廣東省基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510620

1 工程概況

廣東省農(nóng)村公路危橋改造建設(shè)總承包1標(biāo)段包括汕頭、潮州、揭陽(yáng)、梅州、汕尾、河源以及韶關(guān)7個(gè)地級(jí)市共計(jì)140座橋梁。揭陽(yáng)市金鯉大橋位于X096縣道，連接揭西縣與普寧市，全橋長(zhǎng)320m、寬16m，上部結(jié)構(gòu)均為普通鋼筋混凝土T梁，左幅橋跨徑組合為（8×16+3×20+4×16）m，右幅橋跨徑組合為（8×16+3×20+8×16）m，下部構(gòu)造均為雙柱式橋墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。根據(jù)橋梁的檢測(cè)及靜載試驗(yàn)報(bào)告，該橋被評(píng)定為四類橋，左幅橋存在T梁貫穿破壞。需對(duì)左幅橋0#～1#、6#～11#共6跨上部梁進(jìn)行更換，以到達(dá)公路Ⅱ級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)。

該項(xiàng)目在已有的超高性能混凝土材料研究的基礎(chǔ)上，利用超高性能混凝土材料自身強(qiáng)度高的特點(diǎn)，并摻入高強(qiáng)鋼纖維材料，使其擁有更高的強(qiáng)度和更好的抗開裂性能和耐久性，在滿足設(shè)計(jì)荷載的前提下，可優(yōu)化減小構(gòu)件截面，大幅度減輕構(gòu)件自重，使橋梁下部結(jié)構(gòu)承受的荷載減輕，減少下部結(jié)構(gòu)的改造費(fèi)用，同時(shí)因梁體自重的減輕，可使用輕型運(yùn)輸和起重機(jī)械在狹窄的農(nóng)村道路以及有限的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)空間中進(jìn)行運(yùn)梁、架梁施工，顯著提高施工的便利性。

2 超高性能混凝土預(yù)制梁技術(shù)的研究現(xiàn)狀

從目前的檢索結(jié)果來(lái)看，國(guó)內(nèi)外公開發(fā)表的文獻(xiàn)中，對(duì)超高性能混凝土預(yù)制梁技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容包括超高性能混凝土橋梁設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題探討，預(yù)制超高性能混凝土中承式梁?jiǎn)卧蛄航Y(jié)構(gòu)及施工方法，預(yù)制拼裝超高性能混凝土板式拱橋及其施工方法等，但未見(jiàn)超高性能混凝土預(yù)制梁在危橋改造中的應(yīng)用技術(shù)的研究?jī)?nèi)容。

3 超高性能混凝土技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及適應(yīng)范圍

該項(xiàng)目采用新型混凝土施工技術(shù)，并配合成熟的簡(jiǎn)支工字梁預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)，由工廠統(tǒng)一制梁，現(xiàn)場(chǎng)在小型起重機(jī)械的配合下即可完成吊裝，施工高效便捷。主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）結(jié)構(gòu)自重減輕。超高性能混凝土是一種新型纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，摻入鋼纖維材料，具有強(qiáng)度高、徐變小、耐久性好等諸多優(yōu)異性能。通過(guò)與成熟的預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)結(jié)合，能顯著提高超高性能混凝土構(gòu)件的抗彎承載力和開裂彎矩，在滿足同等承載力的條件下，超高性能混凝土構(gòu)件截面尺寸比傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件減小約30%，且構(gòu)件中無(wú)須配置鋼筋骨架，有效減輕構(gòu)件自重 40%～ 60%。

（2）工期短。超高性能混凝土梁由工廠集中制作養(yǎng)護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝，可實(shí)現(xiàn)下部加固與片梁同步施工。

（3）成本較低。超高性能混凝土材料由廠家在預(yù)制場(chǎng)內(nèi)集中組織生產(chǎn)，并采用輕型機(jī)械設(shè)備運(yùn)輸和吊裝，能節(jié)省預(yù)制梁建設(shè)、模板和設(shè)備費(fèi)用。

（4）使用壽命長(zhǎng)。因?yàn)槌咝阅芑炷敛牧献陨韽?qiáng)度高，并摻入高強(qiáng)鋼纖維材料，所以其抗拉、抗裂性能均優(yōu)于普通混凝土，使用壽命可達(dá)百年。

（5）施工方便快捷。使用該材料生產(chǎn)的預(yù)制梁在滿足承載能力的前提下可大幅度減小構(gòu)件的橫截面積，減輕上部梁體的自重，無(wú)須采用大噸位的機(jī)械設(shè)備運(yùn)輸?shù)跹b，可降低作業(yè)場(chǎng)地以及對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)受力的要求，能夠充分利用原有舊橋基礎(chǔ)。

綜上所述，該技術(shù)適用于多數(shù)危橋改造施工，在跨度大、水深、橋高的危橋更換上部結(jié)構(gòu)改造中，該技術(shù)更是優(yōu)選。

4 超高性能混凝土預(yù)制梁施工的主要內(nèi)容

項(xiàng)目重難點(diǎn)在于更換橋跨梁底距河床高超過(guò)21m，無(wú)法采用傳統(tǒng)搭設(shè)支架的支?，F(xiàn)澆施工方法；橋頭有超高壓電塔電線，無(wú)法采用架橋機(jī)架設(shè)傳統(tǒng)預(yù)制梁；舊橋?qū)儆谒念愇?，大型機(jī)械設(shè)備無(wú)法在舊橋上行走作業(yè)。

超高性能混凝土預(yù)制梁施工的主要內(nèi)容如下：（1）制訂合理的梁體預(yù)制、吊裝方案；（2）減少上部結(jié)構(gòu)體積、減輕自重；（3）提高梁體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，優(yōu)化梁體截面尺寸，提倡應(yīng)用超高性能混凝土。該工程采用超高性能混凝土結(jié)合預(yù)應(yīng)力技術(shù)，由場(chǎng)外預(yù)制工字簡(jiǎn)支梁，待橋梁下部墩柱加固完成后，預(yù)制梁統(tǒng)一運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，采用小型起重機(jī)械吊裝。通過(guò)優(yōu)化截面，使用新型超高強(qiáng)度混凝土澆筑制作，在保證設(shè)計(jì)荷載要求的前提下，能大幅度減小構(gòu)件體積，減輕結(jié)構(gòu)自重，充分利用橋梁原有下部結(jié)構(gòu)的承載性能，提高老橋構(gòu)件的利用率，有效節(jié)省建設(shè)成本。在梁體預(yù)制的過(guò)程中，同時(shí)可對(duì)橋梁下部墩柱進(jìn)行加固施工，實(shí)現(xiàn)上下部結(jié)構(gòu)同步施工，節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)預(yù)制場(chǎng)地的建設(shè)費(fèi)用和大型吊裝機(jī)械的使用費(fèi)用，并大幅度縮短工期。此技術(shù)的應(yīng)用可對(duì)其他農(nóng)村公路危橋的改造施工起到示范作用，滿足高效、安全、節(jié)能、節(jié)材、降耗的要求，有良好的推廣應(yīng)用前景。

5 超高性能混凝土技術(shù)的可行性論證

（1）超高性能混凝土梁截面優(yōu)化驗(yàn)算。金鯉大橋更換超高性能混凝土梁橫斷面如圖1所示。

圖1 金鯉大橋更換超高性能混凝土梁橫斷面圖

根據(jù)圖1中超高性能混凝土梁橫斷面尺寸參數(shù)，利用計(jì)算機(jī)CAD軟件輸入該梁的尺寸參數(shù)計(jì)算單片超高性能混凝土梁正截面毛面積、質(zhì)心及慣性矩，將慣性矩分別除以上下邊界到質(zhì)心的距離得到抵抗矩?cái)?shù)值。CAD軟件顯示計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 CAD軟件顯示計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算得出單片梁毛截面積S=0.15m2，截面慣性矩I=2.49×1010mm4，截面抵抗矩W=7.56×107mm3，單片梁體自重為75kN（密度為25kN/m3），超高性能混凝土梁自重為3.75kN/m。橋面系附屬構(gòu)造，恒載為12kN/m，則沿梁長(zhǎng)恒載為15.75kN/m，產(chǎn)生跨中彎矩為787.6kN·m；公路Ⅱ級(jí)兩車道均布荷載標(biāo)準(zhǔn)直接取值7.875kN/m，產(chǎn)生跨中彎矩為393.75kN·m；人群、汽車可變沖擊荷載共計(jì)750kN，產(chǎn)生跨中彎矩為7500kN·m。綜上，產(chǎn)生跨中總彎矩為787.6+393.75+7500=8681.35kN·m。超高性能混凝土梁自重恒載分布如圖2所示。

圖2 超高性能混凝土梁自重恒載分布

受壓區(qū)高度計(jì)算：設(shè)中性軸到截面上緣距離為x，受壓區(qū)高度的計(jì)算公式如下：

式中：a1由《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（2015年版）》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）（GB 50010—2010）中6.2.6章節(jié)規(guī)定取值為0.85；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取值150；As、A's為受拉區(qū)、受壓區(qū)縱向普通鋼筋的截面面積，在此不計(jì)算此項(xiàng)；Ap、A'p為受拉區(qū)、受壓區(qū)縱向預(yù)應(yīng)力筋的截面面積，按設(shè)計(jì)文件取值2×15.2mm2；σ′p0為受壓區(qū)縱向預(yù)應(yīng)力筋合力點(diǎn)處混凝土法向應(yīng)力等于零時(shí)的預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力。

代入數(shù)據(jù)解得x≈0.14m。

由圖2可知x＞，按《規(guī)范》中6.2.11章節(jié)規(guī)定，采用如下驗(yàn)算公式驗(yàn)算跨中正截面：

代入數(shù)據(jù)得到彎矩標(biāo)準(zhǔn)值M=13433.64kN·m，根據(jù)《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）中5.1.2章節(jié)相關(guān)規(guī)定及《規(guī)范》的10.1.2章節(jié)中對(duì)結(jié)構(gòu)重要系數(shù)γ0的取值說(shuō)明，該超高性能混凝土梁的荷載組合驗(yàn)算取γ0=1，最終計(jì)算得出該超高性能混凝土梁的彎矩值為8681.35kN·m，小于彎矩標(biāo)準(zhǔn)值M=13433.64kN·m。

經(jīng)上述驗(yàn)算可得到結(jié)論：該超高性能混凝土梁正截面承載力滿足公路Ⅱ級(jí)荷載要求。

（2）超高性能混凝土梁靜載試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)1∶1試驗(yàn)梁進(jìn)行壓載試驗(yàn)，檢查梁體承載能力和極限破壞強(qiáng)度，為預(yù)應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)做參考，并對(duì)驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。超高性能混凝土預(yù)制梁靜載試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖3 超高性能混凝土預(yù)制梁靜載試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)靜載試驗(yàn)可得，1∶1試驗(yàn)梁跨中下曲撓度為6.62mm，1/4跨下曲撓度為5.14mm，表面無(wú)裂縫產(chǎn)生；施加1.5倍設(shè)計(jì)極限荷載，跨中下曲撓度為9.55mm，表面無(wú)裂縫產(chǎn)生；施加2倍設(shè)計(jì)極限荷載，跨中下曲撓度為12.89mm，跨中梁底出現(xiàn)裂縫，深度為7～10mm，未完全破壞鋼筋保護(hù)層；馬蹄部出現(xiàn)剪切裂縫，深度為5～8mm。

得出如下結(jié)論：廣東省農(nóng)村公路危橋改造建設(shè)總承包項(xiàng)目1標(biāo)段超高性能混凝土工字梁在各級(jí)荷載作用下，結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)變狀態(tài)正常；位移校驗(yàn)系數(shù)、應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)和殘余變形等各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)滿足相關(guān)要求。這說(shuō)明結(jié)構(gòu)在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中處于彈性工作狀態(tài)，強(qiáng)度、剛度滿足設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)，摻入的纖維材料對(duì)超高性能混凝土的抗裂具有很好的抑制作用。

6 超高性能混凝土預(yù)制梁的工程實(shí)踐應(yīng)用

（1）制梁。該項(xiàng)目金鯉大橋預(yù)制梁主要采用長(zhǎng)度為16m、20m的標(biāo)準(zhǔn)跨徑，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙定制成套鋼模板。在完成現(xiàn)澆層預(yù)埋鋼筋、預(yù)應(yīng)力管道及驗(yàn)收合格后封模澆筑預(yù)拌超高性能混凝土。因超高性能混凝土材料加入纖維材料后較黏稠，應(yīng)延長(zhǎng)振搗時(shí)間。

（2）養(yǎng)護(hù)。采用室內(nèi)24h制7d覆蓋加熱蒸汽養(yǎng)護(hù)，在超高性能混凝土材料終凝后立即進(jìn)行。覆蓋養(yǎng)護(hù)罩內(nèi)蒸汽溫度為80～90℃，室內(nèi)空氣濕度為90%，連續(xù)養(yǎng)護(hù)7d。

（3）張拉。因超高性能混凝土材料早期強(qiáng)度非常高，配合使用蒸汽覆蓋養(yǎng)護(hù)也可使超高性能混凝土預(yù)制梁強(qiáng)度在7d養(yǎng)護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%以上，提前達(dá)到滿足預(yù)應(yīng)力筋張拉施工條件。梁體的張拉采用常規(guī)預(yù)制梁預(yù)應(yīng)力張拉方法進(jìn)行兩端張拉，以控制張拉力為主，伸長(zhǎng)量作為校核。

（4）吊梁。超高性能混凝土梁吊裝采用常規(guī)輕量吊裝方式，20m長(zhǎng)的超高性能混凝土預(yù)制梁重量?jī)H為75kN，吊裝時(shí)僅使用25t汽車吊即可滿足作業(yè)需求。

（5）超高性能混凝土預(yù)制薄板安裝。采用尺寸為97cm×100cm×3cm的預(yù)制超高性能混凝土板作為永久性模板安裝在超高性能混凝土工字梁上部，作為施工操作平臺(tái)及作混凝土澆筑承重板使用。

（6）鋼筋混凝土現(xiàn)澆層施工。以16cm厚的鋼筋混凝土現(xiàn)澆層作為橋面主要承重板，可對(duì)超高性能混凝土預(yù)制梁起到橫向連接固結(jié)作用。

超高性能混凝土梁危橋改造現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

圖4 超高性能混凝土梁危橋改造現(xiàn)場(chǎng)圖

7 超高性能混凝土技術(shù)的成果檢驗(yàn)及推廣應(yīng)用

超高性能混凝土預(yù)制梁在金鯉大橋危橋改造中的實(shí)踐證明，應(yīng)用超高性能混凝土技術(shù)使該橋避免了拆除重建，加快了橋梁改造進(jìn)度，節(jié)省了施工成本，且施工安全便捷。超高性能混凝土材料具有強(qiáng)度高、耐久性好的特點(diǎn)，在滿足承載力要求的前提下，超高性能混凝土梁可減小梁體截面尺寸，降低梁體自重，減輕下部墩柱結(jié)構(gòu)受力，使原有墩柱結(jié)構(gòu)可以得到充分利用。對(duì)于農(nóng)村危橋改造，尤其對(duì)進(jìn)場(chǎng)道路狹小、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)空間受限、下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)相對(duì)較好而上部橋跨寬度不足或橋面病害較嚴(yán)重的橋梁，將超高性能混凝土技術(shù)應(yīng)用于該類農(nóng)村危橋改造可顯著縮短工期，節(jié)省建設(shè)成本，減少場(chǎng)地的占用，緩解交通壓力?？梢?jiàn)，超高性能混凝土梁在危橋改造中的應(yīng)用技術(shù)非常成功，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，尤其在農(nóng)村危橋改造點(diǎn)多面廣、工期緊任務(wù)重、造價(jià)有限的橋梁工程中更是值得大力推廣。

8 結(jié)束語(yǔ)

金鯉大橋危橋改造實(shí)踐證明，超高性能混凝土預(yù)制梁在危橋改造中的應(yīng)用非常成功，將超高性能混凝土材料的高強(qiáng)度特性和預(yù)應(yīng)力筋的抗拉抗裂技術(shù)相結(jié)合，可在大跨度、超寬超高、輕量化上部結(jié)構(gòu)梁體工程中將多片短小超高性能混凝土預(yù)制梁通過(guò)預(yù)應(yīng)力技術(shù)組合拼裝成大跨度、超寬的輕量化橋梁板用于危橋改造，該技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。