裝，基于臨時(shí)支架和吊裝設(shè)備在拱橋吊裝工藝上的成熟實(shí)踐，施工方案安全可控，既能快速完成施工，同時(shí)滿足橋下縣道的通行需求，可為類似工程建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

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作者簡(jiǎn)介：周莉莉（1990—），碩士，工程師，主要從事高速公路運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)管理工作。