王 巍，馬 骉，黃少文，王 浩，冀振龍

（1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092；2.上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市200031；3.上海城投公路投資（集團(tuán)）有限公司，上海市200335）

0 引言

對于城市跨河中小橋梁上部結(jié)構(gòu)而言，空心板梁整體性及耐久性問題日益突出，預(yù)制小箱梁、T梁等結(jié)構(gòu)梁高及單梁起吊重量相對較大，不利于橋梁縱斷面設(shè)計(jì)及吊裝施工?？绾又行蛄河绕湫枰捎媒Y(jié)構(gòu)高度低、起吊重量小的上部結(jié)構(gòu)，以利于道路縱斷面接線設(shè)計(jì)，方便吊裝、運(yùn)輸和快速化施工。

超高性能混凝土（UHPC）是一種纖維增強(qiáng)型水泥基材料，具備超高力學(xué)性能和超高耐久性。將UHPC應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)中可以實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)薄壁化、輕型化，超高性能混凝土橋梁結(jié)構(gòu)具有構(gòu)件輕巧、運(yùn)輸?shù)跹b簡單、施工便捷、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)目前城市橋梁建設(shè)的發(fā)展方向和趨勢，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 國內(nèi)外UHPC預(yù)制梁研究應(yīng)用現(xiàn)狀

進(jìn)入本世紀(jì)后，UHPC成為世界范圍內(nèi)土木工程領(lǐng)域的研究與應(yīng)用熱點(diǎn)。目前，在發(fā)達(dá)國家UHPC的配制、生產(chǎn)、施工和預(yù)制技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，工程與制品應(yīng)用不斷取得新進(jìn)展。

法國于2001年最早建成兩座相同的基于UHPC預(yù)制π型梁的公路橋梁—Bourg-lès-Valence OA4和OA6跨線橋[1]。兩座橋梁的上部結(jié)構(gòu)梁為π型預(yù)制先張預(yù)應(yīng)力梁，單片預(yù)制梁長22.5 m，高0.9 m，寬 2.4 m，橋面板厚 0.11 m，吊裝重量 37t；預(yù)制梁間采用UHPC現(xiàn)場灌注橫向接縫，剛性連接形成連續(xù)整體橋面板。

美國聯(lián)邦公路管理署（FHWA）2001年開始研發(fā)跨徑23～41 m工廠預(yù)制、現(xiàn)場快速組合安裝的模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的預(yù)應(yīng)力UHPC預(yù)制π梁，該系列預(yù)制梁橫向連接也采用現(xiàn)澆UHPC橫向接縫的形式[2]。美國于2004年在弗吉尼亞州建造了一座試驗(yàn)橋，顯示出這種橋梁具施工速度快的優(yōu)點(diǎn)。

近年來，我國緊跟國際研究前沿，對UHPC在橋梁工程中的研究和應(yīng)用開展了一些工作。目前我國針對UHPC橋梁的主要研究內(nèi)容及成果應(yīng)用主要集中在UHPC-鋼組合橋面技術(shù)[3]、UHPC做為連接材料應(yīng)用與小箱梁橫向接縫及預(yù)制墩柱的豎向連接技術(shù)[4]、UHPC做為早強(qiáng)及加固材料用于橋梁破損構(gòu)件的維修加固技術(shù)等方面。

在UHPC梁應(yīng)用方面，2016年在長沙建成一座主跨36.8 m長全70.8 m的UHPC跨街天橋[5]。上部結(jié)構(gòu)采用節(jié)段預(yù)制拼裝預(yù)應(yīng)力超高性能混凝土魚腹式單箱三室連續(xù)箱梁，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長4.6 m，梁高1.35 m，頂板厚0.12 m，底板厚0.08 m，腹板厚0.20 m，最大節(jié)段重量為51.3 t。

總體而言，國內(nèi)基于UHPC的預(yù)制梁技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用尚在起步階段。

2 U H PC預(yù)制梁截面形式比選

在分析總結(jié)了混凝土預(yù)制梁技術(shù)現(xiàn)狀及存在問題、UHPC材料特性的基礎(chǔ)上，對適用于中小橋的UHPC預(yù)制梁斷面形式開展了截面形狀的比選、預(yù)制梁預(yù)應(yīng)力方案的比選、全斷面UHPC梁及UHPC-RC組合梁方案的比選，以期獲得受力性能、施工便捷性、經(jīng)濟(jì)性俱佳的結(jié)構(gòu)方案形式。

2.1 截面形狀比選

（1）閉口／開口截面的比選

傳統(tǒng)混凝土預(yù)制梁的三種形式中，空心板和小箱梁都是閉口截面形式，預(yù)制T梁為開口截面形式，如圖1所示。

圖1 預(yù)制梁閉口及開口截面示意圖

從截面抗彎能力而言，兩種截面形式在同等材料用量情況下可以擁有相同的抗彎能力及相同的梁高。在抗扭能力方面，閉口截面梁的抗扭剛度要顯著優(yōu)于開口截面。對于預(yù)制梁而言，預(yù)制施工的便捷性也十分重要。閉口截面預(yù)制梁內(nèi)模脫模相對繁瑣，開口斷面預(yù)制梁預(yù)制工藝較為便捷。

預(yù)制梁一般橫橋向多片布置，通過橋面板及橫隔板連接成為整體共同受力。上部結(jié)構(gòu)在偏載作用下的扭轉(zhuǎn)變形更多地通過各片梁的豎彎變形差來抵抗，同時(shí)也會在單片預(yù)制梁中產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)變形。對于中小跨徑橋梁而言，預(yù)制梁高度較低，腹板的高厚比較小，開口截面的自身扭轉(zhuǎn)剛度能滿足抗扭受力的需要；當(dāng)跨度較大時(shí)，預(yù)制梁的梁高也隨之增大，腹板的高厚比也隨之增大，開口截面預(yù)制梁若要滿足其抗扭穩(wěn)定性需要設(shè)置較多的跨中橫隔板，其施工便捷性及景觀效果都有所降低，此時(shí)采用閉口截面預(yù)制梁更為合適。

對于跨河中小橋而言，采用開口斷面形式能滿足受力需求且預(yù)制更便捷，因此UHPC預(yù)制梁推薦采用開口斷面形式。

表1 預(yù)制梁閉口截面與開口截面對比

（2）預(yù)制梁開口截面形式的比選

進(jìn)一步地，對預(yù)制梁開口截面形狀進(jìn)行比選。開口斷面的預(yù)制梁截面的常見形式為I形和T形，π形截面即為2個(gè)T形截面的組合，如圖2所示。三種截面形式從受力、施工便捷性、施工過程穩(wěn)定性、施工速度等方面比選見表2。

圖2 預(yù)制梁開口截面形式

表2 預(yù)制梁開口截面形狀比選

相比而言，I形截面的上翼緣較窄，其抗彎能力較弱，且橫向多片布置時(shí)需要較寬的橋面后澆帶或通過整幅后澆橋面板連接成為整體，后澆部分需要支模板完成，因此其施工便捷性相對較差。T形截面在相同梁高下相比I形截面的抗彎能力更大，橫向多片布置時(shí)橫向橋面后澆帶較窄，施工相對便捷。但T形截面與I形截面在施工過程中的側(cè)向穩(wěn)定性較差。

π形截面預(yù)制梁在保留T形截面梁的優(yōu)勢的同時(shí)，具有更好的施工過程側(cè)向穩(wěn)定性；且單片梁寬度的增加在橋梁總寬固定的情況下減少了預(yù)制梁的片數(shù)，進(jìn)而減少了橫向接縫數(shù)量，加快了預(yù)制梁的施工速度。相比I形梁及T形梁，π形梁的吊裝重量較大。但由于UHPC材料比強(qiáng)高，預(yù)制梁截面板件輕薄，因此預(yù)制π梁的吊裝重量要明顯小于常規(guī)空心板梁及小箱梁。

綜合考慮預(yù)制梁的受力性能、施工便捷性、施工過程中的穩(wěn)定性、施工速度及吊裝重量等因素，推薦UHPC預(yù)制梁采用π形截面。

2.2 預(yù)制梁預(yù)應(yīng)力方案比選

為增加預(yù)制梁的跨越能力、減小結(jié)構(gòu)高度、提升預(yù)制梁的抗裂能力及耐久性，混凝土預(yù)制梁往往采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力通過預(yù)應(yīng)力鋼束施加。預(yù)應(yīng)力方案分為先張法與后張法預(yù)應(yīng)力方案，后張法預(yù)應(yīng)力方案中又分為體內(nèi)束方案和體外束方案。從鋼束抗彎效率、預(yù)制梁施工便捷性及施工場地限制性等角度進(jìn)行預(yù)制梁的預(yù)應(yīng)力方案比選見表3。

表3 預(yù)制梁預(yù)應(yīng)力方案比選表

在抗彎能力相同的情況下，先張法預(yù)應(yīng)力方案由于其預(yù)應(yīng)力效率較高、無需特殊錨固構(gòu)造考慮，因此其材料經(jīng)濟(jì)性較好，但其截面構(gòu)型及施工場地都受限于張拉臺座，施工便捷性不佳。后張法體內(nèi)束方案由于鋼束直徑大，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)稍次于先張法方案，但其截面構(gòu)型及施工預(yù)制場地相對靈活。后張法體外束方案在中小跨徑橋梁梁高較低的情況下鋼束效率低的劣勢尤為明顯，因此其鋼束用量較大；另外轉(zhuǎn)向塊及錨固塊的設(shè)置增加了預(yù)制梁UHPC材料用量。

綜合考慮方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、截面構(gòu)型靈活性、預(yù)制梁施工便捷性、預(yù)制梁施工場地適應(yīng)性等因素，推薦選用后張法體內(nèi)束方案做為UHPC預(yù)制梁的預(yù)應(yīng)力方案。

2.3 全斷面UHPC預(yù)制梁與UHPC-RC組合梁方案比選

不同于普通混凝土，UHPC具有超高的抗壓和抗拉強(qiáng)度。特別對于應(yīng)變硬化型UHPC，受拉時(shí)具有很強(qiáng)的延性變形能力，其極限拉應(yīng)變往往超過2 000 με。這表明對于配筋UHPC受彎構(gòu)件，在受拉鋼筋達(dá)到屈服、充分發(fā)揮其抗拉強(qiáng)度時(shí)，受拉區(qū)UHPC仍能發(fā)揮其抗拉強(qiáng)度。因此UHPC受彎構(gòu)件抗彎承載力計(jì)算中應(yīng)計(jì)入U(xiǎn)HPC的抗拉貢獻(xiàn)，并充分利用這一優(yōu)勢[6]。

雖然UHPC的抗拉強(qiáng)度較高（通常在7～12 MPa左右），但相比其抗壓強(qiáng)度（通常超過120 MPa）而言要低一個(gè)數(shù)量級。因此π形梁由受壓側(cè)達(dá)到抗壓強(qiáng)度時(shí)按內(nèi)力平衡條件求出的受壓區(qū)高度較小。

要充分利用UHPC抗拉強(qiáng)度對抗彎承載力的貢獻(xiàn)，其抗彎承載力由受拉邊緣UHPC拉應(yīng)變達(dá)到3倍極限拉應(yīng)變控制[6]，此時(shí)受壓側(cè)UHPC邊緣的壓應(yīng)變尚未達(dá)到其抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度對應(yīng)的壓應(yīng)變，如圖3所示，因此在UHPC抗拉強(qiáng)度充分發(fā)揮、受拉鋼筋屈服時(shí)，UHPC受壓側(cè)抗壓強(qiáng)度不能充分發(fā)揮。

圖3 受壓邊緣UHPC達(dá)到抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)截面應(yīng)變及內(nèi)力平衡關(guān)系

由于UHPC材料價(jià)格較高，若采用經(jīng)濟(jì)性好的普通鋼筋混凝土板（RC橋面板）替換部分受壓區(qū)UHPC橋面板組成UHPC-RC組合斷面可以優(yōu)化UHPC材料用量，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

從預(yù)制加工便捷性、施工吊裝穩(wěn)定性及便捷性、充分發(fā)揮材料受力性能、方案經(jīng)濟(jì)性等方面綜合比選，推薦選用基于UHPC后張法預(yù)應(yīng)力預(yù)制π梁+后澆整體RC橋面板組成的UHPC-RC組合梁方案。

3 基于U H PC預(yù)制π梁的U H PC-R C組合梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及實(shí)橋應(yīng)用

3.1 工程概況

上海嘉閔高架路（S32～莘松路）道路新建工程是已建成嘉閔高架路（聯(lián)明路～北翟路）段的向南延伸段，袁家河地面橋?yàn)樵摴こ讨械囊蛔鶈慰绾喼У孛婵绾訕颍瑯蛄嚎鐝?2 m，橋?qū)?7.75 m。袁家河地面橋上部結(jié)構(gòu)原方案采用剛接空心板，下部結(jié)構(gòu)為重力式橋臺，樁基采用直徑1 m的鉆孔灌注樁。

本文以該地面橋?yàn)楣こ瘫尘?，開展了基于UHPC預(yù)制梁的UHPC-RC組合梁上部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及實(shí)橋應(yīng)用探索。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

袁家河橋上部結(jié)構(gòu)UHPC-RC組合梁方案如下：上部結(jié)構(gòu)由7片預(yù)制UHPCπ形梁構(gòu)成，如圖4所示，UHPC預(yù)制π形梁橫橋向并排布置，預(yù)制梁間彼此翼緣板密貼，預(yù)制梁頂緣預(yù)留鋼筋連接件，吊裝就位后在梁頂布設(shè)橋面板鋼筋網(wǎng)片，在其上現(xiàn)澆0.15 m厚C50普通鋼筋混凝土（RC）橋面板將各片預(yù)制梁連接形成整體，現(xiàn)澆RC橋面板兼做找平層。該方案結(jié)構(gòu)形式在橫橋向表現(xiàn)為通過現(xiàn)澆RC橋面板形成整體剛接板梁，在縱橋向形成UHPC-RC組合梁的新型結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)形式具有吊裝重量輕、施工快速便捷、受力性能及耐久性好、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。

預(yù)制UHPCπ形梁梁高930mm，頂板寬2500mm，頂板厚度50～100 mm，腹板厚100 mm，單個(gè)下翼緣寬500 mm，厚度200～300 mm，截面沿梁長全長采用等截面設(shè)計(jì)，構(gòu)造橫斷面如圖5所示。

圖5 UHPC預(yù)制π梁橫斷面構(gòu)造圖（單位：mm）

預(yù)制梁配筋斷面如圖6所示，下馬蹄除了設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束外，設(shè)置了普通鋼筋以提高其抗彎極限承載力。腹板中設(shè)置直徑12 mm的單肢豎向分布鋼筋和水平分布鋼筋，豎向分布鋼筋伸出預(yù)制梁頂緣兼做鋼筋連接件。預(yù)制梁頂板在翼緣范圍內(nèi)布置了C形預(yù)留鋼筋連接件，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)澆RC橋面板間的剪力連接。RC橋面板在橫橋向布置了直徑16 mm的頂?shù)拙壙箯濅摻罴绊槝蛳虻臉?gòu)造架立筋。

對于袁家河橋，UHPC-RC組合梁與傳統(tǒng)的剛接空心板梁方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較如表4所示?？梢钥闯?，在預(yù)制梁混凝土指標(biāo)方面，UHPC-π梁大幅減輕了上部結(jié)構(gòu)重量（僅為60%），方便預(yù)制結(jié)構(gòu)運(yùn)輸?shù)跹b快速施工。

圖6 UHPC預(yù)制π梁配筋斷面圖（單位：mm）

表4 袁家河橋UHPC-RC組合梁與剛接空心板梁方案材料指標(biāo)比較

在結(jié)構(gòu)造價(jià)方面，由于UHPC材料價(jià)格較高，該工程中UHPC-RC組合梁上部結(jié)構(gòu)單價(jià)相當(dāng)于剛接空心板梁的2倍，但由于減輕了上部結(jié)構(gòu)自重、優(yōu)化了基礎(chǔ)工程量、簡化了橋面系施工，因此整座橋造價(jià)UHPC-RC組合梁方案僅比剛接空心板梁方案增加約9%。隨著UHPC材料的推廣應(yīng)用，其材料價(jià)格會逐步降低，因此該新型整體剛接板梁方案在中小跨徑橋梁中有較好的應(yīng)用前景。

3.3 實(shí)橋施工方案及特點(diǎn)

該方案預(yù)制梁采用后張法預(yù)應(yīng)力方案，施工便捷，不受場地限制；預(yù)制梁頂緣設(shè)置鋼筋連接件，便于吊裝就位后與現(xiàn)澆橋面板結(jié)合。

該方案預(yù)制梁間以梁頂緣現(xiàn)澆15 cm厚RC橋面板實(shí)現(xiàn)橫向連接。預(yù)制梁先期制作并吊裝就位，π形斷面預(yù)制梁梁端兩道腹板下共設(shè)四個(gè)支座，吊裝施工穩(wěn)定性好；預(yù)制梁頂緣橫向彼此密貼，兼做現(xiàn)澆RC橋面模板及施工平臺，無需另設(shè)支架及模板?，F(xiàn)澆RC橋面施工時(shí)板以先期吊裝就位的預(yù)制梁頂板為底模及施工平臺，放置橋面板鋼筋網(wǎng)片后即可澆筑普通混凝土通過預(yù)制梁頂緣預(yù)埋鋼筋連接件形成整體，現(xiàn)澆橋面板具有施工便捷、受力整體性好等特點(diǎn)；且現(xiàn)澆RC橋面板兼做鋪裝找平層，可進(jìn)一步減輕上部結(jié)構(gòu)自重。

袁家河橋單片UHPC預(yù)制π自重34 t，僅為相同橋面面積剛接空心板梁自重的60%；每片梁平均架梁時(shí)間僅為20 min，在2.5 h內(nèi)完成了7片梁的吊裝，如圖7所示。

圖7 預(yù)制UHPC-π梁吊裝實(shí)景

3.4 預(yù)制梁靜力試驗(yàn)

靜力試驗(yàn)包含兩個(gè)截面足尺試件，試件截面為UHPCπ梁及UHPC-RC組合梁截面的一半（T形），每片試驗(yàn)梁長15 m，開展了靜力抗彎、抗剪試驗(yàn)。試驗(yàn)梁的材料、配筋、配束均與前文結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案完全相同。

靜力試驗(yàn)研究了UHPC預(yù)制梁的裂縫發(fā)展規(guī)律、結(jié)構(gòu)破壞形式及抗彎和抗剪承載力。試驗(yàn)結(jié)果表明：抗彎及抗剪試驗(yàn)中，梁體裂縫都表現(xiàn)為分散密布裂縫，應(yīng)變強(qiáng)化型UHPC具有很強(qiáng)的裂縫寬度控制能力，配置后張法預(yù)應(yīng)力鋼束的UHPC預(yù)制梁在卸載后還具有較好的裂縫閉合能力。

抗彎試驗(yàn)破壞時(shí)出現(xiàn)貫穿主梁高度的主裂縫，破壞形態(tài)為塑性破壞，結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的延性。全斷面UHPC預(yù)制梁的抗彎承載力試驗(yàn)值為4 629 kN·m，大于其承載能力組合設(shè)計(jì)彎矩2 207 kN·m，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)2.10；UHPC-RC組合梁的的抗彎承載力試驗(yàn)值為5 232 kN·m，大于其承載能力組合設(shè)計(jì)彎矩2 838 kN·m，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)1.85，證明實(shí)橋結(jié)構(gòu)受力安全。

受限于試驗(yàn)加載設(shè)備的最大加載能力，試驗(yàn)梁未達(dá)到抗剪極限承載力，試驗(yàn)最大加載剪力1 770 kN，大于實(shí)橋承載能力組合設(shè)計(jì)剪力628 kN，證明實(shí)橋結(jié)構(gòu)安全。

3.5 實(shí)橋荷載試驗(yàn)

通過對袁家河橋直接加載后進(jìn)行有關(guān)測試、與分析工作，了解橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)際工作狀態(tài)，進(jìn)而評定橋梁結(jié)構(gòu)的使用狀況，為設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。實(shí)橋荷載試驗(yàn)包括靜載、動載試驗(yàn)。

靜載試驗(yàn)分跨中及支點(diǎn)加載兩個(gè)不利荷載工況，加載效率系數(shù)0.97。靜載試驗(yàn)結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)的應(yīng)變及位移校驗(yàn)系數(shù)小于1.0，表明結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度優(yōu)于理論計(jì)算；相對殘余變位均小于20%，結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段。

動載試驗(yàn)分行車試驗(yàn)、剎車試驗(yàn)及脈動試驗(yàn)三部分。試驗(yàn)結(jié)果表明，袁家河橋的模態(tài)試驗(yàn)測試頻率5.684 Hz大于計(jì)算值5.548 Hz，橋梁動剛度較好；40 km/h跑車試驗(yàn)表明該橋?qū)崪y沖擊系數(shù)為1.188，符合規(guī)范要求。

通過對袁家河橋的靜、動載試驗(yàn)結(jié)果可知，在靜荷載作用下，實(shí)橋抗彎承載能力、裂縫開展情況及剛度符合規(guī)范的要求；在動荷載作用下，結(jié)構(gòu)模態(tài)正常，沖擊系數(shù)符合規(guī)范要求。袁家河橋的整體剛度和結(jié)構(gòu)受力性能優(yōu)于預(yù)期。圖8為荷載試驗(yàn)現(xiàn)場。

圖8 實(shí)橋荷載試驗(yàn)實(shí)景

4 結(jié) 語

本文從城市跨河中小橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工需求出發(fā)，結(jié)合超高性能混凝土（UHPC）的材料特點(diǎn)，比選了適宜中小跨徑UHPC預(yù)制梁的截面形式，提出了基于UHPC預(yù)制π梁與現(xiàn)澆鋼筋混凝土橋面板（RC橋面板）的UHPC-RC組合梁結(jié)構(gòu)形式。并以上海嘉閔高架袁家河地面橋?yàn)楣こ瘫尘?，開展了UHPC-RC組合梁的上部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、預(yù)制梁力學(xué)性能試驗(yàn)、工程應(yīng)用及實(shí)橋荷載試驗(yàn)。

靜力試驗(yàn)、實(shí)橋荷載試驗(yàn)結(jié)果及工程實(shí)踐表明，該結(jié)構(gòu)形式具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的同時(shí)，兼具構(gòu)件輕巧、運(yùn)輸?shù)跹b簡單、施工快速便捷、經(jīng)濟(jì)性相對較好等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)目前城市橋梁建設(shè)的發(fā)展方向和趨勢，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。