劉敏劍

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣州 510507）

1 超高性能混凝土( UHPC) 概況

超高性能混凝土（UHPC）系抗壓強(qiáng)度在150 MPa 以上，并具有超高韌性、超長(zhǎng)耐久性和體積穩(wěn)定性良好的水泥基復(fù)合材料的統(tǒng)稱[1]。其依照最大堆積密度原理配制，各組分之間相互填充，從而使材料內(nèi)部的缺陷減至最少[2]。同時(shí)，通過(guò)添加纖維，改善材料的強(qiáng)度與變形性能[3]。UHPC 不僅具有超高的力學(xué)性能，也具有超高的耐久性能。同時(shí)，采用高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)，UHPC 的收縮基本為零，徐變系數(shù)僅為普通混凝土的20%左右[4]?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，UHPC 一經(jīng)問世，便得到土木工程領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，近年來(lái)更是在橋梁工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

但UHPC 也存在成本較高，制作工藝要求高、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的滯后等缺點(diǎn)，這些因素導(dǎo)致UHPC 在橋梁工程領(lǐng)域雖有一定發(fā)展，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法普及和廣泛應(yīng)用。

近年來(lái)，UHPC 的材料性研究已經(jīng)趨于成熟，國(guó)內(nèi)UHPC標(biāo)準(zhǔn)化工作密集展開并進(jìn)入快速發(fā)展階段?，F(xiàn)已編制并頒布的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范包括國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》、廣東省團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/GDHS 003—2021《無(wú)腹筋預(yù)應(yīng)力超高性能混凝土梁橋技術(shù)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)[5，6]。在此背景下，國(guó)內(nèi)的UHPC 應(yīng)用也逐步應(yīng)用于橋梁工程主體結(jié)構(gòu)中。本文以某天橋?yàn)楸尘?，?duì)中小跨徑人行天橋的UHPC 預(yù)制梁進(jìn)行研究，從斷面形式、材料組成進(jìn)行分析比選，最終得到受力合理、施工方便、經(jīng)濟(jì)性好的方案。

2 工程概況

某新建一級(jí)公路擬建人行天橋，跨徑布置為（1.5+24.5）+（24.5+1.5）=52 m，橋面凈寬為4 m。橋型布置如圖1 所示。（下部為UHPC 預(yù)制的U 梁，上部為現(xiàn)澆或預(yù)制的普通混凝土橋面板）。

圖1 總體布置圖（單位：cm）

研究表明，受彎梁在充分利用UHPC 的抗拉強(qiáng)度工況下，其受拉邊緣UHPC 拉應(yīng)變達(dá)到3 倍極限拉應(yīng)變，而此時(shí)其受壓邊緣尚未達(dá)到抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度。因此，對(duì)于受彎構(gòu)件，

3 UHPC預(yù)制梁方案

3.1 方案比選

3.1.1 截面形式比選

在馬來(lái)西亞已建成的93 座UHPC 橋梁中，可分為4 種主梁類型：全截面UHPC-T 梁、全截面UHPC 箱梁、全截面UHPC 槽形梁以及UHPC-NC 組合梁[7]。根據(jù)人行天橋特點(diǎn)，分別擬定T 形梁、箱梁和下承式槽形梁截面，如圖2 所示。

圖2 截面形式比選（單位：cm）

在同等材料用量下，T 形梁與箱梁的抗彎能力及梁高相當(dāng)，槽形梁抗彎能力稍差。而箱梁截面的抗扭能力要顯著優(yōu)于T 形梁及槽形梁截面；開口截面不需要內(nèi)模板，施工較為簡(jiǎn)便。從景觀性考慮，槽形梁將腹板置于橋面板上，行人過(guò)橋時(shí)通透性較差，稍顯壓抑。而箱梁梁底較為規(guī)整，景觀性比T 形梁截面稍好。

綜上，箱梁截面較優(yōu)。

3.1.2 材料比選

箱型截面可分為全截面UHPC 梁和UHPC-NC 組合梁當(dāng)其受拉鋼筋屈服時(shí)，UHPC 受壓側(cè)抗壓強(qiáng)度未能充分發(fā)揮[8]。另UHPC 材料單價(jià)高，可采用較廉價(jià)的NC 橋面板替換部分受壓區(qū)UHPC，從而達(dá)到充分利用材料性能，達(dá)到最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性的目的。因此，截面材料選擇UHPC-NC 組合梁方案。

3.2 主梁設(shè)計(jì)

主橋采用2 跨預(yù)應(yīng)力UHPC-NC 組合梁，由UHPC 節(jié)段預(yù)制U 梁及C50 混凝土預(yù)制板組成。U 梁采用節(jié)段預(yù)制拼裝工藝，在工廠預(yù)制養(yǎng)護(hù)，能保證質(zhì)量，減小收縮徐變，同時(shí)減輕節(jié)段自重。養(yǎng)護(hù)完成后再運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝施工，主梁拼裝并張拉預(yù)應(yīng)力完成后再鋪設(shè)預(yù)制橋面板，形成整體后吊裝就位。

UHPC-NC 組合梁梁高1.1 m，頂寬4 m，底寬1.8 m，頂板懸臂長(zhǎng)度0.75 m?？缰械装搴?8 cm。全跨頂板厚15 cm，腹板厚12 cm。頂?shù)装宀贾妙A(yù)應(yīng)力，頂板采用2 束15-3 鋼束，底板采用4 束15-12 鋼束。作為對(duì)比，擬定同等跨徑橋?qū)挼腘C 梁。NC 梁梁高1.4 m，頂寬4 m，底寬1.8 m，頂板懸臂長(zhǎng)度0.75 m?？缰械装搴?8 cm，腹板厚20 cm。全跨頂板厚18 cm。腹板布置預(yù)應(yīng)力，布置6 束15-4 鋼束，4 束15-3 鋼束。主梁橫斷面如圖3 所示。

圖3 UHPC-NC組合梁與NC梁構(gòu)造（單位：cm）

2 種方案主梁的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較詳見表1。對(duì)比可知，UHPC-NC 組合梁自重大大減輕，為NC 梁的76%，普通鋼筋約為NC 梁的72%。較輕的自重和較少的鋼筋用量可方便預(yù)制結(jié)構(gòu)加工運(yùn)輸及快速施工。同時(shí)，橋位位于高烈度地震地區(qū)，較輕的上部結(jié)構(gòu)自重可減小下部結(jié)構(gòu)規(guī)模。

表1 UHPC-NC組合梁與NC梁材料用量對(duì)比

4 有限元計(jì)算

4.1 有限元模型

UHPC-NC 組合梁采用Midas Civil 建立梁?jiǎn)卧Ｐ停捎秒p單元法模擬組合梁，并根據(jù)實(shí)際施工流程對(duì)主梁受力進(jìn)行模擬。共采用102 個(gè)單元，112 個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型如圖4所示。

圖4 單跨簡(jiǎn)支梁模型

4.2 材料參數(shù)選取

UHPC 采用UC140 混凝土，NC 橋面板采用C50 混凝土。根據(jù)文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[9]，UC140 和C50 的材料參數(shù)取值見表2。UC140 混凝土采用高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)，徐變系數(shù)可取0.2。材料計(jì)算參數(shù)如表2 所示。

表2 UC140 混凝土及C50 混凝土材料參數(shù)

4.3 UHPC-NC組合箱梁承載能力計(jì)算理論

UHPC-NC 組合箱梁受彎破壞經(jīng)歷彈性階段、裂縫開展階段和破壞階段。開裂后，受拉區(qū)應(yīng)力主要由預(yù)應(yīng)力筋承擔(dān)?？缰薪孛娴幕炷翍?yīng)變基本符合平截面假定，且U 梁與頂板協(xié)同工作性能良好[10]。因此，組合箱梁正截面抗彎承載能力計(jì)算可采用文獻(xiàn)[6]和[9]中的公式，對(duì)接縫截面考慮折減。

法國(guó)規(guī)范指出，預(yù)應(yīng)力UHPC 梁的斜截面抗剪由4 個(gè)部分組成：混凝土基體抗剪、纖維抗剪、箍筋抗剪及預(yù)應(yīng)力抗剪。組合箱梁斜截面抗剪承載力計(jì)算可采用文獻(xiàn)[6]中公式。

4.4 計(jì)算結(jié)果

1）持久狀況承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，計(jì)算得到基本組合下主梁跨中最大彎矩為4 445 kN·m，抗力值為10 216 kN·m。梁端最大剪力970 kN，抗力值為1451 kN，其中，基體和纖維抗剪合計(jì)927 kN，可考慮進(jìn)一步減少抗剪箍筋，進(jìn)而降低工程造價(jià)。

2）持久狀況正常使用極限狀態(tài)計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，計(jì)算得到頻遇組合正截面應(yīng)力為-4.9 MPa，斜截面應(yīng)力為0.7 MPa。最大正截面壓應(yīng)力為-26 MPa，斜截面主壓應(yīng)力為-26 MPa，均滿足要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某人行天橋?yàn)楸尘?，從斷面形式、材料組成進(jìn)行分析比選，最終得到受力合理、施工方便、經(jīng)濟(jì)性好的方案。并提出同跨徑橋?qū)挼腘C 箱梁方案進(jìn)行對(duì)比，UHPC 箱梁能顯著減輕上部結(jié)構(gòu)自重，減少普鋼用量，施工運(yùn)輸便捷快速。