超高性能混凝土（UHPC）π型梁人行天橋設(shè)計(jì)與施工

吳 亮，陳洪偉

（創(chuàng)輝達(dá)設(shè)計(jì)股份有限公司，湖南 長沙 410219）

0 引言

隨著橋梁技術(shù)的發(fā)展，市政項(xiàng)目尤其在城市快速化改造項(xiàng)目中，為了最大限度減小對地面交通及周邊環(huán)境的影響，同時(shí)兼顧一定的景觀效果，對于過街人行天橋結(jié)構(gòu)提出了“快速施工、輕巧美觀”的要求。常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)笨重、造型單調(diào)、耐久性差；鋼結(jié)構(gòu)造價(jià)高、現(xiàn)場拼接質(zhì)量難控制、防腐疲勞問題突出；具備良好力學(xué)性能且質(zhì)量較輕、易于架設(shè)安裝的超高性能混凝土（UHPC）結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生[1]。目前，加拿大、法國、馬來西亞等國家已建成多座結(jié)構(gòu)型式各異的UHPC 橋梁，國內(nèi)UHPC 橋梁研究應(yīng)用稍晚些，將UHPC 材料應(yīng)用到橋梁主體受力結(jié)構(gòu)中的工程案例較少，大多處于探索、研究階段[2]。以下主要介紹超高性能混凝土結(jié)構(gòu)（UHPC）在湘潭“兩干”項(xiàng)目人行天橋中的大面積實(shí)際應(yīng)用情況。

1 工程概況

湖南省湘潭市已建成通車的潭州大道（湘潭段）（14.7 km）、芙蓉大道（湘潭段）（12 km）快速化改造項(xiàng)目，屬于湖南省委、省政府部署安排開展“三干兩軌”項(xiàng)目，是連接湘潭與長沙高、快速路網(wǎng)的關(guān)鍵項(xiàng)目，均采用一級公路標(biāo)準(zhǔn)兼顧城市快速道路功能。全線共設(shè)18 座人行天橋，原設(shè)計(jì)為鋼結(jié)構(gòu)人行天橋，建設(shè)單位為優(yōu)化建設(shè)成本并推廣使用新材料，變更為UHPC 結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了UHPC 在國內(nèi)人行天橋主體受力結(jié)構(gòu)中首次大規(guī)模應(yīng)用。

本項(xiàng)目于2020 年10 月建成并投入使用。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體布置

本項(xiàng)目人行天橋的設(shè)置旨在解決行人立體過街需求。根據(jù)道路總體布置，于側(cè)分帶立墩，以減小橋梁跨徑，采用兩跨或三跨等高簡支超高性能混凝土（UHPC）結(jié)構(gòu)，中跨跨越行車道，典型跨徑為34 m，橋面凈寬3 m，兩側(cè)各20 cm 欄桿，總寬3.4 m；橋墩采用帶擴(kuò)頭的普通鋼筋混凝土花瓶墩，為保持外觀材質(zhì)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，梯道采用普通混凝土結(jié)構(gòu)，下部基礎(chǔ)均為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋面鋪裝采用水泥砂漿+3 cm 火燒面防滑花崗巖瓷磚。人行天橋典型立面布置圖如圖1所示。

圖1 人行天橋典型立面布置圖（單位：cm）

2.2 主梁構(gòu)造

主梁采用經(jīng)濟(jì)、受力狀態(tài)好且易于架設(shè)的π 型截面[3]，由兩片單T 梁通過濕接縫及橫隔板連接而成，π 型梁為整體整跨架設(shè)，無需現(xiàn)場連接，亦無需搭設(shè)支架或臨時(shí)墩，施工便捷。

π 型梁梁高1.6 m，支座處及跨中各設(shè)置一道橫隔板，橫隔板高147.5 cm，厚15 cm。π 型梁頂板寬3.4 m，頂板厚10 cm，濕接縫寬30 cm?？缰薪孛嫒鐖D2 所示，頂板與腹板加液尺寸為37 cm×10 cm，腹板厚16 cm，馬蹄寬40 cm，高12.5 cm；支點(diǎn)截面如圖3 所示，頂板與腹板加液尺寸為35 cm×20 cm，腹板厚20 cm，馬蹄寬40 cm，高45 cm。距梁端1 m 位置腹板厚度開始變化，變化長度為2 m。

圖2 主梁跨中截面（單位：cm）

圖3 主梁支點(diǎn)截面（單位：cm）

中跨34 m 跨徑，縱橋向分三段預(yù)制，各梁段間結(jié)合面采用剪力鍵齒和環(huán)氧樹脂接縫，在預(yù)壓狀態(tài)下拼接為整體，其中最大節(jié)段長度約13 m。

2.3 預(yù)應(yīng)力布置

主梁為預(yù)應(yīng)力UHPC π 型簡支梁，采用體內(nèi)預(yù)應(yīng)力體系，縱橋向按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。π 型梁縱向預(yù)應(yīng)力采用φs15.2 鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，錨下張拉控制應(yīng)力1 302 MPa，采用塑料波紋管成孔真空壓漿，錨具采用與之配套的夾片錨。典型34 m 跨徑，頂板設(shè)置兩孔7 根φs15.2 鋼絞線，底板設(shè)置兩孔15 根φs15.2 鋼絞線，均設(shè)置于腹板中心線，待兩片T 梁形成π 型梁且UHPC 強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的85%時(shí)，方可兩端對稱張拉鋼絞線，鋼束張拉順序?yàn)镹1→N2。主梁預(yù)應(yīng)力布置斷面圖如圖4、圖5 所示。

圖4 跨中截面預(yù)應(yīng)力布置圖（單位：cm）

圖5 支點(diǎn)截面預(yù)應(yīng)力布置圖（單位：cm）

2.4 普通鋼筋配置

主梁為預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，全截面受壓，縱向普通鋼筋不參與受力，僅滿足最低構(gòu)造要求配置普通鋼筋。梁底縱筋直徑16 mm，其余縱筋直徑10 mm，間距130～200 mm，橋面板橫向鋼筋直徑12 mm，間距200～400 mm，腹板設(shè)雙肢箍，箍筋直徑10 mm，跨中間距400 mm，支點(diǎn)位置加密至200 mm，以滿足抗剪承載力要求。

3 UHPC 材料參數(shù)

與常規(guī)混凝土材料相比，UHPC 材料的組分去除了粒徑大于1 mm 的粗骨料，代之以石英砂、石英粉，并摻入一定比例的粉煤灰、硅灰、高效減水劑和鋼纖維，進(jìn)而形成一種低孔隙率、低水膠比、含有較高比例微細(xì)短鋼纖維的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，具有超高強(qiáng)度、超高韌性、低滲透性和高體積穩(wěn)定性等性能特點(diǎn)[4]，抗壓強(qiáng)度是常規(guī)混凝土的2 倍以上，軸拉強(qiáng)度是4 倍以上，彎折強(qiáng)度是6 倍以上。

本項(xiàng)目UHPC 材料，規(guī)格為RPC140,其力學(xué)指標(biāo)依據(jù)湖南省地方標(biāo)準(zhǔn)《活性粉末混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（DBJ43/T 325—2017）取值，纖維采用鍍銅鋼纖維，抗拉強(qiáng)度≥2 000 MPa，規(guī)格為0.2 mm×20 mm，體積摻量取2%。具體參數(shù)見表1。

表1 RP C140 力學(xué)指標(biāo)匯總 單位：MPa

4 計(jì)算分析

4.1 承載能力極限狀態(tài)

構(gòu)件正截面承載能力應(yīng)按下列基本假定計(jì)算：

（1）構(gòu)件彎曲后,其變形后仍然為平面,并且同變形后的桿件軸線垂直；

（2）截面受拉超高性能混凝土的抗拉強(qiáng)度不予考慮；

（3）縱向體內(nèi)鋼筋的應(yīng)力等于鋼筋應(yīng)變與其彈性模量的乘積。

斜截面抗剪承載力的計(jì)算按式（1）計(jì)算：

其斜截面抗剪承載能力Vu應(yīng)按式（2）計(jì)算：

式中：γ0為橋梁結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)；Vd為剪力組合設(shè)計(jì)值；Vu為構(gòu)件斜截面抗剪承載能力；Vc為超高性能混凝土基體抗剪承載力設(shè)計(jì)值；Vf為構(gòu)件斜截面上纖維抗剪承載力設(shè)計(jì)值；Vp為構(gòu)件斜截面上預(yù)應(yīng)力彎起鋼筋抗剪承載力設(shè)計(jì)值。

其中，超高性能混凝土基體抗剪承載力設(shè)計(jì)值Vc：

式中：fcuk為立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,按本文表1 取值；b 為矩形截面寬度或T 形截面腹板寬度；z 為彎矩作用下構(gòu)件的內(nèi)力臂，取z=0.9 h0；h0為截面受壓邊緣到縱向受拉鋼筋的距離，取h0=7/8h；kN為荷載或預(yù)應(yīng)力提高系數(shù)；γc為超高性能混凝土材料分項(xiàng)系數(shù)，取1.45。

纖維抗剪承載力設(shè)計(jì)值Vf：

式中：εu為承載能力極限狀態(tài)最大彎拉應(yīng)變計(jì)算值；εu，lim為超高性能混凝土抗拉極限應(yīng)變；εel為超高性能混凝土彈性極限應(yīng)變。

預(yù)應(yīng)力彎起鋼筋抗剪承載力設(shè)計(jì)值Vp：

式中：fpd，i為體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Ap，i為斜截面內(nèi)彎起體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼筋的截面面積；θp，i為體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋彎起鋼筋（在斜截面受壓端正截面處）的切線與水平線夾角。

矩形、T 形和1 形截面的受彎構(gòu)件,其抗剪截面尺寸應(yīng)符合下列要求：

式中：αcc為荷載長期效應(yīng)系數(shù)，取0.85；γc為超高性能混凝土材料分項(xiàng)系數(shù)，取1.45；b 為腹板厚度；z 為彎矩作用下構(gòu)件的內(nèi)力臂，取z=0.9 h0；fcuk為立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；θ 為臨界斜裂縫與梁軸線間夾角，建議取值不小于30°。

抗彎承載能力依據(jù)湖南省地方標(biāo)準(zhǔn)《活性粉末混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（DBJ43/T 325—2017）相關(guān)條文公式計(jì)算，從模型提取內(nèi)力進(jìn)行驗(yàn)算，具體結(jié)果見表2。

表2 抗彎、抗剪承載能力驗(yàn)算

由表2 驗(yàn)算結(jié)果可知，主梁正截面抗彎承載力、斜截面抗剪承載力均滿足規(guī)范要求。

4.2 正常使用極限狀態(tài)

本項(xiàng)目主梁為預(yù)應(yīng)力UHPC π 型簡支梁，受力模式簡單，采用MIDAS Civil 2020 軟件建立34 m 典型跨徑主梁單梁模型，模擬了各施工過程及運(yùn)營階段受力情況，主梁按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。主梁有限元模型如圖6、圖7 所示。

圖6 π 型梁上緣應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

圖7 π 型梁下緣應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

從以上計(jì)算結(jié)果可得，持久狀況正常使用極限狀態(tài)正截面上、下緣均為壓應(yīng)力，表明主梁全截面處于受壓狀態(tài)，跨中下緣壓應(yīng)力儲備3 MPa。

同時(shí)采用MIDAS FEA 3.7.0 軟件建立34 m 典型跨徑主梁實(shí)體模型與單梁模型進(jìn)行對照驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)實(shí)體模型跨中下緣壓應(yīng)力儲備為2.5 MPa 與單梁模型結(jié)果相近，表明UHPC π 型簡支梁受力滿足平截面假定等初等材料力學(xué)假定，單梁模型計(jì)算結(jié)果可滿足工程要求。

5 施工過程

UHPC 優(yōu)越的工程使用性能，得益于其各組分適當(dāng)?shù)呐浜媳纫约案邷卣羝B(yǎng)護(hù)，其施工要求較常規(guī)混凝土嚴(yán)格許多，現(xiàn)場澆筑條件有限，質(zhì)量難以保證，所以一般為工廠預(yù)制成品。

本項(xiàng)目UHPC 材料配合比設(shè)計(jì)符合《活性粉末混凝土》（GB/T 31387—2015）要求，并達(dá)到設(shè)計(jì)需求的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)。UHPC 材料原材料、攪拌、運(yùn)輸、澆筑、養(yǎng)護(hù)等符合湖南省地方標(biāo)準(zhǔn)《活性粉末混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（DBJ43/T 325—2017）相關(guān)要求。

主要施工步驟[5]為：

（1）在工廠分節(jié)段預(yù)制UHPC 梁，并蒸汽養(yǎng)護(hù)成型；

（2）節(jié)段臨時(shí)拼裝，在接縫處采用硅酮硫密封膠，安裝預(yù)應(yīng)力管道密封圈，移動待拼梁段，準(zhǔn)確對位拼接，初張拉使環(huán)氧樹脂在不小于0.3 MPa 的壓力下固化；

（3）澆筑濕接縫，形成π 型梁；

（4）對稱張拉預(yù)應(yīng)力，壓漿封錨；

（5）運(yùn)輸、整孔吊裝就位；

（6）施工橋面系及附屬設(shè)施。

主要施工過程現(xiàn)場照片如圖8、圖9 所示。

圖8 綁扎鋼筋

圖9 π 型梁成型

6 結(jié)語

超高性能混凝土（UHPC）材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，在橋梁工程中的實(shí)踐案例越來越多。本項(xiàng)目首次在橋梁主體結(jié)構(gòu)中大規(guī)模應(yīng)用了UHPC，取得了一定成效——不到40 天時(shí)間，18 座人行天橋主梁全部架設(shè)完畢，縮短了工期；相比原設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)天橋，建安費(fèi)節(jié)約了約10%，建設(shè)效果良好。表明UHPCπ 型梁是一種有競爭力的人行天橋方案，特別是大規(guī)模應(yīng)用時(shí)，相比鋼結(jié)構(gòu)有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景。