黃鳳苗

[貴州開放大學(xué)（貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院），貴州貴陽，550001]

0 引言

大部分普通國省干線公路危橋地處偏僻，維護(hù)缺失，道路狹窄，周邊建筑分布密集，因此，普通國省干線公路危橋改造往往面臨交通運(yùn)輸不便、施工場地狹小、難以進(jìn)行大規(guī)模機(jī)械化施工的問題[1]。而常規(guī)鋼混預(yù)制梁體積大、重量大，難以運(yùn)輸，吊裝困難，無法保證施工質(zhì)量。因此，提出用超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）預(yù)制梁施工技術(shù)能有效增強(qiáng)預(yù)制梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減小其截面尺寸，無需用大型機(jī)械設(shè)備運(yùn)輸?shù)跹b，適用于場地受限的普通國省干線公路危橋改造，具有良好的工程推廣應(yīng)用價(jià)值[2]。

1 工程概況

某縣集中開展普通國省干線公路危橋改造，擬改造危橋總計(jì)15座。橋梁上部統(tǒng)一為常規(guī)鋼混混凝土T形梁，下部統(tǒng)一為雙柱橋墩，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁。基于實(shí)地勘測與靜載試驗(yàn)結(jié)果，橋梁屬于Ⅳ類橋，其左幅T梁部位受損，需對橋梁左幅0#、1#、3#、7#跨上部梁體進(jìn)行替換，以保證橋梁荷載滿足公路Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

該縣普通國省干線公路危橋改造工程主要材料為高強(qiáng)度的高性能混凝土，通過摻加鋼纖維進(jìn)一步提高高性能混凝土的強(qiáng)度、耐久性。確保負(fù)荷設(shè)計(jì)荷載要求的基礎(chǔ)上適當(dāng)縮小高性能混凝土預(yù)制梁截面尺寸，有效降低梁體重量，減輕橋下部所受荷載。由于梁自重減少，無需大型運(yùn)輸?shù)跹b設(shè)備，有效克服普通國省干線公路狹窄、施工場地狹小問題，提高施工效率。

2 超高性能混凝土技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

該普通國省干線公路危橋改造工程采用UHPC材料預(yù)制梁技術(shù)，輔以簡支T梁施工工藝，梁體事先工廠預(yù)制，再運(yùn)輸至改造施工現(xiàn)場利用小型吊機(jī)進(jìn)行吊裝，作業(yè)效率高，主要優(yōu)點(diǎn)包括：

（1）梁體更輕。UHPC中摻加鋼纖維，自重小，強(qiáng)度高、耐用抗開裂。配合運(yùn)用成熟的簡支預(yù)應(yīng)力T梁施工工藝，可有效增加梁體的抗彎能力，承載力大小不變時(shí)，UHPC構(gòu)件截面相較常規(guī)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件截面縮小30%左右，且UHPC構(gòu)件無需內(nèi)置鋼框架，可進(jìn)一步降低自身重量約40%～60%。

（2）施工效率高。UHPC材料預(yù)制梁一般在工廠預(yù)先制作好再運(yùn)輸至危橋改造施工現(xiàn)場,通過小型吊機(jī)進(jìn)行吊裝，同時(shí)橋梁下部加固與片梁施工可同步進(jìn)行。

（3）施工成本更低。由于UHPC材料預(yù)制梁均在工廠預(yù)制，便于生產(chǎn)調(diào)度，通過小型運(yùn)輸車輪和吊機(jī)即可完成預(yù)制梁的運(yùn)輸和吊裝，從而有效降低普通國省干線公路危橋改造施工成本[3]。

（4）材料耐久性更好。UHPC材料強(qiáng)度高，且添加了鋼纖維，進(jìn)一步提升其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗開裂、耐久性，平均使用年限長達(dá)百年。

（5）施工更加便捷。相比傳統(tǒng)鋼筋混凝土預(yù)制梁，UHPC材料制作的預(yù)制梁可以輕巧的梁體滿足同樣的承載能力要求，不需要大型機(jī)械運(yùn)輸與吊裝設(shè)備，更好地適應(yīng)普通國省干線公路危橋改造施工環(huán)境，有效減少橋梁下部所受載荷。

由此可見，UHPC材料預(yù)制梁施工技術(shù)搭配簡支T梁施工工藝可更好地滿足大部分普通國省干線公路危橋改造施工要求，特別是對于大跨徑、深水位、高橋面的普通國省干線公路危橋上部結(jié)構(gòu)改造工程，優(yōu)勢更加明顯。

3 超高性能混凝土預(yù)制梁施工方案

3.1 施工難點(diǎn)

該縣普通國省干線公路改造工程施工難點(diǎn)主要是需替換的橋跨梁底距離河床22 m以上，常規(guī)支架支模現(xiàn)澆施工工藝不適用；且橋梁一端建有超高壓電塔，不能架設(shè)橋機(jī)，無法吊裝傳統(tǒng)鋼筋混凝土預(yù)制梁；該橋?yàn)棰纛愇颍瑯蛎鏌o法承受大型機(jī)械施工設(shè)備。

3.2 總體施工方案

UHPC材料預(yù)制梁施工技術(shù)方案主要包括:

（1）結(jié)合實(shí)際情況制定有效合理梁體預(yù)制、吊裝流程。

（2）盡量縮小梁體截面大小、降低自身重量。

（3）增強(qiáng)梁體強(qiáng)度、耐久性、抗開裂能力[4]。

該縣普通國省干線公路危橋改造工程采用UHPC+簡支T梁預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)，簡支T梁先在場外預(yù)制，加固橋墩后，可將預(yù)制T梁運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，再通過小型吊機(jī)完成吊裝。

3.3 超高性能混凝土預(yù)制梁技術(shù)要點(diǎn)

（1）UHPC梁預(yù)制。該普通國省干線公路危橋預(yù)制梁長18 m、跨徑22 m，按照改造施工圖紙制作配套的鋼模板。由于UHPC材料摻加鋼纖維后黏度增加，應(yīng)適當(dāng)增加UHPC振搗時(shí)間。

（2）UHPC梁養(yǎng)護(hù)。在室內(nèi)進(jìn)行蒸汽覆蓋養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為24 h×7 d。蒸汽溫度控制在80～90 ℃之間，養(yǎng)護(hù)室內(nèi)濕度控制在90%，不間斷養(yǎng)護(hù)7 d。

（3）UHPC材料預(yù)制梁體張拉。由于UHPC材料初始強(qiáng)度很高，通過24 h×7 d蒸汽養(yǎng)護(hù)可確保UHPC材料預(yù)制梁強(qiáng)度滿足強(qiáng)度要求（不低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%）。UHPC材料預(yù)制梁體張拉可通過常規(guī)預(yù)應(yīng)力張拉方式在梁體兩端同時(shí)張拉，合理控制張拉力大小，基于UHPC材料預(yù)制梁體伸長量檢驗(yàn)張拉效果。

（4）UHPC材料預(yù)制梁吊裝。UHPC材料預(yù)制梁吊裝作業(yè)采用小型吊機(jī)吊裝，長18 m的UHPC材料預(yù)制梁僅重80 kN，因此，只需使用25 t級(jí)的小型吊機(jī)即可完成梁體吊裝[5]。

（5）鋼筋混凝土現(xiàn)澆層施工。橋面現(xiàn)場澆筑厚17 cm鋼筋混凝土現(xiàn)澆層，主要作用是承受重力載荷，同時(shí)連接固結(jié)UHPC材料預(yù)制梁。

4 超高性能混凝土技術(shù)的可行性

4.1 超高性能混凝土預(yù)制梁截面優(yōu)化驗(yàn)算

該縣普通國省干線公路危橋上部構(gòu)造UHPC梁組合圖、單個(gè)UHPC截面尺寸參數(shù)分別見圖1、圖2。

圖1 某大橋上部構(gòu)造UHPC梁組合圖（單位：cm）

圖2 單個(gè)UHPC截面尺寸參數(shù)圖（單位：mm）

據(jù)圖可知，在CAD中輸入U(xiǎn)HPC材料預(yù)制梁尺寸數(shù)據(jù)，求得單個(gè)UHPC材料預(yù)制梁質(zhì)心和正截面面積及慣性矩。通過計(jì)算機(jī)CAD軟件輸出計(jì)算結(jié)果，具體見表1。

表1 CAD軟件顯示計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算可知：（1）單個(gè)UHPC材料預(yù)制梁慣性矩I=2.49×1010mm4、毛截面積為S=0.15 m2，抵抗矩W=7.56×107mm3，單個(gè)UHPC材料預(yù)制梁體自身重量為80 kN；恒載3.85 kN/m。

（2）橋面為附屬構(gòu)造，恒載13 kN/m，順梁長恒載15.86 kN/m，跨中彎矩798.7 kN·m。

根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范可知公路Ⅱ級(jí)雙車道均布荷載、跨中彎矩、人車可變沖擊荷載、跨中彎矩分別為7.875 kN/m、393.75 kN·m、765 kN、7 500 kN·m。由此得到產(chǎn)生跨中總彎矩為798.7+393.75+7 500=8 692.45 kN·m。UHPC材料預(yù)制梁自重恒載分布見圖3。

圖3 UHPC梁自重恒載分布

若中性軸與截面上緣的間距為x，受壓區(qū)高度可通過下列公式求解:

式中，1a根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（2015年版）》取0.85；fc——混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取150；sA、——受拉、受壓區(qū)縱向普通鋼筋截面積；Ap、——受拉、受壓區(qū)縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋截面積，根據(jù)施工設(shè)計(jì)要求取2×15.2 mm2；——受壓區(qū)縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋合力點(diǎn)位置的混凝土法向應(yīng)力為0時(shí)對應(yīng)的預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力。

將上述參數(shù)數(shù)值導(dǎo)入公式求得x約為0.14 m。

根據(jù)圖2可得x＞hf，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（2015年版）》可知通過下列公式可驗(yàn)算跨中正截面:

將相應(yīng)數(shù)值導(dǎo)入公式可求得彎矩標(biāo)準(zhǔn)值M=13 433.64 kN·m，按照《橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG3362—2018）的相關(guān)規(guī)定，該縣危橋改造工程采用的UHPC材料預(yù)制梁體荷載組合驗(yàn)算取γ0=1，求得該UHPC材料預(yù)制梁彎矩大小為8 692.45 kN·m，小于彎矩標(biāo)準(zhǔn)值。通過驗(yàn)算可知該縣危橋改造工程使用的UHPC材料預(yù)制梁正截面承載力滿足公路Ⅱ級(jí)荷載要求。

4.2 超高性能混凝土梁靜載試驗(yàn)

為驗(yàn)證UHPC材料預(yù)制梁承載能力及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，需對預(yù)制梁進(jìn)行壓載試驗(yàn)，為預(yù)制梁預(yù)應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，并檢驗(yàn)驗(yàn)算結(jié)果的正確性[6]。

（1）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：試驗(yàn)UHPC材料預(yù)制梁跨中下曲撓度6.73 mm，1/4跨下曲撓度5.25 mm，表面未發(fā)現(xiàn)開裂；將荷載增加至設(shè)計(jì)值的1.5倍，測得跨中下曲撓度9.66 mm，表面未發(fā)現(xiàn)開裂；將荷載增加至設(shè)計(jì)值的2倍，跨中下曲撓度12.99 mm，梁體底部出現(xiàn)深8～11 mm的裂縫，但鋼筋保護(hù)層僅局部破壞；馬蹄部位發(fā)現(xiàn)深6～9 mm的剪切裂縫。

（2）由此可知：該縣普通國省干線公路危橋改造工程使用的UHPC材料預(yù)制梁在不同荷載作用下，結(jié)構(gòu)變形于應(yīng)變狀態(tài)符合標(biāo)準(zhǔn)；添加的鋼纖維對UHPC材料的抗開裂能力具有顯著的增強(qiáng)作用。

5 超高性能混凝土技術(shù)的效果檢驗(yàn)

該縣普通國省干線公路危橋改造工程實(shí)踐表明合理運(yùn)用UHPC材料預(yù)制梁施工技術(shù)可以有效減少橋梁改造工程量，提升改造施工效率，同時(shí)降低施工成本，確保施工安全。

（1）UHPC材料自身強(qiáng)度高、耐久性、抗開裂性能良好，和傳統(tǒng)鋼筋混凝土梁相比，尺寸更小，重量更輕，能滿足承載力要求，同時(shí)可降低橋梁下部墩柱構(gòu)件所受載荷。

（2）UHPC材料預(yù)制梁施工技術(shù)適用于交通不便、施工場地狹小的普通國省干線公路危橋改造工程，尤其是基礎(chǔ)較好，但上部橋跨狹窄或橋面病害嚴(yán)重的橋梁，運(yùn)用UHPC材料預(yù)制梁施工技術(shù)可加快施工進(jìn)度，降低施工成本，同時(shí)減少場地占用，最大限度地減少施工對交通的影響。

（3）UHPC材料預(yù)制梁在危橋改造工程中的應(yīng)用效果良好，獲得了較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，特別是在施工環(huán)節(jié)復(fù)雜、施工進(jìn)度緊張、任務(wù)繁重、工程預(yù)算有限的橋梁改造工程中值得推廣。

6 結(jié)論

該縣普通國省干線公路危橋改造工程實(shí)踐表明，UHPC材料預(yù)制梁技術(shù)應(yīng)用效果良好，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）在滿足相同荷載要求前提下，UHPC材料預(yù)制梁構(gòu)件體積更小，自重更輕，可節(jié)約改造施工成本。

（2）預(yù)制，UHPC材料梁體時(shí)可實(shí)現(xiàn)橋梁上下部結(jié)構(gòu)同步施工，有效節(jié)約臨時(shí)預(yù)制場地建設(shè)費(fèi)用，避免大型運(yùn)輸?shù)跹b機(jī)械設(shè)備的使用，顯著提升施工效率。

（3）UHPC材料預(yù)制梁技術(shù)應(yīng)用可為類似的普通國省干線公路危橋改造施工提供一定的技術(shù)參考，滿足高效、安全、節(jié)能、節(jié)材、降耗要求，推廣應(yīng)用價(jià)值較高。

（4）結(jié)合UHPC材料高強(qiáng)度及預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉抗裂技術(shù)，可減少橋梁上部結(jié)構(gòu)自重。通過預(yù)應(yīng)力技術(shù)組合可將多片UHPC材料預(yù)制梁拼裝成較大跨度，方便加寬橋面梁板，提高危橋整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，該技術(shù)應(yīng)用前景廣闊。